变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术研究

5 双馈发电机的并网与励磁控制

5.1 引言

在电力系统运行过程中，经常需要把发电机接入电力系统并列运行。因此，发电机的并网运行直接关系到电力系统运行的稳定性和发电机的安全性。目前，实现发电机并网的方式有两种，一种被称为准同期方式，另一种被称为自同期方式。准同期方式是将已经励磁的发电机在达到同期条件后并入电网；自同期方式则是将没有被励磁的发电机在达到额定转速时并入电网，随即给发电机加上励磁，接着转子被拉入同步。自同期方式由于当发电机合闸时，冲击电流较大，母线电压跌落较多而很少采用。因此，现在发电机的主要并网方式为准同期方式，它能控制发电机快速满足准同期条件，从而实现准确、安全并网。

显然，双馈发电机如果采用准同期方式并网，则与普通同步发电机的并网过程完全一致，当满足并网条件的时进行并网操作，并网成功后双馈发电机控制策略从并网控制切换到正常发电控制模式。为此，本章引入滑差电压的概念，在分析常规发电机获得并网条件的基础上，研究了双馈发电机的空载并网励磁控制策略。最后，针对发电机常规并网方式的缺点，提出了一种双馈发电机的直接并网方法，使系统可直接工作在正常的发电模式，而无需控制算法的切换和准同期并网装置。

5.2 准同期条件与滑差电压分析

发电机并网时，若要减小电网与发电机组成的回路内产生的瞬态冲击电流，必须保证发电机的端电压与电网电压在并网的瞬间相等，由此可以得出发电机并网的理想条件：即待并发电机的端电压与电网电压的幅值、频率、相位以及相序完全一致。所以，发电机并网所需要满足的准同期条件就是，待并发电机的端电压和电网电压的幅值、频率相接近，在二者的相位差满足一定条件的前提下，控制发电机断路器主触头闭合，此时发电机将会平滑地并入电网。由于待并发电机的端电压与电网电压相序完全一致的条件很容易得到满足，因此，准同期条件只包括三部分：电压条件、频率条件以及相位条件。

相位条件要求发电机的并网开关在相位差为零的瞬间闭合，但是开关闭合需要一定的时间，称为开关的闭合时间，也叫导前时间，所以开关合闸脉冲必须相应的提前发出以确保准同期条件的要求。因此，相位条件的获得就是要求根据当前的相位差和相位差的变化率来捕捉合闸脉冲的发出时机。而准同期条件所包括的频率条件和电压条件对于这一捕捉过程有着重要的影响。首先，相位差的变化率是由电网和发电机的

频差决定的，频差越大，则相位差变化越快，显然过大的频差不利于合闸时机的捕捉。只有在一定频差下，相位差才能呈现周期性变化，所以频差又不能为零。其次，电压条件决定了在相位差为零的瞬间并网可能产生冲击的大小。理想的情况下是电压差为零，在此情况下并网不会有任何冲击。但是，要求发电机端电压严格等于电网电压不仅不现实，而且也没有必要。只要将电压差控制在一定的范围内，则冲击的影响是可以接受的。

假定发电机A相瞬时电压为：

ug=Ugsin(ωgt+θg)

电网A相瞬时电压为： （5-1）

us=Ussin(ωst+θs)

由以上两式，可得发电机与电网A相瞬时电压差为： （5-2）

u=ug us=Ugsin(ωgt+θg) Ussin(ωst+θs) （5-3）

该瞬时电压差被称为滑差电压，简称为滑差，并网时冲击电流的大小就决定于滑差。下面将分别就相位差、电压差和频率差对滑差的影响进行分析。

5.2.1 相位差与滑差

假定发电机和电网电压幅值相同，即Ug=Us=U,则式（5-3）变为：

u=ug us=Usin(ωgt+θg) Usin(ωst+θs)

θs+θg ωs+ωg =2Ucos t+22 θs θg ωs ωg t+ sin 22 （5-4）

从式（5-4）可以看出，此时滑差由一个高频余弦波分量和一个低频正弦波分量调制而成。它的包络线反映了低频正弦波分量的特点。低频正弦波分量的相位定义为：

θL=ωs ωg

2t+θs θg

2 （5-5）

从式（5-5）可以看出，低频正弦波分量的相位正好是ug和us的相位差的一半，因而相位差的变化趋势与滑差包络线的变化趋势是一致的。当θL=0时，sinθL=0，滑差u=0，即在相位差为零的瞬间，滑差包络线通过零点；而当θL=π时，滑差包络线达到最大值。显然，如果控制发电机的并网开关在滑差包络线过零的瞬间闭合，将不会有任何冲击。也就是说，发电机并网的理想位置是在滑差包络线的过零点。 假定频率差一定，均为0.5Hz，有

图5.1 初相角差为零 图5.2 初相角差为π6

图5.5 初相角差为π

假定初相位角差一定，均为π6，有

图5.6 频率差为+0.5Hz 图5.7 频率差为+1Hz

图5.8 频率差为零 图5.9 频率差为-0.5Hz

图5.10 频率差为-1Hz

5.2.2 频率差与滑差

当发电机和电网电压幅值相同，由式（5-4），低频正弦波分量的角频率定义为：

ω=ωs ωg

2 （5-6）

可见，滑差包络线的变化频率正好是ug和us的频率差的一半。如果ug和us的频率差为零，则式（5-4）变为：

θs+θg ωs+ωg u=2Ucos t+22 θs θg sin 2 （5-7）

式（5-7）表明，当频率差为零时，滑差的低频正弦波分量相位差为一定值(θs θg)2。如果初相角θs=θg，则式（5-7）恒等于零。而这正是发电机并网所要求的理想情况，在此条件下，任意时刻发电机并网都不会有任何冲击。如果初相角不相同，则滑差只包括高频余弦波分量，其包络线不存在任何过零点。在这种情况下，发电机在任何时刻并网都会带来冲击，冲击的大小由2Usin(θs θg)2的大小来决定。显然，如果θs θg越接近零，则冲击越小。正因为电网电压和发电机端电压总存在同频不同相的情况，因此实际并网总是在电网电压和发电机端电压不同频时进行。

通过前面相位差与滑差关系的研究及仿真结果表明，频率差的变化将直接导致相位差的变化。因此，如果电网电压和发电机端电压存在一定的频率差时，滑差包络线将会呈现周期性地变化，变化快慢受频率差的影响，频率差越大，变化越快，并且周期性地通过零点，定义该周期为滑差周期。所以，当发电机和电网电压幅值相同时，频率差对滑差的影响应该包含在相位差对滑差的影响当中。进一步分析表明，滑差周期越长，则滑差包络线越平坦，因此在其过零点附近，并网安全区的范围也越大。实际当中，如果控制电网电压和发电机端电压的频率差在0.13Hz以下时，滑差周期可以达到7s以上。

5.2.3 电压差与滑差

前面的分析都是假定发电机和电网电压幅值相同的条件下进行的。由式（5-3）可知，当发电机和电网电压幅值不相同时，滑差的表达式就不能化简为一个高频余弦波分量和一个低频正弦波分量调制而成的形式。

假定电压差10V、频率差0.5Hz一定，初相角差变化，有

图5.11 初相角差为零 图5.12 初相角差为π

2

图5.13 初相角差为π

假定电压差10V、初相角差π6一定，频率差变化，有

图5.14 频率差为+0.5Hz 图5.15 频率差为+1Hz

假定频率差0.5Hz、初相角差π6一定，电压差变化，有

图5.16 电压差20V 图5.17 电压差30V

通过仿真可以发现，只有当发电机和电网电压幅值相同时，滑差包络线才会有清晰的过零点。而当发电机和电网电压幅值不相同时，滑差包络线在相位差为零时只是达到最小。如果该电压差越大，则该最小值也越大。因此，当存在电压差时，即使在相位差为零时的瞬间合闸，也会有冲击，并且电压差越大，冲击也会越大。

所以，控制发电机并网，就是控制发电机与电网的电压差和频率差在一定的范围内，并且在相位差周期性地变化过程中，通过动态测量其变化率，根据并网开关闭合所需时间的大小，捕捉合闸脉冲的发出时机，从而控制并网开关在相位差过零点附近闭合，使发电机平滑地并入电网。

5.3 双馈发电机的空载并网控制[153]-[154]

不失一般性，双馈发电机并网条件是发电机输出电压和电网电压在幅值、频率以及相位上完全一致。因此，并网之前应对发电机的输出电压进行调节，当满足并网条件时进行并网操作，并网成功后双馈发电机控制策略从并网控制切换到发电控制。双馈发电机采用空载并网控制策略，取电网电压（包括幅值、频率以及相位）作为控制信息提供给控制系统，据此调节发电机的励磁，按并网条件控制发电机定子空载电压。

为了实现双馈发电机并网前定子端空载电压准确调节和并网后定子输出有功功率、无功功率的解耦控制，空载控制策略仍然采用磁场定向矢量控制。

由第三章双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型，并考虑发电机空载时

ids=iqs=0，可得

磁链方程为：

ψds ψ qs ψdr

ψqr=L0idr=L0iqr=Lridr=Lriqr （5-8）

电压方程为：

udr

uqruds=pψds ω1ψqsuqs=pψqs+ω1ψds=Rridr+pψdr ω2ψqr=Rriqr+pψqr+ω2ψdr （5-9）

电磁转矩方程为：

Tem=npL0(iqsidr idsiqr)=0

运动方程为： （5-10）

J1dωr=Tm Tem=Tm npdt

uds=L0pidr ω1L0iqr

uqs=ω1L0idr+L0piqr

=(Rr+Lrp)idr ω2Lriqr

=ω2Lridr+(Rr+Lrp)iqr （5-11） 将磁链方程带入电压方程，可得 udr uqr （5-12）

式（5-10）、（5-11）、（5-12）即构成双馈发电机空载时的数学模型。

将d轴准确定向于定子磁链空间矢量方向上，则有约束条件：

ψds=ψs ψ=0 qs

考虑发电机空载时ids=iqs=0，且保持定子磁链ψs为常量，可得

uds=pψds ω1ψqs=0 & uqs=pψqs+ω1ψds=ω1ψds=us

ψds=ψs=L0idr i=0 qr ψLi=rdr dr

ψqr=0

（5-13） （5-14） （5-15）

udr=(Rr+Lrp)idr uωLi=qr2rdr （5-16）

由式（5-13）、（5-14）、（5-15）、（5-16）可得到定子磁场定向控制下双馈发电机空载并网控制策略，其控制框图如图5.18所示。

图5.18 空载矢量控制框图

双馈发电机空载并网的实质是根据电网的信息来调节发电机的励磁，使发电机输出电压符合并网的要求。由于采用定子磁场定向的矢量控制策略，为此需建立一个基于电网信息的发电机定子磁链观测模型，从而根据电网信息计算出转子励磁调节所需要的中间控制量：发电机空载时定子磁链的幅值s和磁通角θs。定子磁场定向矢量控制下，各参考坐标系、各矢量位置角和角速度的相互关系如图5.19所示。

图5.19 参考坐标系

采用定子磁场定向控制，发电机空载运行时，由前面的分析可知，定子端电压正好位于q轴上，即超前于定子磁链矢量π2，若求得定子电压矢量位置角θu，则可以求得定子磁通角如下所示：

θs=θu π2 （5-17）

定子磁链的幅值可通过式（5-14）计算得到。结合式（5-17），图5.18中所示的定子磁链幅值、定子磁通角以及同步角速度的计算过程可由图5.20所示的定子磁链观测模型描述。

s

图5.20 空载定子磁链观测模型

图中，uabcg为电网三相电压。

因此，由图5.18和图5.20构成的双馈发电机空载定子磁场定向矢量控制过程如

θs下：由图5.20所示的空载定子磁链观测模型求得定子磁链幅值ψs和定子磁通角θs。

和通过光电编码器获得的转子空间位置角θr用于控制系统进行坐标变换。定子磁链幅值ψs用于式（5-15）计算转子参考电流idr。由式（5-16）中的第1式可知，udr和idr之间的传递函数为一阶惯性环节，所以可以通过对参考电流idr和反馈值idr进行PI而求得转子d轴参考电压udr，按式（5-16）中的第2式可求得转子q轴参考电压uqr。udr、uqr经过坐标变换得到转子三相参考电压urabc作为转子侧PWM变换器的控制

指令，控制转子交流励磁电流，使发电机输出符合并网要求的空载定子电压。并捕捉合闸脉冲的发出时机，从而控制并网开关在相位差过零点附近闭合，使发电机平滑地并入电网。

当定子绕组开路，双馈发电机作空载运行时，定子绕组开路相电压的有效值为：

Uo=4.44f1N1kw1ψ0 （5-18）

式中，f1为定子绕组电压频率；N1和kw1分别为定子绕组每相串联匝数和绕组系数；ψo为每极磁通，由转子绕组励磁电流决定。

定子绕组电压频率指令由电网电压给定，可视为恒定值。因此，在不同转速下只要保持转子绕组励磁电流值不变，便可使定子绕组端电压保持不变。

图5.21 定子空载一相和电网一相电压 图5.22 一相电压误差

仿真所用参数同前。图5.21所示为发电机定子空载一相端电压和电网一相电压的波形图，图5.22所示为其对应一相电压误差的波形。可以看出，在空载并网空载策略下，两电压波形趋于一致的收敛过程非常快，发电机输出电压很快能够跟踪上电网电压，电压误差迅速减小，而且调节过程不受发电机转速的影响，为使发电机减小冲击电流，平滑地并入电网创造了理想的并网条件。

5.4 直接并网

交流励磁变速恒频双馈发电机与传统的直流励磁的同步发电机以及通常的异步发电机相比，其并网过程还是有所不同的。同步发电机和电力系统之间为刚性连接，发电机输出频率完全取决于原动机的转速，与其励磁无关。并网之前发电机必须经过严格的整步和准（自）同步，并网后也必须严格保持转速恒定。异步发电机的并网对发电机组的调速精度要求没有同步发电机那么高，而且并网后不会振荡失步，其并网的方式也比较多，如直接（软）并网、准（自）同期并网和降压并网，但它们都要求转速在接近同步转速附近时进行并网操作，对转速仍有一定的限制。采用交流励磁后，双馈发电机和电力系统之间构成了柔性连接，可根据电网电压和发电机转速来调节励磁电流，进而调节发电机输出电压来满足并网条件，因而可在变速条件下实现并网。

按照常规发电机的运行思路和并网操作过程，双馈发电机若要平滑地并入电网，只需要定子端口获得满足并网条件的输出电压即可。可以采用上面所提到的发电机空载并网控制策略来获得满足并网条件的定子端口的开路电压，也可以让双馈发电机工作在单机运行模式，获得满足并网条件的定子端口电压，并带负载并网，并网后将负载切除即可。上面所提到的两种方法，虽然对发电机转速没有很多的限制和要求，但对控制系统而言，却需要增加一套获得满足并网条件的定子端口电压的算法，并网成功后需要将控制算法切换到正常的发电控制，而且这个切换过程比较复杂。另外，即使获得了满足并网条件的定子端口电压，还需要在硬件和软件上增加一套并网的准（自）同期装置，对定子端口电压和电网电压的幅值、频率和相位进行检测和判别，最后根据并网开关闭合所需时间的大小，捕捉合闸脉冲的发出时机。若要减小并网过程中的冲击电流，整个并网过程中的每个环节都需要较高的控制精度，这在一定程度

上增加了整个系统的运行成本和控制难度。

换个角度来看，上面所述的并网方法，其实质为根据对并网电压的要求， 通过对电机转子实施相应的励磁控制策略，以获得满足并网要求的定子端口电压，即先进行励磁控制，后进行并网控制，再切换到正常的控制模式。若将定子直接并入电网，则原来的并网问题就转化为如何对转子侧变换器进行励磁控制的问题，即先并网后进行励磁控制。这样考虑的好处是，省掉了复杂的并网过程，励磁控制加入后，系统可直接工作在正常的发电模式，而无需控制算法的切换。

如前所述，双馈发电机转子回路要求提供可控幅值、频率及相位的变频电源。为使发电机稳定运行，要求在任何转速下，变频电源输出的电压与转子感应电动势同频率。根据变频器的频率控制方法不同，有两种方法可以实现这种要求：一为他控式；另一为自控式[19]-[20]。

所谓他控式，又称为同步工作方式，由独立的频率可控正弦波信号发生器发出控制信号，去控制变频器，使之产生转差频率的输出电压，即转子绕组中的电压频率被强制改变时，转子转速才会发生变化。这种运行方式，电机的工况实际上相当于转子加交流励磁的同步发电机运行，电机转速与原动机无关，具有同步发电机的特点，但与同步发电机不同的是转速可以调节。恒定转速下，发电机存在着最大电磁转矩，当原动机转矩超过此值时，发电机将发生失步现象。此外，运行中在原动机突加或转速

快速调节的情况下，系统比较容易产生振荡。因此，实际应用中一般都不采用他控式。

自控式，又称为异步工作方式，即转子转速改变时，转子绕组的电压频率也随之作相应改变。这种工作方式需要在电机转轴上安装转子位置检测装置或者转子速度检测装置，以实现精确的频率控制。无论电机运行在什么转速下，其转差频率都是精确已知的，利用此信号去自动控制变频器输出电压的频率，即可达到转子频率自控的目的。也就是说，变频器输出电压的频率能够自动跟踪转子感应电动势的频率，从而避免了上述的失步现象。采用自控式的优点主要是，系统稳定性好，过载能力和抗干扰能力比较强，适合于风力发电中风力机受到阵风、大风等具有冲击性动力的场合或者抽水蓄能电站的应用中。采用直接并网方法的自控式双馈发电系统如图5.23所示。

图5.23 直接并网的自控式双馈发电系统

采用图5.23所示的系统结构，在转子开路时，将发电机定子直接接入电网，对定子而言，实际上就是将三相大电感投入电网，因而冲击非常小。接下来的问题就是，如何启动[155]-[156]电机和投入励磁。一种方法是，将转子绕组接到启动电阻R上，以减小启动电流、增大启动转矩，待电机转速上升到同步转速附近时，切除启动电阻R，将变频电源投入，最后投入原动机。另一种方法是，直接投入原动机，待电机转速上升到同步转速附近时，将变频电源投入即可。前一种方法类似于双馈电动机调速系统的启动过程，在本文的实验中，采用的是后一种操作方法，系统可直接工作在正常的发电模式。

5.5 本章小结

常规发电机的并网方式主要采用准同期方式，准同期方式是将已经励磁的发电机在达到同期条件后并入电网。所谓的同期条件，就是待并发电机的端电压和电网电压的幅值、频率相接近，在二者的相位差满足一定条件的前提下，控制发电机断路器主触头闭合，此时发电机将会平滑地并入电网。

本章首先通过引入滑差电压的概念，对常规待并发电机的端电压和电网电压在幅值、频率、相位（包括初相角）存在差别时并网，对电网冲击的影响以及待并发电机如何获得同期条件进行了理论和仿真研究。而双馈发电机的并网条件和常规发电机完全一致。为此，提出了双馈发电机采用空载并网控制策略，取电网电压（包括幅值、频率以及相位）作为控制信息提供给控制系统，据此调节发电机的励磁，按并网条件控制发电机定子空载电压。当满足并网条件的时进行并网操作，并网成功后双馈发电机控制策略从并网控制切换到正常发电控制。

按照常规发电机的并网思路，双馈发电系统除了增加一套准同期并网装置还需要空载并网策略到常规发电控制的切换。因此，本文首次提出了一种直接并网方法，将常规方式中的先励磁后并网再切换的顺序，直接改变为先并网后励磁的顺序，从而系统可直接工作在正常的发电模式，而无需控制算法的切换。不仅降低了系统成本，而且大大简化了系统控制的复杂程度。

6 无位置或速度传感器双馈发电控制系统

6.1 引言

在通常的变频调速系统中由于安装在电动机端的速度传感器存在着诸如增加了系统的复杂性和成本，降低了系统的可靠性，破坏了异步电动机的刚性和简单性等问题。无速度传感器控制系统的核心问题[174]就是对转子的速度进行估计，主要的出发点就是利用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从定子侧容易测量的量如定子电压、定子电流中获得与速度有关的量，通过上面的手段，从而得到转子速度，并将其运用到速度反馈控制子系统当中。国外从70年代末就开展了这方面的研究工作，随着近年来高性能的数字信号处理器的发展，各种现代控制理论的思想得以应用到高性能异步电动机调速系统当中，各种速度辨识的方法也层出不穷。

一般说来，异步电动机无速度传感器控制系统，按其理论上的特点，可以把获得转速的方法大致分为三大类[175]。一是利用电机的运动方程进行转速的推算；二是利用电机的状态方程直接进行转速的计算；三是利用自适应状态观测器观测磁链并同时对转速进行辨识；还有其它一些方法是这几类方法的变形、混合或是不便于把它归结为其中的某一种类型。

目前，双馈调速风力发电机大多采用带位置传感器的矢量控制技术，直接通过位置传感器获得转子位置和速度信息。但位置传感器的维护工作量很大，且信号传输线在风力发电机和电力电子变换装置之间要大约传递50m左右的距离，这大大降低了运行环境比较恶劣的风力发电系统的可靠性。因此，无位置（或速度）传感器的控制技术将会极大地提高风力发电机运行的可靠性。显然，只要知道了转子的位置就一定可以知道转子的转速。但是，由于无速度传感器控制技术在异步电动机变频调速矢量控制系统中已经得到了比较好的应用，我们可以充分借鉴其中的方法和思想，因此，如果能够知道转子速度信号，进一步推算出转子位置信号并参与控制系统运算，强迫辨识的转子位置收敛于实际值，从而获得比较理想的双馈调速风力发电机无速度（位置）传感器的矢量控制技术将是我们更加感兴趣的。本章主要围绕转速辨识应用于位置辨识系统进行研究。

6.2 利用电机的运动方程[41] [176]

由电机的运动方程可知，电机的转速等于转矩电流与负载等效电流之差的积分。因此，在通常的感应电机矢量控制变频调速系统中，推算的电机转速与实际转速之间的误差一定会引起指令转矩与实际转矩（或定子电流转矩分量）或指令励磁与实际励磁（或定子电流励磁分量）之间产生误差。由于负载转矩等效电流不可测量，一般情

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