本发明公开了一种变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统及方法，属于新能源发电技术领域。该并网控制系统包括风力机、双转子永磁风力发电机、发电机侧功率变换器、网侧功率变换器以及并网控制系统组成，其中，并网控制系统由并网控制信号发生装置、执行信号的开关、熔断器及滤波器组成。本发明通过测量模拟风力机的原动机转速以及对变速恒频双转子永磁风力发电机内转子电流的控制来实现对于其定子端输出电压的调节，进而实现变速恒频双转子永磁风力发电机与电网的柔性连接。电路结构简单、控制灵活、安全可靠性较高，为双转子永磁风力发电机的并网提供了一种简单有效的方法。
1.一种变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统的控制方法，该并网控制系统包括风力机、双转子永磁风力发电机、发电机侧功率变换器、网侧功率变换器以及并网控制系统，其中，风力机与双转子永磁风力发电机同轴连接，双转子永磁风力发电机内转子输出端与发电机侧功率变换器、直流电容环节以及网侧功率变换器顺序连接，双转子永磁风力发电机定子输出端与并网控制系统连接，并网控制系统另一端与电网直接连接；所述并网控制系统包括并网控制信号发生装置、开关、熔断器及滤波器，开关、熔断器和滤波器顺序连接，并网控制信号发生装置发出控制信号直接驱动开关通断，其特征在于，该并网控制系统的控制方法，包括如下步骤：双转子永磁风力发电机并网之前，与双转子永磁风力发电机内转子绕组连接的发电机侧功率变换器不工作，双转子永磁风力发电机定子端空载，风力机在风力驱动下起动并拖动双转子永磁风力发电机内转子旋转，在双转子永磁风力发电机齿槽力矩的作用下，双转子永磁风力发电机的外转子会随着其内转子以一个较低的速度旋转，内、外两个转子存在转速差，此时启动与内转子绕组相接的功率变换器，进行并网控制；
根据双转子永磁风力发电机的数学模型，考虑定子端空载时，忽略定子电阻，采用定子磁链定向时，定子端电压矢量滞后磁链90度，且双转子永磁风力发电机的定子直轴磁链和交轴磁链满足ψds=ψ1，ψqs=0，直轴电流和交轴电流满足ids=iqs，其中：ψds和ψqs分别表示发电机定子直轴磁链和交轴磁链，ψ1表示定子磁链定向情况下的理想的定子直轴磁链，ids和iqs表示电机定子绕组直轴电流和交轴电流；得到定 子端空载运行时发电机的数学模型如下： 式中，Vds和Vqs分别表示双转子永磁风力发电机定子直轴电压和交轴电压；Vdr和Vqr分别表示发电机内转子直轴电压和交轴电压；ψmi和ψmo分别表示发电机永磁外转子在内转子绕组中产生的永磁磁链以及在定子绕组中产生的永磁磁链；idr和iqr分别表示发电机内转子绕组直轴电流和交轴电流；rr表示发电机内转子内阻；ωor表示发电机外转子机械转速；ωir表示发电机内转子机械转速；ωor-ωir表示发电机外转子与内转子的转速差；Lm表示发电机定子与内转子间互感；Lr表示发电机内转子电感；Jg、Jr表示发电机定子以及内转子的转动惯量；TL表示风力机机械转矩； 针对此双转子永磁风力发电机空载时的数学模型（1）式指定此时的并网控制方法，需满足：
式中，ψds表示发电机定子直轴磁链，ψ1表示定子磁链定向情况 下的理想的定子直轴磁链；ψdr和ψqr分别表示发电机内转子直轴磁链和交轴磁链；idr和iqr分别表示发电机内转子绕组直轴电流和交轴电流；Lr表示发电机内转子电感；Lm表示发电机定子与内转子间互感；U1表示电网侧电压幅值；p表示微分算子；ωor表示发电机外转子机械转速；ωor-ωir表示发电机外转子与内转子的转速差； 通过测量模拟风力机的原动机转速和电网频率并依据（2）式控制发电机内转子绕组直轴电流idr和发电机内转子绕组交轴电流iqr来实现对于定子端电压频率、相位和幅值的调节，使其满足双转子永磁发电机与电网并网的条件后发出并网信号进而实现柔性并网运行。
2.根据权利要求1所述的变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统的控制方法，其特征在于，所述并网控制方法是将矢量变换技术应用到并网控制中，对于发电机侧功率变换器进行控制以调节变速恒频双转子永磁风力发电机定子端输出电压；并网前，采集变速恒频双转子永磁风力发电机内转子三相电流ia、ib、ic作为矢量变换的输入信号，输出同步旋转坐标系下的内转子绕组直轴电流信号idr和交轴电流信号iqr，作为输入信号参与直* *轴参考电压ud 和交轴参考电压uq 的计算，同时通过电压传感器采集电网侧三相电压信号作为锁相环模块的输入信号，输出电网电压的位置信号θ1、频率信号f1，同时通过变速恒频双转子永磁风力发电机内转子测速装置采集内转子的转速ωi和位置信号θi，并网后根据电网电压相位计算得到定子端电压位置信号θo，满足θo=θ1+90度，通过频率f1得到转速ω1，通过电压幅值U1和转速ω1以及外转子在定子绕组感应的永磁磁链ψmo得到磁链ψ1，满足ψ1=U1/ω1-ψmo，按 照变速恒频双转子永磁风力发电机空载时满足的位置θ=θo-θi以及磁链关系ψ1=U1/ω1-ψmo，得到变速恒频双转子永磁风力发电机内转子电* *流的参考信号id、iq 以及参与矢量计算的位置信号即取自变速恒频双转子永磁风力发电* *
机外转子和内转子两者位置信号的差值θ，将得到的参考电流id、iq 与实际的直轴电流信号idr和交轴电流信号iqr相比较，经由PI调节器，考虑电流前馈解耦分量，得到直轴的参考* *电压信号ud 和交轴的参考电压信号uq，与参与矢量计算的位置信号θ一起送入矢量变换* *
环节，输出参与电压空间矢量变换的静止坐标系下两相参考电压值uα、uβ，与采集到的直流环节电压值Udc一起送入电压空间矢量SVPWM信号发生器环节，得到调制后的用于驱动电机侧功率变换器的空间矢量调制信号，将定子输出端电压调节到满足并网条件后发出并网信号。
变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统及方法
[0001] 技术领域
[0002] 本发明涉及一种变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统及方法，属于新能源发电技术领域。
[0003] 背景技术
[0004] 变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种全新高效发电方式，适用于风力、水电等可再生能源开发利用，此外，由于变速恒频技术可实现发电机组与电网系统之间良好的柔性连接，故而在风力发电领域得到广泛应用。目前国际上使用较多的变速恒频风力发电系统有采用双馈感应发电机的双馈风力发电系统以及采用低速直驱式永磁同步电机的永磁直驱发电系统，在实现并网的问题上，考虑到同步电机与电力系统之间的连接为刚性连接，并网条件比较苛刻，发电机输出的频率完全取决于原动机的速度，与其励磁无关，并网前发电机的电压需要与电网严格同步，并网后也必须保持转速恒定；而双馈异步电机并网则对于机组的精度要求降低，并网后不会震荡失步，并网方式也较多，要求转速接近同步速并网，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，可实现变速条件下并网，实现与电力系统之间的柔性连接，两者相比较而言，双馈发电系统并网更具优势。
[0005] 同时相比于目前比较成熟的三灯法并网，在发电机与电网间接入同步指示器，根据同步指示器的变化情况判断是否满足并网条件，其优点是可以直接看出发电机与电网频率的高低情况，投入电网瞬间电网与电机没有冲击，故而使用较多，缺点则是整步的过程比较复杂，难于操作。
[0006] 发明内容
[0007] 本发明提供了一种变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统及方法，使其并网更加安全可靠。
[0008] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
[0009] 一种变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统，包括风力机、双转子永磁风力发电机、发电机侧功率变换器、网侧功率变换器以及并网控制系统，其中，风力机与双转子永磁风力发电机同轴连接，双转子永磁风力发电机内转子输出端与发电机侧功率变换器、直流电容环节以及网侧功率变换器顺序连接，双转子永磁风力发电机定子输出端与并网控制系统连接，并网控制系统另一端与电网直接连接；所述并网控制系统包括并网控制信号发生装置、开关、熔断器及滤波器，开关、熔断器和滤波器顺序连接，并网控制信号发生装置发出控制信号直接驱动开关通断。
[0010] 所述的变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统的控制方法，是双转子永磁风力发电机并网之前，与双转子永磁风力发电机内转子绕组连接的发电机侧功率变换器不工作，双转子永磁风力发电机定子端空载，风力机在风力驱动下起动并拖动双转子永磁风力发电机内转子旋转，在双转子永磁风力发电机齿槽力矩的作用下，双转子永磁风力发电机的外转子会随着其内转子以一个较低的速度旋转，内、外两个转子存在转速差，此时启动与内转子绕组相接的功率变换器，进行并网控制；根据双转子永磁风力发电机的数学模型，考虑定子端空载时，忽略定子电阻，采用定子磁链定向时，定子端电压矢量滞后磁链90度，且双转子永磁风力发电机的定子直轴磁链和交轴磁链满足 = ， =0, 直轴电流和交轴电流满足ids= iqs，其中： 和 分别表示发电机定子直轴磁链和交轴磁链， 表示定子磁链定向情况下的理想的定子直轴磁链，ids和iqs表示电机定子绕组直轴电流和交轴电流；得到定子端空载运行时发电机的数学模型如下：
[0011] （1）
[0012] 式中， 和 分别表示双转子永磁风力发电机定子直轴电压和交轴电压；和 分别表示发电机内转子直轴电压和交轴电压； 和 分别表示发电机永磁外转子在内转子绕组中产生的永磁磁链以及定子绕组中产生的永磁磁链； 和 分别表示发电机内转子绕组直轴电流和交轴电流； 表示发电机内转子内阻； 表示发电机外转子机械转速； 表示发电机内转子机械转速； 表示发电机外转子与内转子的转速差； 表示发电机定子与内转子间互感； 表示发电机内转子电感； 、 表示发电机定子以及内转子的转动惯量； 表示风力机机械转矩；
[0013] 针对此双转子永磁风力发电机空载时的数学模型（1）式指定此时的并网控制方法，需满足：
[0014] （2）
[0015] 式中， 表示发电机定子直轴磁链， 表示定子磁链定向情况下的理想的定子直轴磁链； 和 分别表示发电机内转子直轴磁链和交轴磁链； 和 分别表示发电机内转子绕组直轴电流和交轴电流； 表示发电机内转子电感； 表示发电机定子与内转子间互感； 表示电网侧电压幅值； 表示微分算子； 表示发电机外转子机械转速； 表示发电机外转子与内转子的转速差；
[0016] 通过测量模拟风力机的原动机转速和电网频率并依据（2）式控制发电机内转子绕组直轴电流idr和发电机内转子绕组交轴电流iqr来实现对于定子端电压频率、相位和幅值的调节，使其满足双转子永磁发电机与电网并网的条件后发出并网信号进而实现柔性并网运行。
[0017] 所述的变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统的控制方法，是将矢量变换技术应用到并网控制中，对于发电机侧功率变换器进行控制以调节变速恒频双转子永磁风力发电机定子端输出电压；并网前，采集变速恒频双转子永磁风力发电机内转子三相电流、 、 作为矢量变换的输入信号，输出同步旋转坐标系下的内转子绕组直轴电流信号和交轴电流信号 ，作为输入信号参与直轴参考电压 和交轴参考电压 的计算，同时通过电压传感器采集电网侧三相电压信号作为锁相环模块的输入信号，输出电网电压的位置信号 、频率信号 ，同时通过变速恒频双转子永磁风力发电机内转子测速装置采集内转子的转速 和位置信号 ，并网后根据电网电压相位计算得到定子端电压位置信号 ，满足 ，通过频率 得到转速 ，通过电压幅值 和转速 以及外转子在定子绕组感应的永磁磁链 得到磁链 ，满足 ，按照变速恒频双转子永磁风力发电机空载时满足的位置 以及磁链关系 ，得到变速恒频双转子永
磁风力发电机内转子电流的参考信号 、以及参与矢量计算的位置信号即取自变速恒频双转子永磁风力发电机外转子和内转子两者位置信号的差值 ，将得到的参考电流 、与实际的直轴电流信号 和交轴电流信号 相比较，经由PI调节器，考虑电流前馈解耦分量，得到直轴的参考电压信号 和交轴的参考电压信号 ，与参与矢量计算的位置信号一起送入矢量变换环节，输出参与电压空间矢量变换的静止坐标系下两相参考电压值 、，与采集到的直流环节电压值 一起送入电压空间矢量SVPWM信号发生器环节，得到调制后的用于驱动电机侧功率变换器的空间矢量调制信号，将定子输出端电压调节到满足并网条件后发出并网信号。
[0018] 本发明的有益效果如下：
[0019] 由于本发明所采用的双转子永磁风力发电机可以看成是内部嵌有永磁转子的双馈异步感应电机，对于绕线式定子与永磁外转子而言，通过永磁励磁，外转子转速保持恒定，相对于定子以同步速旋转，使得两者具有同步发电机的特性，而对于绕线式内转子与永磁外转子而言，由于外转子保持同步速运行，内转子随风速变化，两者存在相对速度差，使得内外转子满足异步电机的特性，使得该双转子电机同时兼具永磁同步发电机与双馈感应电机的特点，其运行特性决定了我们可以将矢量控制的思想运用到发电机的并网控制上，可实现变速恒频条件下的并网，使得双转子永磁电机并网具有更大的灵活性，实现起来更加安全可靠具有更大的灵活性。
[0020] 因此本发明通过测量原动机转速以及依据并网控制方法对于内转子电流的调节，即可控制电机定子输出端电压使之与电网电压相匹配，实现发电机与电网的柔性并网，电路结构简单、控制灵活、安全可靠性较高，为双转子永磁风力发电机的并网提供了一种简单有效的方法。
[0021] 附图说明
[0022] 图1为变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统组成结构框图。
[0023] 图2为变速恒频双转子永磁风力发电机的并网控制原理图。
[0024] 具体实施方式
[0025] 下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
[0026] 由图1可见，变速恒频双转子永磁风力发电机并网控制系统，包括风力机、双转子永磁风力发电机、发电机侧功率变换器、网侧功率变换器以及并网控制系统组成，其中，并网控制系统由并网控制信号发生装置、执行信号的开关、熔断器及滤波器组成；风力机通过转轴直接驱动双转子永磁风力发电机的内转子，同时内转子与发电机侧功率变换器相连接，网侧功率变换器则一边通过直流环节与发电机侧功率变换器相连，另一边与电网直接相连，而并网控制系统则放置于双转子永磁风力发电机定子端与电网之间，通过对于发电机侧功率变换器的控制来调节双转子永磁风力发电机定子输出端的电压，使之与电网侧的电压相匹配，产生并网控制信号。
[0027] 双转子永磁风力发电机并网之前，与双转子永磁风力发电机内转子绕组连接的发电机侧功率变换器不工作，双转子永磁风力发电机定子端空载，风力机在风力驱动下起动并拖动双转子永磁风力发电机内转子旋转，在双转子永磁风力发电机齿槽力矩的作用下，双转子永磁风力发电机的外转子会随着其内转子以一个较低的速度旋转，内、外两个转子存在转速差，此时启动与内转子绕组相接的功率变换器，进行并网控制；根据双转子永磁风力发电机的数学模型，考虑定子端空载时，忽略定子电阻，采用定子磁链定向时，定子端电压矢量滞后磁链90度，且双转子永磁风力发电机的定子直轴磁链和交轴磁链满足= ， =0，直轴电流和交轴电流满足ids= iqs，其中： 和 分别表示发电机定子直轴磁链和交轴磁链， 表示定子磁链定向情况下的理想的定子直轴磁链，ids、iqs表示电机定子绕组直轴电流和交轴电流；到定子端空载运行时发电机的数学模型如下：
[0028] （1）
[0029] 式中， 、 表示双转子永磁风力发电机定子直轴电压和交轴电压； 、表示发电机内转子直轴电压和交轴电压； 、 表示发电机永磁外转子在内转子绕组中产生的永磁磁链以及在定子绕组中产生的永磁磁链； 、 表示发电机内转子绕组直轴电流和交轴电流； 表示发电机内转子内阻； 表示发电机外转子机械转速； 表示发电机内转子机械转速； 表示发电机外转子与内转子的转速差； 表示发电机定子与内转子间互感； 表示发电机内转子电感； 、 表示发电机定子以及内转子的转动惯量； 表示风力机机械转矩。
[0030] 针对此双转子永磁风力发电机空载时的数学模型（1）式指定此时的并网控制方法，需满足：
[0031] （2）
[0032] 式中， 表示发电机定子直轴磁链， 表示定子磁链定向情况下的理想的定子直轴磁链； 和 分别表示发电机内转子直轴磁链和交轴磁链； 和 分别表示发电机内转子绕组直轴电流和交轴电流； 表示发电机内转子电感； 表示发电机定子与内转子间互感； 表示电网侧电压幅值； 表示微分算子； 表示发电机外转子机械转速； 表示发电机外转子与内转子的转速差。
[0033] 通过测量模拟风力机的原动机转速和电网频率并依据（2）式控制内转子绕组直轴电流idr和内转子绕组交轴电流iqr来实现对于定子端电压频率、相位和幅值的调节，使其满足双转子永磁发电机与电网并网的条件后发出并网信号进而实现柔性并网运行。
[0034] 由图2可见，双转子永磁风力发电机的并网控制方法是将矢量变换技术应用到并网控制中，通过对于发电机侧功率变换器的控制调节变速恒频双转子永磁风力发电机定子端输出电压，即并网前采集双转子永磁风力发电机内转子电流以及网侧三相电压信号，分别经过矢量变换以及锁相环模块得到交直轴参考电压信号以及电网电压的位置信号、频率信号，根据双转子永磁风力发电机空载数学模型（1）式及并网控制方法（2）式得到参与计算的参考电流以及矢量变换的位置信号，最终通过对于双转子永磁风力发电机内转子电流的控制来达到对于定子输出端电压的幅值、频率以及相位来匹配电网的电压，条件匹配后发出并网控制信号。
[0035] 双转子永磁风力发电机并网条件是双转子永磁风力发电机定子端输出的电压和电网电压在幅值、频率以及相位上完全相同；双转子永磁风力电机并网前，其定子侧空载，发电机空载运行，根据双转子发电机的自身特点，可以将矢量变换控制技术应用到双转子永磁风力发电机的控制上。
[0036] 并网前，通过电压传感器采集电网电压作为控制信息，将三相电压信号通过锁相环获取电压相位信号 和频率信号 ，计算出电压幅值 ，控制中采用定子电压磁链定向的矢量控制，电机空载运行时，定子侧dq轴的电流为零，采用定子磁链定向后，工频条件下忽略定子电阻后可知发电机定子端电压滞后定子磁链 ，控制目标是实现并网，并网后电网电压与发电机定子输出电压相匹配，所以根据电网电压相位计算得到定子端电压位置信号 ，两者满足 ，通过频率 得到转速 ，通过电压幅值 和转速 得到磁链，满足 ， 表示发电机外转子在定子绕组中产生的永磁磁链，根据发电机空载运行时满足的关系式，得到内转子的直轴参考电流 ，定子空载时，内转子的交轴电流 为零；通过测速装置如光电编码器测得内转子转速信号 ，经过积分运算得到内转子的位置信号 ，得到参与矢量计算的位置信号 ， ，转速差 ；通过电流
传感器采集得到内转子与发电机侧变换器的三相电流 、 、，加上位置信号 ，经过abc/dq变换得到内转子绕组直轴电流 和绕组交轴电流 ，将其与参考电流分量 、 经过PI比例调节器相比较，考虑电流前馈解耦分量，得到交直轴的参考电压信号 、 ，与位置信号 经由dq/ 矢量变换得到参与电压空间矢量SVPWM变换的静止坐标系下电压 、 ，与采集到的直流环节电压值 一起送入SVPWM信号发生器环节，可得到调制后的用于驱动电机侧功率变换器的空间矢量调制信号，将定子输出端电压调节到满足并网条件后发出并网信号。
