双频定子双绕组五相异步发电系统的控制系统及控制方法

摘要

本发明公开一种双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，步骤是：采集定子双绕组五相异步电机的线电压、相电流、控制绕组侧的第一直流电压及功率绕组侧的第二直流电压；将线电压和相电流分别变换到二相静止坐标系下；计算第一、第二频率的电流给定；计算第一频率的相位信号，将第一、第二频率的电流给定由四相旋转坐标系变换到四相静止坐标系下；计算静止坐标系下的电压给定，并输出一脉冲宽度调制电压信号。此种控制方法可在不改变发电机硬件的基础上，从控制策略的角度实现控制双频信号及双频下发电系统能量的最优输出。本发明还公开一种双频定子双绕组五相异步发电系统的控制系统。

权利要求

1.一种双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：(1)采集定子双绕组五相异步电机的线电压ucab,ucbc,uccd,ucde、相电流ica,icb,icc,icd,ice、输出控制绕组侧的第一直流电压ucDC及功率绕组侧的第二直流电压upDC；

(2)将线电压ucab,ucbc,uccd,ucde和相电流ica,icb,icc,icd,ice分别变换为二相静止坐标系下的信号u1、i1；

(3)计算第一频率的相位信号θ1；

(4)根据步骤(1)采集的第一直流电压ucDC、第二直流电压upDC计算第一频率的电流给定(5)根据第一频率的电流给定 及负载的情况计算得到第二频率的电流给定所述步骤(5)中，采用下式计算第二频率的电流给定

其中，

式中，θ2为第二频率的相位补偿角度，A2为第二频率的幅值补偿系数，Lm1为第一频率的互感，Lm3为第二频率的互感， 为第一频率的电流给定，Rr3为第二频率的电阻，Lr3为第二频率的电感，lr3为第二频率的漏感，Lr1为第一频率的转子自感，Rr1为第一频率的电阻，lr1为第一频率的转子漏感，icq1为第一频率有功电流，icd1为第一频率无功电流；

(6)基于步骤(3)得到的第一频率的相位信号θ1，将四相旋转坐标系下的变换为四相静止坐标系下的

(7)计算静止坐标系下的电压给定 并输出一脉冲宽度调制电压信号。

2.如权利要求1所述的双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，第一、二直流电压ucDC、upDC分别采用第一、二直流电压传感器采集。

3.如权利要求1所述的双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中，采用下式进行变换：其中，icα1，icβ1为第一频率两相静止坐标系分量，icα2，icβ2为第二频率两相静止坐标系分量，ica,icb,icc,icd,ice为五相相电流，ucα1，ucβ1为第一频率两相静止坐标系分量，ucα2，ucβ2为第二频率两相静止坐标系分量，uca,ucb,ucc,ucd,uce为五相相电压，ucab,ucbc,uccd,ucde为五相线电压，γ＝2/5π。

4.如权利要求1所述的双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中，采用下式计算第一频率的相位信号θ1：其中，ψcα1，ψcβ1为第一频率磁链两相静止坐标系分量。

5.如权利要求1所述的双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，采用下式计算第一频率的电流给定其中，kpp，kip，kpc，kic为比例积分调节器参数，ucDC为控制绕组侧的第一直流电压，upDC为功率绕组侧的第二直流电压， 为第一直流电压给定， 为第二直流电压给定。

6.如权利要求1所述的双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(6)中，采用下式将四相旋转坐标系下的 变换为四相静止坐标系下的

其中，θ1表示第一频率的相位信号。

7.如权利要求1所述的双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，其特征在于：所述步骤(7)中，采用下式计算静止坐标系下的电压给定式中， 分别为第一频率两相静止坐标系分量， 分别为第二频率两相静止坐标系分量， 分别为第一频率的电流给定在四相静止坐标系上的分量，分别为第二频率的电流给定在四相静止坐标系上的分量，上标*表示给定量；icα1、icβ1分别为两相静止坐标系上第一频率的电流分量，icα2、icβ2分别为两相静止坐标系上第二频率的电流分量，其中kp，ki为比例积分调节器参数，s为微分算子。

说明书

双频定子双绕组五相异步发电系统的控制系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于直流发电技术领域，特别涉及一种应用于双频定子双绕组五相异步发电系统的控制系统以及控制方法。

背景技术

[0002] 据统计，由于发展中国家投资的增加，全球对于新型发电技术的投资中有近一半被用于可再生能源。联合国环境计划署的《可再生能源投资全球趋势报告》显示2014年全球9.1％的电力是利用可再生能源产生的，而上一年该比例为8.5％。报告称，这种增长使二氧化碳排放减少了约13亿吨。绿色电力繁荣背后的一个关键因素是可再生能源技术的价格持续降低。作为发展中国家，我国的投资增加了37％，达到830亿美元，并且再一次击败美国。
曾是绿色能源先锋的欧洲此次只在一个领域表现出色：海上风力发电。欧洲启动了7个投资规模均超过10亿美元的项目，其中包括在荷兰沿海建立的价值38亿美元北海风力发电场，这也是2014年全球获得批准的最大的非水力可再生能源发电场。而在美国，去年投入使用的103千兆瓦可再生能源发电容量和该国核电站提供的发电量相当。从上述可得我国对新能源的发电十分重视，并投资巨大，而在海上风力发电系统由于具有独特的优势，技术要求高，我国目前正处于起步阶段。

[0003] 由于海上风力发电对系统的可靠性要求高，系统发电效率要求高的需求。首先要求发电机的转子结构是无刷化，坚固耐用，维护简单的需求。而对变换器能够可靠的工作也是一大需求，而且海上风电呈现出往高压大功率的发展趋势，使得系统的性能要求也越来越高。因此为了更好地满足发电的要求，多相电机系统最先被应用于大功率系统，由于其不受半导体开关器件容量的限制而得到广泛的研究。目前变换器的成本还是比较昂贵的，限于目前发电系统的串联型结构，有功功率与无功功率是耦合在一起，不利于发电系统容量的减小。

[0004] 定子双绕组五相异步发电系统将有功功率和无功功率分离开，并将这两部分通过两套绕组分别独立控制。通过从控制绕组侧输入无功功率，而在功率侧输出有功功率，从而有效地减小变换器的容量。传统的控制方法都是基于正弦信号的发电运行思想，从理论上并未充分利用发电机的电流容量，因此系统的效率也不是最优的。

[0005] 基于以上分析，本发明人试图改变研究角度，以提高系统效率，本案由此产生。

发明内容

[0006] 本发明的目的，在于提供一种双频定子双绕组五相异步发电系统的控制系统及控制方法，其可在不改变发电机硬件的基础上，从控制策略的角度实现控制双频信号及双频下发电系统能量的最优输出。

[0007] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

[0008] 一种双频定子双绕组五相异步发电系统的控制系统，包括：

[0009] 电压、电流信号采集单元，用于接收五相异步电机的线电压、相电流、输出功率绕组侧的第一直流电压及控制绕组侧的第二直流电压；

[0010] 第一坐标变换单元，用于将前述五相坐标系下的相电压、相电流转换成二相静止坐标系下的信号；

[0011] 第一频率相位计算单元，用于根据前述数据计算第一频率的相位信号；

[0012] 第一频率电流给定计算单元，用于在发电运行时，根据第一直流电压、第二直流电压计算第一频率的电流给定；

[0013] 第二频率电流计算单元，用于在发电运行时，根据第一频率的电流给定及负载的情况计算得到第二频率的电流给定；

[0014] 第二坐标变换单元，用于将四相旋转坐标系下第一、二频率的电流给定变换为四相静止坐标系下第一、二频率的电流给定；

[0015] 电流环控制单元，用于计算静止坐标系下的电压给定；

[0016] 脉宽调制单元，用于接收前述电压给定并输出一脉冲宽度调制电压信号。

[0017] 一种双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法，包括如下步骤：

[0018] (1)采集定子双绕组五相异步电机的线电压ucab,ucbc,uccd,ucde、相电流ica,icb,icc,icd,ice、输出控制绕组侧的第一直流电压ucDC及功率绕组侧的第二直流电压upDC；

[0019] (2)将线电压ucab,ucbc,uccd,ucde和相电流ica,icb,icc,icd,ice分别变换为二相静止坐标系下的信号u1、i1；

[0020] (3)计算第一频率的相位信号θ1；

[0021] (4)根据步骤(1)采集的第一直流电压ucDC、第二直流电压upDC计算第一频率的电流给定

[0022] (5)根据第一频率的电流给定 及负载的情况计算得到第二频率的电流给定

[0023] (6)基于步骤(3)得到的第一频率的相位信号θ1，将四相旋转坐标系下的变换为四相静止坐标系下的

[0024] (7)计算静止坐标系下的电压给定 并输出一脉冲宽度调制电压信号。

[0025] 上述步骤(1)中，第一、二直流电压ucDC、upDC分别采用第一、二直流电压传感器采集。

[0026] 上述步骤(2)中，采用下式进行变换：

[0027]

[0028]

[0029] 其中，icα1，icβ1为第一频率两相静止坐标系分量，icα2，icβ2为第二频率两相静止坐标系分量，ica,icb,icc,icd,ice为五相相电流，ucα1，ucβ1为第一频率两相静止坐标系分量，ucα2，ucβ2为第二频率两相静止坐标系分量，uca,ucb,ucc,ucd,uce为五相相电压，ucab,ucbc,uccd,ucde为五相线电压，γ＝2/5π。

[0030] 上述步骤(3)中，采用下式计算第一频率的相位信号θ1：

[0031]

[0032] 其中，ψcα1，ψcβ1为第一频率磁链两相静止坐标系分量。

[0033] 上述步骤(4)中，采用下式计算第一频率的电流给定

[0034]

[0035]

[0036] 其中，kpp，kip，kpc，kic为比例积分调节器参数，ucDC为控制绕组侧的第一直流电压，upDC为功率绕组侧的第二直流电压， 为第一直流电压给定， 为第二直流电压给定。

[0037] 上述步骤(5)中，采用下式计算第二频率的电流给定

[0038]

[0039]

[0040] 其中，

[0041]

[0042]

[0043] 式中，θ2为第二频率的相位补偿角度，A2为第二频率的幅值补偿系数，Lm1为第一频率的互感，Lm3为第二频率的互感， 为第一频率的电流给定，Rr3为第二频率的电阻，Lr3为第二频率的电感，lr3为第二频率的漏感，Lr1为第一频率的转子自感，Rr1为第一频率的电阻，lr1为第一频率的转子漏感，icq1为第一频率有功电流，icd1为第一频率无功电流。

[0044] 上述步骤(6)中，采用下式将四相旋转坐标系下的 变换为四相静止坐标系下的

[0045]

[0046] 其中，θ1表示第一频率的相位信号。

[0047] 上述步骤(7)中，采用下式计算静止坐标系下的电压给定

[0048]

[0049] 式中， 分别为第一频率两相静止坐标系分量， 分别为第二频率两相静止坐标系分量， 分别为第一频率的电流给定在四相静止坐标系上的分量，分别为第二频率的电流给定在四相静止坐标系上的分量，上标*表示给定量；icα1、icβ1分别为两相静止坐标系上第一频率的电流分量，icα2、icβ2分别为两相静止坐标系上第二频率的电流分量，其中kp，ki为比例积分调节器参数，s为微分算子。

[0050] 采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

[0051] (1)通过空间矢量调制出所需要的脉宽调制驱动信号，脉宽调制驱动信号包含有两种频率的电压信号；

[0052] (2)第二频率的电流给定能够依据异步电机负载输出的运行情况，实现自动给定最优计算；

[0053] (3)通过第二频率的电流给定计算可以使定子双绕组五相异步电机输出最优的功率，从而提高发电系统的效率。

附图说明

[0054] 图1是双绕组异步发电系统的结构框图；

[0055] 图2是一种双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法原理示意图；

[0056] 图3是第一频率与第二频率的输出特性示意图；

[0057] 图4是第二频率的电流给定计算原理图。

[0058] 图中标号说明：1、定子双绕组五相异步电机，2、滤波电感，3、逆变器，4、第一直流电压传感器，5、交流电压传感器，6、交流电流传感器，7、五相不控整流桥，8、第二直流电压传感器，9、风速传感器，10、双频控制器，11、第一坐标变换单元，12、第一频率相位计算单元，13、第二坐标变换单元，14、第二频率电流计算单元，15、第一频率电流给定计算单元，16、电流环控制单元，17、脉宽调制单元。

具体实施方式

[0059] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

[0060] 基于图1所示一种双频定子双绕组五相异步发电系统，本发明提供一种控制系统，所述控制系统包括电压、电流信号采集单元，第一坐标变换单元，第一频率相位计算单元，第一频率电流给定计算单元，第二频率电流计算单元，第二坐标变换单元，电流环控制单元及脉宽调制单元，其中，电压、电流信号采集单元用于接收五相异步电机的线电压ucab,ucbc,uccd,ucde、相电流ica,icb,icc,icd,ice、控制绕组侧的直流电压ucDC(第一直流电压)及功率绕组侧的直流电压upDC(第二直流电压)，第一坐标变换单元用于将前述五相坐标系下的电压及电流信号(即线电压ucab,ucbc,uccd,ucde、相电流ica,icb,icc,icd,ice)转换成二相静止坐标系下的信号u1、i1，第一频率相位计算单元用于根据前述数据计算第一频率的相位信号θ1，第一频率电流给定计算单元用于在发电运行时，根据第一直流电压ucDC、第二直流电压upDC计算第一频率的电流给定 第二频率电流计算单元用于在发电运行时，根据第一频率的电流给定 及负载的情况计算得到第二频率的电流给定 第二坐标变换单元用于基于θ1将四相旋转坐标系下的 变换为四相静止坐标系下的
电流环控制单元用于计算静止坐标系下的电压给定 脉宽调制单
元用于接收前述电压给定 并输出一脉冲宽度调制电压信号。

[0061] 配合图2所示，是本发明双频定子双绕组五相异步发电系统的控制方法的原理图，包括如下步骤：

[0062] (1)采集定子双绕组五相异步电机的线电压ucab,ucbc,uccd,ucde、相电流ica,icb,icc,icd,ice、输出控制绕组侧的直流电压ucDC(第一直流电压)及功率绕组侧的直流电压upDC(第二直流电压)，其中，第一、第二直流电压ucDC、upDC可分别采用第一、第二直流电压传感器采集；

[0063] (2)将前述步骤(1)采集的五相坐标系下的线电压ucab,ucbc,uccd,ucde及相电流ica,icb,icc,icd,ice，变换为二相静止坐标系下的信号u1、i1，可参考式(1)、(2)；

[0064]

[0065]

[0066] 其中，icα1，icβ1为第一频率两相静止坐标系分量，icα2，icβ2为第二频率两相静止坐标系分量，ica,icb,icc,icd,ice为五相相电流，ucα1，ucβ1为第一频率两相静止坐标系分量，ucα2，ucβ2为第二频率两相静止坐标系分量，uca,ucb,ucc,ucd,uce为五相相电压，ucab,ucbc,uccd,ucde为五相线电压，γ＝2/5π；

[0067] (3)根据式(3)计算第一频率的相位信号θ1：

[0068]

[0069] ψcα1，ψcβ1为第一频率磁链两相静止坐标系分量。

[0070] (4)根据步骤(1)采集的第一直流电压ucDC、第二直流电压upDC和第一直流电压给定第二直流电压给定 按照式(4)、式(5)计算第一频率的电流给定 其中，kpp，kip，kpc，kic为比例积分调节器参数：

[0071]

[0072]

[0073] (5)根据第一频率的电流给定 及负载的情况，按照式(6)、式(7)计算得到第二频率的电流给定

[0074]

[0075]

[0076] 其中，Lm1为第一频率的互感，lr1为第一频率的转子漏感。

[0077] 配合图4所示，计算第二频率的电流给定时，根据第一频率的有功电流及无功电流的比例关系，及电机的转子漏感及转子自感的比例计算第二频率的相位。同时依据第一频率的有功电流及无功电流的比例及电机的参数包括转子参数、定子参数来计算第二频率的相位补偿角度θ2，具体计算由式(9)计算可得。依据第一频率的有功电流及电机的第一频率的互感与第二频率的互感的比值关系来计算第二频率的幅值，再依据有功电流及无功电流的比值及电机的参数计算第二频率的幅值补偿系数A2，具体计算由式(8)计算可得。最后依据极坐标的计算方法求得对应的旋转坐标系下的第二频率的有功、无功电流给定。

[0078]

[0079]

[0080] 其中，Lm3为第二频率的互感，Rr3为第二频率的电阻，Lr3为第二频率的电感，lr3为第二频率的漏感，Lr1为第一频率的电感，Rr1为第一频率的电阻，icq1为第一频率有功电流，icd1为第一频率无功电流。

[0081] (6)基于步骤(3)得到的相位信号θ1，根据式(10)将四相旋转坐标系下的变换为四相静止坐标系下的

[0082]

[0083] (7)计算静止坐标系下的电压给定 包含有第一频率及第二频率的电压给定，并输出一脉冲宽度调制电压信号；

[0084]

[0085] 式中，icα1、icβ1分别为第一频率两相静止坐标系分量，icα2、icβ2分别为第二频率两相静止坐标系分量，上标*表示给定量， 分别为第一频率的电压给定在两相静止坐标系上的分量， 分别为第二频率的电压给定在两相静止坐标系上的分量，其中kp，ki为比例积分调节器参数，s为微分算子。

[0086] 利用静止励磁器产生两种频率的电压信号输出至控制绕组，从而使定子双绕组五相异步电机中同时存在两种频率，功率绕组连接至五相不控整流桥输出直流电，从而实现双频控制定子双绕组五相异步发电系统输出最优的功率，从控制的角度达到效率最优。

[0087] 两种频率的输出特性即幅值与相位特性如图3所示，这与传统的控制方式有很大的不同。传统的控制方式是只有一种频率，其等效于图3中的第一频率的输出。而本发明采用两种频率(即第一频率和第二频率)，其第一频率的频率、幅值及相位关系与第二频率的频率、幅值及相位两者之间可独立运行。

[0088] 综上，本发明一种双频定子双绕组五相异步电机系统的控制系统及控制方法，采用双频控制算法，即从控制的角度出发，控制电机的定子绕组两种频率同时运行，从理论上能够最大限度地利用异步电机的电流容量，从而提高系统的效率，也从一定程度上降低了成本。

[0089] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。