雙頻定子雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于直流發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于雙頻定子雙繞組五相異步發(fā) 電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)以及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于發(fā)展中國家投資的增加，全球?qū)τ谛滦桶l(fā)電技術(shù)的投資中有近一半 被用于可再生能源。聯(lián)合國環(huán)境計(jì)劃署的《可再生能源投資全球趨勢報(bào)告》顯示2014年全 球9. 1 %的電力是利用可再生能源產(chǎn)生的，而上一年該比例為8. 5%。報(bào)告稱，這種增長使 二氧化碳排放減少了約13億噸。綠色電力繁榮背后的一個(gè)關(guān)鍵因素是可再生能源技術(shù)的 價(jià)格持續(xù)降低。作為發(fā)展中國家，我國的投資增加了 37%，達(dá)到830億美元，并且再一次擊 敗美國。曾是綠色能源先鋒的歐洲此次只在一個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出色：海上風(fēng)力發(fā)電。歐洲啟動 了 7個(gè)投資規(guī)模均超過10億美元的項(xiàng)目，其中包括在荷蘭沿海建立的價(jià)值38億美元北海 風(fēng)力發(fā)電場，這也是2014年全球獲得批準(zhǔn)的最大的非水力可再生能源發(fā)電場。而在美國， 去年投入使用的103千兆瓦可再生能源發(fā)電容量和該國核電站提供的發(fā)電量相當(dāng)。從上述 可得我國對新能源的發(fā)電十分重視，并投資巨大，而在海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于具有獨(dú)特的 優(yōu)勢，技術(shù)要求高，我國目前正處于起步階段。
[0003]由于海上風(fēng)力發(fā)電對系統(tǒng)的可靠性要求高，系統(tǒng)發(fā)電效率要求高的需求。首先要 求發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是無刷化，堅(jiān)固耐用，維護(hù)簡單的需求。而對變換器能夠可靠的工作也 是一大需求，而且海上風(fēng)電呈現(xiàn)出往高壓大功率的發(fā)展趨勢，使得系統(tǒng)的性能要求也越來 越高。因此為了更好地滿足發(fā)電的要求，多相電機(jī)系統(tǒng)最先被應(yīng)用于大功率系統(tǒng)，由于其不 受半導(dǎo)體開關(guān)器件容量的限制而得到廣泛的研究。目前變換器的成本還是比較昂貴的，限 于目前發(fā)電系統(tǒng)的串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，有功功率與無功功率是耦合在一起，不利于發(fā)電系統(tǒng)容量 的減小。
[0004] 定子雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)將有功功率和無功功率分離開，并將這兩部分通過 兩套繞組分別獨(dú)立控制。通過從控制繞組側(cè)輸入無功功率，而在功率側(cè)輸出有功功率，從而 有效地減小變換器的容量。傳統(tǒng)的控制方法都是基于正弦信號的發(fā)電運(yùn)行思想，從理論上 并未充分利用發(fā)電機(jī)的電流容量，因此系統(tǒng)的效率也不是最優(yōu)的。
[0005] 基于以上分析，本發(fā)明人試圖改變研究角度，以提高系統(tǒng)效率，本案由此產(chǎn)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的，在于提供一種雙頻定子雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)及控 制方法，其可在不改變發(fā)電機(jī)硬件的基礎(chǔ)上，從控制策略的角度實(shí)現(xiàn)控制雙頻信號及雙頻 下發(fā)電系統(tǒng)能量的最優(yōu)輸出。
[0007] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0008] -種雙頻定子雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，包括：
[0009] 電壓、電流信號采集單元，用于接收五相異步電機(jī)的線電壓、相電流、輸出功率繞 組側(cè)的第一直流電壓及控制繞組側(cè)的第二直流電壓；
[0010] 第一坐標(biāo)變換單元，用于將前述五相坐標(biāo)系下的相電壓、相電流轉(zhuǎn)換成二相靜止 坐標(biāo)系下的信號；
[0011] 第一頻率相位計(jì)算單元，用于根據(jù)前述數(shù)據(jù)計(jì)算第一頻率的相位信號；
[0012] 第一頻率電流給定計(jì)算單元，用于在發(fā)電運(yùn)行時(shí)，根據(jù)第一直流電壓、第二直流電 壓計(jì)算第一頻率的電流給定；
[0013] 第二頻率電流計(jì)算單元，用于在發(fā)電運(yùn)行時(shí)，根據(jù)第一頻率的電流給定及負(fù)載的 情況計(jì)算得到第二頻率的電流給定；
[0014] 第二坐標(biāo)變換單元，用于將四相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下第一、二頻率的電流給定變換為四 相靜止坐標(biāo)系下第一、二頻率的電流給定；
[0015] 電流環(huán)控制單元，用于計(jì)算靜止坐標(biāo)系下的電壓給定；
[0016] 脈寬調(diào)制單元，用于接收前述電壓給定并輸出一脈沖寬度調(diào)制電壓信號。
[0017] -種雙頻定子雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：
[0018] (1)采集定子雙繞組五相異步電機(jī)的線電壓u。*U&。，u^，U。#、相電流 ira，i。。，輸出控制繞組側(cè)的第一直流電壓―及功率繞組側(cè)的第二直流電壓 UpDC;
[0019] (2)將線電壓ucab，ucbc，uccd，ujP相電流ica，icb，icc，icd，別變換為二相靜止坐 標(biāo)系下的信號Upii;
[0020] (3)計(jì)算第一頻率的相位信號0 1;
[0021](4)根據(jù)步驟（1)采集的第一直流電壓Ui、第二直流電壓upDe計(jì)算第一頻率的電 流給走4^1、4^.1;.
[0022] (5)根據(jù)第一頻率的電流給定&i及負(fù)載的情況計(jì)算得到第二頻率的電流給 廠；，，申
[0023] (6)基于步驟（3)得到的第一頻率的相位信號，將四相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的 Cn、Cl、d、變換為四相靜止坐標(biāo)系下的0.1、C2、
[0024] (7)計(jì)算靜止坐標(biāo)系下的電壓給定《1,并輸出一脈沖寬度調(diào)制電壓信號。
[0025] 上述步驟⑴中，第一、二直流電壓ueDe、upDe分別采用第一、二直流電壓傳感器采 集。
[0026] 上述步驟⑵中，采用下式進(jìn)行變換：
[0027]
[0028]
[0029] 其中，Lal，為第一頻率兩相靜止坐標(biāo)系分量，i"2, i#2為第二頻率兩相 靜止坐標(biāo)系分量，ira，iA，i。。，ij%五相相電流，i^al，為第一頻率兩相靜止坐標(biāo) 系分量，u。。；；，Uw為第二頻率兩相靜止坐標(biāo)系分量，^為五相相電壓， ucab,ucbc，uccd，^為五相線電壓，y=2/5 31。
[0030] 上述步驟（3)中，采用下式計(jì)算第一頻率的相位信號0 1:
[0031]
[0032] 其中，itcal，為第一頻率磁鏈兩相靜止坐標(biāo)系分量。[0033] 上述步驟（4)中，采用下式計(jì)算第一頻率的電流給定（(/1、:
[0034]
[0035]
[0036]其中，kpp，kip，kp。，h。為比例積分調(diào)節(jié)器參數(shù)，uI為控制繞組側(cè)的第一直流電壓， upDC為功率繞組側(cè)的第二直流電壓，為第一直流電壓給定為第二直流電壓給定。
[0037] 上述步驟（5)中，采用下式計(jì)算第二頻率的電流給定4*2、:
[0038]
[0039]
[0040]
[0041 ]
[0042]
[0043] 式中，02為第二頻率的相位補(bǔ)償角度，A2為第二頻率的幅值補(bǔ)償系數(shù)，Lnl為第一 頻率的互感，Lu為第二頻率的互感，Cft、為第一頻率的電流給定，艮3為第二頻率的電 阻，為第二頻率的電感，U3為第二頻率的漏感，為第一頻率的轉(zhuǎn)子自感，第一頻 率的電阻，U為第一頻率的轉(zhuǎn)子漏感，i_為第一頻率有功電流，i^為第一頻率無功電流。
[0044] 上述步驟（6)中，采用下式將四相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的〇2、〇變換為四 相靜止坐標(biāo)系下的&1、Ct、C/h;
[0045]
[0046] 其中，9丨表不第一頻率的相位信號。
[0047] 上述步驟（7)中，采用下式計(jì)算靜止坐標(biāo)系下的電壓給定
[0048]
[0049] 式中，心i，'分別為第一頻率兩相靜止坐標(biāo)系分量，^4.2，〃#分別為第二頻 率兩相靜止坐標(biāo)系分量，4#i、4__分別為第一頻率的電流給定在四相靜止坐標(biāo)系上的分量， 分別為第二頻率的電流給定在四相靜止坐標(biāo)系上的分量，上標(biāo)*表示給定量；i。。1、 分別為兩相靜止坐標(biāo)系上第一頻率的電流分量，i。。2、分別為兩相靜止坐標(biāo)系上第 二頻率的電流分量，其中kp，h為比例積分調(diào)節(jié)器參數(shù)，s為微分算子。
[0050] 采用上述方案后，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0051] (1)通過空間矢量調(diào)制出所需要的脈寬調(diào)制驅(qū)動信號，脈寬調(diào)制驅(qū)動信號包含有 兩種頻率的電壓信號；
[0052] (2)第二頻率的電流給定能夠依據(jù)異步電機(jī)負(fù)載輸出的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)自動給定 最優(yōu)計(jì)算；
[0053] (3)通過第二頻率的電流給定計(jì)算可以使定子雙繞組五相異步電機(jī)輸出最優(yōu)的功 率，從而提尚發(fā)電系統(tǒng)的效率。
【附圖說明】
[0054] 圖1是雙繞組異步發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0055] 圖2是一種雙頻定子雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)的控制方法原理示意圖；
[0056]圖3是第一頻率與第二頻率的輸出特性示意圖；
[0057] 圖4是第二頻率的電流給定計(jì)算原理圖。
[0058] 圖中標(biāo)號說明：1、定子雙繞組五相異步電機(jī)，2、濾波電感，3、逆變器，4、第一直流 電壓傳感器，5、交流電壓傳感器，6、交流電流傳感器，7、五相不控整流橋，8、第二直流電壓 傳感器，9、風(fēng)速傳感器，10、雙頻控制器，11、第一坐標(biāo)變換單元，12、第一頻率相位計(jì)算單 元，13、第二坐標(biāo)變換單元，14、第二頻率電流計(jì)算單元，15、第一頻率電流給定計(jì)算單元， 16、電流環(huán)控制單元，17、脈寬調(diào)制單元。
【具體實(shí)施方式】
[0059] 以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0060] 基于圖1所示一種雙頻定子雙繞組五相異步發(fā)電系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種控制系 統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括電壓、電流信號采集單元，第一坐標(biāo)變換單元，第一頻率相位計(jì)算單 元，第一頻率電流給定計(jì)算單元，第二頻率電流計(jì)算單元，第二坐標(biāo)變換單元，電流環(huán)控 制單元及脈寬調(diào)制單元，其中，電壓、電流信號采集單元用于接收五相異步電機(jī)的線電壓 U&。，u^，、相電流L id, i。。，id, L、控制繞組側(cè)的直流電壓Ui(第一直流電壓）及 功率繞組側(cè)的直流電壓upDe(第二直流電壓），第一坐標(biāo)變換單元用于將前述五相坐標(biāo)系下 的電壓及電流信號（即線電壓U，U&。，u^，、相電流im，i。。，i#ij轉(zhuǎn)換成二相靜 止坐標(biāo)系下的信號Ul、^，第一頻率相位計(jì)算單元用于根據(jù)前述數(shù)據(jù)計(jì)算第一頻率的相位信 號0i，第一頻率電流給定計(jì)算單元用于在發(fā)電運(yùn)行時(shí)，根據(jù)第一直流電壓ui、第二直流電 壓upDe計(jì)算第一頻率的電流給定i^、，第二頻率電流計(jì)算單元用于在發(fā)電運(yùn)行時(shí)，根據(jù) 第一頻率的電流給定（rfl、C/1及負(fù)載的情況計(jì)算得到第二頻率的電流給定d_、匕2，第二 坐標(biāo)變換單元用于基于9 :將四相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的4a、。、匕2、:變換為四相靜止坐 標(biāo)系下的、Crf..、、Cz:、，電流環(huán)控制單元用于計(jì)算靜止坐標(biāo)系下的電壓給定脈 寬調(diào)制單元用于接收前述電壓給定<并輸出一脈沖寬度