基于动态同步轴系的双馈感应发电机双通道励磁控制方法

摘要

一种基于动态同步轴系的双馈感应发电机双通道励磁控制方法，其特征在于：在动态同步轴系下，双馈感应发电机稳态运行时，有功仅与动态同步轴系d′轴上的分量U_rd′有关，无功仅与动态同步轴系q′轴上的分量U_rq′有关，通过控制转子励磁电压相量U_r在d′、q′轴上的投影，实现双馈感应发电机有功、无功的独立控制。该控制方法具有良好的动态跟踪能力，提高了励磁控制系统的鲁棒性，各控制系数分别影响有功、无功及转速调节过程的动态响应，有利于励磁控制系统的设计，实现了双馈感应发电机有功、无功、转速的独立调节，使双馈感应发电机具有良好的动暂态稳定性。本发明使双馈感应发电机运用于水力发电、风力发电等方面具有稳定性好、运行范围广、能源利用率高等显著优点。

主权项

1.一种基于动态同步轴系的双馈感应发电机励磁控制方法，其特征在于，该控制方法包含以下步骤：a)建立双馈感应发电机输出的有功、无功与转子励磁电压相量在动态同步轴系下分量的关系方程：双馈感应发电机在同步坐标dq轴系下的稳态电压方程为，$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}\\ U_{\mathrm{sq}}\\ U_{\mathrm{rd}}\\ U_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}-R_s& -X_{\Sigma }& O& X_M\\ X_M& -R_s& -X_M& O\\ O& -s{X}_M& R_r& s{X}_r\\ s{X}_M& O& -s{X}_r& R_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{sd}}\\ I_{\mathrm{rq}}\\ I_{\mathrm{rd}}\\ I_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]$其中，I_sd、I_sq、U_sd、U_sq分别为定子电流、电压在同步坐标轴系下的分量；I_rd、I_rq、U_rd、U_rq分别为转子电流、电压在同步坐标轴系下的分量；X_∑＝X_s+X_w，R_s、R_r为定转子电阻，X_M为定转子互抗，X_s、X_r为定转子电抗，X_w＝X_T+X_L为变压器与线路电抗之和，s为转差率；则稳态电流方程为，$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{sd}}\\ I_{\mathrm{sq}}\\ I_{\mathrm{rd}}\\ I_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{Y}_{11}& Y_{12}& Y_{13}& Y_{14}\\ Y_{21}& Y_{22}& Y_{23}& Y_{24}\\ Y_{31}& Y_{32}& Y_{33}& Y_{34}\\ Y_{41}& Y_{42}& Y_{43}& Y_{44}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{sd}}\\ U_{\mathrm{sq}}\\ U_{\mathrm{rd}}\\ U_{\mathrm{rq}}\end{array}\right]$其中，导纳矩阵为电压方程中阻抗矩阵z的逆矩阵；当定子电压相量取在同步坐标轴系的d轴上时，即U_sq＝0，则定子电流I_sd、I_sq可表示为，I_sd＝Y₁₁U_sd+Y₁₃U_rd+Y₁₄U_rqI_sq＝Y₂₁U_sd+Y₂₃U_rd+Y₂₄U_rq则定子输出有功、无功可表示为，$P_s=U_{\mathrm{sd}}{I}_{\mathrm{sd}}=Y_{11}{U}_{\mathrm{sd}}^2+Y_{13}{U}_{\mathrm{rd}}{U}_{\mathrm{sd}}+Y_{14}{U}_{\mathrm{rq}}{U}_{\mathrm{sd}}$$Q_s=U_{\mathrm{sd}}{I}_{\mathrm{sq}}=Y_{21}{U}_{\mathrm{sd}}^2+Y_{23}{U}_{\mathrm{rd}}{U}_{\mathrm{sd}}+Y_{24}{U}_{\mathrm{rq}}{U}_{\mathrm{sd}}$Y₁₃、Y₁₄、Y₂₃、Y₂₄可由电压方程中的阻抗矩阵z表示为，Y₁₃＝(-sR_rX_∑X_M-s²R_sX_rX_M)/|Z|$Y_{14}=(-s^2{X}_{\Sigma }{X}_r{X}_M+s{R}_s{R}_r{X}_M-s^2{X}_M^3)/\left|Z\right|$$Y_{23}=(s^2{X}_{\Sigma }{X}_r{X}_M-s{R}_s{R}_r{X}_M+s^2{X}_M^3)/\left|Z\right|$Y₂₄＝(-sR_rX_∑X_M-s²R_sX_rX_M)/|Z|   其中，Y₁₃＝Y₂₄，Y₁₄＝-Y₂₃令，$Y=\sqrt{Y_{13}^2+Y_{14}^2}=\sqrt{Y_{23}^2+Y_{24}^2},$$U_r=\sqrt{U_{\mathrm{rd}}^2+U_{\mathrm{rq}}^2}$则定子输出有功、无功可表示为，$P_s=Y_{11}{U}_{\mathrm{sd}}^2+{\mathrm{YU}}_{\mathrm{sd}}{U}_r(\frac{Y_{13}}{Y}·\frac{U_{\mathrm{rd}}}{U_r}+\frac{Y_{14}}{Y}·\frac{U_{\mathrm{rq}}}{U_r})$$Q_s=Y_{21}{U}_{\mathrm{sd}}^2+{\mathrm{YU}}_{\mathrm{sd}}{U}_r(-\frac{Y_{14}}{Y}·\frac{U_{\mathrm{rd}}}{U_r}+\frac{Y_{13}}{Y}·\frac{U_{\mathrm{rq}}}{U_r})$其中，令$\frac{U_{\mathrm{rd}}}{U_r}=\cos \alpha$$\frac{Y_{13}}{Y}=\cos \delta$$\frac{U_{\mathrm{rq}}}{U_r}=\sin \alpha ,$$-\frac{Y_{14}}{Y}=\sin \delta$则定子输出有功、无功可表示为，$P_s=Y_{11}{U}_{\mathrm{sd}}^2+Y{U}_{\mathrm{sd}}{U}_r\cos (\alpha +\delta )$$Q_s=Y_{21}{U}_{\mathrm{sd}}^2+Y{U}_{\mathrm{sd}}{U}_r\sin (\alpha +\delta )$而上式中的U_rcos(α+δ)、U_rsin(α+δ)可认为是转子励磁电压相量在一个新的旋转轴系d′、q′轴上的投影，$U_{\mathrm{rd}}^{\prime }=U_r\cos (\alpha +\delta )$$U_{\mathrm{rq}}^{\prime }=U_r\sin (\alpha +\delta )$其中，新旋转轴系为本方案中所涉及的动态同步轴系，则定子输出有功、无功与转子励磁电压的动态同步轴系分量的关系式为，$P_s=Y_{11}{U}_{\mathrm{sd}}^2+Y{U}_{\mathrm{sd}}{U}_{\mathrm{rd}}^{\prime }$$Q_s=Y_{21}{U}_{\mathrm{sd}}^2+Y{U}_{\mathrm{sd}}{U}_{\mathrm{rq}}^{\prime }$b)由双馈感应发电机有功、无功与转子励磁电压相量在动态同步轴系下分量的关系式，建立基于动态同步轴系的双馈感应发电机双通道励磁控制方程：双馈感应发电机有功、无功与转子励磁电压相量在动态同步轴系下分量的关系式表明，双馈感应发电机稳态运行时有功仅与转子励磁电压相量在动态同步轴系d′轴上的分量有关，而无功仅与q′轴上的分量有关，控制转子励磁电压相量在d′、q′轴上的投影，可实现双馈感应发电机有功、无功的独立控制。基于动态同步轴系的双馈感应发电机双通道励磁控制方程为，$U_{\mathrm{rd}}^{\prime }=U_{\mathrm{rd}0}^{\prime }+K_P\mathrm{\Delta P}+K_s\mathrm{\Delta s}$$U_{\mathrm{rq}}^{\prime }=U_{\mathrm{rq}0}^{\prime }+K_Q\mathrm{\Delta Q}$其中，分别为当前运行状态时转子励磁电压在动态同步轴系d′、q′轴上的分量，为前一运行状态时转子励磁电压在动态同步轴系d′、q′轴上的分量，ΔP为发电机设定有功输出与前一运行状态时的有功输出与之差；Δs为发电机设定转差率与前一运行状态时的转差率之差；ΔQ为发电机设定无功输出与前一运行状态时无功输出之差；而K_P、K_Q、K_s分别为反馈系数；c)把转子励磁电压在动态同步轴系下的分量变换到转子实际三相绕组U_ra、U_rb、U_rc上，实现对转子电压的控制，其控制方程可表示为：$U_{\mathrm{ra}}=U_{\mathrm{rd}}^{\prime }\cos \theta +U_{\mathrm{rq}}^{\prime }\sin \theta$其中，θ为转子a相相轴相对于动态同步轴系d′轴的电角度。