可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，包括网侧锁相PLL-Grid环节、电流旋转变换环节、磁链与转矩观测环节、同步控制环节、磁链控制环节、速度转矩映射环节、转矩控制环节、电压前馈环节、电流控制环节、旋转矢量控制SVM环节。本发明采用矢量控制技术，在电励磁同步机各种模式下具有系统转矩与无功调节迅速的特点；采用的同步励磁发电电动机具有“定频变速”的特性，使得水轮机组可在电机同步速点上下调节，较传统同步机拖动方式，可有效减少水轮机组的负荷压力；变流器为转差功率变流器，与采用同步机组的全功率变流相比具有体积小，结构紧凑的特点。
【专利说明】可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于大功率抽水蓄能变流机组控制领域，具体涉及可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法。
【背景技术】
[0002]随着现代工业和电力事业的迅猛发展，尤其是核能、风能、太阳能等清洁能源发电容量所占比重日益增加，电力系统负荷峰谷差矛盾日趋突出。在各种解决此矛盾的方式中，抽水蓄能电站以其快速、有效、经济、可靠的特点，在电网的调峰、填谷、调频、调相中扮演着重要的角色，成为目前最有效和最经济的电网负荷调节手段。抽水蓄能电站合理有效的利用，可减少常规火电调峰电源建设和火电机组排放污染气体，这对我国环境保护以及低碳排放极为有利。因此，抽水蓄能电站作为水电的补充，可弥补水电的不足，有利于水电和电力工业的可持续发展，同时还使水电以至电力工业增加新的活力。
[0003]我国抽水蓄能电站的现有机组大部分为同步发电电动机机组，其存在变流器容量大、速度不可调、动态响应慢、无功不可调、低负载效率低等缺点，交流励磁发电电动机具有“定频变速”的特性，使得水轮机组可在电机同步速点上下调节，可有效减少水轮机组的负荷压力机，同时，交流励磁发电电动机具有无功调节迅速、变流器容量小的特点，其中同步并网策略是其关键技术之一。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于可变速抽水蓄能电站交流励磁发电电动机的同步并网控制方法。本发明基于交流励磁发电电动机的数学模型，分析了其在静态坐标系及旋转坐标系下的数学模型，给出了交流励磁发电机的交流励磁控制及其并网控制的方法，其主要由磁.链与转矩观测环节、同步控制环节、电流控制环节、电压前馈环节、旋转矢量控制SVM环节组成。
[0005]根据本发明的一个方面，提供一种可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，包括网侧锁相PLL-Grid环节、电流旋转变换环节、磁链与转矩观测环节、同步控制环节、磁链控制环节、速度转矩映射环节、转矩控制环节、电压前馈环节、电流控制环节、旋转矢量控制SVM环节，其中:
[0006]网侧锁相PLL-Grid环节的输入量为网侧线电压Un(UI；2, L2L3),通过动态锁相技术获取网侧电压相角色?及角频率;
[0007]电流旋转变换环节的输入量为变流器输出电流s, τ)及转子磁链旋转角度^，输出量为同步旋转坐标系下转子(m，T)轴分量i(m,t)；
[0008]磁链与转矩观测环节的输入量为转子(m，T)轴电流分量i(m,t)、逆变器重构电压
Ur(E,S,T)、
电机转速《?、电机位置角Xmot、定子侧开路电压
Us(ES,ST,TE)、 定子侧电流 is(E,S,T)以及网侧锁相PLL-Grid环节输出的网侧电压相角色?和角频率--η，通过磁链与转矩观测环节获取转子侧磁链幅值t、转子磁链旋转角度&、电机电磁转矩?，同时通过功率计算得到系统无功Q及功率因数；
[0009]同步控制环节的输入量为转子磁链给定值<、网侧线电压Un(.L2L3)检测、定子端输出电压US(K,S,T)、转子磁链角度估算量^，通过同步控制环节获取转差频率给定值Λ ?*sync及转子磁链给定控制值；
[0010]磁链控制环节的输入量为转子磁链给定控制值及估算量角度估算量&，通过磁链控制环节获取转子磁链给定值?);
[0011]速度转矩映射环节用于获取转矩的给定量，其输入量为转矩给定值Τ*及电机转速，其根据发电电动机的运行特性，通过查表获取转矩的给定量；
[0012]转矩控制环节用于获取转矩电流给定值&，其输入量为转矩的给定量T*'、转矩观测量f.及转子侧磁链幅值A ;
[0013]电压前馈环节完成对系统中控制量的补偿量Utf (m，I)输出，其输入量为转差频率给定值Δ ω、η。、电机转速、转子侧磁链幅值t、转子电流给定值;(<0 ;
[0014]电流控制环节的输出量为逆变器电压给定指令Μ(*α,p)，输入量为补偿量Utf (m，I)、转子电流给定值?,τ)、链旋转角度^ ,及转子(m，T)轴电流分量i(m,t)；
[0015]旋转矢量控制SVM环节用于根据电流控制环节的输出量逆变器电压给定指令 ，完成四象限逆变器的开关状态输出，最终得到逆变器的开关状态，完成对逆变器的控制。
[0016]优选地,所述网侧锁.相PLL-Grid环节,具体为:输入量为网侧线电压Unail^u)，通过动态锁相技术获取网侧电压相角色?及角频率。
[0017]优选地，所述电流旋转变换环节，具体为:输入量为变流器输出电流iHK,s,T)及转子磁链旋转角度^，采用同步旋转Park环节，输出量为同步旋转坐标系下转子(m，T)轴分量
I (ill, t) °
[0018]优选地，所述同步控制环节，具体为:同步控制环节的输入量为转子磁链给定值
<、网侧线电压 Un(LlL2,L2L3)
检测、定子端输出电压Us(E, s, τ)、转子磁链角度估算量^^，通过同步
控制环节获取转差频率给定值△ ?*syn。及转子磁链给定控制值乂'。
[0019]优选地，所述磁链控制环节，具体为:磁链控制环节的输入量为转子磁链给定控制值^及估算量角度估算量&通过带补偿的典型PI控制器输出励磁电流给定量Co。
[0020]优选地，所述速度转矩映射环节，具体为:其输入量为转矩给定值T*及电机转速 ，其根据发电电动机的运行特性，通过查表获取转矩的给定量T*'。
[0021]优选地，所述转矩控制环节，具体为:其输入量为转矩的给定量^、转矩观测量f.及转子侧磁链幅值!^，根据同步电机的机械特征曲线，通过经典调节器控制完成转矩控制。
[0022]优选地，所述电压前馈环节，具体为:根据交流励磁发电电动机的电压控制方程，输入量为转差频率给定值Λ ω%η。、电机转速、转子侧磁链幅值&、转子电流给定值4.Τ,，最后产生选择坐标系下的补偿量。[0023]优选地，所述电流控制环节，具体为:输入量为补偿量1(!11，I)、转子电流给定值i；mJ)、链旋转角度^及转子(m，T)轴电流分量i(m,t)采用带补偿策略的PI调节器完成控制。
[0024]优选地，所述旋转矢量控制SVM环节，具体为:输入为电压给定指令P)，根据多电平PWM调制算法，最终产生功率器件的开关脉冲。
[0025]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果:
[0026](I)本发明采用矢量控制技术，其由磁链与转矩观测环节、同步控制环节、电流控制环节、电压前馈环节、旋转矢量控制SVM环节组成，在电励磁同步机各种模式下具有系统转矩与无功调节迅速的特点；
[0027](2)本发明中采用的同步励磁发电电动机具有“定频变速”的特性，使得水轮机组可在电机同步速点上下调节，较传统同步机拖动方式，可有效减少水轮机组的负荷压力；
[0028](3)变流器为转差功率变流器，与采用同步机组的全功率变流相比具有体积小，结构紧凑的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0030]图1为抽水蓄能机组配置图，示出了交流励磁发电电动机变频调速结构；
[0031]图2为交流励磁发电电动机采用磁场定向后的向量图；
[0032]图3为交流励 磁发电电动机的同步并网控制策略框图。
[0033]图中:
[0034]I为主变压器；
[0035]2为励磁变压器；
[0036]3为交流励磁电机。
【具体实施方式】
[0037]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0038]本发明提供一种用于可变速抽水蓄能电站的交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，本发明基于交流励磁发电电动机的数学模型，分析了其在静止坐标系及同步旋转坐标系下的数学模型，根据抽水蓄能机组的工作特点，对交流励磁电动机采用磁场定向的方法，完成了抽水蓄能机组的同步并网控制，其依据为下文交流励磁发电电动机的磁链方程(I)，交流励磁发电电动机的电压方程(2);交流励磁发电电动机的电压方程(3);交流励磁发电电动机的转矩方程(4);交流励磁发电电动机同步旋转坐标系(m，T)下的电压方程式(5);交流励磁发电电动机定子磁场定向后的磁链方程(6);交流励磁发电电动机定子磁场定向后的电压方程(7) (8);交流励磁发电电动机定子磁场定向后的转矩方程(9)。
[0039]依照电机控制惯例，交流励磁发电电动机在旋转坐标系(m，T)下的磁链方程为:Vsdl ps o Lm Olpsd'
[0040]
【权利要求】
1.一种可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，包括网侧锁相PLL-Grid环节、电流旋转变换环节、磁链与转矩观测环节、同步控制环节、磁链控制环节、速度转矩映射环节、转矩控制环节、电压前馈环节、电流控制环节、旋转矢量控制SVM环节，其中: 网侧锁相PLL-Grid环节的输入量为网侧线电压Un(LlL2, L2L3)， 通过动态锁相技术获取网侧电压相角色?及角频率； 电流旋转变换环节的输入量为变流器输出电流iHK,s,T)及转子磁链旋转角度^，输出量为同步旋转坐标系下转子(m, T)轴分量i(m,t)； 磁链与转矩观测环节的输入量为转子(m，T)轴电流分量i(m,t)、逆变器重构电SUHK,s,τ)、电机转速、电机位置角λ Μμ.、定子侧开路电压Us(KS,ST,TK)、定子侧电流is(K,s,T)以及网侧锁相PLL-Grid环节输出的网侧电压相角色n和角频率屯n，通过磁链与转矩观测环节获取转子侧磁链幅值&、转子磁链旋转角度Av、电机电磁转矩f，同时通过功率计算得到系统无功Q及功率因数CC)S(P); 同步控制环节的输入量为转子磁链给定值 <、网侧线电压Un(LlL2, L2L3) 检测、 定子端输出电压US(K,S,T)、转子磁链角度估算量通过同步控制环节获取转差频率给定值△ ω%η。及转子磁链给定控制值 磁链控制环节的输入量为转子磁链给定控制值^.及估算量角度估算量&，通过磁链控制环节获取转子磁链给定值Co ； 速度转矩映射环节用于获取转矩的给定量T#/，其输入量为转矩给定值Τ*及电机转速 ，其根据发电电动机的运行特性，通过查表获取转矩的给定量T*'； 转矩控制环节用于获取转矩电流给定值&，其输入量为转矩的给定量T*,、转矩观测量f及转子侧磁链幅值; 电压前馈环节完成对系统中控制量的补偿量Utf (m，I)输出，其输入量为转差频率给定值Λ ω、η。、电机转速0^、转子侧磁链幅值|^、转子电流给定值“； 电流控制环节的输出量为逆变器电压给定指令<α，ρ)，输入量为补偿量Utf (m，I)、转子电流给定值&T1、链旋转角度&及转子(m，T)轴电流分量i(m,t)； 旋转矢量控制SVM环节用于根据电流控制环节的输出量逆变器电压给定指令<，p)，完成四象限逆变器的开关状态输出，最终得到逆变器的开关状态，完成对逆变器的控制。
2.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述网侧锁相PLL-Grid环节，具体为:输入量为网侧线电压Un(m3)，通过动态锁相技术获取网侧电压相角色?及角频率。
3.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述电流旋转变换环节，具体为:输入量为变流器输出电流iHK,s,T)及转子磁链旋转角度&，采用同步旋转Park环节，输出量为同步旋转坐标系下转子(m，T)轴分量i(m,t) °
4.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述同步控制环节，具体为:同步控制环节的输入量为转子磁链给定值<、网侦_电压Un(m3)检测、定子端输出电压US(K,S,T)、转子磁链角度估算量:1；w，通过同步控制环节获取转差频率给定值Λ co*syn。及转子磁链给定控制值<_。
5.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述磁链控制环节，具体为:磁链控制环节的输入量为转子磁链给定控制值<.及估算量角度估算量，通过带补偿的典型pi控制器输出励磁电流给定量?)。
6.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述速度转矩映射环节，具体为:其输入量为转矩给定值Τ*及电机转速coy其根据发电电动机的运行特性，通过查表获取转矩的给定量T*'。
7.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述转矩控制环节，具体为:其输入量为转矩的给定量^、转矩观测量f及转子侧磁链幅值$，根据同步电机的机械特征曲线，通过经典调节器控制完成转矩控制。
8.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述电压前馈环节，具体为:根据交流励磁发电电动机的电压控制方程，输入量为转差频率给定值Λ c<yn。、电机转速、转子侧磁链幅值6、转子电流给定值，最后产生选择坐标系下的补偿量。
9.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述电流控制环节，具体为:输入量为补偿量Utf(m，I)、转子电流给定值&,?、链旋转角度^ ,及转子(m，T)轴电流分量i(m,t)，采用带补偿策略的PI调节器完成控制。`
10.根据权利要求1所述的可变速抽水蓄能交流励磁发电电动机的同步并网控制方法，其特征在于，所述旋转矢量控制SVM环节，具体为:输入为电压给定指令<，p)，根据多电平PWM调制算法，最终产生功率器件的开关脉冲。
【文档编号】H02J3/40GK103427442SQ201310288879
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年7月9日 优先权日:2013年7月9日
【发明者】姜建国, 刘贺, 罗*, 徐亚军, 乔树通 申请人:上海交通大学