CN111555361A - 一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法，首先对采集到的定子电压进行ButterWorth低通滤波，得到滤波后的定子电压，再对电网电压进行锁相，得到电网电压相位，利用该相位对电网电压和滤波后的定子电压做Park变换，得到旋转坐标系下的电网电压的d、q轴分量和定子电压的d、q轴分量；分别对这四个电压分量进行闭环控制，闭环控制的输出分别作为转子电流补偿量和转子位置角补偿量，以保持定子电压与电网电压在幅值、相位上一致。当检测到定子电压与电网电压的幅值差、相位差分别小于给定误差且维持若干周波后，进行并网操作。本方法具有动态响应快、精度高、鲁棒性好的特点。

Description

一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法

技术领域

本发明属于双馈可变速抽水蓄能机组在抽水蓄能中的应用领域，尤其涉及一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法。

背景技术

双馈可变速抽水蓄能机组具有出力灵活、响应迅速、适用范围广、能量转换效率高的优点，应用到抽水蓄能中，可满足电网调频调压的需求，并解决由水头变化、出力波动导致的水泵水轮机效率降低的问题。根据***需求，抽水蓄能中的双馈可变速抽水蓄能机组主要运行在抽水和发电两种工况，其中的发电工况与风电中的类似，目前已有很多研究，缺少对抽水工况并网过程的深入研究。

在抽水工况下，为了保证并网过程中定子电压的相位与电网电压保持一致，常规的控制方法为：利用锁相环检测定子电压和电网电压相位角度，并利用PI调节器对两者之间的误差进行闭环控制，进而补偿转子位置角。但是，由于PI调节器的开环增益仅在频率为零处为无穷大，因此仅适用于给定和反馈均为直流的物理量的跟踪，若使用时变的相位角度进行控制，无法实现无静差的跟踪。此外，在进行幅值控制和相位控制时，常规的控制算法均未考虑定子谐波电压对控制性能的影响，而在实际的并网过程中，由于机侧变流器加在转子上的电压为PWM脉冲，定子电压中存在较大的开关频次的谐波成分，若直接对该电压进行幅值和相位控制，会由于谐波的干扰产生相位波动，进而增大并网冲击电流。因此，实现定子电压相位对电网电网相位的准确跟踪、避免谐波电压对定子电压幅值、相位控制的干扰对于实际的并网效果有着重要意义。

发明内容

为了解决实际并网过程中相位稳态静差和定子谐波电压造成的冲击电流问题，本发明提出了一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法，是一种基于ButterWorth低通滤波器的并网控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法，其特征在于，对采集到的定子电压进行ButterWorth低通滤波，得到滤波后的定子电压U_sflt，并对电网电压进行锁相，得到电网电压相位，利用电网电压相位对电网电压和滤波后的定子电压进行Park变换，得到旋转坐标系下的定子电压的d轴、q轴分量和电网电压的d轴、q轴分量；分别对定子电压和电网电压的d轴分量、定子电压和电网电压的q轴分量进行闭环控制，闭环控制的输出分别作为转子电流补偿量和转子位置角补偿量。

进一步地，分别对电网电压d轴分量U_g ^d、滤波后的定子电压d轴分量U_sflt ^d，电网电压q轴分量U_g ^q、滤波后的定子电压q轴分量U_sflt ^q进行闭环控制，闭环控制的输出作为转子电流的补偿量，设增加电流补偿后的转子电流给定值为：

式中，i_r ^*d、i_r ^*q分别为转子励磁电流的给定值和有功电流给定值，L_m为定转子互感，ω_c为定子磁链的旋转角速度，k_p、k_i、s分别为PI控制的比例系数、积分系数和复变量。

进一步地，分别对电网电压d轴分量U_g ^d、滤波后的定子电压d轴分量U_sflt ^d，电网电压q轴分量U_g ^q、滤波后的定子电压q轴分量U_sflt ^q进行闭环控制，闭环控制的输出作为转子位置角的补偿量，设增加所述转子位置角补偿量后的转子位置角为：

式中，θ_r为转子位置角，Δθ_r为转子位置角增量，θ_r0为转子位置角补偿量，k_p、k_i、s分别为PI控制的比例系数、积分系数和复变量。

与现有发明相比，本发明有益效果如下：

1、通过ButterWorth低通滤波获取定子电压，避免了定子谐波电压对控制效果的干扰；

2、相位补偿环节，用电压的幅值代替了电压的相位进行闭环控制，避免了采用时变的相位进行控制时存在的相位跟踪不准确的问题；

3、省略了定子锁相环环节，降低了***复杂度。

综上，本发明控制方法解决了双馈可变速抽水蓄能机组在抽水工况下的实际并网过程中由相位稳态静差和定子谐波电压造成的冲击电流问题，且具有动态响应快、精度高、鲁棒性好的特点。

附图说明

图1为本发明涉及的双馈可变速抽水蓄能***的拓扑结构图。

图2为本发明提出的一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制框图。

图3为本发明实施例中双馈可变速抽水蓄能机组在抽水工况下启动、并网、调速过程的转速波形图。

图4为本发明实施例中双馈可变速抽水蓄能机组在抽水工况下并网过程中的电压电流波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法的应用实例。

本发明的拓扑结构如图1所示，主要由LCL滤波器2、网侧变流器3、转子侧变流器4、Crowbar电路5、双馈可变速抽水蓄能机组6、水泵水轮机7、电网接触器K1、定子短接接触器K2、并网接触器K3组成。具体而言，双馈可变速抽水蓄能机组的定子(以下简称为“定子”)依次通过定子短接接触器K2和并网接触器K3连接到电网侧的变压器1，双馈可变速抽水蓄能机组的转子(以下简称为“转子”)依次通过转子侧变流器4、网侧变流器3、LCL滤波器2以及电网接触器K1连接到电网侧的变压器1，Crowbar电路5作为保护单元并联在转子上，双馈可变速抽水蓄能机组的转子上还安装有编码器8以获得其转子的位置角。

双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网过程为：

初始状态下，电网接触器K1、定子短接接触器K2、并网接触器K3均处于打开状态，转子侧变流器4和网侧变流器3均不运行，双馈可变速抽水蓄能机组的转速为零；

第一步，闭合电网接触器K1，网侧变流器3开始整流，建立稳定的直流母线电压；

第二步，闭合定子短接接触器K2，转子侧变流器4以定子磁链定向的矢量控制算法驱动双馈可变速抽水蓄能机组自启动；

第三步，当双馈可变速抽水蓄能机组的转速达到同步速后，断开定子短接接触器K2，双馈可变速抽水蓄能机组的转速开始自由滑落，此时转子侧变流器4将控制算法切换为本发明提出的基于ButterWorth低通滤波器的并网控制方法。具体实现过程如下：

设双馈可变速抽水蓄能机组在电动机惯例下，基于定子磁链定向的数学模型为：

(T_e-T_L)n_p＝Jpω_r (3)

式中，上标d、q分别表示旋转坐标系的直轴和交轴；U_s、i_s、Ψ_s分别表示定子电压、电流和磁链；U_r、i_r、Ψ_r分别表示转子电压、电流和磁链；R_s、L_s分别为定子电阻和电感；R_r、L_r分别为转子电阻和电感；L_m为定转子互感；ω_c为定子磁链的旋转角速度；ω_r为转子角速度；T_e为电磁转矩；T_L为负载转矩；n_p为双馈可变速抽水蓄能机组的极对数；J为转子的转动惯量；p为微分算子，j为虚数单位。

如图2所示，对采集到的定子电压进行ButterWorth(巴特沃斯)低通滤波，滤除定子电压中开关频次的谐波分量，得到滤波后的定子电压，然后利用锁相环PPL，得到电网电压相位θ_g。利用该电网电压相位分别对电网电压和滤波后的定子电压进行Park变换(即图2中abc/dq所示，表示把物理量从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系)，得到旋转坐标系下的电网电压分量U_g ^d、U_g ^q和定子电压分量U_sflt ^d、U_sflt ^q。

为了使定子电压相位θ_s与电网电压相位θ_g保持一致，设置转子侧变流器输出到双馈可变速抽水蓄能机组转子上的转子电压相位θ_gr为：

两边对时间求导，可得：

ω_sl＝ω_g-ω_r (5)

其中，Δθ_r为编码器测得的转子位置角增量，θ_r0为转子位置角补偿量，θ_r为转子最终的位置角。ω_sl为滑差，也是转子电压的角速度，ω_g为电网的角速度，ω_r为转子的电角速度，k_p、k_i和s分别为PI控制的比例系数、积分系数和复变量。由此可见，当定子电压落后电网电压时，由式(4)设置的转子位置角补偿的调节，会加快定子电压相量的旋转角速度，最终保证了定子电压的频率与电网电压频率保持一致。

进一步地，为了对定子电压的幅值进行控制，结合式(1)～式(3)，推导定子开路状态下的双馈可变速抽水蓄能机组模型。当定子处于开路状态时，设定子磁链、定子电压和转子电压为：

ψ_s ^d＝L_mi_r ^d＝L_mI_ms (6)

式中，Ψ_s ^d、i_r ^d、i_r ^q分别表示定子磁链、转子电流在旋转坐标系中的直轴分量、转子电流在旋转坐标系中的交轴分量；U_sflt ^d、U_sflt ^q分别表示定子电压在旋转坐标系下的直轴分量和交轴分量，I_ms为广义励磁电流，σ为漏磁系数，σ＝1-L_m ²/(L_s*L_r)，L_m为定转子互感，L_s为定子电感，L_r为转子电感；U_rdc＝-σL_rω_sli_r ^q和U_rqc＝ω_sl(L_m ²/L_s)i_m+σL_rω_sli_r ^d分别为转子电压的耦合项。

结合并网条件，当U_sflt ^d＝U_g ^d，且U_sflt ^q＝U_g ^q时，转子电流在旋转坐标系中的直轴分量i_r ^d为：

若能保证转子励磁电流满足式(9)，理论上即可使定子电压与电网电压的幅值相同。

考虑到若对双馈可变速抽水蓄能机组互感参数测量不准确或磁路饱和导致互感参数变化，都会影响实际的并网效果，为了避免互感参数变化带来的影响，使定子电压幅值与电网电压幅值保持一致，对电网电压和定子电压幅值的误差进行闭环控制，再利用闭环控制的输出对转子励磁电流和有功电流进行补偿，设置增加电流补偿后的转子励磁电流给定值i_r ^*d和转子有功电流给定值i_r ^*q为：

此时的转子励磁电流给定值i_r ^*d由计算给定量U_g ^q/(L_mω_c)和反馈补偿量(U_g ^q-U_sflt ^q)(k_p+k_i/s)两部分组成，转子有功电流给定值i_r ^*q完全由反馈补偿量(U_g ^d-U_sflt ^d)(k_p+k_i/s)决定。当互感参数偏大时，感应出的定子电压q轴分量小于电网电压q轴分量，定子电压d轴分量大于电网电压d轴分量，此时转子励磁电流补偿输出为正，转子励磁电流增大，转子有功电流补偿输出为负，转子有功电流减小，进而增大定子电压q轴分量，减小定子电压d轴分量，最终保证定子电压的幅值完全跟随电网电压，反之亦然。

综上，为了对定子电压幅值进行控制，采取双闭环控制结构，外环为电压环，将电网电压U_g ^d、U_g ^q和定子电压U_sflt ^d、U_sflt ^q分别进行PI控制，PI控制器的输出作为转子电流的给定值i_r ^*d、i_r ^*q；内环为电流环，分别对转子励磁电流给定值i_r ^*d、转子有功电流给定值i_r ^*q和反馈值i_r ^d、i_r ^q进行PI控制，PI控制器的输出加上转子电压的耦合项U_rdc、U_rqc后作为转子电压的给定值，根据前述得到的转子电压相位θ_gr将该转子电压的给定值从两相旋转坐标系变换到两相静止坐标系(即图2中dq/αβ所示)，然后进行SVPWM调制(空间矢量脉宽调制)，最后通过转子侧变流器4输入到双馈可变速抽水蓄能机组6的转子(图2中，DC bus表示直流母线)。

第四步，检测到定子电压与电网电压的幅值差、相位差分别小于给定误差δ₁、δ₂，且稳定维持若干周波后，闭合并网接触器K3，进行并网操作，记录下并网瞬间转子位置角的补偿量θ^* _r0和转子d轴电流i^* _ms。

第五步，并网成功后，断开电压外环，将转子位置角补偿量θ_r0设定为常值θ^* _r0，转子d轴电流给定值设置为i^* _ms，并在转子q轴电流环中加上转速外环控制，根据***的实际需求，调节转速，实现双馈可变速抽水蓄能机组的负荷优化调节，保证水泵水轮机工作在最佳水力效率下。

以下为本发明实施例及其有效性验证：

在Matlab/Simulink中搭建100kW可变速抽水蓄能数字仿真***，模拟双馈可变速抽水蓄能机组在抽水工况下的并网过程。仿真所用参数为：定子电阻R_s＝0.0350Ω，定子电感L_s＝0.0983H，转子电阻R_r＝0.0400Ω，转子电感L_r＝0.0979H，定转子互感L_m＝0.0975，极对数n_p＝3，所用ButterWorth低通滤波器为3阶模型。

图3为本发明实施例在启动、并网、调速过程的双馈可变速抽水蓄能机组转速波形图，图4为并网过程中定子电压U_s、电网电压U_g、定子电流I_s波形图。0.5s以前为启动阶段，双馈可变速抽水蓄能机组首先通过短接定子进行软启动，因此在0.5s以前定子电压为零，而定子电流为启动所需电流。0.5s转速达到1000rpm，接下来断开定子短接接触器K2，让转速自由滑落，同时转子侧变流器采用本发明提出的基于ButterWorth低通滤波器的并网控制方法，控制定子电压跟随电网电压，0.6s时进行并网操作。因此，在0.5s～0.6s时间内，由于定子处于开路状态，定子电流为零，而定子电压在幅值、频率、相位、相序上完全与电网电压保持一致。0.6s进行并网操作时，定子无冲击电流，并网成功后，双馈可变速抽水蓄能机组可迅速切换至调速模式，将转速调整到额定转速980rpm。

结论：采用本发明提出的双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法，可在并网期间保证定子电压精确跟随电网电压，且在并网瞬间不产生冲击电流，具有动态响应快、精度高、鲁棒性好的特点。

最后应说明的是：本发明未详细阐述部分属于本领域的公知技术，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种双馈可变速抽水蓄能机组抽水工况下的并网控制方法，其特征在于，对采集到的定子电压进行ButterWorth低通滤波，得到滤波后的定子电压，并对电网电压进行锁相，得到电网电压相位，利用电网电压相位对电网电压和滤波后的定子电压进行Park变换，得到旋转坐标系下的电网电压的d轴、q轴分量和定子电压的d轴、q轴分量；分别对定子电压和电网电压的d轴分量、定子电压和电网电压的q轴分量进行闭环控制，闭环控制的输出分别作为转子电流补偿量和转子位置角补偿量。

2.根据权利要求1所述的并网控制方法，其特征在于，分别对电网电压d轴分量U_g ^d、滤波后的定子电压d轴分量U_sflt ^d，电网电压q轴分量U_g ^q、滤波后的定子电压q轴分量U_sflt ^q进行闭环控制，闭环控制的输出作为转子电流的补偿量，设增加电流补偿后的转子电流给定值为：

式中，i_r ^*d、i_r ^*q分别为转子励磁电流的给定值和有功电流给定值，L_m为定转子互感，ω_c为定子磁链的旋转角速度，k_p、k_i、s分别为PI控制的比例系数、积分系数和复变量。

3.根据权利要求1所述的并网控制方法，其特征在于，分别对电网电压d轴分量U_g ^d、滤波后的定子电压d轴分量U_sflt ^d，电网电压q轴分量U_g ^q、滤波后的定子电压q轴分量U_sflt ^q进行闭环控制，闭环控制的输出作为转子位置角的补偿量，设增加所述转子位置角补偿量后的转子位置角为：

式中，θ_r为转子位置角，Δθ_r为转子位置角增量，θ_r0为转子位置角补偿量，k_p、k_i、s分别为PI控制的比例系数、积分系数和复变量。

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