一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统及方法。

背景技术

鼠笼异步发电机因其造价便宜，结构简单坚固，制造成熟，在实际生产中常作为电动机得到广泛应用。随着电力电子技术的迅速发展，鼠笼异步发电机在新能源发电系统中得到越来越多的关注，尤其是在没有电网的特殊情况下，双馈异步电机显然不合适，同步电机及永磁电机造价昂贵，鼠笼异步发电机显示了其它电机所无法取代的优越性，拓展了分布式发电的新领域和新途径。目前，在以斯特林发电系统和风力发电系统中，鼠笼异步发电机应用较多，而尤其是斯特林发电系统。

鼠笼异步发电机首先没有单独的励磁系统，其次，根据电机可逆原理，当转子转速高于其同步转速时，将运行在发电状态下。鼠笼异步发电机直接并网运行，若转子上施加动力转矩，转速将超过同步转速，电机从电网上吸收无功建立磁场，向电网输送有功，而如果在偏远地区或军用船舶等没有电网的应用场所，鼠笼异步发电机就没有励磁来源，即离网运行。常见的方法是定子直接外加励磁电容，电容大小必须随着电机运行工况变化及时调整和改变，以适应电机某种工况下对励磁电流的需求，稳定机端电压大小和频率变化，这样就使得异步发电机运行非常机械，操作上带来很多不便。

发明内容

本发明提出一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统及方法，以解决现有的励磁系统不能满足鼠笼异步发电机在不同工况下对励磁电流的需求的问题。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统及方法。

一方面，本申请提供一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统，包括机侧变换器、网侧变换器、半桥双向DC-DC变换器和控制单元，其中：

所述机侧变换器的交流侧与鼠笼异步发电机的三相电枢绕组连接，所述机侧变换器的直流侧通过直流母线与所述网侧变换器的直流侧连接，所述网侧换器的交流侧通过滤波器与三相交流负载连接，所述直流母线上并联有电容；

所述半桥双向DC-DC变换器的高压侧并联在直流电压母线上，低压侧通过储能电感连接蓄电池组；

所述控制单元用于控制整个系统的运行。

优选的是，控制单元包括第一控制模块、第二控制模块和第三控制模块，所述第一控制模块采用转子磁链定向矢量控制方式控制所述机侧变换器实现鼠笼异步发电机启动以及鼠笼异步发电机的转矩和转速的调节；第二控制模块采用电网电压定向矢量控制方式控制所述网侧变换器实现直流母线电压、输出功率以及功率因数的调节；第三控制模块采用电压外环与电流内环控制方式控制所述半桥双向DC-DC变换器实现蓄电池组充放电的调整。

优选的是，所述机侧变换器和网侧变换器均采用三相全桥IGBT器件组成。

另一方面，本发明还提供一种鼠笼异步发电机离网运行的控制方法，利用一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统，包括以下步骤：

S1：在控制单元接收到启动信号时，控制半桥双向DC-DC变换器使蓄电池组向电容充电；其次控制所述机侧变换器通过直流母线电容向鼠笼异步发电机提供无功励磁电流和启动转矩电流，驱动鼠笼异步发电机启动，此时所述机侧变换器工作在逆变状态；

S2：鼠笼异步发电机启动后，原动机拖动鼠笼异步发电机加速，达到超同步转速后进入发电状态，输出三相交流电；控制单元控制机侧变换器工作在整流状态，将三相交流电转为直流电；并控制网侧变换器将直流母线的电压逆变为三相工频交流电，网侧变换器的交流侧通过滤波器接负载或者并网。

优选的是，所述步骤S1具体包括：在控制单元接收到启动信号时，控制单元调节半桥双向DC-DC变换器的占空比，使半桥双向DC-DC变换器运行在boost工作模式下，蓄电池组向电容充电；其次控制所述机侧变换器通过直流母线电容向鼠笼异步发电机提供无功励磁电流和启动转矩电流，驱动鼠笼异步发电机启动，此时所述机侧变换器工作在逆变状态。

优选的是，还包括S3：

在并网或者负载时，对发电端与用电端进行实时控制以及实现发电与用电实时功率动态匹配，其包括：

在发电端采用转子磁链定向矢量控制方式控制机侧变换器实时调节鼠笼异步发电机的转矩和转速；在用电端采用电网电压定向矢量控制方式控制网侧变换器实时调节直流母线电压、输出功率以及功率因数；在储能端采用直流母线电压外环与蓄电池组电流内环控制方式控制半桥双向DC-DC变换器实时调整蓄电池组充放电，调节原动机的功率改变鼠笼异步电机的出力；其中，发电端为鼠笼异步发电机，储能端为蓄电池组，用电端为负载。

优选的是，所述实现发电与用电实时功率动态匹配具体包括：

当网侧变换器加载时，控制半桥双向DC-DC变换器占空比，使半桥双向DC-DC变换器运行在boost工作模式下，蓄电池组向直流母线放电；同时增加原动机功率，提高鼠笼异步电机出力，使发电端、储能端及用电端达到功率平衡；

当网侧变换器减载时，控制半桥双向DC-DC变换器占空比，使桥双向DC-DC变换器运行在buck工作模式下，直流母线向蓄电池组充电；同时减小原动机功率，降低鼠笼异步电机出力，使发电端、储能端及用电端达到功率平衡。

优选的是，所述实现发电与用电实时功率动态匹配具体包括：

当鼠笼异步发电机的出力大于负荷功率时，控制半桥双向DC-DC变换器的占空比，使半桥双向DC-DC变换器运行在buck工作模式下，直流母线向蓄电池组充电；

当鼠笼异步发电机出力小于负荷功率时，控制半桥双向DC-DC变换器的占空比，使半桥双向DC-DC变换器运行在boost工作模式下，蓄电池组向直流母线放电。

优选的是，所述转子磁链定向矢量控制方式具体包括建立三相鼠笼异步发电机两相旋转坐标系(dq)的数学模型，利用转速环和磁链环分别控制鼠笼异步发电机转子转速和转子磁链大小，从而实现对鼠笼异步发电机转矩和转速的调节；

其中：在两相同步旋转dq坐标系下，鼠笼异步发电机的转子磁链ψ

式中，L

优选的是，所述电网电压定向矢量的控制方式具体包括：建立网侧变换器在两相旋转坐标系下的数学模型，通过电流内环解耦，实现交流侧有功和无功的解耦控制，通过网侧变换器后面所接负载的性质，实现功率匹配；其中：两相旋转dq坐标系下，网侧变换器电压及功率方程分别如下：

式中：u

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：可以实现独立发电，不仅可以直接向负载供电，也可以向电网供电，同时还可以实现自启动。在新能源分布式发电领域，此发电系统相比于绕线式异步电机和永磁同步发电机来说成本最低，且控制更加丰富和灵活，极大地扩大应用范围。本发明在直流母线上增加一组蓄电池，由蓄电池向直流母线电容充电，再由机侧变换器向鼠笼异步电机提供容性无功励磁电流，通过控制机侧变换器，提供发电机运行所需要的剩磁，满足鼠笼异步发电机在不同工况下对励磁电流的需求。

附图说明

图1为本申请的鼠笼异步发电机离网运行主电路图；

图2为本申请的机侧变换器和网侧变换器的内部结构图；

图3为机侧变换器按转子磁链定向矢量控制方式的原理图；

图4为计算转子磁链的电流模型；

图5为鼠笼异步发电机矢量变换与电流解耦模型；

图6为转子磁链定向矢量控制速度环等效线性子系统；

图7为转子磁链定向矢量控制磁链环等效线性子系统；

图8为网侧变换器按电网电压定向矢量控制方式的原理图；

图9为网侧变换器电流内环的控制框图；

图10为网侧变换器电压外环的控制框图；

图11为半桥双向DC-DC变换器在boost模式下等效电路图；

图12为半桥双向DC-DC变换器在buck模式下等效电路图；

图13为半桥双向DCDC变换器整体控制框图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

实施例1：一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统。如图1所示，系统包括机侧变换器、网侧变换器、半桥双向DC-DC变换器和控制单元，机侧变换器的交流侧与鼠笼异步发电机的三相电枢绕组连接，机侧变换器的直流侧通过直流母线与网侧变换器的直流侧连接，网侧变换器的交流侧通过滤波器与三相交流负载连接，直流母线上并联有电容，电容一方面是缓冲直流侧无功，另一方面通过机侧变换器向鼠笼异步发电机提供初始励磁电流，从而实现在离网条件下建立鼠笼电机所需的初始励磁；半桥双向DC-DC变换器的高压侧并联在直流电压母线上，低压侧通过储能电感连接蓄电池组；控制单元用于控制整个系统的运行。

本申请通过在直流母线上增加一组蓄电池组，并且由蓄电池组向直流母线电容充电，再由机侧变换器向鼠笼异步发电机提供容性无功励磁电流，通过控制机侧变换器，提供发电机运行所需要的剩磁。本申请的无功励磁电流能够随着鼠笼异步发电机运行工况变化及时调整和改变，以适应电机某种工况下对励磁电流的需求。机侧变换器和网侧变换器采用三相全桥IGBT器件组成，内部结构见图2。

控制单元包括第一控制模块、第二控制模块和第三控制模块，所述第一控制模块采用转子磁链定向矢量控制方式控制机侧变换器实现鼠笼异步发电机的启动以及鼠笼异步发电机的转矩和转速的调节；第二控制模块采用电网电压定向矢量控制方式控制网侧变换器实现直流母线电压、输出功率以及功率因数的调节；第三控制模块采用直流母线电压外环与蓄电池组电流内环控制方式控制半桥双向DC-DC变换器实现蓄电池组充放电的调整。本申请利用控制网侧变换器来达实现单位功率因数运行的目的，减小或避免鼠笼异步发电机电机对电网无功需求的依赖，使得无功功率只在直流母线电容和鼠笼异步发电机之间交换，实现单位功率因数运行。

实施例2：一种鼠笼异步发电机离网运行的控制方法，利用实施例1中的一种鼠笼异步发电机离网运行的控制系统，包括以下步骤：

1)鼠笼异步发电机启动阶段：在控制单元接收到启动信号时，控制单元控制半桥双向DC-DC变换器的占空比，使半桥双向DC-DC变换器运行在boost工作模式下，蓄电池组采用恒压方式向电容充电；其次控制机侧变换器给鼠笼异步发电机提供容性无功励磁电流i

2)鼠笼异步发电机发电阶段：原动机拖动鼠笼异步发电机加速，达到超同步转速后进入发电状态，输出三相交流电，控制机侧变换器工作在整流状态，将三相交流电转为直流电；并控制网侧变换器将直流母线的电压逆变为三相工频交流电，网侧变换器的交流侧通过滤波器接负载或者并网。

3)并网或者负载阶段，鼠笼异步发电机进入发电状态，对发电端与用电端进行实时控制以及实现发电与用电实时功率动态匹配，其包括：

31)对发电端与用电端进行实时控制

发电端功率大小由原动机决定，机侧变换器矢量控制由速度调节器ASR控制鼠笼异步发电机恒转速运行，不随电机运行工况而变化，由磁链调节器AψR控制电磁力矩与原动机机械力矩平衡。

在用电端采用电网电压定向矢量控制方式控制网侧变换器实时调节直流母线电压、输出功率以及功率因数，达到稳定直流母线电压以及实现交流侧单位功率因数运行的目的。其中，发电端为鼠笼异步发电机，储能端为蓄电池组，用电端为负载。

32)实现发电与用电实时功率动态匹配

当网侧变换器加载时，控制半桥双向DC-DC变换器占空比，使桥双向DC-DC变换器运行在boost工作模式下，蓄电池组向直流母线放电；同时增加原动机功率，提高鼠笼异步电机出力，使发电端、储能端及用电端达到功率平衡。

当网侧变换器减载时，控制半桥双向DC-DC变换器占空比，使桥双向DC-DC变换器运行在buck工作模式下，直流母线向蓄电池组充电，同时减小原动机功率，降低鼠笼异步电机出力，使发电端、储能端及用电端达到功率平衡。

当鼠笼异步发电机的出力大于负荷功率时，控制半桥双向DC-DC变换器的占空比，使半桥双向DC-DC变换器运行在buck工作模式下，直流母线向蓄电池组充电。

当鼠笼异步发电机出力小于负荷功率时，控制半桥双向DC-DC变换器的占空比，使半桥双向DC-DC变换器运行在boost工作模式下，蓄电池组向直流母线放电。

当鼠笼异步发电机输出功率与负载功率不匹配时，根据能量守恒，两者不匹配的结果必然转化到鼠笼异步发电机转子的动能上去，导致鼠笼异步发电机转子转速的变化，而蓄电池组快速充放电响应的特点可以消除鼠笼异步发电机转速的明显变化，所以可以通过转速调节器实现对鼠笼异步发电机恒转速的控制，使得鼠笼异步发电机的力矩只随其出力成正比变化，这样可以保证鼠笼异步发电机任何工况下都处于超同步转速状态，即处于发电运行象限。

如图3-图7所示，本实施例中采用转子磁链定向矢量控制方式控制机侧变换器的方法，包括以下步骤：

步骤1：建立三相鼠笼异步发电机两相旋转坐标系(dq)的数学模型，获取两相旋转坐标系下鼠笼异步发电机电枢电流i

通过坐标变换计算得到转子磁链大小ψ

步骤2：推导dq坐标系下电机的电磁转矩及转子磁链的数学关系式，从中求得转子磁链对应的控制变量。

异步电动机数学模型的转子磁链ψ

式中，L

上式表明，转子磁链ψ

所述控制方法在图3中主要由三个部分组成，分别是速度环调节器ASR，磁链调节器AψR，电流调节器ACR，均为PI控制。根据基本原理，速度环调节器输出作为电磁转矩给定值T

步骤3：采用空间矢量调制(SVPWM)实现按转子磁链定向矢量控制的方式输出PWM波驱动机侧IGBT开关的通断。

转子磁场定向矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统，如图6、图7所示。由此，可以采用经典控制理论的单变量线性系统综合方法或相应的工程设计方法来设计两个调节器AψR和ASR。具体设计还应考虑变换器模型及其滞后作用，以及反馈滤波等因素的影响。

如图8-10所示，本实施例中采用电网电压定向矢量控制方式(VOC)控制网侧变换器的方法，主要分为以下几个步骤：

步骤1：建立网侧变换器在两相旋转坐标系下的数学模型，获取网侧变换器在两相旋转坐标系下的电流i

步骤2：对网侧三相电压进行坐标变换，将e

同步旋转dq坐标系与电网电压空间矢量U

式中：u

步骤3：采集直流侧母线电压，通过与给定值比较，设置电压外环PI控制，得到id的参考电流i

若令i

步骤4：设置电流内环PI控制器，输出SPWM波控制网侧变换器IGBT开关的通断。

电流内环i

图9是网侧变换器电流内环PI控制动态结构框图，i

T

考虑到电流内环需要获得较快的电流跟随性能，因此按典型I型系统设计电流调节器，通常按零极点整定法求取PI参数，具体公式如下：

Ki

图10是网侧变换器电压外环的控制框图，电压外环主要控制和稳定直流母线电压U

与电流内环类似，把电压采样保持环节和电流内环等效惯性环节合并成时间常数为4T

K

网侧变换器的主要目的是控制直流侧母线电压、输出功率和功率因数，主要由动态响应较快的电流内环和较慢的直流电压控制外环构成。利用网侧电压空间矢量定向的途径可以实现电机电枢和网侧功率传输的解耦控制。

按照本申请参考但不限于该方法的原则，外环响应速度受到限制，但每个环节本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

最后构建出完整的网侧变换器基于电网电压定向的双闭环矢量控制系统如图8所示。

如图11-13所示，本实施例中采用电压外环与电流内环控制方式控制双向半桥DC-DC变换器的方法。包括以下步骤：

步骤1：建立双向半桥DC-DC变换器的数学模型，分析双向半桥DC-DC变换器在一个周期内的工作原理。双向半桥DC-DC变换器有boost和buck两种工作模式，S1与S2开断互补，通过控制开关的占空比来进行模式转换。

步骤2：分析双向DCDC变换器的boost工作模式。

在boost电路工作模式下，蓄电池组向直流母线电容充电，此时S2工作，S1始终断开，图11是boost模式下等效电路图，分别展示了S2导通和断开时的能量流动。当S2闭合时，蓄电池组电压u

当鼠笼异步发电机启动或者出力不够时，直流母线电压势必降低，通过控制DCDC工作在boost模式下，蓄电池组向直流母线释放电能，驱动异步发电机启动或者弥补异步发电机功率缺额，维持直流母线电压恒定。

步骤3：分析双向DCDC变换器的buck工作模式。

在buck电路工作模式下，直流母线向蓄电池组充电，此时S1工作，S2可靠截止，其等效电路如图12所示。当S1导通时，直流母线通过S1和L向蓄电池组充电，由于u

当鼠笼异步发电机出力大于负荷功率时，直流母线电压势必升高，此时通过控制DCDC工作在buck模式下，蓄电池组从直流母线吸收多余能量，维持直流母线电压恒定。

所述方法中涉及蓄电池组充放电的过程及管理，本实施采用蓄电池组恒压放电及先恒流充电再恒压充电的控制方法。

图13是半桥双向DC-DC变换器整体控制框图，相比于放电来说，蓄电池组充电控制更为严格。当蓄电池组SOC较小时，充电电流较大，应采用恒流充电，保证i

本申请的机侧变换器基于转子磁链定向控制、网侧变换器基于电网电压定向矢量控制以及基于电压外环与电流内环控制方式控制的半桥双向DC-DC变换器，实现鼠笼异步发电机离网运行的整体控制。系统启动阶段，蓄电池组充当启动电源，由半桥双向DC-DC变换器向直流母线电容充电，再通过机侧变换器驱动鼠笼异步发电机启动。当进入发电状态后，进入闭环，通过控制发电机转速和转矩实现对其出力的调节，机侧变换器处于整流状态，但鼠笼异步发电机和直流母线仍然存在无功交换，电容C仍然向鼠笼电机提供励磁；网侧变换器将鼠笼异步发电机输送到直流母线上的电能逆变为三相额定工频交流电，通过控制d、q轴电流分量调整输出功率大小和功率因数的大小；当鼠笼异步发电机机出力与负载大小不匹配时，蓄电池组作为储能端开始功率平衡，并维持直流母线电压在规定的范围内变化。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。