一种独立运行的笼型自励异步发电机控制方法及装置

摘要

本发明公开一种独立运行的笼型自励异步发电机控制方法及装置，包括：异步发电模块，无功补偿模块和储能模块，本发明还公开一种独立运行的笼型自励异步发电机控制方法，包括以下步骤：实时采集系统电压和电流信号；计算电压幅值、每相电压单位向量及其正交向量；计算负载有功功率及系统频率实现频率外环控制和电压外环控制；计算系统每相有功、无功参考电流分量及电流权重；内环控制产生PWM以控制STATCOM通断，实现系统化稳压稳率。本发明将自励异步发电机的带负载能力提高到发电机容量的50%，实现独立异步发电系统的稳压稳频控制，抑制谐波以及平衡负载；采用反赫布学习算法实现有功功率和无功功率电流的精确估算，提高系统控制精度，改善动态响应速度。

说明书

技术领域

 本发明属于电能质量治理领域和分布式发电领域，特别涉及一种笼型异步发电系统独立发电并联带蓄电池的静止同步补偿器装置实现稳压稳频、抑制谐波以及平衡负载，并涉及一种反赫布学习算法的控制方法，提高系统控制精度，改善动态响应速度。

背景技术

随着工业的快速发展，非可再生能源已日渐稀少，以太阳能、风能为主的新能源正蓬勃发展。《可再生能源中长期发展规划》指出，在电网供电不经济的偏远地区，应当因地制宜的建设独立运行的小型可再生能源供电系统。因此，在发展中国家偏远地区可再生能源独立发电成为解决这些地区供电问题的有效手段。

笼型自励异步发电机（SEIG，Self-excited induction generator Cage）具有结构坚固、价格低廉、转速变化范围大、短路自保护、便于维护等优点，广泛运用于独立运行的供电系统中。但自励异步发电机独立运行时，需要并联励磁电容以提供建压所需的励磁电流，异步发电机建压后作为独立电源给负载供电。但由于异步发电机的带载能力较差，机端电压会随负载或者转速的变化而变动，甚至会发生电压崩溃现象，而且电压和频率调节能力差，大大限制了自励异步发电机的广泛应用。

为了提高异步发电机的稳定性和带负载能力，需要进行有功功率和无功功率的补偿，以实现有功稳频和无功稳压。目前常用的补偿方案主要有并联电容、并联静止无功补偿装置（SVC，Static Var Compensator)）、并联静止同步补偿器（STATCOM，Static Synchronous Compensator）等。其中STATCOM能够发出或吸收无功功率，可以实现动态电压控制、电压闪变控制、暂态稳定，因此并联STATCOM是最有效的方案。但是现有的并联STATCOM补偿方案只能补偿无功功率，无法补偿有功功率以实现工作频率稳定。

发明内容

本发明提供一种独立运行的笼型自励异步发电机控制方法及装置，通过蓄电池与STATCOM相结合的SEIG系统并联补偿装置，不仅可以对系统进行无功补偿，实现发电机系统电压稳定，同时还可以实现有功功率补偿或吸收，实现发电机系统频率稳定，最终提高电能的质量，扩展发电机带负载的能力。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种独立运行的笼型自励异步发电机控制装置，包括：

异步发电模块，用于产生电源，向负载稳定供电；

无功补偿模块，在公共耦合点并联STATCOM补偿有功功率和无功功率；

储能模块，包括并联在STATCOM直流电容侧的蓄电池。

进一步地，所述异步发电模块包括：发电单元，励磁单元和负载单元，所述发电单元由原动机和笼型自励异步发电机组成，所述原动机的输出端连接笼型自励异步发电机；所述笼型自励异步发电机的输出端连接负载单元，所述笼型自励异步发电机的输出端并联励磁单元。

进一步地，所述蓄电池采用铅酸蓄电池组。

本发明根据上述提供的独立运行的笼型自励异步发电机装置还提供一种独立运行的笼型自励异步发电机控制方法，具体包括以下步骤：

实时采集系统电压和电流信号；

计算电压幅值、每相电压单位向量及其正交向量；

计算负载有功功率及系统频率实现频率外环控制和电压外环控制；

计算系统每相有功、无功参考电流分量及电流权重；

内环控制产生PWM以控制STATCOM通断，实现系统化稳压稳频。

进一步地，所述实时采集系统电压和电流信号，具体包括：使用霍尔传感器实时采集异步电机公共耦合点处abc三相瞬时电压                                               ，abc三相电流以及abc三相负载电流值。

进一步地，所述计算电压幅值、每相电压单位向量及其正交向量；具体包括：依据采集到的每相机端电压计算机端电压幅值u_t以及abc三相电压单位矢量和abc三相电压单位矢量的正交向量。

进一步地，所述计算负载有功功率及系统频率实现频率外环控制和电压外环控制，具体包括：利用锁相环计算出系统频率f，与参考频率f_ref比较后送入频率外环控制器输出为频率计算的有功功率P_c；依据采集到的公共耦合点abc三相瞬时电压以及abc三相负载电流计算负载有功功率P，经低通滤波器得到滤波后的有功功率P_Lfilter；滤波后的有功功率P_Lfilter与频率计算的有功功率P_c比较后经过变换得到部分有功功率电流权重；

进一步地，所述计算系统每相有功、无功参考电流分量及电流权重，采用反赫布学习算法结合实时反馈调节，具体包括：电压幅值u_t与机端参考电压幅值比较后经电压外环控制器得到部分无功功率电流权重；abc三相电压单位矢量、abc三相电压单位矢量的正交向量、部分有功功率和无功功率电流数据采用反赫布学习算法得到总有功参考电流权重以及总无功参考电流权重，进而计算出有功电流平均权重和无功电流平均权重

进一步地，所述内环控制产生PWM以控制STATCOM通断，实现系统化稳压稳频，具体包括：将反赫布学习算法计算出的各相电流有功部分和无功部分相加得到每相参考电流，作为电流内环的参考值与检测值比较后经内环PI控制器输出后与三角波比较并通过滞环得到PWM信号，以控制STATCOM的导通和关断。

本发明具有如下有益效果：本发明提供的自励异步发电系统并接带蓄电池的STATCOM装置，将自励异步发电机的带负载能力提高到发电机容量的50%，实现独立异步发电系统的稳压稳频控制，同时STATCOM控制系统采用反赫比学习算法补偿有功功率和无功功率，抑制谐波以平衡负载，提高系统控制精度，改善动态响应速度；系统的有功功率和无功功率电流的估算直接影响STATCOM的补偿效果，扩展异步发电机的带负载能力；采用反赫布学习算法结合最小二乘法，提高系统的控制参数估算精度与动态响应速度，所需存储空间小；本发明系统基于自然坐标系，无需复杂的坐标变换，计算简单。

附图说明

图1是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制装置结构图；

图2是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制装置电路框图；

图3是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制方法流程图；

图4是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制装置结构示意图；

图5是本发明提出的反赫布学习算法的系统整体详细控制结构图。

下表提供了各图及描述所用术语和符号的解释。

符号名称公共耦合点abc相瞬时电压公共耦合点电压幅值公共耦合点参考电压幅值公共耦合点线电压幅值abc相负载电流 STATCOM各相电流为负载电流和STATCOM电流之和STATCOM直流侧电压每相电压单位矢量每相电压单位矢量的正交向量部分有功电流权重总有功参考电流权重平均有功参考电流权重部分无功电流权重总无功参考电流权重平均无功参考电流权重各相有功电流权重各相无功电流权重

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步的说明。

参见图1，是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制装置结构图。

如图1所示，一种独立运行的笼型自励异步发电机控制装置，包括：

异步发电模块，用于产生电源，向负载稳定供电；

无功补偿模块，在公共耦合点并联STATCOM补偿有功功率和无功功率；

储能模块，包括并联在STATCOM直流电容侧的蓄电池。

本发明实施例提供了带蓄电池的STATCOM独立笼型自励异步发电装置，当发电系统中接入负载时，发电系统的频率就会下降，此时蓄电池储能系统作为另外一个有功功率源为负载提供一部分有功功率进行稳频控制，使得整个系统的频率保持在额定频率，而电压波动时STATCOM同时向负载补偿无功整个构成带储能系统的STATCOM结构。

参见图2，是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制装置电路框图。

如图2所示，所述异步发电模块包括：发电单元，励磁单元和负载单元，所述发电单元由原动机和笼型自励异步发电机组成，所述原动机的输出端连接笼型自励异步发电机；所述笼型自励异步发电机的输出端连接负载单元，所述笼型自励异步发电机的输出端并联励磁单元。

本发明实施例中，所述励磁单元用于向鼠笼型异步发电机提供励磁实现系统的自激电压。

本发明实施例中，原动机用于模拟风力、水力等作为发电的原动力；为鼠笼型自励异步发电机提供动力进行发电。

本发明实施例中，所述励磁单元为设置在发电机每相上的励磁电容，三相励磁电容采用三角形连接或星型连接，其中

三角形连接时的每相励磁电容值为：

       （1）

星型连接时的每相励磁电容值为：

       （2）

式中，为空载额定线电压，为发电机空载电流。

本发明实施例中，对于负载单元没有限制，负载可以为线性负载、非线性负载、平衡负载、不平衡负载以及动态负载中的一种，具体以实际使用为准。

所述无功补偿模块采用STATCOM装置。STATCOM通过滤波电感并联在发电机公共耦合点处，实现无功补偿稳压控制。

进一步地，所述蓄电池采用铅酸蓄电池组。

本发明实施例中，储能单元主要用于辅助STATCOM实现有功补偿，同时也可以将发电机产生的多余的能量储存到蓄电池中。与STATCOM装置联合实现系统的有功功率和无功功率补偿，实现系统的稳压稳频控制，保证整个系统能源的高效利用。

本发明实施例中依据公式（3）确定STATCOM直流侧蓄电池的电压。

     （3）

其中，u_dc为STATCOM直流侧电压，u_LL为公共耦合点线电压幅值。

本发明提供的独立运行的笼型自励异步发电机装置，实施的具体过程为：首先，发电机自激建压成为电源，向负载稳定供电；公共耦合点并联带蓄电池的STATCOM用以补偿有功功率和无功功率：STATCOM直流侧电容提供系统所需的无功功率，实现稳压控制；STATCOM直流电容侧并联的蓄电池则可以使异步发电机系统在空载时给电池充电储能，当接入负载时发电系统的频率会下降，此时蓄电池作为另外一个有功功率源为负载提供部分有功功率实现稳频控制。

同时采用基于反赫布学习算法精确估算装置的有功和无功电流，控制带蓄电池的STATCOM装置，实现有功功率和无功功率的双向流动，达到系统装置稳压和稳频的控制目标，扩展了异步电机带负载能力，使该系统所允许的动力负载达到发电机容量的50%。同时提高参数估算精度，改善动态响应速度。

参见图3，是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制方法流程图；

如图3所示，本发明根据上述提供的独立运行的笼型自励异步发电机装置还提供一种独立运行的笼型自励异步发电机控制方法，具体包括以下步骤：

实时采集系统电压和电流信号；

计算电压幅值、每相电压单位向量及其正交向量；

计算负载有功功率及系统频率实现频率外环控制和电压外环控制；

计算系统每相有功、无功参考电流分量及电流权重；

内环控制产生PWM以控制STATCOM通断，实现系统化稳压稳频。

参见图4，是本发明提出的独立运行笼型异步发电机控制装置结构示意图。

如图4所示，所述实时采集系统电压和电流信号，具体包括：使用霍尔传感器实时采集异步电机公共耦合点处abc三相瞬时电压，abc三相电流以及abc三相负载电流。

进一步地，所述计算电压幅值、每相电压单位向量及其正交向量；具体包括：依据采集到的每相机端电压计算机端电压幅值u_t以及abc三相电压单位矢量和abc三相电压单位矢量的正交向量。

进一步地，所述计算负载有功功率及系统频率以实现频率外环控制，并进行电压外环控制，具体包括：利用锁相环计算出系统频率f，与参考频率f_ref比较后送入频率外环控制器输出为频率计算的有功功率P_c；依据采集到的公共耦合点abc三相瞬时电压以及abc三相负载电流计算负载有功功率P，经低通滤波器得到滤波后的有功功率P_Lfilter；滤波后的有功功率P_Lfilter与频率计算的有功功率P_c比较后经过变换得到部分有功功率电流权重；

进一步地，所述计算系统每相有功、无功参考电流分量及电流权重，采用反赫布学习算法结合实时反馈调节，具体包括：电压幅值u_t与机端参考电压幅值比较后经电压外环控制器得到部分无功功率电流权重；各相有功单位矢量、abc三相单位矢量、部分有功功率和无功功率电流数据采用反赫布学习算法得到总有功参考电流权重以及总无功参考电流权重，进而计算出有功电流平均权重和无功电流平均权重

进一步地，所述内环控制产生PWM以控制STATCOM通断，实现系统化稳压稳频，具体包括：将反赫布学习算法计算出的各相电流有功部分和无功部分相加得到每相参考电流，作为电流内环的参考值与检测值比较后经内环PI控制器输出后与三角波比较并通过滞环得到PWM信号，以控制STATCOM的导通和关断。

参见图5，是本发明提出的反赫布学习算法的系统整体详细控制结构图。

如图5所示，为利用上述独立异步发电系统，采用反赫布学习算法进行反馈调整实时估算系统有功功率和无功功率权重及电流，最终实现有功功率和无功功率补偿，包括以下步骤：

1.采集公共耦合处机端abc三相瞬时电压，abc三相负载电流以及公共耦合点处abc三相电流；

2.依据abc三相机端电压计算机端电压幅值u_t以及abc三相电压单位矢量及abc三相正交单位矢量；

在自然坐标系下完成有功和无功功率的解耦。其中三相电压在公共耦合点处的电压幅值为：

          （4）

由此可以计算出每相电压单位矢量为：

   （5）

每相电压单位矢量的正交单位向量为：

   （6）

3.频率外环设计

1）将abc三相瞬时电压，abc三相负载电流信号进行转换：

   （7）

    （8）

     （9）

     （10）

2）将三相机端电压送入锁相环，进而计算出系统频率f；

3）当参考频率f_ref与系统频率f相减得到频率误差e_f。频率误差e_f作为频率控制器的输入信号，输出为频率计算的有功功率:

（11）

计算出负载瞬时有功功率为：

           （12）

经滤波后得到滤波后的有功功率P_Lfilter、滤波后的有功功率P_Lfilter与频率计算的有功功率Pc比较后经（13）变换得到部分有功电流权重。

            （13）

4.依据计算的机端电压幅值u_t与机端参考电压比较后得到，作为电压外环PI控制器的输入，输出为部分无功电流权重:

 （14）

5.将各有功及无功单位矢量，部分有功功率和无功功率电流数据，送入反赫布学习算法输入端，输出得到总有功参考电流权重和总无功参考电流权重，进而计算出有功和无功电流平均权重,；

1）有功参考电流估算

采用反赫布学习算法计算得到各三相有功电流权重为：

   （15）

   （16）

   （17）

为学习率，，越小权重信号误差越小，精度越高。为常数，。

进而得到有功部分参考电流的平均权重为

          （18）

总的有功参考电流权重为。于是可以得到三相有功参考电流为

，，    （19）

2）无功参考电流估算

参考电压与计算值比较后经PI控制器输出得到无功功率电流幅值权重。

与上述有功参考电流估算同理，采用基于反赫布学习算法计算得到各三相总无功参考电流权重：

  （20）

  （21）

   （22）

无功部分参考电流的平均权重为

             （23）

总的有功参考电流权重为。于是可以得到三相有功参考电流为

，，       （24）

于是得到三相总参考电流为

，，   （25）

6. 参考电流与传感器检测的电流i_sa, i_sb, i_sc 作差，其误差送入内环电流控制器以产生方波信号控制带蓄电池的STATCOM装置的通断，实现整个装置的有功功率和无功功率补偿，稳定机端电压与系统频率，同时具有谐波抑制，平衡负载的功能。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。