本實用新型涉及火力發(fā)電中，汽輪機的控制方法和控制系統(tǒng)，具體涉及一種基于異步電機全功率變流器調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

火力發(fā)電在我國的發(fā)電格局中占主導(dǎo)地位，降低發(fā)電煤耗可以節(jié)約有限的煤炭資源，同時減少對大氣的排放污染。機組的大容量高參數(shù)可提高熱循環(huán)效率，滿足機組經(jīng)濟性要求。隨著國內(nèi)外最新的耐高溫材料的研制成功，中國神華能源股份有限公司、中國能源建設(shè)集團有限公司(由其下屬華東電力設(shè)計院有限公司負(fù)責(zé)開展具體業(yè)務(wù))和上海電氣集團股份公司三方共同實施了“超620℃高效超超臨界1000MW二次再熱燃煤發(fā)電機組示范項目關(guān)鍵技術(shù)研究”，使機組發(fā)電效率有望提高至50％以上，發(fā)電煤耗降至248g/kwh以下。為提高熱效率，節(jié)省燃料，華東院提出了一種新型的配回?zé)嵝∑啓C的二次再熱機組回?zé)嵯到y(tǒng)，且已獲得專利。申請?zhí)枮椤?01310352601.4”、申請公布號為“CN103362770A”、名稱為“工頻發(fā)電機調(diào)速的背壓式小汽輪機驅(qū)動給水泵系統(tǒng)”的發(fā)明中，公開了回?zé)嵝∑啓C1’用一次再熱冷段蒸汽作為汽源推動同軸的給水泵2’或風(fēng)機轉(zhuǎn)動，供足夠的水量或風(fēng)量給后續(xù)工藝系統(tǒng)使用，過熱度較低的回?zé)嵝∑啓C抽汽和排汽通過加熱器加熱給水，通過調(diào)節(jié)閥3’對開度進行調(diào)節(jié)。同時，為減小回?zé)嵝∑啓C進汽閥的節(jié)流損失，使進汽閥運行在全開或較大開度工況，汽量平衡要求回?zé)嵝∑啓C帶發(fā)電機，將多余功率發(fā)電上網(wǎng)，實現(xiàn)功率平衡的同時完成轉(zhuǎn)速控制，匹配用戶的用量需求。在公開的專利中，無法對汽輪機側(cè)的發(fā)電機進行功率調(diào)節(jié)，也沒有公開其具體的控制策略。

現(xiàn)有的大容量高參數(shù)機組多采用再熱和回?zé)峒夹g(shù)以提高經(jīng)濟效益，而隨著再熱蒸汽溫度的不斷提高，再熱后抽汽過熱度過高的現(xiàn)象也增加了回?zé)峒訜崞鲀?nèi)的不可逆損失，削弱了回?zé)岬男Ч??；責(zé)嵝∑啓C可以將再熱冷段蒸汽作為汽源做功，同時小機中過熱度較低的抽汽和排汽作為加熱器的汽源，可減小加熱器中的不可逆損失，提高機組熱效率。回?zé)嵝∑啓C還可帶動給水泵或風(fēng)機運行以提供用戶用水或用風(fēng)，類似于常規(guī)的汽動給水泵和汽動風(fēng)機。圖1展示了回?zé)嵝∑啓C帶給水泵運行的配置圖。

與常規(guī)帶汽動給水泵的機組相比，應(yīng)用回?zé)嵝∑啓C的機組減少了對再熱后的抽汽，更多過熱度較高的蒸汽參與汽輪機做功，使得整體機組的運行效率得到提高。

回?zé)嵝∑啓C的轉(zhuǎn)速可以通過調(diào)節(jié)小汽輪機入口調(diào)節(jié)門的開度來控制，控制回路可選擇簡單的單閉環(huán)PID控制，如圖2。

給水泵作為一個發(fā)電廠的心臟，其本身需要消耗很多能量來帶動水從低壓側(cè)流向高壓側(cè)，供給足量的水給用戶。給水泵可分為電動給水泵和汽動給水泵。

電動給水泵可通過液力耦合器或變頻裝置調(diào)速，但由于需要消耗大量廠用電，其經(jīng)濟性較汽動給水泵差。

汽動給水泵通過一個獨立的小汽輪機來驅(qū)動給水泵，汽源來自汽輪機某一級抽汽，排汽進入主凝汽器或自帶凝汽器，轉(zhuǎn)速通過進汽門開度調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)與圖1類似，無抽汽環(huán)節(jié)。對于大容量高參數(shù)機組來說，回?zé)嵯到y(tǒng)的再熱后抽汽過熱度較高，需額外增加外置蒸汽冷卻器以提高機組經(jīng)濟性。且通過進汽門開度調(diào)節(jié)給水泵轉(zhuǎn)速，增加了進汽工質(zhì)的節(jié)流損失。

為提高過熱度較高抽汽的利用效率，回?zé)嵝∑啓C應(yīng)運而生。它利用過熱度較低的小汽輪機抽汽和排汽來加熱給水，而過熱度較高的再熱蒸汽回到主汽輪機參與做功，能很大程度提高機組的運行效率，降低發(fā)電煤耗。同樣地，給水泵的轉(zhuǎn)速需要通過調(diào)節(jié)進汽閥開度進行控制。為滿足長期夏季機組滿發(fā)，小汽輪機的額定出力通常比給水泵的額定出力大，而給水泵的額定出力比機組額定負(fù)荷所需要的出力大，故小汽輪機的額定出力有較大裕量，小汽輪機的進汽閥大部分運行時間開度較小，造成較大的節(jié)流損失。

電動風(fēng)機與電動給水泵有相同的耗電問題，汽動風(fēng)機與汽動給水泵也有相同的效率問題，而通過調(diào)節(jié)風(fēng)機動葉來調(diào)節(jié)風(fēng)量的方法也存在節(jié)流損失。這些應(yīng)用降低了電廠的發(fā)電效率。從提高效率的角度出發(fā)，如果能避免小汽輪機的節(jié)流損失，同時小汽輪機轉(zhuǎn)速可調(diào)以適應(yīng)負(fù)荷變化，則能提高機組效率。

為避免小汽輪機進汽閥的節(jié)流損失，必須找到一種使進汽閥大部分運行時間全開或保持較大開度的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種小汽輪機帶發(fā)電機的技術(shù)方案。通過調(diào)節(jié)發(fā)電機出力來控制小汽輪機轉(zhuǎn)速，使小汽輪機進汽閥保持較大開度或全開，減少節(jié)流損失。同時能充分利用小汽輪機的出力，通過發(fā)電機向廠用電網(wǎng)供電，減小廠用電率，提高電廠的售電收益。

為了達到上述目的，提供一種基于異步電機全功率變流器調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C控制系統(tǒng)，包括全功率變流器、異步發(fā)電機、小汽輪機和控制器，所述異步發(fā)電機與小汽輪機相連以匹配轉(zhuǎn)速參數(shù)，所述異步發(fā)電機與全功率變流器連接進行電壓電流等級匹配；所述的全功率變流器與電網(wǎng)相連進行電壓等級匹配，異步發(fā)電機通過全功率變流器進行轉(zhuǎn)速控制和將多余小汽輪機功率發(fā)電上網(wǎng)，所述控制器通過控制全功率變流器從而控制異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制。

還包括給水泵，所述給水泵、小汽輪機、異步發(fā)電機同軸相連，通過控制異步發(fā)電機的輸出，從而控制所述小汽輪機的轉(zhuǎn)速，進而控制所述給水泵的轉(zhuǎn)速。

所述小汽輪機設(shè)有進氣管道，所述進氣管道上設(shè)有調(diào)節(jié)閥。

所述給水泵和異步發(fā)電機分別與所述小汽輪機兩側(cè)的軸端相連。

設(shè)置的全功率變流器具有調(diào)節(jié)電機功率的作用。

進一步地，所述的全功率變流器包括兩個電壓源型變流器，分別為網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器，兩者通過共用直流側(cè)電容形成背靠背結(jié)構(gòu)。

全功率變流器由兩個背靠背的共用直流側(cè)的電壓源型變流器組成，機側(cè)變流器實現(xiàn)異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制，并進行異步發(fā)電機和變流器直流側(cè)的能量轉(zhuǎn)動，網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，并實現(xiàn)電網(wǎng)和變流器直流側(cè)之間的能量傳動，如此全功率變流器即可實現(xiàn)異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制，同時實現(xiàn)多余功率的發(fā)電上網(wǎng)。

保證了多余功率發(fā)電上網(wǎng)的技術(shù)難題后，小汽輪機的進氣閥可以保持較大開度或全開，減少近期的節(jié)流損失，保證機組全負(fù)荷范圍內(nèi)BEST小計的工作效率，提高機組發(fā)電效率和上網(wǎng)競爭力。

所述的異步發(fā)電機與小汽輪機同軸連接或所述的異步發(fā)電機與小汽輪機通過齒輪箱連接。其主要目的是為了匹配轉(zhuǎn)速參數(shù)。

所述的異步發(fā)電機與全功率變流器直接連接或配置有變壓器。其目的是為了進行電壓電流等級匹配。

所述全功率變流器與電網(wǎng)通過平波電抗器相連或所述的全功率變流器與電網(wǎng)間配置有變壓器。其目的是為了實現(xiàn)電壓電流等級匹配。

不調(diào)節(jié)小汽輪機進氣閥開度的情況下，BEST小機系統(tǒng)可以控制的部分只有全功率變流器，分為網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器，兩個變流器分別通過兩種控制器進行控制。

優(yōu)選的，所述的控制器包括網(wǎng)側(cè)變流器控制器，所述網(wǎng)側(cè)變流器控制器包括：

電流采集模塊，用于采集全功率變流器交流側(cè)電流i_a、i_b、i_c；

電壓采集模塊，用于采集全功率變流器直流側(cè)電壓ν_dc；

電壓閉環(huán)控制模塊，所述電壓采集模塊輸出端接入電壓閉環(huán)控制模塊的輸入端，用于將給定電壓ν_dc^*和實測電壓ν_dc之差轉(zhuǎn)化成d軸電流分量指令i_rd^*；

Clarke變換模塊和Park變換模塊，所述的電流采集模塊的輸出端接入Clarke變換模塊的輸入端，Clarke變換模塊的輸出端接入Park模塊的輸入端，用于將交流電流i_a、i_b、i_c變換為d-q坐標(biāo)下的值i_rd和i_rq；

電流閉環(huán)控制模塊，所述的電流閉環(huán)控制模塊包括d軸電流閉環(huán)控制模塊、q軸電流閉環(huán)控制模塊，所述電壓閉環(huán)控制模塊的輸出指令i_rd^*接入d軸電流閉環(huán)控制模塊的輸入端，用于將d軸電流分量指令i_rd^*與實際i_rd的差轉(zhuǎn)化為d軸電壓指令ν_d，并將q軸電流分量指令i_rq^*與實際i_rq的差轉(zhuǎn)化為q軸電壓指令ν_q；

Park逆變換模塊，用于將電壓指令ν_d和ν_q轉(zhuǎn)化為靜止坐標(biāo)系下的兩相電壓；

SVPWM模塊，所述的Park逆變換器的輸出端接入SVPWM模塊的輸入端，所述的SVPWM模塊的輸出端接入網(wǎng)側(cè)變流器。

網(wǎng)側(cè)變流器可以采用定直流側(cè)電壓控制，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。從異步發(fā)電機傳輸來的有功功率如果不及時消納，將造成直流側(cè)電壓的突升，影響器件的安全運行。

i_rd和i_rq為網(wǎng)側(cè)電流i_a，i_b和i_c在d-q坐標(biāo)系下的值，ν_d和ν_q為變流器輸出電壓ν_a，ν_b和ν_c在d-q坐標(biāo)系下的值；ω₁為d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角頻率。取d軸為網(wǎng)側(cè)電壓矢量的方向，q軸為逆時針旋轉(zhuǎn)90°。

網(wǎng)側(cè)變流器VSC1的控制策：外環(huán)為直流側(cè)電壓環(huán)，穩(wěn)定直流側(cè)電壓和進行功率傳輸，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，保證網(wǎng)側(cè)電流與實際指令相符，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

優(yōu)選的，所述控制器包括機側(cè)變流器控制器，所述機側(cè)變流器控制器包括：

電流采集模塊，用于采集電機定子電流i_A、i_B、i_C；

轉(zhuǎn)速測量模塊，用于測量電機轉(zhuǎn)速ω_m；

Clarke變換模塊和Park變換模塊，所述的電流采集模塊的輸出端接入Clarke變換模塊的輸入端，Clarke變換模塊的輸出端接入Park模塊的輸入端，用于將電流i_A、i_B、i_C變換為M-T坐標(biāo)下的值M軸分量i_sm和T軸分量i_st；

磁鏈位置觀測模塊，所述的Park變換模塊的輸出端和轉(zhuǎn)速測量模塊的輸出端接入磁鏈位置觀測模塊的輸入端，所述的磁鏈位置觀測模塊輸出轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r；

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊，所述轉(zhuǎn)速測量模塊的輸出端接入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊的輸入端，用于將給定轉(zhuǎn)速ω_m^*和實測轉(zhuǎn)速ω_m之差轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩參考指令T_e^*，并通過磁鏈位置觀測模塊輸出的磁鏈φ_r解耦得到定子電流的T軸分量指令i_st^*；

磁鏈閉環(huán)控制模塊，磁鏈位置觀測模塊的輸出端接入磁鏈閉環(huán)控制模塊，用于將給定轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r^*與磁鏈位置觀測模塊輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r的差轉(zhuǎn)化成M軸分量指令i_sm^*；

電流閉環(huán)控制模塊，所述的電流閉環(huán)控制模塊包括M軸電流閉環(huán)控制模塊、T軸電流閉環(huán)控制模塊，用于將M軸電流分量指令i_sm^*與實際i_sm的差轉(zhuǎn)化為M軸電壓指令u_sm^*，并將T軸電流分量指令i_st^*與實際i_st的差轉(zhuǎn)化為T軸電壓指令u_st^*；

Park逆變換模塊，用于將電壓指令u_st^*和u_sm^*轉(zhuǎn)化為電壓u_sα和u_sβ；

SVPWM模塊，所述的Park逆變換器的輸出端接入SVPWM模塊的輸入端，所述的SVPWM模塊的輸出端接入機側(cè)變流器。

取d軸為轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，定義為M軸，q軸為逆時針轉(zhuǎn)90°，稱之為T軸。

機側(cè)變流器的控制策略為外環(huán)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)加磁鏈閉環(huán)的雙閉環(huán)策略，內(nèi)環(huán)采用定子電流M軸分量閉環(huán)控制和定子電流T軸分量閉環(huán)控制的控制策略。

通過對網(wǎng)側(cè)變流器和機側(cè)變流器的控制，異步發(fā)電機可以工作在電動機狀態(tài)，也可以工作在發(fā)電機狀態(tài)。在機組啟動階段，回?zé)嵝∑麢C汽源尚未滿足條件，而給水泵或風(fēng)機需要帶負(fù)荷運行。此時，異步發(fā)電機可以工作在電動機狀態(tài)，由網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)穩(wěn)定直流側(cè)電壓，機側(cè)變流器實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制，由電網(wǎng)的供電來驅(qū)動給水泵或風(fēng)機帶負(fù)荷運行。在機組正常運行階段，回?zé)嵝∑麢C進汽閥全開，小汽輪機的多余功率需要發(fā)電上網(wǎng)。此時，異步發(fā)電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，機側(cè)變流器實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制，以滿足負(fù)荷需求，網(wǎng)側(cè)變流器穩(wěn)定直流側(cè)電壓，將多余的功率發(fā)電上網(wǎng)。采用異步發(fā)電機加全功率變流器的技術(shù)方案，通過合適的控制策略，可以實現(xiàn)回?zé)嵝∑麢C和電網(wǎng)之間的能量雙向流動，滿足回?zé)嵝∑麢C轉(zhuǎn)速可控的需求，同時符合發(fā)電機組啟停和正常運行工況的特點。

更優(yōu)的實施方式為，

所述的控制器包括網(wǎng)側(cè)變流器控制器和機側(cè)變流器控制器，所述網(wǎng)側(cè)變流器控制器包括：

網(wǎng)側(cè)電流采集模塊，用于采集全功率變流器交流側(cè)電流i_a、i_b、i_c；

網(wǎng)側(cè)電壓采集模塊，用于采集全功率變流器直流側(cè)電壓ν_dc；

網(wǎng)側(cè)電壓閉環(huán)控制模塊，所述網(wǎng)側(cè)電壓采集模塊輸出端接入電壓閉環(huán)控制模塊的輸入端，用于將給定電壓ν_dc^*和實測電壓ν_dc之差轉(zhuǎn)化成d軸電流分量指令i_rd^*；

網(wǎng)側(cè)Clarke變換模塊和機側(cè)Park變換模塊，所述的網(wǎng)側(cè)電流采集模塊的輸出端接入Clarke變換模塊的輸入端，Clarke變換模塊的輸出端接入Park模塊的輸入端，用于將交流電流i_a、i_b、i_c變換為d-q坐標(biāo)下的值i_rd和i_rq；

網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)控制模塊，所述的電流閉環(huán)控制模塊包括d軸電流閉環(huán)控制模塊、q軸電流閉環(huán)控制模塊，所述電壓閉環(huán)控制模塊的輸出指令i_rd^*接入d軸電流閉環(huán)控制模塊的輸入端，用于將d軸電流分量指令i_rd^*與實際i_rd的差轉(zhuǎn)化為d軸電壓指令ν_d，并將q軸電流分量指令i_rq^*與實際i_rq的差轉(zhuǎn)化為q軸電壓指令ν_q；

網(wǎng)側(cè)Park逆變換模塊，用于將電壓指令ν_d和ν_q轉(zhuǎn)化為靜止坐標(biāo)系下的兩相電壓；

網(wǎng)側(cè)SVPWM模塊，所述的網(wǎng)側(cè)Park逆變換器的輸出端接入SVPWM模塊的輸入端，所述的網(wǎng)側(cè)SVPWM模塊的輸出端接入網(wǎng)側(cè)變流器；和所述機側(cè)變流器控制器包括：

機側(cè)電流采集模塊，用于采集電機定子電流i_A、i_B、i_C；

機側(cè)轉(zhuǎn)速測量模塊，用于測量電機轉(zhuǎn)速ω_m；

機側(cè)Clarke變換模塊和機側(cè)Park變換模塊，所述的機側(cè)電流采集模塊的輸出端接入Clarke變換模塊的輸入端，Clarke變換模塊的輸出端接入Park模塊的輸入端，用于將電流i_A、i_B、i_C變換為M-T坐標(biāo)下的值M軸分量i_sm和T軸分量i_st；

磁鏈位置觀測模塊，所述的Park變換模塊的輸出端和轉(zhuǎn)速測量模塊的輸出端接入磁鏈位置觀測模塊的輸入端，所述的磁鏈位置觀測模塊輸出轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r；

轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊，所述轉(zhuǎn)速測量模塊的輸出端接入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模塊的輸入端，用于將給定轉(zhuǎn)速ω_m^*和實測轉(zhuǎn)速ω_m之差轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩參考指令T_e^*，并通過磁鏈位置觀測模塊輸出的磁鏈φ_r解耦得到定子電流的T軸分量指令i_st^*；

磁鏈閉環(huán)控制模塊，磁鏈位置觀測模塊的輸出端接入磁鏈閉環(huán)控制模塊，用于將給定轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r^*與磁鏈位置觀測模塊輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r的差轉(zhuǎn)化成M軸分量指令i_sm^*；

機側(cè)電流閉環(huán)控制模塊，所述的機側(cè)電流閉環(huán)控制模塊包括M軸電流閉環(huán)控制模塊、T軸電流閉環(huán)控制模塊，用于將M軸電流分量指令i_sm^*與實際i_sm的差轉(zhuǎn)化為M軸電壓指令u_sm^*，并將T軸電流分量指令i_st^*與實際i_st的差轉(zhuǎn)化為T軸電壓指令u_st^*；

機側(cè)Park逆變換模塊，用于將電壓指令u_st^*和u_sm^*轉(zhuǎn)化為電壓u_sα和u_sβ；

機側(cè)SVPWM模塊，所述的機側(cè)Park逆變換器的輸出端接入機側(cè)SVPWM模塊的輸入端，所述的機側(cè)SVPWM模塊的輸出端接入機側(cè)變流器。。

一種采用基于異步電機全功率變流器調(diào)速的回?zé)嵝∑啓C控制系統(tǒng)的控制方法，對設(shè)置在小汽輪機和電網(wǎng)之間的背靠背布置的全功率變流器分別采用以下控制策略：

對機側(cè)變流器的控制外環(huán)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)的雙閉環(huán)控制策略；

對機側(cè)變流器的控制內(nèi)環(huán)采用定子電流M軸分量閉環(huán)控制和定子電流T軸分量閉環(huán)控制的控制策略；

對網(wǎng)側(cè)變流器的控制外環(huán)采用直流側(cè)電壓閉環(huán)控制策略；

對網(wǎng)側(cè)變流器的控制內(nèi)環(huán)采用網(wǎng)側(cè)電流d軸分量閉環(huán)控制和網(wǎng)側(cè)電流q軸分量閉環(huán)控制的控制策略。

優(yōu)選的，所述網(wǎng)側(cè)變流器控制包括以下步驟：

采集全功率變流器交流側(cè)電流i_a、i_b、i_c和變流器直流側(cè)電壓ν_dc；

交流側(cè)電流信號經(jīng)過Clarke變換和Park變換，將i_a、i_b、i_c變換為d-q坐標(biāo)下的值i_rd和i_rq；

將給定電壓ν_dc^*和實測電壓ν_dc之差轉(zhuǎn)化成d軸電流分量指令i_rd^*；

設(shè)定q軸電流分量質(zhì)量i_rq^*＝0；

將d軸電流分量指令i_rd^*與實際i_rd的差轉(zhuǎn)化為d軸電壓指令ν_d，將q軸電流分量指令i_rq^*與實際i_rq的差轉(zhuǎn)化為q軸電壓指令ν_q；

電壓指令ν_d和ν_q通過Park逆變換模塊轉(zhuǎn)化為兩相旋轉(zhuǎn)電壓并發(fā)送至SVPWM信號發(fā)生模塊，利用輸出的三組SVPWM信號驅(qū)動電網(wǎng)側(cè)PWM變換器。

進一步地，給定電壓ν_dc^*和實測電壓ν_dc的差通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，得到i_rd^*，其方程為：其中k_p1為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_i1為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)；

d軸電流分量指令i_rd^*與實際i_rd的差通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，得到d軸電壓指令ν_d，其方程為：其中e_d和e_q為網(wǎng)側(cè)電壓e_a，e_b，e_c在d-q坐標(biāo)系下的值；ν_d和ν_q為變流器輸出電壓ν_a，ν_b和ν_c在d-q坐標(biāo)系下的值，ω₁為d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角頻率，L₁為平波電抗器的等效電感，其中k_p2為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_i2為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)；

q軸電流分量指令i_rq^*與實際i_rq的差通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，得到q軸電壓指令ν_q，其方程為：其中k_p3為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_i3為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)。

優(yōu)選的，所述機側(cè)變流器控制包括以下步驟：

采集電機定子電流i_A、i_B、i_C和電機轉(zhuǎn)速ω_m；

電流信號經(jīng)過Clarke變換和Park變換，將i_A、i_B、i_C變換為M-T坐標(biāo)下M軸分量i_sm和T軸分量i_st；

M軸分量i_sm和T軸分量i_st和電機轉(zhuǎn)速ω_m通過磁鏈位置觀測模塊后輸出轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r；

將給定轉(zhuǎn)速ω_m^*和實測轉(zhuǎn)速ω_m之差轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩參考指令T_e^*，并通過磁鏈位置觀測模塊輸出的磁鏈φ_r解耦得到定子電流的T軸分量指令i_st^*；

將給定轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r^*與磁鏈位置觀測模塊輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r的差轉(zhuǎn)化成M軸分量指令i_sm^*；

將T軸電流分量指令i_st^*與實際i_st的差轉(zhuǎn)化為T軸電壓指令u_st^*，并將M軸電流分量指令i_sm^*與實際i_sm的差轉(zhuǎn)化為M軸電壓指令u_sm^*；

將電壓指令u_st^*和u_sm^*通過Park逆變換模塊轉(zhuǎn)化為電壓u_sα和u_sβ并發(fā)送至SVPWM信號發(fā)生模塊。

進一步地，給定轉(zhuǎn)速ω_m^*和實測轉(zhuǎn)速ω_m之差通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制器ASR轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩參考指令T_e^*,控制器ASR設(shè)計為：

其中k_ps為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_is為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)；

定轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r^*與磁鏈位置觀測模塊輸出的轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r的差通過磁鏈閉環(huán)的控制器AφR轉(zhuǎn)化成M軸分量指令i_sm^*，磁鏈閉環(huán)的控制器AφR設(shè)計為：

其中k_pφ為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_iφ為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)；

T軸電流分量指令i_st^*與實際i_st的差通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)化為T軸電壓指令u_st^*，方程為：其中k_p4為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_i4為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)；

M軸電流分量指令i_sm^*與實際i_sm的差通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)化為M軸電壓指令u_sm^*，方程為：其中k_p5為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_i5為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)。

回?zé)嵝∑麢C的技術(shù)難點在于避免小汽輪機節(jié)流損失的同時實現(xiàn)回?zé)嵝∑麢C的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以滿足負(fù)荷需求，本實用新型提出了回?zé)嵝∑麢C帶異步發(fā)電機加全功率變流器技術(shù)方案的轉(zhuǎn)速控制方法，保護點為回?zé)嵝∑麢C的轉(zhuǎn)速控制方法，具體如下：回?zé)嵝∑麢C機側(cè)變流器實現(xiàn)回?zé)嵝∑麢C的轉(zhuǎn)速控制；回?zé)嵝∑麢C機側(cè)變流器的控制外環(huán)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)加磁鏈閉環(huán)的控制策略；回?zé)嵝∑麢C機側(cè)變流器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)通過磁鏈觀測器實現(xiàn)與磁鏈閉環(huán)的解耦控制；回?zé)嵝∑麢C機側(cè)變流器的控制內(nèi)環(huán)采用定子電流M軸分量閉環(huán)控制和定子電流T軸分量閉環(huán)控制的控制策略；回?zé)嵝∑麢C網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)直流側(cè)電壓穩(wěn)定和多余功率發(fā)電上網(wǎng)的控制；回?zé)嵝∑麢C網(wǎng)側(cè)變流器采用單位功率因數(shù)控制；回?zé)嵝∑麢C網(wǎng)側(cè)變流器的控制外環(huán)采用直流側(cè)電壓閉環(huán)控制策略；回?zé)嵝∑麢C網(wǎng)側(cè)變流器的控制內(nèi)環(huán)采用網(wǎng)側(cè)電流d軸分量閉環(huán)控制和網(wǎng)側(cè)電流q軸分量閉環(huán)控制的控制策略。

本實用新型的有益效果為：回?zé)嵝∑麢C帶發(fā)電機的技術(shù)方案可以極大提高回?zé)嵯到y(tǒng)的熱效率，減少機組損耗。發(fā)電機發(fā)出的電量可以用來減小廠用電率，增加售電收益。尤其在高參數(shù)大容量機組中，回?zé)嵝∑麢C能發(fā)揮更大的效率，進一步降低煤耗，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略。本實用新型針對回?zé)嵝∑麢C帶異步發(fā)電機加全功率變流器的技術(shù)方案，提出適用于本系統(tǒng)的控制方法，使回?zé)嵝∑麢C能按設(shè)計需求運行。小汽輪機進汽閥可全開或大開度工作，降低節(jié)流損失；電網(wǎng)和回?zé)嵝∑麢C之間能量可雙向流動，電網(wǎng)可以驅(qū)動回?zé)嵝∑麢C帶泵或風(fēng)機運行，回?zé)嵝∑麢C多余功率也可以發(fā)電上網(wǎng)；回?zé)嵝∑麢C轉(zhuǎn)速可調(diào)，滿足系統(tǒng)的變負(fù)荷需求。

應(yīng)理解，在本實用新型范圍內(nèi)中，本實用新型的上述各技術(shù)特征和在下文(如實施方式)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中回?zé)嵝∑啓C帶給水泵運行配置圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)中回?zé)嵝∑啓C轉(zhuǎn)速控制框圖；

圖3是回?zé)嵝∑麢C配置方案；

圖4是全功率變流器簡化模型；

圖5為網(wǎng)側(cè)變流器VSC1的控制策略圖；

圖6三相異步發(fā)電機的物理模型；

圖7磁鏈觀測器的示意圖；

圖8為機側(cè)變流器VSC2的控制策略圖。

其中：

1’-小汽輪機 2’-給水泵 3’-調(diào)節(jié)閥

1-小汽輪機 2-給水泵 3-調(diào)節(jié)閥

4-異步發(fā)電機 5-全功率變流器

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖對本實用新型的較佳實施例進行詳細(xì)說明，以便更清楚理解本實用新型的目的、特點和優(yōu)點。應(yīng)理解的是，附圖所示的實施例并不是對本實用新型范圍的限制，而只是為了說明本實用新型技術(shù)方案的實質(zhì)精神。

回?zé)嵝∑麢C帶發(fā)電機的技術(shù)方案由華東院提出，代表著世界領(lǐng)先的抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)方案，應(yīng)用在超臨界、超超臨界機組尤其是最新提出的35MPa/610～615℃/630℃/630℃參數(shù)等級機組中，能極大地提高機組的發(fā)電效率，使我國二次再熱燃煤發(fā)電技術(shù)取得新的突破。

回?zé)嵝∑麢C發(fā)電有多種配置方案，本實用新型針對的回?zé)嵝∑麢C1為帶異步發(fā)電機4加全功率變流器5的技術(shù)方案。其配置方案如圖3。小汽輪機1、給水泵2、異步發(fā)電機4同軸相連。異步發(fā)電機4與小汽輪機1同軸連接，或通過齒輪箱與小汽輪機1連接以匹配轉(zhuǎn)速參數(shù)。異步發(fā)電機4通過全功率變流器進行轉(zhuǎn)速控制和將多余小汽輪機功率發(fā)電上網(wǎng)。異步發(fā)電機4和全功率變流器5之間直接連接或通過配置變壓器進行電壓電流等級匹配，全功率變流器5與電網(wǎng)通過平波電抗器相連或配置變壓器進行電壓等級匹配。小汽輪機設(shè)置進氣管道，所述進氣管道上設(shè)有調(diào)節(jié)閥3。全功率變流器5由兩個背靠背的共用直流側(cè)的電壓源型變流器組成，機側(cè)變流器實現(xiàn)異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制，并進行異步發(fā)電機和變流器直流側(cè)之間的能量傳動；網(wǎng)側(cè)變流器實現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，并進行電網(wǎng)和變流器直流側(cè)之間的能量傳動。如此，全功率變流器即可以實現(xiàn)異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制，同時實現(xiàn)多余功率的發(fā)電上網(wǎng)。

小汽輪機1的進氣口與進氣管道連接，進氣管道的蒸汽來自發(fā)電機組熱力系統(tǒng)的高壓蒸汽，小汽輪機的排氣口與排氣管道連接，排氣管道與低溫?zé)嵩醇訜崞骰驘峤粨Q器連接。在進氣管道處安裝調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)高壓蒸汽的通氣量。給水泵位于背壓式小汽輪機一側(cè)的軸端，給水泵與小汽輪機同軸連接，給水泵的輸入端與小汽輪機一側(cè)的軸端相連。異步發(fā)電機位于背壓小汽輪機另一端的軸端。

保證了多余功率發(fā)電上網(wǎng)的技術(shù)難題后，小汽輪機的進汽閥可以保持較大開度或全開，減少進汽的節(jié)流損失，保證機組全負(fù)荷范圍內(nèi)回?zé)嵝∑麢C的工作效率，提高機組發(fā)電效率和上網(wǎng)競爭力。

在不調(diào)節(jié)小汽輪機進汽閥開度的情況下，回?zé)嵝∑麢C系統(tǒng)可以控制的部分只有全功率變流器，分為網(wǎng)側(cè)變流器VSC1和機側(cè)變流器VSC2。

網(wǎng)側(cè)變流器VSC1可以采用定直流側(cè)電壓控制，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。從異步發(fā)電機傳輸過來的有功功率如果不及時消納，將造成直流側(cè)電壓的突升，影響器件的安全運行。網(wǎng)側(cè)變流器的模型如圖4所示。電網(wǎng)等效為一個三相交流電壓源e_a，e_b，e_c，平波電抗器和變流器開關(guān)損耗等效為電感L₁和電阻R₁，變流器交流側(cè)為脈寬調(diào)制電壓，直流側(cè)電容C提供電壓支撐和減小電壓紋波。

網(wǎng)側(cè)變流器VSC1在abc三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過Clarke變換和Park變換為d-q兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中，i_rd和i_rq為網(wǎng)側(cè)電流i_a，i_b和i_c在d-q坐標(biāo)系下的值；e_d和e_q為網(wǎng)側(cè)電壓e_a，e_b，e_c在d-q坐標(biāo)系下的值；ν_d和ν_q為變流器輸出電壓ν_a，ν_b和ν_c在d-q坐標(biāo)系下的值；ω₁為d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的角頻率。取d軸為網(wǎng)側(cè)電壓矢量的方向，q軸為逆時針旋轉(zhuǎn)90°，則

設(shè)定期望的無功電流使網(wǎng)側(cè)變流器的功率因數(shù)為1。忽略變流器開關(guān)的功率損耗，則直流側(cè)傳輸?shù)墓β时硎緸?/p>

式2可以發(fā)現(xiàn)，電流有功分量i_rd的大小反應(yīng)了進入直流側(cè)功率的大小，網(wǎng)側(cè)變流器的直流側(cè)電壓外環(huán)可以設(shè)計為

其中，k_p1為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_i1為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)。

式1可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流d軸分量和q軸分量相互耦合，需要在閉環(huán)中對其解耦，電流內(nèi)環(huán)的控制器可以設(shè)計為

其中，k_p2為PI調(diào)節(jié)器的比例參數(shù)，k_i2為PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)。

網(wǎng)側(cè)變流器VSC1的控制策略如圖5所示，外環(huán)為直流側(cè)電壓環(huán)，穩(wěn)定直流側(cè)電壓和進行功率傳輸，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，保證網(wǎng)側(cè)電流與實際指令相符，實現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。

完成網(wǎng)側(cè)變流器的控制后，需要對機側(cè)變流器進行控制設(shè)計，其拖動的為異步發(fā)電機。異步發(fā)電機經(jīng)過合理假設(shè)和等效后，模型如圖6。

異步發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型由下述電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。

電壓方程：

式中u_A，u_B，u_C，u_a，u_b，u_c為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值；i_A，i_B，i_C，i_a',i_b',i_c'為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；φ_A，φ_B，φ_C，φ_a，φ_b，φ_c為各相繞組的全磁鏈；R_s，R_r為定子和轉(zhuǎn)子的繞組電阻，p為微分算子。

磁鏈方程：

或?qū)懗搔罚絃i。式中，L是6×6電感矩陣，其中對角元素L_AA，L_BB，L_CC，L_aa，L_bb，L_cc是各繞組的自感，其余為繞組間的互感。

轉(zhuǎn)矩方程：

T_e＝n_pL_ms[(i_Ai_a'+i_Bi_b'+i_Ci_c')sinθ+(i_Ai_b'+i_Bi_c'+i_Ci_a')sin(θ+120°)+(i_Ai_c'+i_Bi_a'+i_Ci_b')sin(θ-120°)]

(8)

其中T_e是電磁轉(zhuǎn)矩，n_p是定子極對數(shù)，L_ms是定子互感。

運動方程：

其中T_L是負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，J是回?zé)嵝∑麢C的轉(zhuǎn)動慣量。

將上述三相靜止坐標(biāo)系中的變量放在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中進行數(shù)學(xué)分析。取d軸為轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，定義為M軸，q軸為逆時針轉(zhuǎn)90°，稱之為T軸?？梢缘玫疆惒桨l(fā)電機在MT兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。

電壓方程：

式中，u_sm，u_st，u_rm，u_rt為MT坐標(biāo)系下的定子電壓和轉(zhuǎn)子電壓，由于異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路，u_rm＝u_rt＝0；i_sm，i_st，i_rm，i_rt為MT坐標(biāo)系下的定子電流和轉(zhuǎn)子電流；L_m是MT坐標(biāo)系下同軸等效繞組間的互感，L_s是MT坐標(biāo)系下定子等效繞組的自感，L_r是MT坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子等效繞組的自感；ω_1'是定子同步角速度，ω_s為轉(zhuǎn)差。

磁鏈方程：

由于采用轉(zhuǎn)子全磁鏈定向，所以轉(zhuǎn)子磁鏈的T軸分量φ_rt為0，φ_rm＝φ_r。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

轉(zhuǎn)子磁鏈的計算模塊為：

式中，T_r為轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)，T_r＝L_r/R_r。

轉(zhuǎn)速計算模塊為：

式中，ω為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，且與轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速ω_m存在關(guān)系ω＝n_pω_m。

由式(13)可知，轉(zhuǎn)子的磁鏈只與定子電流的M軸分量有關(guān)，實現(xiàn)了解耦；式(12)可知，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的T軸分量有關(guān)，也與轉(zhuǎn)子磁鏈有關(guān)，仍然是耦合的。為實現(xiàn)解耦，消除轉(zhuǎn)子磁鏈φ_r對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω的影響，需要觀測轉(zhuǎn)子磁鏈，這可以通過磁鏈觀測器實現(xiàn)，如圖7。

磁鏈能觀，則可以將磁鏈控制和轉(zhuǎn)速控制看做兩個獨立的線性系統(tǒng)。外環(huán)設(shè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制器ASR設(shè)計為：

磁鏈閉環(huán)的控制器AφR設(shè)計為：

式(15)通過解耦可以得到定子電流的T軸分量指令i_st^*，式(16)可以得到定子電流的M軸分量指令i_sm^*。設(shè)計電流內(nèi)環(huán)以保證定子電流對指令的相應(yīng)，分別設(shè)計定子電流T軸分量i_st控制閉環(huán)和M軸分量i_sm控制閉環(huán):

機側(cè)變流器VSC2拖動異步發(fā)電機的控制策略如圖8。

通過對VSC1和VSC2的控制，異步發(fā)電機可以工作在電動機狀態(tài)，也可以工作在發(fā)電機狀態(tài)。在機組啟動階段，回?zé)嵝∑麢C汽源尚未滿足條件，而給水泵或風(fēng)機需要帶負(fù)荷運行。此時，異步發(fā)電機可以工作在電動機狀態(tài)，由VSC1實現(xiàn)穩(wěn)定直流側(cè)電壓，VSC2實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制，由電網(wǎng)的供電來驅(qū)動給水泵或風(fēng)機帶負(fù)荷運行。在機組正常運行階段，回?zé)嵝∑麢C進汽閥全開，小汽輪機的多余功率需要發(fā)電上網(wǎng)。此時，異步發(fā)電機工作在發(fā)電機狀態(tài)，VSC2實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制，以滿足負(fù)荷需求，VSC1穩(wěn)定直流側(cè)電壓，將多余的功率發(fā)電上網(wǎng)。采用異步發(fā)電機加全功率變流器的技術(shù)方案，通過合適的控制策略，可以實現(xiàn)回?zé)嵝∑麢C和電網(wǎng)之間的能量雙向流動，滿足回?zé)嵝∑麢C轉(zhuǎn)速可控的需求，同時符合發(fā)電機組啟停和正常運行工況的特點。

以上已詳細(xì)描述了本實用新型的較佳實施例，但應(yīng)理解到，在閱讀了解本實用新型的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本實用新型作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。