基于雙向晶閘管的軟并網異步發電機系統仿真分析

潘文

摘 要：軟并網技術是通過晶閘管導通角的逐步打開控制并網電流，實現異步發電機的平穩并網。這種方法是目前大型異步風力發電機組并網的關鍵控制技術。在實際應用中，多為直接逐步開放晶閘管的導通角，其控制效果并不理想。該文提出了一種采用晶閘管導通角逐步放開加電流閉環PI調節相結合的軟并網控制方法。在Matlab/Simulink環境下搭建了一種基于雙向晶閘管的軟并網異步發電機系統，仿真驗證了控制方法的有效性。為異步風電機組軟并網系統的研制提供了必要的參考依據。

關鍵詞：異步發電機 軟并網 仿真 晶閘管

中圖分類號：TM306 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0076-01

軟并網技術是目前大型異步風力發電機組并網的關鍵控制技術，本文所建立的風電機組軟并網控制系統的仿真模型，在晶閘管導通角逐步打開的同時，引入電流PI閉環調節，計算晶閘管觸發角的調整量，實現了有效的實時控制，采用雙向晶閘管的軟并網技術，可以得到一個平穩的并網過渡過程，而不會出現沖擊電流[1]，使并網沖擊電流控制在1.2～1.5倍額定電流以內，得到一個比較平滑的并網過程，為軟并網控制系統的研制提供參考依據。

1 采用軟并網技術的異步發電機系統

1.1 軟并網系統結構和控制原理

軟并網閉環控制器原理如圖1所示，

我們已知當系統檢測到發電機轉速接近同步速（99%），發電機輸出端斷路器閉合，發電機經雙向晶閘管接入電網，晶閘管觸發角此時開始由180?到0?逐漸打開[2]。為使軟并網過渡時間盡可能短，晶閘管完全導通的時刻與電機到達同步轉速的時刻應盡可能接近。但是如果晶閘管導通速度過快會產生較大的沖擊電流，所以導通角又需緩慢放開。據此，我們可以確定晶閘管觸發角隨時間的基本變化趨勢，即從接近同步速時開始導通到電機達到同步速，觸發角由180 °緩慢放開到0 °。在實際的軟并網電路控制中也多直接采用這種方式。

但是這種開環控制方式顯然是不穩定的。由此我們引入電流閉環調整量。通過實際采樣電機定子電流與電流給定值進行比較，得出相應的電流偏差，經過PI調節算法，計算出所需要的晶閘管觸發角的調整量。仿真顯示，當并網沖擊電流出現時，這一調節可迅速將沖擊拉回到合理范圍之內，達到實時控制的目的。

如圖1中引入閾值的目的在于，當電流偏差已經很小時，可以認為電機已經基本并網穩定，通過閾值和限幅環節快速將觸發角置0。當和雙向晶閘管并聯的自動并網開關檢測到觸發角為0時，即認為晶閘管完全導通，將晶閘管短接，軟并網過渡過程至此結束。

整個軟并網過程中，晶閘管觸發角變化的基本趨勢和PI算法的確定，需要配合調節，才能達到最為理想的限流效果。

1.2 軟并網系統的仿真驗證

異步發電機的軟并網采用了由雙向晶閘管調壓電路、一組串聯斷路器、一組并聯斷路器組成的軟并網裝置。串聯斷路器（Three-Phase Breaker1）控制異步發電機在接近同步速時，開始并網過程。當雙向晶閘管觸發角為0，即晶閘管完全導通，給并聯斷路器（Three-phase Breaker2）以關斷信號，將雙向晶閘管短接，軟并網過程結束。

軟并網的控制策略為[3]：采用限流式軟并網，即主要以電機的定子電流作為晶閘管觸發角變化的根本依據，通過采樣電機定子電流，并與電流給定值進行比較，得出相應的電流偏差值，經過PI調節算法，計算出所需要的晶閘管觸發角的調整量，對晶閘管基本變化趨勢進行校正。最后經過閾值和限幅環節生成的觸發角再返回去控制雙向晶閘管，達到限流的目的。

對試驗用電機的軟并網仿真結果如下圖2、3所示。由上圖可見，定子電壓經由軟并網過程，緩慢的上升到額定全壓。

由圖2、3可見，軟并網裝置實現了抑制并網沖擊電流的目的。最大沖擊電流控制在并網穩定電流的1.5～2倍之內，當并網沖擊較大時，PI電流閉環控制可以迅速將沖擊拉回到合理范圍之內。軟并網過程的持續時間較短，大概經歷0.32 s左右即可達到穩態，減小了對電網的諧波污染。

2 結語

該文設計給出了一種帶PI閉環調節的適合試驗用電機的軟并網控制方法，通過仿真驗證了其有效性。結果表明，通過對并網電流的閉環控制，可以得出較好的并網過程，使電機的并網瞬時電流控制在額定電流的1.5～2倍之內，并且系統具有較好的穩定性。

參考文獻

[1] 葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 李建麗.大型風電場并網對電力系統電壓穩定性的影響[D].山東：青島大學，2007.

[3] 楊順昌.并網運行的異步發電機設計中幾個問題的探討[J].電工技術學報，1991（2）：21-25.endprint

摘 要：軟并網技術是通過晶閘管導通角的逐步打開控制并網電流，實現異步發電機的平穩并網。這種方法是目前大型異步風力發電機組并網的關鍵控制技術。在實際應用中，多為直接逐步開放晶閘管的導通角，其控制效果并不理想。該文提出了一種采用晶閘管導通角逐步放開加電流閉環PI調節相結合的軟并網控制方法。在Matlab/Simulink環境下搭建了一種基于雙向晶閘管的軟并網異步發電機系統，仿真驗證了控制方法的有效性。為異步風電機組軟并網系統的研制提供了必要的參考依據。

關鍵詞：異步發電機 軟并網 仿真 晶閘管

中圖分類號：TM306 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0076-01

軟并網技術是目前大型異步風力發電機組并網的關鍵控制技術，本文所建立的風電機組軟并網控制系統的仿真模型，在晶閘管導通角逐步打開的同時，引入電流PI閉環調節，計算晶閘管觸發角的調整量，實現了有效的實時控制，采用雙向晶閘管的軟并網技術，可以得到一個平穩的并網過渡過程，而不會出現沖擊電流[1]，使并網沖擊電流控制在1.2～1.5倍額定電流以內，得到一個比較平滑的并網過程，為軟并網控制系統的研制提供參考依據。

1 采用軟并網技術的異步發電機系統

1.1 軟并網系統結構和控制原理

軟并網閉環控制器原理如圖1所示，

我們已知當系統檢測到發電機轉速接近同步速（99%），發電機輸出端斷路器閉合，發電機經雙向晶閘管接入電網，晶閘管觸發角此時開始由180?到0?逐漸打開[2]。為使軟并網過渡時間盡可能短，晶閘管完全導通的時刻與電機到達同步轉速的時刻應盡可能接近。但是如果晶閘管導通速度過快會產生較大的沖擊電流，所以導通角又需緩慢放開。據此，我們可以確定晶閘管觸發角隨時間的基本變化趨勢，即從接近同步速時開始導通到電機達到同步速，觸發角由180 °緩慢放開到0 °。在實際的軟并網電路控制中也多直接采用這種方式。

但是這種開環控制方式顯然是不穩定的。由此我們引入電流閉環調整量。通過實際采樣電機定子電流與電流給定值進行比較，得出相應的電流偏差，經過PI調節算法，計算出所需要的晶閘管觸發角的調整量。仿真顯示，當并網沖擊電流出現時，這一調節可迅速將沖擊拉回到合理范圍之內，達到實時控制的目的。

如圖1中引入閾值的目的在于，當電流偏差已經很小時，可以認為電機已經基本并網穩定，通過閾值和限幅環節快速將觸發角置0。當和雙向晶閘管并聯的自動并網開關檢測到觸發角為0時，即認為晶閘管完全導通，將晶閘管短接，軟并網過渡過程至此結束。

整個軟并網過程中，晶閘管觸發角變化的基本趨勢和PI算法的確定，需要配合調節，才能達到最為理想的限流效果。

1.2 軟并網系統的仿真驗證

異步發電機的軟并網采用了由雙向晶閘管調壓電路、一組串聯斷路器、一組并聯斷路器組成的軟并網裝置。串聯斷路器（Three-Phase Breaker1）控制異步發電機在接近同步速時，開始并網過程。當雙向晶閘管觸發角為0，即晶閘管完全導通，給并聯斷路器（Three-phase Breaker2）以關斷信號，將雙向晶閘管短接，軟并網過程結束。

軟并網的控制策略為[3]：采用限流式軟并網，即主要以電機的定子電流作為晶閘管觸發角變化的根本依據，通過采樣電機定子電流，并與電流給定值進行比較，得出相應的電流偏差值，經過PI調節算法，計算出所需要的晶閘管觸發角的調整量，對晶閘管基本變化趨勢進行校正。最后經過閾值和限幅環節生成的觸發角再返回去控制雙向晶閘管，達到限流的目的。

對試驗用電機的軟并網仿真結果如下圖2、3所示。由上圖可見，定子電壓經由軟并網過程，緩慢的上升到額定全壓。

由圖2、3可見，軟并網裝置實現了抑制并網沖擊電流的目的。最大沖擊電流控制在并網穩定電流的1.5～2倍之內，當并網沖擊較大時，PI電流閉環控制可以迅速將沖擊拉回到合理范圍之內。軟并網過程的持續時間較短，大概經歷0.32 s左右即可達到穩態，減小了對電網的諧波污染。

2 結語

該文設計給出了一種帶PI閉環調節的適合試驗用電機的軟并網控制方法，通過仿真驗證了其有效性。結果表明，通過對并網電流的閉環控制，可以得出較好的并網過程，使電機的并網瞬時電流控制在額定電流的1.5～2倍之內，并且系統具有較好的穩定性。

參考文獻

[1] 葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 李建麗.大型風電場并網對電力系統電壓穩定性的影響[D].山東：青島大學，2007.

[3] 楊順昌.并網運行的異步發電機設計中幾個問題的探討[J].電工技術學報，1991（2）：21-25.endprint

摘 要：軟并網技術是通過晶閘管導通角的逐步打開控制并網電流，實現異步發電機的平穩并網。這種方法是目前大型異步風力發電機組并網的關鍵控制技術。在實際應用中，多為直接逐步開放晶閘管的導通角，其控制效果并不理想。該文提出了一種采用晶閘管導通角逐步放開加電流閉環PI調節相結合的軟并網控制方法。在Matlab/Simulink環境下搭建了一種基于雙向晶閘管的軟并網異步發電機系統，仿真驗證了控制方法的有效性。為異步風電機組軟并網系統的研制提供了必要的參考依據。

關鍵詞：異步發電機 軟并網 仿真 晶閘管

中圖分類號：TM306 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0076-01

軟并網技術是目前大型異步風力發電機組并網的關鍵控制技術，本文所建立的風電機組軟并網控制系統的仿真模型，在晶閘管導通角逐步打開的同時，引入電流PI閉環調節，計算晶閘管觸發角的調整量，實現了有效的實時控制，采用雙向晶閘管的軟并網技術，可以得到一個平穩的并網過渡過程，而不會出現沖擊電流[1]，使并網沖擊電流控制在1.2～1.5倍額定電流以內，得到一個比較平滑的并網過程，為軟并網控制系統的研制提供參考依據。

1 采用軟并網技術的異步發電機系統

1.1 軟并網系統結構和控制原理

軟并網閉環控制器原理如圖1所示，

我們已知當系統檢測到發電機轉速接近同步速（99%），發電機輸出端斷路器閉合，發電機經雙向晶閘管接入電網，晶閘管觸發角此時開始由180?到0?逐漸打開[2]。為使軟并網過渡時間盡可能短，晶閘管完全導通的時刻與電機到達同步轉速的時刻應盡可能接近。但是如果晶閘管導通速度過快會產生較大的沖擊電流，所以導通角又需緩慢放開。據此，我們可以確定晶閘管觸發角隨時間的基本變化趨勢，即從接近同步速時開始導通到電機達到同步速，觸發角由180 °緩慢放開到0 °。在實際的軟并網電路控制中也多直接采用這種方式。

但是這種開環控制方式顯然是不穩定的。由此我們引入電流閉環調整量。通過實際采樣電機定子電流與電流給定值進行比較，得出相應的電流偏差，經過PI調節算法，計算出所需要的晶閘管觸發角的調整量。仿真顯示，當并網沖擊電流出現時，這一調節可迅速將沖擊拉回到合理范圍之內，達到實時控制的目的。

如圖1中引入閾值的目的在于，當電流偏差已經很小時，可以認為電機已經基本并網穩定，通過閾值和限幅環節快速將觸發角置0。當和雙向晶閘管并聯的自動并網開關檢測到觸發角為0時，即認為晶閘管完全導通，將晶閘管短接，軟并網過渡過程至此結束。

整個軟并網過程中，晶閘管觸發角變化的基本趨勢和PI算法的確定，需要配合調節，才能達到最為理想的限流效果。

1.2 軟并網系統的仿真驗證

異步發電機的軟并網采用了由雙向晶閘管調壓電路、一組串聯斷路器、一組并聯斷路器組成的軟并網裝置。串聯斷路器（Three-Phase Breaker1）控制異步發電機在接近同步速時，開始并網過程。當雙向晶閘管觸發角為0，即晶閘管完全導通，給并聯斷路器（Three-phase Breaker2）以關斷信號，將雙向晶閘管短接，軟并網過程結束。

軟并網的控制策略為[3]：采用限流式軟并網，即主要以電機的定子電流作為晶閘管觸發角變化的根本依據，通過采樣電機定子電流，并與電流給定值進行比較，得出相應的電流偏差值，經過PI調節算法，計算出所需要的晶閘管觸發角的調整量，對晶閘管基本變化趨勢進行校正。最后經過閾值和限幅環節生成的觸發角再返回去控制雙向晶閘管，達到限流的目的。

對試驗用電機的軟并網仿真結果如下圖2、3所示。由上圖可見，定子電壓經由軟并網過程，緩慢的上升到額定全壓。

由圖2、3可見，軟并網裝置實現了抑制并網沖擊電流的目的。最大沖擊電流控制在并網穩定電流的1.5～2倍之內，當并網沖擊較大時，PI電流閉環控制可以迅速將沖擊拉回到合理范圍之內。軟并網過程的持續時間較短，大概經歷0.32 s左右即可達到穩態，減小了對電網的諧波污染。

2 結語

該文設計給出了一種帶PI閉環調節的適合試驗用電機的軟并網控制方法，通過仿真驗證了其有效性。結果表明，通過對并網電流的閉環控制，可以得出較好的并網過程，使電機的并網瞬時電流控制在額定電流的1.5～2倍之內，并且系統具有較好的穩定性。

參考文獻

[1] 葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 李建麗.大型風電場并網對電力系統電壓穩定性的影響[D].山東：青島大學，2007.

[3] 楊順昌.并網運行的異步發電機設計中幾個問題的探討[J].電工技術學報，1991（2）：21-25.endprint