基于双向晶闸管的软并网异步发电机系统仿真分析

潘文

摘 要：软并网技术是通过晶闸管导通角的逐步打开控制并网电流，实现异步发电机的平稳并网。这种方法是目前大型异步风力发电机组并网的关键控制技术。在实际应用中，多为直接逐步开放晶闸管的导通角，其控制效果并不理想。该文提出了一种采用晶闸管导通角逐步放开加电流闭环PI调节相结合的软并网控制方法。在Matlab/Simulink环境下搭建了一种基于双向晶闸管的软并网异步发电机系统，仿真验证了控制方法的有效性。为异步风电机组软并网系统的研制提供了必要的参考依据。

关键词：异步发电机 软并网 仿真 晶闸管

中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0076-01

软并网技术是目前大型异步风力发电机组并网的关键控制技术，本文所建立的风电机组软并网控制系统的仿真模型，在晶闸管导通角逐步打开的同时，引入电流PI闭环调节，计算晶闸管触发角的调整量，实现了有效的实时控制，采用双向晶闸管的软并网技术，可以得到一个平稳的并网过渡过程，而不会出现冲击电流[1]，使并网冲击电流控制在1.2～1.5倍额定电流以内，得到一个比较平滑的并网过程，为软并网控制系统的研制提供参考依据。

1 采用软并网技术的异步发电机系统

1.1 软并网系统结构和控制原理

软并网闭环控制器原理如图1所示，

我们已知当系统检测到发电机转速接近同步速（99%），发电机输出端断路器闭合，发电机经双向晶闸管接入电网，晶闸管触发角此时开始由180?到0?逐渐打开[2]。为使软并网过渡时间尽可能短，晶闸管完全导通的时刻与电机到达同步转速的时刻应尽可能接近。但是如果晶闸管导通速度过快会产生较大的冲击电流，所以导通角又需缓慢放开。据此，我们可以确定晶闸管触发角随时间的基本变化趋势，即从接近同步速时开始导通到电机达到同步速，触发角由180 °缓慢放开到0 °。在实际的软并网电路控制中也多直接采用这种方式。

但是这种开环控制方式显然是不稳定的。由此我们引入电流闭环调整量。通过实际采样电机定子电流与电流给定值进行比较，得出相应的电流偏差，经过PI调节算法，计算出所需要的晶闸管触发角的调整量。仿真显示，当并网冲击电流出现时，这一调节可迅速将冲击拉回到合理范围之内，达到实时控制的目的。

如图1中引入阈值的目的在于，当电流偏差已经很小时，可以认为电机已经基本并网稳定，通过阈值和限幅环节快速将触发角置0。当和双向晶闸管并联的自动并网开关检测到触发角为0时，即认为晶闸管完全导通，将晶闸管短接，软并网过渡过程至此结束。

整个软并网过程中，晶闸管触发角变化的基本趋势和PI算法的确定，需要配合调节，才能达到最为理想的限流效果。

1.2 软并网系统的仿真验证

异步发电机的软并网采用了由双向晶闸管调压电路、一组串联断路器、一组并联断路器组成的软并网装置。串联断路器（Three-Phase Breaker1）控制异步发电机在接近同步速时，开始并网过程。当双向晶闸管触发角为0，即晶闸管完全导通，给并联断路器（Three-phase Breaker2）以关断信号，将双向晶闸管短接，软并网过程结束。

软并网的控制策略为[3]：采用限流式软并网，即主要以电机的定子电流作为晶闸管触发角变化的根本依据，通过采样电机定子电流，并与电流给定值进行比较，得出相应的电流偏差值，经过PI调节算法，计算出所需要的晶闸管触发角的调整量，对晶闸管基本变化趋势进行校正。最后经过阈值和限幅环节生成的触发角再返回去控制双向晶闸管，达到限流的目的。

对试验用电机的软并网仿真结果如下图2、3所示。由上图可见，定子电压经由软并网过程，缓慢的上升到额定全压。

由图2、3可见，软并网装置实现了抑制并网冲击电流的目的。最大冲击电流控制在并网稳定电流的1.5～2倍之内，当并网冲击较大时，PI电流闭环控制可以迅速将冲击拉回到合理范围之内。软并网过程的持续时间较短，大概经历0.32 s左右即可达到稳态，减小了对电网的谐波污染。

2 结语

该文设计给出了一种带PI闭环调节的适合试验用电机的软并网控制方法，通过仿真验证了其有效性。结果表明，通过对并网电流的闭环控制，可以得出较好的并网过程，使电机的并网瞬时电流控制在额定电流的1.5～2倍之内，并且系统具有较好的稳定性。

参考文献

[1] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 李建丽.大型风电场并网对电力系统电压稳定性的影响[D].山东：青岛大学，2007.

[3] 杨顺昌.并网运行的异步发电机设计中几个问题的探讨[J].电工技术学报，1991（2）：21-25.endprint

摘 要：软并网技术是通过晶闸管导通角的逐步打开控制并网电流，实现异步发电机的平稳并网。这种方法是目前大型异步风力发电机组并网的关键控制技术。在实际应用中，多为直接逐步开放晶闸管的导通角，其控制效果并不理想。该文提出了一种采用晶闸管导通角逐步放开加电流闭环PI调节相结合的软并网控制方法。在Matlab/Simulink环境下搭建了一种基于双向晶闸管的软并网异步发电机系统，仿真验证了控制方法的有效性。为异步风电机组软并网系统的研制提供了必要的参考依据。

关键词：异步发电机 软并网 仿真 晶闸管

中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0076-01

软并网技术是目前大型异步风力发电机组并网的关键控制技术，本文所建立的风电机组软并网控制系统的仿真模型，在晶闸管导通角逐步打开的同时，引入电流PI闭环调节，计算晶闸管触发角的调整量，实现了有效的实时控制，采用双向晶闸管的软并网技术，可以得到一个平稳的并网过渡过程，而不会出现冲击电流[1]，使并网冲击电流控制在1.2～1.5倍额定电流以内，得到一个比较平滑的并网过程，为软并网控制系统的研制提供参考依据。

1 采用软并网技术的异步发电机系统

1.1 软并网系统结构和控制原理

软并网闭环控制器原理如图1所示，

我们已知当系统检测到发电机转速接近同步速（99%），发电机输出端断路器闭合，发电机经双向晶闸管接入电网，晶闸管触发角此时开始由180?到0?逐渐打开[2]。为使软并网过渡时间尽可能短，晶闸管完全导通的时刻与电机到达同步转速的时刻应尽可能接近。但是如果晶闸管导通速度过快会产生较大的冲击电流，所以导通角又需缓慢放开。据此，我们可以确定晶闸管触发角随时间的基本变化趋势，即从接近同步速时开始导通到电机达到同步速，触发角由180 °缓慢放开到0 °。在实际的软并网电路控制中也多直接采用这种方式。

但是这种开环控制方式显然是不稳定的。由此我们引入电流闭环调整量。通过实际采样电机定子电流与电流给定值进行比较，得出相应的电流偏差，经过PI调节算法，计算出所需要的晶闸管触发角的调整量。仿真显示，当并网冲击电流出现时，这一调节可迅速将冲击拉回到合理范围之内，达到实时控制的目的。

如图1中引入阈值的目的在于，当电流偏差已经很小时，可以认为电机已经基本并网稳定，通过阈值和限幅环节快速将触发角置0。当和双向晶闸管并联的自动并网开关检测到触发角为0时，即认为晶闸管完全导通，将晶闸管短接，软并网过渡过程至此结束。

整个软并网过程中，晶闸管触发角变化的基本趋势和PI算法的确定，需要配合调节，才能达到最为理想的限流效果。

1.2 软并网系统的仿真验证

异步发电机的软并网采用了由双向晶闸管调压电路、一组串联断路器、一组并联断路器组成的软并网装置。串联断路器（Three-Phase Breaker1）控制异步发电机在接近同步速时，开始并网过程。当双向晶闸管触发角为0，即晶闸管完全导通，给并联断路器（Three-phase Breaker2）以关断信号，将双向晶闸管短接，软并网过程结束。

软并网的控制策略为[3]：采用限流式软并网，即主要以电机的定子电流作为晶闸管触发角变化的根本依据，通过采样电机定子电流，并与电流给定值进行比较，得出相应的电流偏差值，经过PI调节算法，计算出所需要的晶闸管触发角的调整量，对晶闸管基本变化趋势进行校正。最后经过阈值和限幅环节生成的触发角再返回去控制双向晶闸管，达到限流的目的。

对试验用电机的软并网仿真结果如下图2、3所示。由上图可见，定子电压经由软并网过程，缓慢的上升到额定全压。

由图2、3可见，软并网装置实现了抑制并网冲击电流的目的。最大冲击电流控制在并网稳定电流的1.5～2倍之内，当并网冲击较大时，PI电流闭环控制可以迅速将冲击拉回到合理范围之内。软并网过程的持续时间较短，大概经历0.32 s左右即可达到稳态，减小了对电网的谐波污染。

2 结语

该文设计给出了一种带PI闭环调节的适合试验用电机的软并网控制方法，通过仿真验证了其有效性。结果表明，通过对并网电流的闭环控制，可以得出较好的并网过程，使电机的并网瞬时电流控制在额定电流的1.5～2倍之内，并且系统具有较好的稳定性。

参考文献

[1] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 李建丽.大型风电场并网对电力系统电压稳定性的影响[D].山东：青岛大学，2007.

[3] 杨顺昌.并网运行的异步发电机设计中几个问题的探讨[J].电工技术学报，1991（2）：21-25.endprint

摘 要：软并网技术是通过晶闸管导通角的逐步打开控制并网电流，实现异步发电机的平稳并网。这种方法是目前大型异步风力发电机组并网的关键控制技术。在实际应用中，多为直接逐步开放晶闸管的导通角，其控制效果并不理想。该文提出了一种采用晶闸管导通角逐步放开加电流闭环PI调节相结合的软并网控制方法。在Matlab/Simulink环境下搭建了一种基于双向晶闸管的软并网异步发电机系统，仿真验证了控制方法的有效性。为异步风电机组软并网系统的研制提供了必要的参考依据。

关键词：异步发电机 软并网 仿真 晶闸管

中图分类号：TM306 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（a）-0076-01

软并网技术是目前大型异步风力发电机组并网的关键控制技术，本文所建立的风电机组软并网控制系统的仿真模型，在晶闸管导通角逐步打开的同时，引入电流PI闭环调节，计算晶闸管触发角的调整量，实现了有效的实时控制，采用双向晶闸管的软并网技术，可以得到一个平稳的并网过渡过程，而不会出现冲击电流[1]，使并网冲击电流控制在1.2～1.5倍额定电流以内，得到一个比较平滑的并网过程，为软并网控制系统的研制提供参考依据。

1 采用软并网技术的异步发电机系统

1.1 软并网系统结构和控制原理

软并网闭环控制器原理如图1所示，

我们已知当系统检测到发电机转速接近同步速（99%），发电机输出端断路器闭合，发电机经双向晶闸管接入电网，晶闸管触发角此时开始由180?到0?逐渐打开[2]。为使软并网过渡时间尽可能短，晶闸管完全导通的时刻与电机到达同步转速的时刻应尽可能接近。但是如果晶闸管导通速度过快会产生较大的冲击电流，所以导通角又需缓慢放开。据此，我们可以确定晶闸管触发角随时间的基本变化趋势，即从接近同步速时开始导通到电机达到同步速，触发角由180 °缓慢放开到0 °。在实际的软并网电路控制中也多直接采用这种方式。

但是这种开环控制方式显然是不稳定的。由此我们引入电流闭环调整量。通过实际采样电机定子电流与电流给定值进行比较，得出相应的电流偏差，经过PI调节算法，计算出所需要的晶闸管触发角的调整量。仿真显示，当并网冲击电流出现时，这一调节可迅速将冲击拉回到合理范围之内，达到实时控制的目的。

如图1中引入阈值的目的在于，当电流偏差已经很小时，可以认为电机已经基本并网稳定，通过阈值和限幅环节快速将触发角置0。当和双向晶闸管并联的自动并网开关检测到触发角为0时，即认为晶闸管完全导通，将晶闸管短接，软并网过渡过程至此结束。

整个软并网过程中，晶闸管触发角变化的基本趋势和PI算法的确定，需要配合调节，才能达到最为理想的限流效果。

1.2 软并网系统的仿真验证

异步发电机的软并网采用了由双向晶闸管调压电路、一组串联断路器、一组并联断路器组成的软并网装置。串联断路器（Three-Phase Breaker1）控制异步发电机在接近同步速时，开始并网过程。当双向晶闸管触发角为0，即晶闸管完全导通，给并联断路器（Three-phase Breaker2）以关断信号，将双向晶闸管短接，软并网过程结束。

软并网的控制策略为[3]：采用限流式软并网，即主要以电机的定子电流作为晶闸管触发角变化的根本依据，通过采样电机定子电流，并与电流给定值进行比较，得出相应的电流偏差值，经过PI调节算法，计算出所需要的晶闸管触发角的调整量，对晶闸管基本变化趋势进行校正。最后经过阈值和限幅环节生成的触发角再返回去控制双向晶闸管，达到限流的目的。

对试验用电机的软并网仿真结果如下图2、3所示。由上图可见，定子电压经由软并网过程，缓慢的上升到额定全压。

由图2、3可见，软并网装置实现了抑制并网冲击电流的目的。最大冲击电流控制在并网稳定电流的1.5～2倍之内，当并网冲击较大时，PI电流闭环控制可以迅速将冲击拉回到合理范围之内。软并网过程的持续时间较短，大概经历0.32 s左右即可达到稳态，减小了对电网的谐波污染。

2 结语

该文设计给出了一种带PI闭环调节的适合试验用电机的软并网控制方法，通过仿真验证了其有效性。结果表明，通过对并网电流的闭环控制，可以得出较好的并网过程，使电机的并网瞬时电流控制在额定电流的1.5～2倍之内，并且系统具有较好的稳定性。

参考文献

[1] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2] 李建丽.大型风电场并网对电力系统电压稳定性的影响[D].山东：青岛大学，2007.

[3] 杨顺昌.并网运行的异步发电机设计中几个问题的探讨[J].电工技术学报，1991（2）：21-25.endprint