双馈电机控制技术

2024-07-13

双馈电机控制技术（精选7篇）

双馈电机控制技术篇1

摘要：建立了变速恒频双馈感应风力发电机数学模型。为提高双馈感应发电机(Double Fed Induction Geneator,DFIG)机组的低电压穿越(LVRT)能力,设计了TakagiSugeno(TS)模糊PI控制器。以某风电场为对象建立了DFIG多机互联仿真模型。仿真结果表明,相比传统PI控制器,TS模糊PI控制器可以有效抑制电网故障时DFIG有功功率和变流器直流母线电压震荡,从而提高系统的低电压穿越能力。

关键词：风力发电,双馈感应发电机,低电压穿越,TS模糊控制器,仿真

0 引言

近几年风力发电成为备受关注的新能源技术,其发展速度越来越快。双馈感应电机由于可变速运行、变流器容量较少等优点,已成为应用最广泛的风力发电机之一[1]。

但是双馈感应风力发电机定子直接和电网相连,而且由于变流器容量较小,使得其对电网故障很敏感[2,3]。电网发生故障时,DFIG机端电压降低,无法正常向电网输送电能,此时风力机吸收的风能有一部分被风力发电系统消化吸收。这些因素会造成电机定、转子电流和变流器直流母线电压快速升高,电机转速和电磁转矩震荡等问题,严重时会损坏设备[4]。

本文首先讨论DFIG风力发电系统的模型和控制策略,简单介绍TS模糊控制,然后设计TS模糊PI控制器,最后用仿真验证了这种控制器的有效性。

1 DFIG风力发电系统模型

1.1 DFIG数学模型

DFIG风力发电系统原理图如图1所示。

DFIG模型常见的有8阶、5阶和3阶模型[5,6],因为本文研究重点是机组的电气特征,传动部分可以采用单一质量块来表示,而且本文研究重点是TS模糊控制对定子磁通暂态的影响,所以本文采用5阶数学模型。

定子侧电压、电流正方向取发电机惯例,转子侧电压、电流正方向取电动机惯例,在d-q坐标下,双馈感应发电机的5阶数学模型为:

式中:

其中:u,i,ψ分别是电压、电流、磁链;p是微分算子;np为电机极对数,R、L为电阻和电感;ω2=ω1-ωr,ω1、ωr分别是定子同步电角速度和转子电角速度;Lm是互感;下标s和r分别表示发电机定子侧和转子侧;下标d和q表示d轴和q轴;Lss=Ls+Lm,Lrr=Lr+Lm,Ls、Lr是转子侧和定子侧漏感;Te、Tm为电磁转矩和机械转矩。

1.2 变流器控制原理

双馈感应风力发电系统采用双PWM变流器。其电路拓扑结构图如图2、图3所示。图中θ表示转子电角度,符号“*”表示参考值。网侧变换器采用电流内环和直流电压外环配合运行的方式,转子侧变换器采用转速、电流双闭环矢量控制的方式[7,8]。在额定风速以下,风力发电系统控制转速,来跟踪最大功率曲线,以获得最大能量。当风速超过额定值,采用恒功率控制以保护设备[9]。

2 TS模糊控制器设计

图2、图3所示的PI控制器目前多为传统的线性控制器,在稳态时可以获得满意的控制性能,但当电网发生故障,发电机组端电压骤降时,传统PI控制器无法有效应对发电机有功功率和变流器直流母线电压震荡的问题,可能造成保护装置将发电机组从电网切除,甚至有可能损害设备器件,所以有必要对其改进。

TS模糊控制与Mamdani模糊控制不同之处在规则后部,主要差别在于输出隶属函数的形式[10]。因为TS模糊控制的规则后部可变,所以很适合于大范围可变非线性场合[11]。将图3和图4的PI控制器改为TS模糊PI控制器,可有效应对电网故障时风力发电系统各变量剧变的问题。

定义正、负两个模糊输入集合,其隶属度函数如式(5)。

式中:i=1,2;P、N分别代表正和负;xi是第k采样时刻模糊控制器的输入;x1(k)为参考值与比较值之差,即x1(k)=e(k)=Pref-P或x1(k)=Vdc ref-dcV,x2(k)=∫e(k)。

图4为TS模糊控制原理图,ref表示参考量。

在本文中,控制器采用下面四条简化规则[12,13]:

R1:若x1(n)和x2(n)都为正,则

R2:若x1(n)为正,并且x2(n)为负,则

R3:若x1(n)为负,并且x2(n)为正,则

R4:若x1(n)和x2(n)都为负,则

其中u1(n)~u4(n)是TS模糊控制器的规则后部,TS模糊控制器的输出为:

只要合理选择ki(i=1,2,3,4),可达到输出分段线性化的目的,便可应对电网故障时发电系统各变量剧变的问题。

3 算例仿真

仿真系统为甘肃省某风电场,如图5所示。110 k V母线所连为无穷大电网;风电场经过变电站和架空传输线与110 k V母线相连;35 k V母线接有区域小负荷,风电场内有3条馈线,每条馈线容量都为15 MW,风机为单机容量为1.5 MW的双馈感应风电机组。

在仿真中,用一个单机容量为9 MW的DFIG代替馈线1,仿真参数为:DFIG的定子额定电压690V,额定频率50 Hz,额定转速为1 500 r/min,变流器直流侧母线额定电压为1 200 V,功率因数为1。风速恒定为11 m/s,此时发电机工作在超同步工况。TS模糊控制器参数为:有功控制器k1=2.4,k2=2,k3=1.2,k4=0.4,直流母线电压控制器k1=1,k2=0.6,k3=4.5,k4=4.6。

50%—0.2 s电压跌落仿真结果见图6、图7。

85%—0.2 s电压跌落仿真结果见图8、图9。

由仿真结果可知,电网电压跌落时,发电机发出的有功和直流母线电压都发生了明显的震荡,且电压跌落越严重,震荡越明显。其根本原因是故障时由于定子电压突降,产生了定子磁通暂态直流分量[14]。当100.2 s电网电压恢复正常时,定子侧电压突然升高,也会产生震荡。

在50%—0.2 s电压跌落情况下,图6中,对使用传统PI控制器的系统,发电机发出的有功在2~6.8 MW之间震荡,直流母线电压在1020~1320V之间震荡,而对TS模糊控制系统,如图7所示,有功功率和直流母线电压分别在2.2~6 MW和在1180~1260 V之间震荡。

在85%—0.2 s电压跌落情况下,如图8和图9所示,对使用传统PI控制器的系统,发电机发出的有功在-4~11.8 MW之间震荡,直流母线电压在-200~1 700 V之间震荡,而对TS模糊控制系统,有功功率和直流母线电压分别在0~9.58 MW和在400~1400 V之间震荡。

由上述仿真结果可知,相比传统的PI控制器,TS模糊控制器改善了电网发生故障时的发电机定子侧输出有功和直流母线电压震荡过程,减小了震荡峰值。震荡峰值越小,保护装置将发电机从电网切除的可能性越小,这样就提高了系统应对电压跌落的能力。另外,在实际系统中出现如此高的电压峰值是不容许的,必须有相应的保护措施,如变桨距机构等来限制过电压,否则如此高的电压会损坏设备。

4 结论

本文设计了双馈感应风力发电机组并网模型和简化规则的TS模糊PI控制器。从仿真结果可知,相比传统PI控制器,TS模糊PI控制器改善了电网电压跌落时发电机组有功功率和变流器直流母线电压震荡过程,这样不仅减小了发电机组和变流器的压力,保护了设备,而且增强了系统应对低电压故障的能力。

双馈电机控制模型的建立与仿真篇2

双馈电机是目前开发的新型交流电机, 它兼有异步电机和同步电机的优点。与其相应的风力发电技术, 是一种具有良好应用前景的风力发电技术。它可以优化风力发电机的运行条件, 并使发电机组与电网之间实现良好的柔性连接。由此, 可在提高风能利用率和转换效率的同时使发电机顺利实现并网操作[1]。

1 风速模型

风能是一种洁净的可再生能源, 然而能量密度较低, 因此需较大的风轮获取能量。此外, 风能随海拔、时间、地点的改变而改变。它的变化性和随机性更使其不易被利用。因此, 为使得风力发电机组有稳定的功率输出, 对风速的分析和预测以及建模是不可或缺的。

据风能特性, 现将风速模型分解为以下两个部分:平均风速———周期大于10min, 脉动风速———周期极短。最终作用在风力机上的模拟风速为上述两种风速之和。与两种风速相应的预测称为短时风速预测和中长期风速预测。对短期风速的准确预测有助于减轻因风速波动产生的对电网不利的影响, 还可优化电网调度部门的调度计划;对中长期风速的准确预测则有助于设计规划风电场规模, 制订长远发展目标[2]。

对于变动频繁的短期风速, 可利用其特性———随机性、时间相关性、空间相关性———拟定符合其波动情况的状态方程, 经过一系列的算术变换得出符合实际的短时风速序列。其具体步骤大致如下:

(1) 测得风电场数据并将其分解。

(2) 对分解得到的不同成分建立不同预测模型。

(3) 将各个预测模型得到预测值叠加成最终结果。

(4) 将由 (3) 得到的结果作为样本, 与所测得的数据整合, 得到新的样本。

(5) 再将所得样本分解成不同频率分量及其对应项。重复步骤 (2) ~ (3) 。

(6) 综和步骤 (4) 与 (5) 得到短期风速预测模型。

相较于短时风速, 中长期风速的变化缓慢, 可将其分解为不同的分量。对应不同分量建立不同的有关于时间t的方程。

综上所述, 得到可用风速的综合模型:

整合可得:

2 双馈机模型

由文献知, 最早采用机理分析法[3]来研究风机发电机特性。为选择适当的结构模型, 它分析系统内部物理本质, 并以此来模拟系统特性。但由于气动及机械等方面的机理较为复杂, 大型风力发电机的建模较困难且不精确。

在此基础上, 系统辨识理论得以发展。但基于测试法的模型中参数没有明确物理意义。因而世人将上述建模方法结合得到“灰箱”建模方法。

然而, 复杂的风力发电机是一个非线性系统。其建模过程也因此更加难以实现。为将其建模简化, 风力发电机简化为风轮部分和发电机部分。现相应对其建模。

2.1 风轮部分风轮将风能转化为机械能。

将其齿轮箱和联轴器的惯性环节时间常数设为无穷大, 则风机输出功率如下:

其中, CP—功率系数;ρ—空气密度, kg/m3;A—风力发电机桨叶横扫面积, m2;vw—风速, m/s。

CP与叶尖速比λ及桨距角β有关, 具体为:

其中, λ=R/v, R为风力发电机桨叶半径, m;

2.2 发电机部分

假定磁路线性并忽略谐波影响, 由基尔霍夫定律可得定子侧电压方程。用矩阵形式表示为:[4]

式中, um、Rm、im (m=A, B, C, a, b, c) 分别是定子第m相绕组的相电压、相电阻和相电流;ρ是微分算子;Lmn (m, n=A, B, C, a, b, c) 是m相和n相绕组间互感。

将矩阵中电流关于时间的微分用角速度表示, 整理后可得MATLAB/Simulink中所需各个模块参数, 从而整合成双馈电机模型。

3 发电机控制模型

双馈发电机的控制系统由两个闭环构成。

其中, 外环部分设计成转速控制环。转速环的给定值为根据风速计算出的与风力发电机最佳叶尖速比对应的转速值。环节中, 限幅输出的PI控制器的输入为转速环给定值与电机转速反馈值的差值。对于输出转子的无功电流及有功电流的设定值, 则据电网对风力发电系统的要求计算得到。内环部分设计成转子电流控制环。它由两个均采用限幅输出电流调节器的通道控制。输出的电压控制量由电流误差量经过调节后形成。接着, 叠加补偿量即前馈电压, 即得到转子电压控制量。再通过变换坐标, 可得控制双馈电机转子电压的指令。其结果通过SVPWM模块可调制转子侧的变换器, 从而产生满足实际要求的励磁电流及电压。仿真时的风速模型采用上述风速模型, 最终调整参数值, 使双馈风力发电机安全可靠运行, 有稳定输出。

4 结论

本文在风力发电风速研究基础上, 对风速分解, 于MATLAB中建立相应风速模型, 整合可得实际风速模型, 并得到动态分析和仿真所需的风速序列。

同时, 根据数学公式, 在Simulink中建立风力发电机模型及其相应控制模型。最终调整参数, 可通过控制系统保证风力发电机组安全可靠的运行, 并实现对稳定机组输出功率和优化功率曲线的控制。

摘要：本文通过对风速的分解, 建立了实际风速的综合模型, 在风机动态特性分析的基础上, 建立了双馈电机及控制系统的仿真模型。所建立的模型具有通用性, 便于Matlab/Simulink的仿真分析。

关键词：双馈电机,风速,控制,建模

参考文献

[1]吉同军, 丁晓群, 刘皓明.双馈式风力发电系统的运行控制与建模仿真[J].中国电力, 2008 (41) :81-86.

[2]马应魁.短期风速多步预测的研究[J].工矿自动化, 2010 (9) :54-58.

[3]王聪, 刘永前.风力发电系统的建模与仿真研究[J].中国电力教育, 2006:125-128.

双馈电机控制技术篇3

关键词：风力发电,定子磁链定向矢量控制,双通道双闭环

0 引言

风能是最洁净的能源之一,风力发电是大规模利用风能最经济的方式。在由机械能转换为电能的过程中,发电机及其控制影响到整个系统的性能、效率和供电质量,而且也影响到风能吸收装置的运行方式、效率和结构。因此研制和选用适合于风电转换的运行可靠、效率高、供电性能良好的发电系统是风力发电的关键[1]。

变速恒频双馈发电系统采用双馈风力发电机(DFIG),DFIG在并网后的功率控制是双馈发电技术的关键问题,决定了风机的运行可靠性和效率,本文采用基于定子磁链定向的矢量控制技术的双闭环双通道控制方法,可有效的实现有功、无功功率的解耦,实现电机功率输出的灵活控制[2],仿真验证了该控制方法的正确性。

1 双馈发电机的基本理论及数学模型

1.1 变速恒频运行的基本原理

DFIG的结构类似于绕线式异步电机,旋转电机的定子和转子均安放对称三相绕组,其定子与普通交流电机定子相似,定子绕组由具有固定频率的对称三相电源激励。电机定转子极数相同。转子绕组由具有可调节频率的对称三相电源激励[3]。电机的转速由定转子之间的转差频率确定。电机的定转子磁场是同步旋转的,因此它又具有类似同步电机的特性。

任何电机在稳定运行时,定子旋转磁势与转子旋转磁势都是相对静止、同步旋转的。如公式(1)、(2)所示。

式中:s—转差率;f1—定子绕组电流频率;w1—定子旋转角频率;f2—转子绕组电流频率;w2—转子转差角频率;wr—转子实际旋转角频率;n—转子旋转的速度;p—电机的极对数。

其中,“+”用于亚同步运行,“-”用于超同步运行。从这个关系式可以看出,当转子转速n变化时,可调节转子的供电频率f2,保持f1不变,即保证定子馈电频率不变,与电网一致。这样就实现了双馈发电机的变速恒频运行[4]。

1.2 同步旋转坐标系下DFIG的数学模型

同步旋转坐标系下DFIG的数学模型是由其三相下的数学模型经过坐标变换得出。假定双馈发电机定、转子均为三相对称绕组,均匀分布在电机圆周内,气隙均匀,电路、磁路呈对称分布,忽略磁滞、涡流损耗和铁耗,只考虑定、转子电流的基波分量,忽略谐波分量。规定定子侧电压、电流正方向取发电机惯例,转子侧电压、电流正方向取电动机惯例。根据上述假定写出双馈发电机在两相同步旋转坐标系下的数学模型如式(6)-(9)所示。

磁链方程:

电压方程:

电磁转矩方程:

运动方程:

将磁链方程代入电压方程,可得公式(10):

其中p为微分算子;u为电压;i为电流;ψ为磁链;R为电阻;L为自感;Lo为定转子间的互感;下标s和r分别代表定子侧电量和转子侧电量,下标d和q分别代表同步旋转坐标系下dq轴分量;ω1和ω2为电机同步角速度和转差角速度,且满足ω2=ω1-ωr;ωr为电机转子电角速度;s为转差率;J为转动惯量;np为电机极对数;Tem、Tm分别为电磁转矩和机械转矩[5]。

2 DFIG的输出功率控制策略研究

2.1 矢量控制概述

矢量控制技术是通过电机统一理论和坐标变换理论、把交流电动机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系的励磁电流分量和与之垂直的转矩分量,然后分别对它们进行控制使交流电机得到和直流电机一样的控制性能[6]。矢量控制的思想是并网后DFIG有功功率和无功功率解耦的基础[5]。

而对于交流励磁双馈发电机系统来说,电机定、转子的电流分别是工频和转差频率的交流量,是一个强耦合多变量系统,简单地对交流电流进行闭环控制而不进行解耦,效果并不理想。为了实现解耦控制,必须应用矢量控制技术将实际的交流量分解成为有功分量和无功分量,并分别对这两个分量进行闭环控制[7]。

2.2 以定子磁链定向的矢量控制策略

因为双馈电机的定子绕组直接连在无穷大电网上,可以近似地认为定子的电压幅值、频率都是恒定的,所以选择以定子磁链定向的矢量控制方式。使定子磁链矢量与直角坐标轴的横轴d轴重合,定子电压矢量与负q轴同向。下面对这种定向方式下的矢量控制策略进行详细研究。

两相坐标系下的瞬时有功功率、无功功率如式(11)所示。

由式(1)可知,当发电机并入无穷大电网后,可以认为定子端电压是常量,只有定子电流是受控量。因此,在并网条件下,对发电机输出功率的控制就可以认为是对定子电流的控制。双馈发电机的功率调节,最后都可以归结为对转子电压的调控[8]。可以通过控制转子电压控制转子电流,从而间接控制定子电流。

2.3 双通道双闭环的功率控制策略

并网后DFIG的控制关键为功率输出控制,而功率控制的关键是实现有功功率和无功功率的独立控制,也就是功率的解耦控制,在前面的数学模型和矢量控制理论的分析基础上本文提出一种双通道双闭环的功率控制策略。

无功功率与转子电流的关系如式(12)所示。

而转子电压和转子电流之间的关系如公式(13)所示。

从公式(13)中可知:转子电压的dq分量udr*、uqr*分别控制转子电流的dq分量idr*、iqr*,实现了双通道的独立控制。udr1,uqr1为实现转子电压、电流解耦控制的解耦项,△udr、△uqr为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项。这样将转子电压分解为解耦项和补偿项后,既简化了控制,又能保证控制的精度和动态响应的快速性。

整个系统的设计采用双闭环结构,外环为功率控制环,内环为电流控制环。在功率环中,有功功率指令Ps*,无功功率指令Qs*与功率反馈值Ps、Qs进行比较,差值经PI型功率调节器运算,输出定子电流有功分量及无功分量指令iqs和ids。计算得到转子电流的无功分量和有功分量指令iqr*、idr*和转子电流反馈量比较后的差值送入PI型电流调节器,调节后输出电压分量uqr1、udr1,加上电压补偿分量△uqr、△udr后就可获得转子电压指令uqr*、udr*。有了udr*、uqr*后,就可通过坐标变换得到三相坐标下的转子电压量。这个转子三相电压分量值就可以用作产生转子励磁电源控制所需的指令信号,用于控制逆变主电路的开关管的通断[9]。根据以上分析得到双通道双闭环功率控制框图,如图一所示。

3 仿真研究

矢量控制基于定子磁场定向控制,采用双通道分别控制双馈发电机转子电流转矩分量和励磁分量的办法,可实现定子端口有功功率和无功功率的解耦控制。其中,转矩电流分量是采用定子有功功率外环、电流内环的双闭环控制方式,励磁电流分量采用定子无功功率外环、电流内环的双闭环控制方式。下面通过仿真验证控制方法的正确性。

3.1 仿真模型与参数

根据图一,在Matlab/Simulink中搭建模型,如图二所示。本实验仿真采用的是绕线式异步电动机,电机仿真参数如表一所示。

3.2 仿真结果与分析

实现有功功率和无功功率解耦,实际上就是要实现调节有功功率时无功功率不变,同时实现调节无功功率时有功功率不变,因此选取以下两种情况进行验证。

(1)定子有功功率指令Ps*在1s时由300W阶跃到550W,在5s时再跃回300W,无功功率指令Qs*保持不变。仿真结果如图三-图五所示。

(2)定子无功功率指令Qs*在1s时由600W阶跃到400W,5s时又阶跃回600W,有功功率指令Ps*保持不变。仿真结果如图六-图八所示。

(3)从仿真图形中可以看出,应用双通道双闭环的功率控制策略,可以有效实现双馈发电机有功和无功功率的独立控制,系统响应快速,并具有较好的鲁棒性。

4 结束语

本文分析了DFIG的基本理论,建立了数学模型,介绍了定子磁链定向矢量控制策略,并在此基础上提出了电流内环、功率外环的双通道双闭环解耦控制方案,并在Matlab/Simulink环境下进行验证,通过仿真波形证明该控制策略能够较好的实现有功功率和无功功率的解耦,解决了双馈发电机在控制上的强耦合难题。

参考文献

[1]赵斌,许洪华.可再生能源发电[J].太阳能,2001,3(1):11-12.

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[7]卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究[D].杭州:浙江大学,2003.

[8]谢震.变速恒频双馈风力发电模拟平台的研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.

无刷双馈风力发电机的并网控制篇4

随着国际工业化的进程, 全球气温逐渐变暖, 环境污染日益严重, 支撑工业化进程的能源、电力所主要依靠的化石燃料在地球上的储藏消耗越来越快, 常规能源资源面临枯竭的危险, 现代能源和再生能源的发展问题摆在了世界各国的面前。在这样的背景下, 各工业国对清洁能源倾注了更多的热情, 促使了近20年来可再生新能源技术的显著发展与进步。

1、风力发电机并网技术

在大型风力发电系统运行过程中, 经常需要把风力发电机组接入电力系统并列运行。发电机并网是风力发电系统正常运行的“起点”, 也是整个风力发电系统能够良好运行的前提。其主要要求是限制发电机在并网时的瞬变电流, 避免对电网造成过大的冲击, 并网过程是否平稳直接关系到含风电电网的稳定性和发电机的安全性。当电网的容量比发电机的容量大的多 (大25倍) 的时候, 发电机并网时的冲击电流可以不考虑。但风力发电机组的单机容量越来越大, 目前己经发展到兆瓦级水平, 机组并网对电网的冲击已经不能忽视。比较严重的后果是不但会引起电网电压的大幅下降, 而且还会对发电机组各部件造成损害。而且, 长时间的并网冲击, 甚至还会造成电力系统的解列以及威胁其它发电机组的正常运行。因此必须通过合适的发电机并网方式来抑制并网冲击电流。

2、无刷双馈电机的原理

2.1 无刷双馈发电机的运行原理

如图1所示, 这两套绕组没有直接的电磁耦合, 而是通过转子绕组的间接进行电磁功率的传递。转子采用自行闭和的环路结构, 其极对数为功率绕组Pp与控制绕组Pc之和。无刷双馈电机通过改变控制绕组上的供电方式则可以实现自起动、异步、同步、双馈等多种运行方式, 若使电机的功率绕组直接由工频电源馈电 (频率为fp) , 而三相控制绕组直接或外串的电阻短接, 将实现电机的自起动和异步运行。当控制绕组的控制由直流馈电时 (如两并一串的形式) , 将使电机牵入同步而实现同步运行。若使控制绕组由变频器在馈电时 (频率为fc) , 则可实现电机的双馈运行。

2.2 无刷双馈发电机的变速恒频发电原理

无刷双馈发电机的变速恒频发电, 就是根据风力机转速的变化相应地控制励磁绕组电压的频率, 使无刷双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。

设功率绕组极对数为Pp, 控制绕组极对数为Pc, 无刷双馈电机作为发电机运行时, 控制绕组用作交流励磁, 功率绕组用作发电。控制绕组频率为的三相电压, 其旋转磁场在转子侧感应频率为fcr的三相电流:

控制绕组磁场旋转方向与转速方向相反时取正号[8]。

由于无刷双馈风力发电机共用转子, 因此转子侧感应频率相等wpr=wcr, 则功率绕组旋转磁场相对于转子转速:

该旋转磁场相对于功率绕组的转速:

功率绕组电压频率为:

其中fp、fc及pp、pc分别为功率、控制绕组电压频率及极对数;功率、控制绕组极对数“±”的取值取决于两绕组的相序。通过控制无刷双馈风力发电机转速及控制绕组电压的频率, 可将输出功率绕组电压频率控制在工频状态从而实现变速恒频发电。

2.3 无刷双馈发电机的运行方式

无刷双馈发电机的运行方式有:异步运行方式、同步运行方式、双馈运行方式、发电运行方式

2.4 常用并网方式

直接并网:发电机直接与电网并联 (即硬联网) 。这种并网方式只有在大的电网中并网时才有可能。

准同步并网:在转速接近同步转速的时候, 先用电容励磁, 建立额定电压, 然后对已建立励磁的发电机电压和频率进行调节和校正使其与系统同步。当发电机的电压和频率相位与系统一致的时候, 将发电机投入电网运行。采用这种方式并网需要高精度的调速器和整步、同期设备。

捕捉式准同步快速并网:是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的工作方法进行并网。

降压并网方式:这种并网方式在发电机与电网之间串电抗器, 以抑制瞬间冲击电流, 降低电网电压下降的幅度。

软并网方式:软并网技术是最近国外研究比较多的较先进的并网方式。

3、变速恒频风力发电机空载并网原理

如图2所示, 它表示了变速恒频发电机空载并网控制系统结构, 并网前发电机空载, 取电网电压 (频率、相位、幅值) 作为控制信息提供给控制系统, 据此调节矩阵变换器 (MC) 的频率, 按并网条件控制发电机功率绕组输出的电压。

4、结束语

无刷双馈风力发电机具有诸多优点, 在风力发电领域上具有广泛的应用前景, 但是其结构复杂, 需要进一步解决的技术问题还很多。风力发电系统毕竟是一个多变量、非线性、强耦合、时变的复杂系统, 基于线性控制理论的常规PID难以实现高精度、高可靠性和高适应性的控制。

摘要：本文对无刷双馈风力发电机的并网控制进行了探讨。发电状态下无刷双馈电机的数学模型, 是一个随机变化、多入多出系统, 与其他电机并网相比, 其并网过程更加复杂。本文通过两个PID控制器分别控制d轴和q轴的功率绕组电压, 对电压幅值进行较精确的跟踪, 最终实现并网条件。

关键词：无刷双馈电机,风电并网,PID,MATLAB

参考文献

[1]A.K.Wallaee, P.Rochelle, R.SPee.Rotor modeling and develop ment for Brushlessdoubly fed maehines.Electrie Maehines and Power Systems, 1995, 23:703-715.

[2]李腾飞, 吕跃刚, 刘吉宏, 徐大平.风力发电机组并网技术.2009, 42 (11) :61-65.

[3]叶杭冶.风力发电机组控制技术.北京机械工业出版社, 2002.

双馈电机控制技术篇5

风能作为一种清洁可再生能源,在资源消耗日益增长的今天,其发展前景相当可观。而采用双馈风力发电机作为风力发电设备有着显著的发展优势,风力发电的发展将大规模减少常规能源的消耗,有效地改善我国的能源结构。

变速恒频风力发电控制技术[1,2]是目前最优的控制方式。交流励磁变频器只需提供转差功率就能大大减小变频器的容量,它可以通过调节电机转子励磁电压频率,实现定子电压恒频输出,通过磁场定向调节转子电流的转矩分量和励磁分量[3,4],实现功率的独立调节,进而实现风力发电机的最大风能跟踪。

1 双馈风力发电机的矢量方程

根据矢量变换,将A,B,C轴系下的方程转换为以同步旋转的任意d,q轴系下的矢量方程。双馈电机的定子侧和转子侧都取电动机惯例时,同步旋转任意d,q轴系下的电压矢量方程和磁链矢量方程[5,6]为:

$\begin{array}{l} {\begin{matrix} u_{d s} = - R_{s} i_{d s} + ρ ψ_{d s} - ω_{s} ψ_{q s} \\ u_{q s} = - R_{s} i_{q s} + ρ ω_{q s} + ω_{s} ψ_{d s} \end{matrix} \\ {\begin{matrix} u_{d r} = R_{r} i_{d r} + ρ ψ_{d r} - ω_{f} ω_{q r} \\ u_{q r} = R_{r} i_{q r} + ρ ψ_{q r} + ω_{f} ψ_{d r} \end{matrix} (1) \\ {\begin{matrix} ψ_{d s} = L_{s} i_{d s} + L_{m} i_{d r} \\ ψ_{q s} = L_{s} i_{q s} + L_{m} i_{q r} \\ ψ_{d r} = L_{r} i_{d r} + L_{m} i_{d s} \\ ψ_{q r} = L_{r} i_{q r} + L_{m} i_{q s} \end{matrix} (2) \end{array}$

式中:Rs,Rr为定、转子绕组的等效电阻;Ls,Lr,Lm分别为定、转子d,q轴自感及互感;ids,iqs,idr,iqr分别为定、转子d,q轴的电流分量;uds,uqs,udr,uqr为定、转子d,q轴电压分量;ψds,ψqs,ψdr,ψqr为定、转子d,q轴的磁链分量;ωs,ωf为同步转速角速度和转差角速度;ρ为微分算子。

2 定子磁场定向的矢量控制策略

双馈发电机的定子绕组直接连接电网且电网电压比较稳定,所以采用定子磁场定向即定子磁链d轴与电压方向重合。磁链d轴的位置观测即磁场定向是矢量变换的关键,考虑到电机定子绕组电阻对磁场定向的影响,发电机的定子磁链相位与定子电压矢量相位相差小于90°。将定子磁链分解为与定子电压矢量垂直的磁链分量和与定子电压矢量平行的磁链分量:

${\begin{matrix} ψ_{s 1} = - L_{s} i_{d s} + L_{m} i_{d r} \\ ψ_{s 2} = - L_{s} i_{q s} + L_{m} i_{q r} \end{matrix} (3)$

由式(3)得定子磁链与电网电压的相位差为θ=tan-1(ψs1/ψs2),即可得定子磁链矢量的相位为θ1=θs-θ,其中θs为定子电压相位。

将定子磁场定向在d轴满足的约束条件为:

${\begin{matrix} ψ_{d s} = ψ_{s} \\ ψ_{q s} = 0 \end{matrix} (4)$

将磁链方程代入电压方程则:

$\begin{array}{l} u_{d s} = 0 (5) \\ u_{q s} = ω_{s} ψ_{d s} = U_{s} (6) \\ u_{d r} = R_{r} i_{d r} + (L_{r} - \frac{L_{m}^{2}}{L_{s}}) \frac{d i_{d r}}{d t} - \\ (L_{r} - \frac{L_{m}^{2}}{L_{s}}) ω_{f} i_{q r} + \frac{L_{m}}{L_{s}} \cdot \frac{d ψ_{s}}{d t} (7) \\ u_{q r} = R_{r} i_{q r} + (L_{r} - \frac{L_{m}^{2}}{L_{s}}) \frac{d i_{q r}}{d t} + \\ (L_{r} - \frac{L_{m}^{2}}{L_{s}}) ω_{f} i_{d r} + \frac{L_{m} ψ_{s}}{L_{s}} ω_{f} (8) \end{array}$

令:

${\begin{matrix} u_{d r} ´ = R_{r} i_{d r} + σ L_{r} \frac{d i_{d r}}{d t} \\ u_{q r} ´ = R_{r} i_{q r} + σ L_{r} \frac{d i_{q r}}{d t} \end{matrix} ‚ {\begin{matrix} Δ u_{d r} = - σ ω_{f} L_{r} i_{q r} \\ Δ u_{q r} = ω_{f} (\frac{ω_{s} L_{m}}{L_{s}} + σ L_{r} i_{d r}) \end{matrix}$

。

其中Δudr与Δuqr是交叉耦合部分,仿真时可以按照干扰项处理。

转矩方程为:

$Τ_{e} = - (n_{ρ} L_{m} / L_{s}) ψ_{s} i_{q r} (9)$

定子侧的有功功率为:

$Ρ_{s} = - \frac{L_{m} ψ_{s} ω_{s}}{L_{s}} i_{q r} (10)$

定子侧的无功功率为:

$Q_{s} = ω_{1} ψ_{d s} \frac{ψ_{d s} - L_{m} i_{d r}}{L_{s}} (11)$

由上式可得,在保持定子磁链ψs恒定的情况下,控制转子电流转矩分量iqr就可控制定子侧的有功功率;控制转子电流励磁分量idr可控制定子侧无功功率。通过定子磁链的磁场定向的双馈风力发电机的基本方程建立基于Matlab的功率解耦控制系统如图1所示。

3 系统仿真

风力机的相关参数中[6]空气密度为1.25 kg/m3;风轮半径35.25 m;额定风速为12 m/s, 最大风能利用系数值[7]Cp=0.4,beta角为0 。

双馈发电机的参数[8]:额定功率为1.5 MW;极对数2对;定子额定电压为690 V;频率为50 Hz;定子额定电流为1 025 A;定子电阻为0.001 8 Ω;转子电阻为0.002 06 Ω;定子漏电感为0.022 7 H;转子漏电感为0.036 8 H;等效励磁电感为0.065 31 H;转动惯量为0.099 kg/m2 。

对系统PI控制器的参数进行整定时,先设计电流环后设计功率环[9]。d,q轴的参数相同:电流环PI调节器的参数KP=28.6,KI=0.5;功率环PI调节器的参数KP=25.1,KI=2.4。基于Matlab建立的双馈风力发电机控制系统的仿真模型及仿真结果如图2所示。

由图3～图9可知,在给定随机风速模式(图3)下,平均风速为8 m/s。基于PI调节器的双馈风力发电机的输出有功功率能快速地跟随给定有功功率的变化,并随风速的变化而变化。其中给定有功功率是基于风速和发电机转速及相应的风能利用系数而计算的。无功功率给定为0 Var;转子电流励磁分量控制发电机定子侧的无功功率,转子电流的转矩分量控制发电机定子侧的有功功率,并且转子电流有功分量能够快速跟随风速变化,并且有功功率的输出曲线动态响应快。

4 结论

在功率解耦控制策略下,虽然定子的功率输出曲线不平滑,但是基于PI控制策略的控制系统,其输出的有功功率能很好地响应风速变化。当风速变化时,有功功率不断跟随风速变化,而无功功率基本保持不变,同时从前文可知,转子电流有功分量能快速跟随有功功率变化,转子电流无功分量基本保持不变且跟随给定无功功率。风速变化只影响发电机输出的有功功率与转子电流q轴分量,不影响输出的无功功率和转子电流d轴分量,这说明双馈风力发电机的功率解耦控制系统实现了有功功率和无功功率的独立控制。

摘要：介绍双馈风力发电机的基本原理,利用矢量控制并结合定子磁场定向的矢量控制,建立基于Matlab的双闭环控制系统仿真模型。为了更为准确地实现定子磁场定向并考虑到定子绕组电阻对磁场定向的影响,采用改进型的定子磁链观测模型。通过仿真验证了采用改进型定子磁场定向的双馈风力发电控制系统,实现了有功功率和无功功率解耦。

关键词：矢量控制,磁场定向,双馈风力发电机,双闭环控制系统

参考文献

[1]郭庆鼎,王成元,周美文.异步电动机的矢量变换控制原理及应用[M].沈阳:辽宁民族出版社,1988.

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双馈电机控制技术篇6

风力发电在国内外发展迅速[1]。变速恒频双馈( doubly fed induction generator DFIG)风力发电是风力发电的主流类型之一,与传统的同步发电机直流励磁不同,DFIG实行交流励磁,可调量有三个:励磁电流幅值、励磁电流频率、励磁电流相位。通过改变励磁电流频率,双馈电机可以调节转速,从而实现变速恒频运行;通过调节励磁电流的幅值和相位,可达到调节有功功率和无功功率的目的。与同步发电机相比,控制量多了两个,控制上更加灵活,但控制也更加复杂[2,3,4]。

双馈发电机的控制策略取得了很多成果,应用最广的控制策略是矢量控制策略(vector control)[5],矢量控制实现了电动机有功和无功功率的解耦控制,动态性能好,但控制策略比较复杂且需要精确的定子磁链和转子位置角。直接功率控制(direct power control)[6,7]利用直接转矩控制的思路,将电力电子变流器和电机合并,通过开关矢量直接控制电机的有功和无功功率,简化了控制策略的设计,但由于其开关频率不固定增加了滤波器设计的难度。转子磁链幅值和角度控制(flux magnitude and angle control)[8,9,10,11,12]通过转子磁链的角度和幅值来控制定子的有功和无功功率,但控制复杂。

通过对电压电流等易测量的磁链观测估计转速和转子位置信号的无速度传感器方法[13,14],一方面增加了控制系统的复杂性,另一方面其估计精度受参数变化、运行状态的影响。

本文从双馈电机的原理出发,简要叙述了电网侧和转子侧变频器矢量控制策略;为了避免转子位置编码器的影响,提出了无需测量转子位置信号的幅度频率控制策略;仿真验证了幅度频率控制策略的有效性,提高了系统的可靠性。

1 双馈风力发电机原理

对于一台确定的风力机,在风速和桨叶节距角一定时,总存在一个最佳叶尖速比对应着一个最大的风能转换系数,此时风力机的能量转换效率最高。图1为不同风速下风力机的输出机械功率特性曲线,从图1中看出,对于一个特定的风速,风力机只有运行在一个特定的机械角速度下,风力机才会获得最大的能量转换效率[15]。因此,变速风电机组才能捕获最大风能,提高发电效率。

双馈风力发电机组的结构示意图如图2所示,DFIG的转子经变流器与电网相连,利用交流转子励磁和DFIG配合实现变速恒频。

变速恒频原理如式(1)所示:

Npfm+fr=fs (1)

式(1)中,fm,fr,fs分别代表转子转速、转子电流和定子电流的频率,Np表示双馈电机的极对数。当双馈风机发电机运行时,风力机带动转子以fm的频率旋转,形成电角频率为Npfm的旋转磁场,由于转子励磁电流矢量的频率为fr,气隙中感应出与定子电流同频率的合成磁场,频率由式(1)表示。因此双馈电机实现了变速恒频[16]。

将转子侧的各个物理量折合到定子侧,通过Park变换将abc坐标系下的异步电机方程变换到一般的dq旋转坐标系可以推导出双馈电机的电压和磁链方程分别如式(2)和式(3)所示(定子侧按发电机惯例,转子侧按电动机惯例)[16]。

undefined

(2)

undefined

(3)

转矩方程可以表示成:

Tem=NpLm(iqsidr-iqrids) (4)

转子运动方程可以表示成:

Jpωm+Dωm=Tm-Tem (5)

式(2)到式(6)中,uds,uqs为定子电压的d,q轴分量,udr,uqr为转子电压的d,q轴分量,Ids,Iqs为定子电流的d,q轴分量,Idr,Iqr为转子电流的d,q轴分量,ψds,ψqs为定子磁链的d,q轴分量,ψdr,ψqr为转子磁链的d,q轴分量,rs,rr,Ls,Lr为定、转子的电阻、电感,Lm为互感,ωs,ωr,ωm为定子磁链、转子电流、转子旋转的角速度,Tm,Tem为机械转矩、电磁转矩,P为微分算子,J,D为转动惯量、摩擦系数。取ωs等于定子旋转磁场的角速度,这样dq坐标系就变成了同步旋转坐标系,ABC坐标系下的正弦量对应于dq坐标系下的直流量。

2 双馈电机电网侧变流器控制

网侧变流器是一个电压源型PWM整流器,控制变流器直流母线电压,且功率因数可调,实现功率的双向流动。其矢量控制框图如图3所示[4]。

图3中,idg,iqg为网侧变流器电流的d,q轴分量, Lg为网侧变流器电感, udc为网侧变流器直流电压,us为网侧变流器交流电压d轴分量,ωs为网侧变流器交流电压频率,Qg为电网侧变流器的无功功率,θs为电网电压位置角。dq轴电压通过dq→ABC变换之后得到PWM整流器输出的三相电压。

3 双馈电机转子侧变流器控制

双馈电机并网时,转子侧变流器控制目标为控制定子的有功和无功功率,双馈电机定子的有功功率Ps和无功功率Qs可以表示成:

undefined

(6)

按照定子磁链定向的方式,忽略定子磁链的暂态和定子电阻,将d轴固定在定子磁链矢量的轴线ψs上,于是 ψds=ψs,ψqs=0,代入式(2)的前两式可以得到:

undefined

(7)

将式(7)代入式(6)可以得到

undefined

(8)

再将磁链定向结果代入式(3)可以得到

undefined

(9)

将式(9)代入式(8)可以得到:

undefined

(10)

从式(10)可以看出,如果定子磁链和频率保持不变,按照定子磁链定向之后,定子的有功功率和转子q轴电流成正比,定子的无功功率和转子d轴电流成正比。

控制策略框图如图4所示:其中undefined表示双馈电机的漏磁系数。θr,θsr为转子磁链角度、转差角度。

4 同步化双馈电机

4.1 同步化的双馈电机数学模型

虽然双馈电机工作在异步状态下,但是其转子励磁磁场的旋转速度和定子磁场的旋转速度相等,具有和同步电机类似的控制特性[17,18]。双馈电机的功角δ为q轴暂态内电势矢量Eundefined和定子电压Us之间的夹角,双馈电机的有功和无功表达式可以写成:

undefined

(11)

式(11)中X`s为定子暂态电抗。可以看出,如果将d轴放在转子合成磁势的轴线上,经过整理后,双馈电机具有和同步电机类似的有功和无功表达式。也就是说,从q轴暂态内电势的角度来看,双馈电机和隐极同步电机等效。

省略定子磁链动态过程的同步化双馈电机三阶方程为式(12):其中Xs为定子电抗,Edf、Eqf为折合到定子侧的转子dq轴励磁电压,undefined表示转子回路的时间常数:

undefined

(12)

此外还有两个定子电压方程和一个附加的转子电压方程:

undefined

(13)

式(13)中s为转差率,Tr0为双馈电机在同步点运行时,有约束条件Npωm=ωs,ωr=0。将约束条件代入式(12),同步化双馈电机三阶方程就变成了同步电动机的三阶方程[8,15]。

4.2 双馈电机与同步电机的比较

通过上面的分析可以看到,双馈电机和同步电机有相似的地方也有不同之处,归纳如下:

a) 相同点:

1) 从q轴暂态内电势的角度来看,双馈电机和隐极同步电机等效;

2) 都可以通过励磁控制来调节定子输出的无功功率。

b) 不同点:

1) 励磁调节:同步电机的励磁电压为直流,只有其幅值可以调节;但双馈电机的励磁电压为交流,有电压幅值、频率和相位三个可调量,控制更加灵活;

2) 转速范围:同步电机的转速等于同步转速,但双馈电机既可以超同步运行,也可以次同步运行;

3) 转子励磁的功能。同步电机的转子仅提供无功励磁,但双馈电机的转子除提供无功励磁外,还要提供转差有功功率。

5 幅度频率控制策略

矢量控制策略中所需的转子位置信息一般通过增量式或绝对式光电编码器来获得,实际中增量式编码器应用最广,但由于风力发电系统运行的环境比较恶劣,编码器信号很容易受到干扰,这会对系统稳定运行带来负面影响[13,14]。

5.1 幅度频率控制

对式(12)第一项进行分析可以看出,当双馈电机转子电流的角频率ωr≠sωs时,双馈电机的功角δ就会发生变化。从式(11)可以看出,功角的变化可以引起有功和无功功率的变化。

根据同步电机理论,同步电机输出有功功率主要和功角δ有关,输出的无功功率主要和暂态励磁电压E`q的大小有关[8]。根据式(11)可知,这个关系在双馈电机中仍然适用。

当Npωm+ωr>ωs时,功角增大,有功功率增大;当 Npωm+ωr<ωs时,功角减小,有功功率减小。由于转子侧采用全可控电力电子变流器,转子电压和电流矢量的旋转角速度ωr完全可控,因此控制ωr就可以控制双馈电机定子的有功功率。

有功功率给定和实际的有功功率相减之后通过PI控制器得到转子电压的频率;

从式(12)和(13)中的第三项可以看出,双馈电机的暂态励磁电压E`q和转子电压的大小有关。转子电压Edf部分表示无功励磁分量,而Edf表示在变频过程中,转子侧需要提供的电压,这部分电压和转子侧提供的转差有功功率相关。改变转子电压的幅值可以改变E`q进而改变定子发出的无功功率[17,18,19,20]。

根据式(11)可知,双馈电机定子的无功功率主要和定子电压有关,因此可以在电压环外面加上无功功率外环。无功功率给定和实际无功功率相减之后通过PI控制器得到定子电压的给定值。定子电压给定和实际电压相减之后通过PI控制器得到转子电压幅值,有了转子电压的幅值和频率给定之后经过简单运算就可以生成转子的三相电压给定值uar,ubr,ucr,三相电压再通过PWM调制送到转子侧变流器。其控制框图如图5所示。

当然也可以将无功外环和电压环进行合并,无功功率控制器直接输出双馈电机转子电压的幅值。

5.2 仿真验证

为了验证图5中的控制策略,在PSCAD里面搭建模型进行仿真,仿真中用附录中的参数。电机定子有功功率给定在第2s从2kW阶跃到6kW,然后在第9s又阶跃回2kW,定子无功功率给定为0kVar并保持不变,双馈电机的转速为0.9倍的同步转速。仿真结果如图6所示。图中(a)～(d)分别表示定子有功和无功功率、转子电流、转子电压频率和双馈电机的功角。

6可以看出,有功功率给定变化前,双馈电机的转子电压频率等于转差频率5Hz。当有功功率给定增大时,从图6(b)和(c)可以看出,双馈电机转子电压和电流的频率增加,使得图6(d)中的功角增大,定子有功功率增加。由于无功控制器的作用,定子无功功率经过暂态的调节之后在稳态又回到0kVar,当有功功率稳定在 6kW时,转子电压的频率又恢复到转差频率。在调节过程中,转子电压频率有一个振荡的过程,功角有一些超调。

从图

当有功功率给定减小时,双馈电机转子电压的频率减小,功角减小,使得定子有功功率减小,定子无功功率经过暂态的调节之后在稳态又回到0kVar,当有功功率稳定在20时,转子电压的频率又恢复到转差频率。在调节过程中,转子电压频率有一个振荡的过程。

从仿真结果可以看出,幅度频率控制可以独立控制双馈电机定子的有功和无功功率。

5.3 幅度频率控制在容错控制上的应用

幅度频率控制既可以直接控制并网后的双馈电机,也可以在角度传感器出现永久性故障的情况下作为容错控制策略。采用矢量控制和幅度频率控制组成的容错控制系统的逻辑图如图7所示,当容错控制系统判断角度传感器出现永久性故障时,就从矢量控制切换到幅度频率控制策略。

正常情况下控制系统采用矢量控制,转子电压选择矢量控制的输出电压,当角度传感器出现永久性故障时,转子电压就选择幅度频率控制的输出电压。由于幅度频率控制刚投入时输出的电压为0,为了保证切换过程尽可能地平滑,需要计算出故障前矢量控制输出电压的幅值|ur0|和频率ωr0,将它们作为初始值分别叠加在幅度频率控制的输出上。其中|ur0|叠加在无功功率控制器输出上,ωr0叠加在有功功率控制器的输出上,如图8所示。幅度频率控制的采样和控制信号与矢量控制完全相同。

在PSCAD里建立模型,对图7和图8所示的容错控制系统进行仿真。电机参数为附录中的参数,定子电压为380V。控制系统先采用矢量控制,有功功率给定为 6kW,无功功率给定为0kVar,双馈电机转速为0.9倍的同步转速,故障出现以前控制系统已经达到稳态。在第 5s角度传感器出现永久性故障,根据图7容错控制系统切换到幅度频率控制,并将故障前的转子电压的幅值和频率作为初始值叠加到幅度频率控制的输出,如图8所示。

仿真的结果如图9所示,图中(a)～(d)分别表示定子有功和无功功率、转子电流、转子电压频率和双馈电机的功角。按照图7和图8的容错控制方法,当角度传感器出现永久性故障时,可以用幅度频率控制代替矢量控制,控制策略切换的过渡过程比较平稳,满足容错控制的要求。

6 结论

双馈电机以其自身显著的优点,成为现在风电的主力机型之一,并且由于双馈电机具有一定的同步机特性,可以从同步机类比的角度讨论新的控制策略。具体研究内容如下:

1) 简述了双馈电机变速恒频原理及其dq坐标系下数学模型,简要分析了双馈电机网侧变流器和转子侧变流器的矢量控制策略。

2) 根据双馈电机dq坐标系下的模型,推导了同步化双馈电机数学模型,归纳了双馈电机与同步电机的异同点。

3) 基于同步化模型提出了幅度频率控制策略。此策略通过控制转子电压的幅值和频率来控制定子无功和有功功率,不需要角度传感器,简化了控制器设计,避免了转子角度编码器对发电系统的影响。

双馈电机控制技术篇7

在大功率风力发电领域, 双馈发电机因能有效减少变频器容量而具有无可比拟的优越性。目前工业环境下主要采用双馈感应发电机, 即有刷双馈发电机。无刷双馈发电机 (BDFG) 相对于有刷双馈发电机取消了滑环和电刷, 可维护性好, 适用于比较恶劣的场合, 在变速恒频风力发电领域具有较好的应用前景[1]。

参考文献[2]通过分析有刷双馈发电机数学模型的建立过程, 首次系统地建立了无刷双馈发电机的数学模型, 为无刷双馈发电机控制策略的建立奠定了基础。参考文献[3]在参考文献[2]的基础上, 对无刷双馈发电机的模型进行了更深入的研究。本文通过研究无刷双馈发电机数学模型, 提出一种无刷双馈发电机空载并网控制策略, 并通过空载和并网状态下无刷双馈发电机的仿真研究验证了该控制策略的正确性。

1 无刷双馈发电机的数学模型

1.1 转子机械速坐标系数学模型

在转子机械速d-q坐标系下, 无刷双馈发电机数学模型为[4]

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式中:upds、upqs分别为功率侧定子电压d轴、q轴分量;rps、rcs分别为功率侧、控制侧定子电阻;ipds、ipqs分别为功率侧定子电流d轴、q轴分量;pp、pc分别为功率绕组、控制绕组极对数;Ωm为机械转速;lpm、lcm分别为功率侧、控制侧定子与转子间互感;ipdr、ipqr分别为功率侧转子电流d轴、q轴分量;lps、lcs分别为功率侧、控制侧定子自感;ucds、ucqs分别为控制侧定子电压d轴、q轴分量;rpr、rcr分别为功率侧、控制侧转子电阻;icds、icqs分别为控制侧定子电流d轴、q轴分量;lpr、lcr分别为功率侧、控制侧转子自感。

电磁转矩方程为

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式中:Te为电磁转矩。

运动方程为

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式中:J为转动惯量;RΩ为摩擦系数;TL为负载转矩。

1.2 定子同步速坐标系数学模型

定子同步速MT坐标系下无刷双馈发电机的数学方程为[2]

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式中:upMs、upTs分别为功率侧定子电压的M轴、T轴分量;ipMs、ipTs分别为功率侧定子电流的M轴、T轴分量;wp、wc分别为功率侧、控制侧转速;icMs、icTs分别为控制侧定子电流的M轴、T轴分量;ipMr、ipTr分别为功率侧转子电流的M轴、T轴分量;ucMs、ucTs分别为控制侧定子电压的M轴、T轴分量。

2 无刷双馈发电机空载并网控制策略

在MT坐标系中, 根据赤木瞬时功率理论, 无刷双馈发电机的功率侧瞬时有功功率P和无功功率Q的表达式为[2,3,4]

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稳态时认为定子磁链ψps恒定不变, 根据所需的有功功率、无功功率给定值P*、Q*, 结合电网电压upm, 可以算出定子功率绕组电流M、T轴分量的给定值i*pMs、i*pTs:

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根据计算所得的i*pMs、i*pTs值, 结合功率侧转子绕组磁链方程, 可得到功率侧转子电流给定值i*pMr、i*pTr:

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将计算所得的i*pMs、i*pTs、i*pMr、i*pTr带入式 (4) 中的最后两个等式, 可以得到控制侧定子电流给定值i*cMs、i*cTs:

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最后将得到的i*cMs、i*cTs、i*pMr、i*pTr值代入式 (4) , 可得到控制侧定子绕组所需要的电压给定值u*cMs、u*cTs:

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空载运行时, i*pMs=0, i*pTs=0。式 (7) 和式 (9) 可分别简化为

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根据式 (9) 或式 (11) , u*cMs、u*cTs经过2r/3s变换后可得到u*cαs、u*cβs, 将其作为SVPWM调制模块的输入量, 经过控制器运算得到变流器所需要的PWM信号, 控制机侧功率变换器开关管的开通、关断, 从而产生定子控制绕组所需要的电压电流, 使得定子功率侧电压与电网电压保持一致, 实现无刷双馈发电机的变速恒频发电。

3 仿真与分析

仿真中设定无刷双馈发电机参数:摩擦系数B=0.04, 转动惯量J=0.2 kg·m2, 极对数、定子自感、定子电阻、转子电阻、转子自感和互感分别为pp=3, lps=0.155 76 H, rps=2.665 Ω, rpr=2.521 2 Ω, lpr=0.155 76 H, lpm=0.145 43 H, pc=3, lcs=0.107 3 H, rcs=2.638 Ω, rcr=2.273 Ω, lcr=0.107 3 H, lcm=0.106 6 H;功率绕组接380 V、50 Hz的三相工频电源。在Matlab/Simulink7.0环境下搭建无刷双馈发电机仿真模型。

3.1 基于转子机械速坐标系的无刷双馈发电机仿真与分析

设定功率绕组与控制绕组均接三相交流电源, 且无刷双馈发电机运行处于双馈运行状态。当无刷双馈发电机的控制绕组与功率绕组相序相反时, 控制绕组电压频率fc<0, 发电机转速小于同步速, 此时发电机处于亚同步运行状态;当无刷双馈发电机的控制绕组和功率绕组相序相同时, fc>0, 发电机转速大于同步速, 此时发电机处于超同步运行状态。

由于无刷双馈发电机的控制侧不直接接入电网, 而是通过变流器接入电网, 所以需要注意控制绕组电压和频率的选取。这里采用最优压频控制, 即控制绕组的输入电压和频率的比值保持恒定。压频比的选择应适中, 若压频比太小, 不能产生足够的转矩使发电机进入同步运行;若压频比太大, 则容易使发电机产生振荡而不能稳定[5]。

控制绕组在t=0 s、t=3 s、t=4 s时分别施加频率为8 Hz、0 Hz、反相序5 Hz的电压, 由式 (12) 可知发电机分别运行于亚同步速420 r/min、同步速500 r/min、超同步速550 r/min。

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式中:fp为功率绕组电压频率。

此时控制绕组上的电压、电流仿真波形分别如图1所示, 发电机转速、电磁转矩的动态曲线如图2所示。由于电压频率较高, 为便于分析, 这里只截取部分仿真波形。

从图1、图2可看出, 调节控制绕组供电电压的幅值和频率即可调节控制绕组的电流, 进而改变发电机的电磁转矩, 最终实现调节转速的目的。发电机在稳定运行时, 其转速与定子绕组的供电电压频率符合式 (12) 的关系, 从而验证了发电机模型的正确性。

3.2 空载状态下无刷双馈发电机系统仿真

空载运行时, 无刷双馈发电机的定子功率绕组相电流为零。在给定350 r/min转速下稳态运行, 检测定子功率绕组空载电压与电网电压在波形、幅值、相位上是否一致, 为并网状态下发电机系统仿真做准备。

建立无刷双馈发电机系统仿真及控制模型, 分别如图3、图4所示。

给定转速:初始时刻为亚同步速300 r/min, 1 s后变为同步速500 r/min, 1.5 s后变为超同步速700 r/min。图5、图6分别给出了空载状态下无刷双馈发电机在给定转速下控制绕组电流和功率绕组电压仿真波形。从图6可看出, 功率绕组的电压保持恒压恒频, 在转速变化时发生轻微的震荡, 但能很快恢复稳定, 说明系统动态性能良好。

图7为icMs、icTs跟踪曲线。从图7可看出, icMs、icTs能很快跟踪到指令值i*cMs、i*cTs。

图8为无刷双馈发电机功率绕组A相空载电压与电网A相电压的误差曲线, 体现了这两个电压之间相一致的调节过程。从图8可看出, 随着转速的突变, 两者的差值很快稳定下来, 满足并网要求, 说明了所采用的空载并网控制策略具有一定的实用价值, 可应用于并网控制实验。

3.3 并网状态下无刷双馈发电机系统仿真

并网运行时, 有功功率给定为t=1 s时由500 W上升到1 000 W, 无功功率给定为t=1.5 s时由200 var下降到100 var, 转速给定为t=0.5 s时由200 r/min上升到450 r/min。

图9 (a) 给出了无刷双馈发电机功率侧的输出有功功率和给定有功功率, 图9 (b) 给出了输出无功功率和给定无功功率。从图9可看出, 输出功率和给定功率存在一定的稳态误差, 但是在可接受的范围内, 可通过修改PI参数来降低误差。

图10、图11分别为并网状态下无刷双馈发电机系统的控制侧和功率侧定子电流仿真波形。从图10 可看出, 在0.5 s转速发生变化时, 控制侧定子电流的频率和相位相应地发生了变化;在功率侧给定有功功率和给定无功功率发生改变时, 控制侧定子电流的幅值也相应改变, 以满足功率侧变速恒频发电的需要。从图11可看出, 转速变化时, 功率侧定子电流基本不变;当给定有功功率发生变化时, 功率侧的定子电流幅值会发生变化。

4 结语

在Matlab/Simulink环境下建立了无刷双馈发电机的仿真模型, 并对无刷双馈发电机在不同运行方式下的动态特性进行了仿真研究。仿真结果表明, 提出的无刷双馈发电机空载并网控制策略是正确、有效的, 且无刷双馈发电机定子功率绕组能输出符合电网要求的电能, 为其应用于风力发电系统奠定了理论基础。

摘要：给出了无刷双馈发电机的转子机械速dq0数学模型和定子同步速MT数学模型;提出了一种无刷双馈发电机空载并网控制策略, 该策略根据定子同步坐标系下无刷双馈发电机有功功率、无功功率给定值, 最终得出控制侧定子绕组的电压给定值, 将该值进行2r/3s变换后输入SVPWM调制模块, 得到的PWM信号用于控制机侧变流器开关管的通断, 从而产生定子控制绕组所需的电压、电流;在Matlab/Simulink环境下搭建了无刷双馈发电机及其控制仿真模型, 并对无刷双馈发电机在空载、并网状态下的动态性能进行了仿真研究。仿真结果验证了所搭建模型及空载并网控制策略的正确性、有效性。

关键词：风力发电,无刷双馈发电机,变速恒频,空载并网控制,Matlab仿真

参考文献

[1]许洪华, 郭金东, 鄂春良.世界风电技术发展趋势和我国未来风电发展探讨[J].电力设备, 2005, 6 (10) :106-108.

[2]阳锦刚.级联式无刷双馈风力发电机的研究[D].杭州:浙江大学, 2007.

[3]卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究[D].杭州:浙江大学, 2003.

[4]卞松江, 贺益康, 潘再平.级联式无刷双馈电机的建模与仿真[J].中国电机工程学报, 2001 (12) :33-36.

[5]邓先明, 王冬冬, 马志勋, 等.无刷双馈电动机最优压频控制策略[J].工矿自动化, 2009 (8) :66-68.

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