雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無速度傳感器控制

黃晟,廖武,黃科元

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

1 引言

隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環(huán)境的日益惡化,很多國(guó)家都在認(rèn)真探索能源多樣化的途徑,積極開展新能源和可再生能源的研究開發(fā)工作。而在可再生能源中,風(fēng)能始終保持最快的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),并成為繼石油燃料、化工燃料之后的核心能源。

相對(duì)于全功率變換的直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)[1],雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)定子繞組接電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組則由變頻器提供頻率、相位、幅值都可調(diào)節(jié)的電源,實(shí)現(xiàn)恒頻輸出,還通過改變勵(lì)磁電流的幅值和相位實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。由于變頻器只需供給轉(zhuǎn)差功率,大大減少了容量的需求,使得雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為變速恒頻中的優(yōu)化方案。雙饋發(fā)電機(jī)通常采用定子磁場(chǎng)定向控制實(shí)現(xiàn)功率的解耦控制[2,3],但是雙饋感應(yīng)電機(jī)的

本文在分析變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電控制原理的基礎(chǔ)上,將雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)方法運(yùn)用到矢量控制中,利用TI公司的電機(jī)控制用DSP芯片搭建了DFIG無速度傳感器控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所提出方法的可行性。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制原理

采用電動(dòng)機(jī)慣性,寫出雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)方程[4]:

雙饋發(fā)電機(jī)定子接于電網(wǎng)時(shí),可以忽略定子繞組電阻壓降[5],發(fā)電機(jī)定子電壓矢量Us近似等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)es,采用定子磁場(chǎng)定向控制后,正好落在超前d軸90°的q軸上,因此有:

在d-q坐標(biāo)系中,雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)的瞬時(shí)有功功率和無功功率方程表示為

考慮上述磁場(chǎng)定向約束條件式(3),方程式(4)可簡(jiǎn)化為

這表明電機(jī)有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流有功分量iqs成正比,無功功率和定子電流無功分量ids成正比,只要分別控制定子電流分量iqs和ids,即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功和無功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。

由于定子電流各分量的調(diào)節(jié)都是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組供電電壓udr,uqr來實(shí)現(xiàn)的,轉(zhuǎn)化得到轉(zhuǎn)子電壓控制方程:

根據(jù)上述分析,可以得到如圖1所示的雙饋風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)框圖[5]。功率外環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電的有功功率和無功功率的有效控制,并且通過檢測(cè)的電壓電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置估計(jì);利用轉(zhuǎn)子位置角度θr對(duì)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行坐標(biāo)變換,得到定子磁場(chǎng)定向下的轉(zhuǎn)子電流d,q軸分量idr,iqr,分別與參考值比較,經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出電壓控制量 u′dr,u′qr再分別疊加上電壓補(bǔ)償量Δ udr,Δuqr,通過旋轉(zhuǎn)至靜止的坐標(biāo)變換,便可獲得用于控制變頻器輸出的轉(zhuǎn)子電壓uαr,uβr。

圖1 控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the control system

3 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)原理

分析DFIG時(shí),通常采用圖 2所示的矢量圖[5]。圖2中轉(zhuǎn)子電流與同步坐標(biāo)系d軸的夾角為γ1,它同時(shí)與轉(zhuǎn)子 αr軸的夾角為 γ2,轉(zhuǎn)子位置角度θr=γ2-γ1,所以對(duì)轉(zhuǎn)子位置角度 θr的估計(jì)問題可以轉(zhuǎn)化為計(jì)算角度γ1和γ2。

圖2 矢量圖Fig.2 Vecter diag ram of DFIG

利用定轉(zhuǎn)子之間的線性比例關(guān)系可以得到同步坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電流[5]:

那么轉(zhuǎn)子電流與同步坐標(biāo)d軸的夾角:

轉(zhuǎn) 子三 相電 流經(jīng) 過 C3s/2s變換 得 iαr,iβr,由K/P變換得到轉(zhuǎn)子電流在轉(zhuǎn)子靜止坐標(biāo)系中的位置:

于是可以估算得到轉(zhuǎn)子位置:

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)1臺(tái)雙饋感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室研究,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示,主要由直流調(diào)速系統(tǒng)、雙饋發(fā)電機(jī)、雙PWM變流器及其控制系統(tǒng)構(gòu)成,采用的功率模塊為FS450R17KE3。DFIG參數(shù)為額定功率7.5 kW;極對(duì)數(shù) 2;定子額定電壓 380 V,頻率50 Hz;定子電阻、漏感分別為 0.47 Ω,2.1 mH;轉(zhuǎn)子電阻、漏感分別為 0.414 Ω,3.1 mH;互感62.1 mH;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.578 kg?m2。

圖3 實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of experimental system

圖4為電機(jī)實(shí)測(cè)和估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置角度曲線。電機(jī)1200 r/min穩(wěn)定運(yùn)行是估計(jì)和實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子位置很好的吻合,然后轉(zhuǎn)子速度以斜坡方式增加,平穩(wěn)地達(dá)到超同步速,動(dòng)態(tài)過渡到1800 r/min。在穿越同步速過程中,該控制方式仍然能夠較準(zhǔn)確地估計(jì)轉(zhuǎn)子位置。

圖4 實(shí)際和估計(jì)的轉(zhuǎn)子位置角度Fig.4 Actual and estimated rotor position angle

圖5是穿越同步速過程中轉(zhuǎn)子兩相電流波形。從圖5中可以看出,轉(zhuǎn)子電流相位在過渡過程中發(fā)生改變,ia由滯后ib變?yōu)槌癷b,該過程沒有產(chǎn)生很大的沖擊,過程比較平緩。

圖6為雙饋發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的定子電壓和電流,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁可以實(shí)現(xiàn)定子側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖5 穿越同步速時(shí)轉(zhuǎn)子電流Fig.5 Rotor currents during transition through synchronous speed

圖6 穩(wěn)態(tài)定子電壓和電流Fig.6 Stator voltage and current in steady state

5 結(jié)論

將磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),可以更好地實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)功率的解耦控制,并且采用速度估計(jì)方式減少容易故障的速度傳感器的使用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性,具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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