交流勵磁發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)實驗研究

姚 駿，夏先鋒，廖 勇

(重慶大學，重慶400044)

0 引 言

交流勵磁發(fā)電機具有超越傳統(tǒng)同步發(fā)電機和異步發(fā)電機的運行性能，具備有功、無功和轉(zhuǎn)速的獨立調(diào)節(jié)能力以及變速恒頻發(fā)電能力，尤其適用于抽水蓄能發(fā)電和風力發(fā)電等場合。采用合適的勵磁控制策略和性能優(yōu)良的變頻勵磁電源是交流勵磁發(fā)電機能夠發(fā)揮其良好的調(diào)節(jié)性能、運行的靈活性及可靠性的關(guān)鍵［1－5］。

目前主要采用兩電平電壓型雙PWM變換器作為交流勵磁發(fā)電機的勵磁電源［5］。為簡化勵磁控制算法并保證良好的控制性能，本文采用基于定子電壓定向的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制策略實現(xiàn)發(fā)電機有功和無功功率的解耦控制，采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)變換器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制。

為簡化勵磁控制器的硬件和軟件設(shè)計，本文建立了基于TMS320F2812的雙PWM變換器勵磁的交流勵磁發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)，通過實驗全面深入地研究了交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)的運行行為，驗證了本設(shè)計的勵磁控制系統(tǒng)能夠滿足交流勵磁發(fā)電機的運行控制要求，其具有控制精度高、響應速度快等優(yōu)點。

圖1 雙PWM變換器勵磁的交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 交流勵磁用雙PWM變換器工作原理

圖1為雙PWM變換器勵磁的交流勵磁發(fā)電機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖，雙PWM變換器由電網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器所構(gòu)成。兩個PWM變換器的電路拓撲結(jié)構(gòu)完全相同，在轉(zhuǎn)子不同的能量流動方向狀態(tài)下，交替實現(xiàn)整流和逆變的功能。對于交流勵磁發(fā)電機而言，當其運行于次同步狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子繞組吸收轉(zhuǎn)差功率，電網(wǎng)側(cè)變換器工作于PWM整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變換器工作于PWM逆變狀態(tài);當發(fā)電機運行于超同步狀態(tài)時，部分轉(zhuǎn)差功率將由轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)勵磁變頻器回饋電網(wǎng)，此時轉(zhuǎn)子側(cè)變換器工作于PWM整流狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)變換器則工作于PWM逆變狀態(tài)。通過對網(wǎng)側(cè)變換器的控制可建立轉(zhuǎn)子側(cè)變換器所需的直流側(cè)電壓，利用合適的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略可實現(xiàn)發(fā)電機的解耦勵磁控制。

2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略

2.1 交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型

關(guān)于交流勵磁發(fā)電機的數(shù)學模型，在文獻［1－4］中都有介紹。在本文中，假設(shè)定、轉(zhuǎn)子的各物理量正方向均按照電動機慣例選取，轉(zhuǎn)子量均折算到定子側(cè)。設(shè)d－q坐標系以同步速度旋轉(zhuǎn)且q軸超前于d軸，則電機電壓和磁鏈方程為:

式中:Rs、Rr為定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻;Ls、Lr、Lm為定、轉(zhuǎn)子繞組自感及互感;usd、usq、urd、urq為d、q軸定、轉(zhuǎn)子電壓;isd、isq、ird、irq為d、q軸定、轉(zhuǎn)子電流;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq為d、q軸定、轉(zhuǎn)子磁鏈;ω1、ωs為同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度;p為微分算子。

由于交流勵磁發(fā)電機通常直接連接無窮大電網(wǎng)，定子電壓的幅值和頻率恒定，因此，若采用發(fā)電機定子電壓定向控制，則矢量控制系統(tǒng)可以大為簡化。將定子電壓綜合矢量定向在d軸上，則有:

式中:Us表示定子電壓綜合矢量的幅值，這時d軸的位置就是定子電壓綜合矢量的位置。將檢測到的定子三相電壓經(jīng)過3/2坐標變換，得到靜止兩相坐標系下的定子電壓usα、usβ，可計算出定子電壓矢量的位置，由此得到d軸的位置θ1。

忽略電機定子電阻，將式(3)代入式(1)，且認為發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時定子磁鏈不變，則有:

此時式(2)的定子磁鏈方程可簡化為:

將該磁鏈方程代入電機電壓方程，有:

在d－q坐標系下的定子有功功率和無功功率:

2.2交流勵磁發(fā)電機解耦勵磁控制策略

文獻［1－4］介紹了一些交流勵磁發(fā)電機有功、無功功率解耦控制策略。本文從簡化控制入手，基于交流勵磁發(fā)電機定子電壓矢量控制，采用了功率、電流的雙閉環(huán)解耦勵磁控制策略。

由式(7)可知，發(fā)電機定子有功功率和無功功率分別與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量成線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)這兩個電流分量即可分別獨立控制定子的有功和無功功率。因此，控制系統(tǒng)外環(huán)采用有功和無功功率的閉環(huán)PI控制，其調(diào)節(jié)輸出量分別作為定子電流的d、q軸分量給定。

而由式(5)可知，發(fā)電機定子電流的d、q軸分量又分別與轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量成線性關(guān)系。因此，控制轉(zhuǎn)子電流即可實現(xiàn)對定子電流和功率的控制。利用式(5)可計算得到轉(zhuǎn)子電流d、q軸分量的給定值，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流分量即可分別實現(xiàn)定子有功和無功功率的獨立控制。

由式(6)可得轉(zhuǎn)子電壓方程:

由式(8)可知，轉(zhuǎn)子d、q軸電壓和電流存在交叉耦合，為消除這一影響，對于轉(zhuǎn)子側(cè)電壓urd、urq可以通過對轉(zhuǎn)子d、q軸電流分別進行閉環(huán)PI控制，并加上相應電壓補償項得到，即:

其中:表示實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的電壓補償項。Kp1和τi1分別為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分時間常數(shù)。

綜上所述，基于定子電壓定向的交流勵磁發(fā)電機有功、無功解耦勵磁控制框圖如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制框圖

3 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

網(wǎng)側(cè)變換器從本質(zhì)上來說是一個電壓型PWM變換器，可工作于整流和逆變兩種工作狀態(tài)，從而可滿足變換器在電機轉(zhuǎn)速變化時的能量雙向流動要求。由如圖3所示的雙PWM變換器有功功率平衡圖可知，流過直流側(cè)電容的電流:

忽略變換器損耗，網(wǎng)側(cè)變換器輸入的瞬時功率:

轉(zhuǎn)子側(cè)變換器輸入的瞬時功率:

要使運行過程中變換器功率保持平衡，即Pg=Pr，則udc應為常值，需對udc采用閉環(huán)控制。

圖3 雙PWM變換器有功功率平衡圖

目前對于網(wǎng)側(cè)變換器常采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)［3］。假設(shè)d－q坐標系以同步速度旋轉(zhuǎn)且q軸超前于d軸，將電網(wǎng)電壓綜合矢量定向在d軸上，電網(wǎng)電壓在q軸上投影為零。將檢測到的電網(wǎng)三相電壓經(jīng)過3/2坐標變換后可計算出電網(wǎng)電壓矢量的位置，即得到d軸的位置θe。

d－q坐標系下網(wǎng)側(cè)變換器輸入的有功功率和無功功率分別為:

式中:egd、egq分別為電網(wǎng)電壓d軸和q軸分量;igd、igq則分別為電網(wǎng)電流的d軸和q軸分量。調(diào)節(jié)電流矢量在d、q軸的分量，就可以獨立地控制變換器輸入的有功功率和無功功率(功率因數(shù))。因此，當udc變化時，應該由igd來調(diào)節(jié)變換器的有功功率，以實現(xiàn)雙PWM變換器直流鏈電壓保持穩(wěn)定，所以電壓閉環(huán)的調(diào)節(jié)輸出應為內(nèi)環(huán)的有功電流給定i*gd。而網(wǎng)側(cè)變換器的無功電流給定i*gq則可根據(jù)變換器所需的無功功率來確定。

網(wǎng)側(cè)變換器在d－q坐標系下的數(shù)學模型可表示:

式中:Rg、Lg分別為網(wǎng)側(cè)變換器進線電抗器的電阻和電感;ugd、ugq分別為網(wǎng)側(cè)變換器的d、q軸控制電壓分量。

由式(15)可知，d、q軸電流除受控制電壓ugd和ugq的影響外，還受耦合電壓ωLgigq、－ωLgigd以及電網(wǎng)電壓egd的影響。因此，對d、q軸電流可進行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制，并加上交叉耦合電壓補償項和電網(wǎng)電壓補償項即可得到最終的d、q軸控制電壓分量為:

式中:Kp2、τi2分別為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分時間常數(shù)。

因此，對網(wǎng)側(cè)變換器可采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為直流電壓控制環(huán)，主要作用是穩(wěn)定直流側(cè)電壓;內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，主要作用是跟蹤電壓外環(huán)輸出的有功電流指令以及設(shè)定的無功電流指令以實現(xiàn)快速的電流控制。網(wǎng)側(cè)變換器的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)變換器控制框圖

4 勵磁控制系統(tǒng)實驗

為驗證基于定子電壓定向的交流勵磁發(fā)電機解耦勵磁控制策略的正確性和有效性，以及雙PWM變換器所應具有的優(yōu)良輸入、輸出特性和能量雙向流動能力，本文設(shè)計了基于TMS320F2812的交流勵磁發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)，圖5為實驗系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖。

圖5 交流勵磁發(fā)電機實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 發(fā)有功2 000 W，吸無功1 000 var至發(fā)無功1 000 var

TMS320F2812作為勵磁控制器的核心處理器，負責處理從網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采集到的各個信號，并經(jīng)網(wǎng)側(cè)變換器矢量控制算法和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器勵磁控制算法實現(xiàn)交流勵磁發(fā)電機的勵磁控制。

其中，實驗系統(tǒng)參數(shù)如下:

(1)交流勵磁發(fā)電機(經(jīng)繞組折算后)參數(shù):額定功率7.5 kW，定子額定電壓380 V/50 Hz，定子額定電流18 A，轉(zhuǎn)子額定電壓185 V，轉(zhuǎn)子額定電流28 A，定、轉(zhuǎn)子繞組Y/y聯(lián)接，極對數(shù)3，定子電阻0.828 5 Ω，定子漏感3.579 mH，轉(zhuǎn)子電阻702.7 mΩ，轉(zhuǎn)子漏感3.579 mH，定、轉(zhuǎn)子互感62.64 mH，轉(zhuǎn)動慣量0.15 kg·m2。

(2)電網(wǎng)側(cè)變換器參數(shù):進線電抗器電阻0.1 Ω，電感5 mH，直流側(cè)電容6 800 μF，直流側(cè)電壓80 V。

圖6為發(fā)電機發(fā)2 000 W有功，無功從吸1 000 var階躍到發(fā)1 000 var時的有功、無功和轉(zhuǎn)速的實驗波形。圖7為發(fā)電機發(fā)1 000 var無功，有功從發(fā)1 000 W階躍到發(fā)2 000 W時的實驗波形。圖8為發(fā)電機發(fā)1 000 W有功，吸2 000 var無功，調(diào)節(jié)原動機使發(fā)電機由超同步到次同步運行時的網(wǎng)側(cè)變換器輸入線電壓、電流，直流側(cè)電壓，定、轉(zhuǎn)子電流以及電機有功、無功和轉(zhuǎn)速的實驗波形。

實驗中網(wǎng)側(cè)變換器按功率因數(shù)為1進行控制，上述各圖中出現(xiàn)的負有功功率表示發(fā)電機定子方向電網(wǎng)發(fā)出有功功率，而正無功功率則表示定子方向電網(wǎng)發(fā)出滯后無功，反之亦然。由圖6～圖8可得出以下結(jié)論:

(1)基于定子電壓定向的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器矢量控制策略可實現(xiàn)發(fā)電機有功、無功和轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)解耦勵磁控制，且其動態(tài)調(diào)節(jié)性能優(yōu)良;

(2)由圖8b、圖8c可知，網(wǎng)側(cè)變換器實現(xiàn)了單位功率因數(shù)運行，輸入電流波形近似正弦，展現(xiàn)了其優(yōu)良的輸入特性，當轉(zhuǎn)子勵磁功率變化時，網(wǎng)側(cè)變換器具備較強的維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定的能力，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變換器的基本控制要求;

(3)由圖8d可知，當輸出功率保持不變而調(diào)節(jié)原動機速度從超同步到次同步變化時，轉(zhuǎn)子電流的頻率隨轉(zhuǎn)速的變化不斷調(diào)整，發(fā)電機具有良好的轉(zhuǎn)速跟隨能力，實現(xiàn)了變速恒頻發(fā)電運行;

(4)發(fā)電機在超同步和次同步狀態(tài)下均能保持穩(wěn)定運行，且可實現(xiàn)從超同步到次同步的平穩(wěn)過渡;

(5)由圖8b可知，在超同步運行狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)變換器工作于能量回饋狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電壓和電流反相，其仍舊保持單位功率因數(shù)運行。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速跨越同步轉(zhuǎn)速時，網(wǎng)側(cè)變換器可實現(xiàn)輸入電流的平穩(wěn)過渡，實現(xiàn)由逆變狀態(tài)到整流狀態(tài)工作方式的平滑切換，表明其具備能量雙向流動的能力。

5 結(jié) 語

本文詳細研究了交流勵磁發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的基本工作原理，采用基于定子電壓定向的矢量控制策略實現(xiàn)了交流勵磁發(fā)電機有功、無功和轉(zhuǎn)速的解耦勵磁控制，采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制技術(shù)實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變換器直流鏈電壓的穩(wěn)定控制及單位功率因數(shù)控制。設(shè)計實現(xiàn)了交流勵磁發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)并完成了基本實驗，本控制系統(tǒng)原理清晰，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，為進一步開發(fā)大容量交流勵磁發(fā)電勵磁控制系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

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