變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁變流器控制技術(shù)研究*

柴 熠， 李長(zhǎng)樂

(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是目前可再生能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，具有占地少、無污染、建設(shè)周期短、裝機(jī)規(guī)模靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此受到了世界各國的重視。目前變速恒頻雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐步成為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型，其功率變換系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電電控部分中的核心部件，主要控制風(fēng)電機(jī)組輸出電能的變換，風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)和解列，調(diào)節(jié)并穩(wěn)定電能的輸出。

本文以雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)(以下簡(jiǎn)稱:機(jī)側(cè))變流器為核心，研制了一套小功率風(fēng)電變流器系統(tǒng)，采用了基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，通過仿真研究和試驗(yàn)結(jié)果表明:雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后定子的功率因數(shù)可調(diào)，有功功率和無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦，并且具有并網(wǎng)電流諧波含量小、向電網(wǎng)供電穩(wěn)定的特點(diǎn)，符合雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的要求。

1 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略

機(jī)側(cè)變流器的控制對(duì)象是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)有效控制，必須對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)充分了解，以此為基礎(chǔ)建立控制分析的理論基礎(chǔ)。鑒于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下矢量形式的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型有利于雙饋發(fā)電機(jī)的分析和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，將以此為工具對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的矢量控制進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

為了便于分析，作如下假定:(1)忽略定、轉(zhuǎn)子電流高次諧波和定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)高次諧波分量;(2)忽略電機(jī)鐵心磁滯、渦流損耗及磁路飽和的影響;(3)轉(zhuǎn)子量均折算到定子側(cè);(4)各物理量正方向按照電動(dòng)機(jī)慣例選取。設(shè)d-q坐標(biāo)系以同步旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，則電機(jī)電壓和磁鏈方程為

式中:Rs、Rr——定、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻;

Ls、Lr、Lm——d、q 軸定、轉(zhuǎn)子繞組自感及互感;

ids、iqs，idr、iqr——d、q 軸定、轉(zhuǎn)子電流;

uds、uqs，udr、uqr——d、q 軸定、轉(zhuǎn)子電壓;

Ψds、Ψqs，Ψdr、Ψqr——d、q 軸定、轉(zhuǎn)子磁鏈;

w1、ws——同步轉(zhuǎn)速和滑差角速度;

D——微分算子。

忽略電機(jī)定子繞組電阻，發(fā)電機(jī)的定子總磁鏈與定子端電壓矢量的相位正好相差90°。因此，采用發(fā)電機(jī)定子磁鏈定向，矢量控制系統(tǒng)可以大為簡(jiǎn)化。將定子磁鏈定向在d軸上，且忽略定子繞組壓降，此時(shí)磁鏈方程為將磁鏈方程代入電機(jī)的電壓方程有:

轉(zhuǎn)矩方程為

1.2 矢量控制

根據(jù)us=Rsis+jω1Ψs可知，在忽略定子電阻的情況下，定子電壓矢量與定子磁鏈?zhǔn)噶恐g存在如下的近似關(guān)系:us=Rsis+jω1Ψs≈jω1Ψs。當(dāng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸定向于定子磁場(chǎng)矢量Ψs時(shí)，有:

式中:Us——定子電壓矢量的幅值;

ims——?jiǎng)?lì)磁電流矢量。

定子電壓和轉(zhuǎn)子電流表示的定子輸入的電磁功率、轉(zhuǎn)子輸入的電磁功率和輸入雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)總電磁功率為

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過定子向電網(wǎng)輸出的有功功率為

由此可得雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過定子向電網(wǎng)輸出的無功功率為

可以看出，在采取定子磁場(chǎng)定向并忽略定子電阻的情況下，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率也是近似被解耦了，對(duì)轉(zhuǎn)子電流的q軸分量進(jìn)行控制即可控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的各個(gè)有功分量，對(duì)轉(zhuǎn)子電流的d軸分量進(jìn)行控制就可以控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出的無功功率。只要對(duì)轉(zhuǎn)子電流的d，q軸分量進(jìn)行有效控制，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率的有效控制。因此，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制主要是機(jī)側(cè)變流器的矢量變換控制。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)控制器可以根據(jù)下式進(jìn)行設(shè)計(jì)，寫成d，q分量的形式，有:

其中，轉(zhuǎn)子磁鏈可以由定子電壓和轉(zhuǎn)子電流表示為

2 仿真研究

基于MATLAB 2007/Simulink環(huán)境，建立了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器的仿真模型，進(jìn)行了獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)、有功、無功獨(dú)立調(diào)節(jié)、最大風(fēng)能捕獲等仿真研究。

仿真參數(shù)如下:額定功率10 kW;額定電壓380 V;額定頻率50 Hz;定子電阻0.007 06(p.u.);定子漏感 0.171(p.u.);轉(zhuǎn)子電阻 0.005(p.u.);轉(zhuǎn)子漏感 0.156(p.u.);互感 2.9(p.u.);慣性時(shí)間常數(shù)5.04 s;極對(duì)數(shù)3;變流器載波頻率4 kHz。p.u.為標(biāo)幺值。

采用基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制。PI調(diào)節(jié)器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雙閉環(huán)并網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

電流內(nèi)環(huán)采用Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具體參數(shù)進(jìn)行了微調(diào)。其比例參數(shù)Kp=1.0，積分時(shí)間參數(shù)Ki=1.0。由于功率外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間存在比例關(guān)系，在現(xiàn)代控制理論中為相關(guān)量，為方便控制，可將其和內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行比例處理，即無功功率和內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)子電流無功分量存在線性關(guān)系，有功功率和內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)子電流有功分量存在線性關(guān)系，從而可以將功率外環(huán)打開，方便了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

整個(gè)過程的仿真時(shí)間為 7 s，在3.5 s之前是獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，負(fù)載為5 kW，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出輸出電壓滿足電壓幅值、頻率、相位和電網(wǎng)電壓一致;3.5 s并網(wǎng)操作，并網(wǎng)沒有出現(xiàn)明顯的電流沖擊，實(shí)現(xiàn)了軟并網(wǎng);4 s有功功率給定變化，從 5～8 kW，在 4.5 s回到5 kW，可以看出實(shí)際功率跟蹤了給定功率，轉(zhuǎn)子電流有功分量跟蹤了給定值，而無功分量沒有變化;在5 s無功功率給定變化，從0～5 kvar，在5.5 s回到0 var，可以看出實(shí)際的無功功率跟蹤了給定值，同樣的，轉(zhuǎn)子電流的無功分量跟蹤了給定值，而在這期間的有功分量沒有變化。從以上兩個(gè)時(shí)間段的仿真可以說明，系統(tǒng)通過矢量控制將有功、無功功率進(jìn)行了解耦，從而可以單獨(dú)控制，即根據(jù)相應(yīng)的風(fēng)速輸出所對(duì)應(yīng)的有功功率，跟蹤功率－轉(zhuǎn)速曲線上的最大功率點(diǎn)(最大風(fēng)能捕獲);根據(jù)電網(wǎng)的需要向電網(wǎng)輸出可以控制的無功功率。

圖2表示了轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器7 s動(dòng)、穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行情況，其中在3.5 s之前是獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，3.5 s時(shí)并網(wǎng)。如圖 2(a)、(b)、(c)所示，并網(wǎng)時(shí)，圖2(b)發(fā)電機(jī)定子輸出電壓滿足電壓幅值、頻率、相位和圖2(a)的電網(wǎng)電壓一致，并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)定子電壓、電流輸出沒有變化。

在4 s時(shí)有功功率給定變化，在4.5 s時(shí)回到原給定的有功功率;在5 s時(shí)無功功率給定變化，在5.5 s時(shí)回到原給定的有功功率。如圖2(d)、(e)所示，在有功功率和無功功率變化時(shí)，系統(tǒng)一直保持并網(wǎng)狀態(tài)，定子輸出電壓與電網(wǎng)電壓一致，定子輸出電流由于功率的變化而相應(yīng)變化。圖2(g)、(h)顯示在有功功率和無功功率變化時(shí)，不會(huì)互相影響，實(shí)現(xiàn)了有功功率、無功功率解耦。

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)情況

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖3所示，試驗(yàn)系統(tǒng)采用一臺(tái)籠型異步電機(jī)(M)拖動(dòng)雙饋發(fā)電機(jī)，采用通用變頻器對(duì)原動(dòng)機(jī)供電，模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖4所示，電機(jī)根據(jù)給定無功電流向電網(wǎng)注入無功，定子電流超前電網(wǎng)相電壓相位角90°(電流方向取輸出為正);如圖5所示，電機(jī)根據(jù)給定有功電流向電網(wǎng)注入有功，定子電流與電網(wǎng)相電壓相位角相反(電流方向取輸入為正)，可以看出:經(jīng)過矢量控制，有功、無功已解耦。

圖3 雙饋式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)原理結(jié)構(gòu)圖

圖4 定子有功為0，無功為3 A時(shí)的波形

4 結(jié)語

圖5 定子有功為5 A，無功為0時(shí)的波形

本文以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)(機(jī)側(cè))變流器為核心，研制了一套小功率的雙饋風(fēng)電機(jī)組模擬裝置。如文中所述，基于定子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略可以很好地控制定子電壓、幅值、頻率與電網(wǎng)達(dá)成一致，并網(wǎng)時(shí)刻對(duì)電網(wǎng)沖擊小，并網(wǎng)之后實(shí)現(xiàn)了有功、無功解耦，電流諧波含量小，仿真和試驗(yàn)研究證明了該控制策略的可行性和有效性。

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