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    雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)交流勵磁及其幅度頻率控制

    2013-10-14 11:01:16廖恩榮唐志偉
    機(jī)械制造與自動化 2013年4期
    關(guān)鍵詞:雙饋變流器勵磁

    廖恩榮,唐志偉

    (1.南京高精傳動設(shè)備集團(tuán)有限公司,江蘇南京211151;2.嘉興電力局,浙江嘉興 314000)

    0 引言

    風(fēng)力發(fā)電在國內(nèi)外發(fā)展迅速[1]。變速恒頻雙饋(doubly fed induction generator DFIG)風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)力發(fā)電的主流類型之一,與傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)直流勵磁不同,DFIG實(shí)行交流勵磁,可調(diào)量有三個:勵磁電流幅值、勵磁電流頻率、勵磁電流相位。通過改變勵磁電流頻率,雙饋電機(jī)可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行;通過調(diào)節(jié)勵磁電流的幅值和相位,可達(dá)到調(diào)節(jié)有功功率和無功功率的目的。與同步發(fā)電機(jī)相比,控制量多了兩個,控制上更加靈活,但控制也更加復(fù)雜[2-4]。

    雙饋發(fā)電機(jī)的控制策略取得了很多成果,應(yīng)用最廣的控制策略是矢量控制策略(vector control)[5],矢量控制實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)有功和無功功率的解耦控制,動態(tài)性能好,但控制策略比較復(fù)雜且需要精確的定子磁鏈和轉(zhuǎn)子位置角。直接功率控制(direct power control)[6-7]利用直接轉(zhuǎn)矩控制的思路,將電力電子變流器和電機(jī)合并,通過開關(guān)矢量直接控制電機(jī)的有功和無功功率,簡化了控制策略的設(shè)計,但由于其開關(guān)頻率不固定增加了濾波器設(shè)計的難度。轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和角度控制(flux magnitude and angle control)[8-12]通過轉(zhuǎn)子磁鏈的角度和幅值來控制定子的有功和無功功率,但控制復(fù)雜。

    通過對電壓電流等易測量的磁鏈觀測估計轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信號的無速度傳感器方法[13-14],一方面增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,另一方面其估計精度受參數(shù)變化、運(yùn)行狀態(tài)的影響。

    本文從雙饋電機(jī)的原理出發(fā),簡要敘述了電網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器矢量控制策略;為了避免轉(zhuǎn)子位置編碼器的影響,提出了無需測量轉(zhuǎn)子位置信號的幅度頻率控制策略;仿真驗證了幅度頻率控制策略的有效性,提高了系統(tǒng)的可靠性。

    1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理

    圖1 不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率特性曲線

    對于一臺確定的風(fēng)力機(jī),在風(fēng)速和槳葉節(jié)距角一定時,總存在一個最佳葉尖速比對應(yīng)著一個最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù),此時風(fēng)力機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率最高。圖1為不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率特性曲線,從圖1中看出,對于一個特定的風(fēng)速,風(fēng)力機(jī)只有運(yùn)行在一個特定的機(jī)械角速度下,風(fēng)力機(jī)才會獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率[15]。因此,變速風(fēng)電機(jī)組才能捕獲最大風(fēng)能,提高發(fā)電效率。

    雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示,DFIG的轉(zhuǎn)子經(jīng)變流器與電網(wǎng)相連,利用交流轉(zhuǎn)子勵磁和DFIG配合實(shí)現(xiàn)變速恒頻。

    圖2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

    變速恒頻原理如式(1)所示:

    式(1)中,fm,fr,fs分別代表轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電流和定子電流的頻率,Np表示雙饋電機(jī)的極對數(shù)。當(dāng)雙饋風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時,風(fēng)力機(jī)帶動轉(zhuǎn)子以fm的頻率旋轉(zhuǎn),形成電角頻率為Npfm的旋轉(zhuǎn)磁場,由于轉(zhuǎn)子勵磁電流矢量的頻率為fr,氣隙中感應(yīng)出與定子電流同頻率的合成磁場,頻率由式(1)表示。因此雙饋電機(jī)實(shí)現(xiàn)了變速恒頻[16]。

    將轉(zhuǎn)子側(cè)的各個物理量折合到定子側(cè),通過Park變換將abc坐標(biāo)系下的異步電機(jī)方程變換到一般的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系可以推導(dǎo)出雙饋電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別如式(2)和式(3)所示(定子側(cè)按發(fā)電機(jī)慣例,轉(zhuǎn)子側(cè)按電動機(jī)慣例)[16]。

    轉(zhuǎn)矩方程可以表示成:

    轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程可以表示成:

    式(2)到式(6)中,uds,uqs為定子電壓的d,q軸分量,ud r,uq r為轉(zhuǎn)子電壓的d,q軸分量,Ids,Iqs為定子電流的d,q軸分量,Id r,Iq r為轉(zhuǎn)子電流的d,q軸分量,ψds,ψqs為定子磁鏈的d,q軸分量,ψd r,ψq r為轉(zhuǎn)子磁鏈的d,q軸分量,rs,rr,Ls,Lr為定、轉(zhuǎn)子的電阻、電感,Lm為互感,ωs,ωr,ωm為定子磁鏈、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度,Tm,Tem為機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩,P為微分算子,J,D為轉(zhuǎn)動慣量、摩擦系數(shù)。取ωs等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的角速度,這樣dq坐標(biāo)系就變成了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,ABC坐標(biāo)系下的正弦量對應(yīng)于dq坐標(biāo)系下的直流量。

    2 雙饋電機(jī)電網(wǎng)側(cè)變流器控制

    網(wǎng)側(cè)變流器是一個電壓源型PWM整流器,控制變流器直流母線電壓,且功率因數(shù)可調(diào),實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動。其矢量控制框圖如圖3所示[4]。

    圖3 網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制策略框圖

    圖3中,id g,iq g為網(wǎng)側(cè)變流器電流的d,q軸分量,Lg為網(wǎng)側(cè)變流器電感,udc為網(wǎng)側(cè)變流器直流電壓,us為網(wǎng)側(cè)變流器交流電壓d軸分量,ωs為網(wǎng)側(cè)變流器交流電壓頻率,Qg為電網(wǎng)側(cè)變流器的無功功率,θs為電網(wǎng)電壓位置角。dq軸電壓通過dq→ABC變換之后得到PWM整流器輸出的三相電壓。

    3 雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制

    雙饋電機(jī)并網(wǎng)時,轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制目標(biāo)為控制定子的有功和無功功率,雙饋電機(jī)定子的有功功率Ps和無功功率Qs可以表示成:

    按照定子磁鏈定向的方式,忽略定子磁鏈的暫態(tài)和定子電阻,將d軸固定在定子磁鏈?zhǔn)噶康妮S線ψs上,于是ψds=ψs,ψqs=0,代入式(2)的前兩式可以得到:

    將式(7)代入式(6)可以得到

    再將磁鏈定向結(jié)果代入式(3)可以得到

    將式(9)代入式(8)可以得到:

    從式(10)可以看出,如果定子磁鏈和頻率保持不變,按照定子磁鏈定向之后,定子的有功功率和轉(zhuǎn)子q軸電流成正比,定子的無功功率和轉(zhuǎn)子d軸電流成正比。

    圖4 雙饋電機(jī)并網(wǎng)后矢量控制策略框圖

    4 同步化雙饋電機(jī)

    4.1 同步化的雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型

    雖然雙饋電機(jī)工作在異步狀態(tài)下,但是其轉(zhuǎn)子勵磁磁場的旋轉(zhuǎn)速度和定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度相等,具有和同步電機(jī)類似的控制特性[17-18]。雙饋電機(jī)的功角δ為q軸暫態(tài)內(nèi)電勢矢量和定子電壓Us之間的夾角,雙饋電機(jī)的有功和無功表達(dá)式可以寫成:

    式(11)中X`s為定子暫態(tài)電抗。可以看出,如果將d軸放在轉(zhuǎn)子合成磁勢的軸線上,經(jīng)過整理后,雙饋電機(jī)具有和同步電機(jī)類似的有功和無功表達(dá)式。也就是說,從q軸暫態(tài)內(nèi)電勢的角度來看,雙饋電機(jī)和隱極同步電機(jī)等效。

    省略定子磁鏈動態(tài)過程的同步化雙饋電機(jī)三階方程為式(12):其中Xs為定子電抗,Edf、Eq f為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子dq軸勵磁電壓,T=表示轉(zhuǎn)子回路的時r0間常數(shù):

    此外還有兩個定子電壓方程和一個附加的轉(zhuǎn)子電壓方程:

    式(13)中s為轉(zhuǎn)差率,Tr0為 雙饋電機(jī)在同步點(diǎn)運(yùn)行時,有約束條件Npωm=ωs,ωr=0。將約束條件代入式(12),同步化雙饋電機(jī)三階方程就變成了同步電動機(jī)的三階方程[8,15]。

    4.2 雙饋電機(jī)與同步電機(jī)的比較

    通過上面的分析可以看到,雙饋電機(jī)和同步電機(jī)有相似的地方也有不同之處,歸納如下:

    a)相同點(diǎn):

    1)從q軸暫態(tài)內(nèi)電勢的角度來看,雙饋電機(jī)和隱極同步電機(jī)等效;

    2)都可以通過勵磁控制來調(diào)節(jié)定子輸出的無功功率。

    b)不同點(diǎn):

    1)勵磁調(diào)節(jié):同步電機(jī)的勵磁電壓為直流,只有其幅值可以調(diào)節(jié);但雙饋電機(jī)的勵磁電壓為交流,有電壓幅值、頻率和相位三個可調(diào)量,控制更加靈活;

    2)轉(zhuǎn)速范圍:同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速,但雙饋電機(jī)既可以超同步運(yùn)行,也可以次同步運(yùn)行;

    3)轉(zhuǎn)子勵磁的功能。同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子僅提供無功勵磁,但雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子除提供無功勵磁外,還要提供轉(zhuǎn)差有功功率。

    5 幅度頻率控制策略

    矢量控制策略中所需的轉(zhuǎn)子位置信息一般通過增量式或絕對式光電編碼器來獲得,實(shí)際中增量式編碼器應(yīng)用最廣,但由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境比較惡劣,編碼器信號很容易受到干擾,這會對系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來負(fù)面影響[13-14]。

    5.1 幅度頻率控制

    對式(12)第一項進(jìn)行分析可以看出,當(dāng)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的角頻率ωr≠sωs時,雙饋電機(jī)的功角δ就會發(fā)生變化。從式(11)可以看出,功角的變化可以引起有功和無功功率的變化。

    根據(jù)同步電機(jī)理論,同步電機(jī)輸出有功功率主要和功角δ有關(guān),輸出的無功功率主要和暫態(tài)勵磁電壓E`q的大小有關(guān)[8]。根據(jù)式(11)可知,這個關(guān)系在雙饋電機(jī)中仍然適用。

    當(dāng)Npωm+ωr>ωs時,功角增大,有功功率增大;當(dāng)Npωm+ωr<ωs時,功角減小,有功功率減小。由于轉(zhuǎn)子側(cè)采用全可控電力電子變流器,轉(zhuǎn)子電壓和電流矢量的旋轉(zhuǎn)角速度ωr完全可控,因此控制ωr就可以控制雙饋電機(jī)定子的有功功率。

    有功功率給定和實(shí)際的有功功率相減之后通過PI控制器得到轉(zhuǎn)子電壓的頻率;

    從式(12)和(13)中的第三項可以看出,雙饋電機(jī)的暫態(tài)勵磁電壓E`q和轉(zhuǎn)子電壓的大小有關(guān)。轉(zhuǎn)子電壓Edf部分表示無功勵磁分量,而Edf表示在變頻過程中,轉(zhuǎn)子側(cè)需要提供的電壓,這部分電壓和轉(zhuǎn)子側(cè)提供的轉(zhuǎn)差有功功率相關(guān)。改變轉(zhuǎn)子電壓的幅值可以改變E`q進(jìn)而改變定子發(fā)出的無功功率[17-20]。

    根據(jù)式(11)可知,雙饋電機(jī)定子的無功功率主要和定子電壓有關(guān),因此可以在電壓環(huán)外面加上無功功率外環(huán)。無功功率給定和實(shí)際無功功率相減之后通過PI控制器得到定子電壓的給定值。定子電壓給定和實(shí)際電壓相減之后通過PI控制器得到轉(zhuǎn)子電壓幅值,有了轉(zhuǎn)子電壓的幅值和頻率給定之后經(jīng)過簡單運(yùn)算就可以生成轉(zhuǎn)子的三相電壓給定值uar,ub r,uc r,三相電壓再通過PWM調(diào)制送到轉(zhuǎn)子側(cè)變流器。其控制框圖如圖5所示。

    圖5 有、無功功率控制的幅度頻率控制策略框圖

    當(dāng)然也可以將無功外環(huán)和電壓環(huán)進(jìn)行合并,無功功率控制器直接輸出雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓的幅值。

    5.2 仿真驗證

    為了驗證圖5中的控制策略,在PSCAD里面搭建模型進(jìn)行仿真,仿真中用附錄中的參數(shù)。電機(jī)定子有功功率給定在第2 s從2 kW階躍到6 kW,然后在第9 s又階躍回2 kW,定子無功功率給定為0 kVar并保持不變,雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速為0.9倍的同步轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果如圖6所示。圖中(a)~(d)分別表示定子有功和無功功率、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓頻率和雙饋電機(jī)的功角。

    圖6 有功和無功功率控制的幅度頻率控制仿真結(jié)果

    從圖6可以看出,有功功率給定變化前,雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓頻率等于轉(zhuǎn)差頻率5 Hz。當(dāng)有功功率給定增大時,從圖6(b)和(c)可以看出,雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓和電流的頻率增加,使得圖6(d)中的功角增大,定子有功功率增加。由于無功控制器的作用,定子無功功率經(jīng)過暫態(tài)的調(diào)節(jié)之后在穩(wěn)態(tài)又回到0 kVar,當(dāng)有功功率穩(wěn)定在6 kW時,轉(zhuǎn)子電壓的頻率又恢復(fù)到轉(zhuǎn)差頻率。在調(diào)節(jié)過程中,轉(zhuǎn)子電壓頻率有一個振蕩的過程,功角有一些超調(diào)。

    當(dāng)有功功率給定減小時,雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓的頻率減小,功角減小,使得定子有功功率減小,定子無功功率經(jīng)過暫態(tài)的調(diào)節(jié)之后在穩(wěn)態(tài)又回到0 kVar,當(dāng)有功功率穩(wěn)定在20時,轉(zhuǎn)子電壓的頻率又恢復(fù)到轉(zhuǎn)差頻率。在調(diào)節(jié)過程中,轉(zhuǎn)子電壓頻率有一個振蕩的過程。

    從仿真結(jié)果可以看出,幅度頻率控制可以獨(dú)立控制雙饋電機(jī)定子的有功和無功功率。

    5.3 幅度頻率控制在容錯控制上的應(yīng)用

    幅度頻率控制既可以直接控制并網(wǎng)后的雙饋電機(jī),也可以在角度傳感器出現(xiàn)永久性故障的情況下作為容錯控制策略。采用矢量控制和幅度頻率控制組成的容錯控制系統(tǒng)的邏輯圖如圖7所示,當(dāng)容錯控制系統(tǒng)判斷角度傳感器出現(xiàn)永久性故障時,就從矢量控制切換到幅度頻率控制策略。

    圖7 幅度頻率控制用于容錯控制邏輯框圖

    正常情況下控制系統(tǒng)采用矢量控制,轉(zhuǎn)子電壓選擇矢量控制的輸出電壓,當(dāng)角度傳感器出現(xiàn)永久性故障時,轉(zhuǎn)子電壓就選擇幅度頻率控制的輸出電壓。由于幅度頻率控制剛投入時輸出的電壓為0,為了保證切換過程盡可能地平滑,需要計算出故障前矢量控制輸出電壓的幅值|ur0|和頻率ωr0,將它們作為初始值分別疊加在幅度頻率控制的輸出上。其中|ur0|疊加在無功功率控制器輸出上,ωr0疊加在有功功率控制器的輸出上,如圖8所示。幅度頻率控制的采樣和控制信號與矢量控制完全相同。

    圖8 幅度頻率控制用于容錯控制框圖

    在PSCAD里建立模型,對圖7和圖8所示的容錯控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。電機(jī)參數(shù)為附錄中的參數(shù),定子電壓為380 V??刂葡到y(tǒng)先采用矢量控制,有功功率給定為6 kW,無功功率給定為0 kVar,雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速為0.9倍的同步轉(zhuǎn)速,故障出現(xiàn)以前控制系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。在第5 s角度傳感器出現(xiàn)永久性故障,根據(jù)圖7容錯控制系統(tǒng)切換到幅度頻率控制,并將故障前的轉(zhuǎn)子電壓的幅值和頻率作為初始值疊加到幅度頻率控制的輸出,如圖8所示。

    仿真的結(jié)果如圖9所示,圖中(a)~(d)分別表示定子有功和無功功率、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電壓頻率和雙饋電機(jī)的功角。按照圖7和圖8的容錯控制方法,當(dāng)角度傳感器出現(xiàn)永久性故障時,可以用幅度頻率控制代替矢量控制,控制策略切換的過渡過程比較平穩(wěn),滿足容錯控制的要求。

    圖9 幅度頻率控制用于容錯控制的仿真結(jié)果

    6 結(jié)論

    雙饋電機(jī)以其自身顯著的優(yōu)點(diǎn),成為現(xiàn)在風(fēng)電的主力機(jī)型之一,并且由于雙饋電機(jī)具有一定的同步機(jī)特性,可以從同步機(jī)類比的角度討論新的控制策略。具體研究內(nèi)容如下:

    1)簡述了雙饋電機(jī)變速恒頻原理及其dq坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型,簡要分析了雙饋電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的矢量控制策略。

    2)根據(jù)雙饋電機(jī)dq坐標(biāo)系下的模型,推導(dǎo)了同步化雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型,歸納了雙饋電機(jī)與同步電機(jī)的異同點(diǎn)。

    3)基于同步化模型提出了幅度頻率控制策略。此策略通過控制轉(zhuǎn)子電壓的幅值和頻率來控制定子無功和有功功率,不需要角度傳感器,簡化了控制器設(shè)計,避免了轉(zhuǎn)子角度編碼器對發(fā)電系統(tǒng)的影響。

    4)利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD,驗證了控制策略對雙饋電機(jī)功率控制的有效性,并且分析了幅度頻率控制在容錯控制方面的性能,表明此控制策略滿足容錯控制的要求。

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