基于MATLAB的雙饋電機仿真

◆王培炎

(內(nèi)蒙古北方重工培訓中心)

一、雙饋發(fā)電機的基本原理

隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的迅速發(fā)展，人們在不斷尋求采用新的途徑解決電力系統(tǒng)穩(wěn)定和無功問題的時候，提出了采用交流勵磁發(fā)電機取代或部分取代常規(guī)同步發(fā)電機的設(shè)想，并已由理論到實踐取得了一些成果。這種發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組由原來的直流勵磁繞組改為三相對稱交流勵磁繞組。當通以某一額定頻率(fc)的交流電時，就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，其轉(zhuǎn)速為:n=(np為極對數(shù))，轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速加上交流勵

磁產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速(方向可以相同或相反)等于同步轉(zhuǎn)速，即:n1=nr±n2。

由此在電機氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)的磁場，在定子側(cè)感應(yīng)出同步速的感應(yīng)電勢。從定子側(cè)看，這與直流勵磁的轉(zhuǎn)子以同步速旋轉(zhuǎn)時，在電機氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)的磁場是等效的。如果按電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是否與同步轉(zhuǎn)速一致來區(qū)分異步發(fā)電機或同步發(fā)電機。則交流勵磁發(fā)電機應(yīng)當被稱為異步發(fā)電機。但是，從性能來看，交流勵磁發(fā)電機很多地方又與同步發(fā)電機相似。

二、定子磁鏈定向的矢量控制

在交流勵磁發(fā)電機中，考慮到發(fā)電機始終是在工頻50Hz下運行，在這樣的頻率下，通常電機定子繞組的電阻可以忽略不計。此時，定子繞組總磁鏈與定子電壓的矢量之間的相位正好相差90度，因此在實際應(yīng)用中，以定子電壓矢量或者以定子繞組總磁鏈為參考矢量，可使控制系統(tǒng)變得相對簡單。

采用定子磁鏈定向，同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)的坐標軸d與定子磁鏈ψs相重合，則有:

這表明，電機有功功率和轉(zhuǎn)子電流有功分量成正比，無功功率和轉(zhuǎn)子電流無功分量成正比，只要分別控制轉(zhuǎn)子電流分量和，即可實現(xiàn)發(fā)電機有功功率和無功功率的獨立調(diào)節(jié)。

三、變速恒頻風電系統(tǒng)的控制

變速恒頻發(fā)電是20世紀末發(fā)展起來的一種新型發(fā)電方式，它將電力電子技術(shù)、矢量變換控制技術(shù)和微機信息處理技術(shù)引入發(fā)電機控制之中，獲得了一種全新的、高質(zhì)量的電能獲取方式。風力機采用變速運行，即風機葉輪跟隨風速的變化改變其旋轉(zhuǎn)速度，保持基本恒定的最佳葉尖速比，風能利用系數(shù)最大。因此，可以根具風速的變化情況，調(diào)整雙饋電機的轉(zhuǎn)速使之產(chǎn)生恒定頻率的電能。

四、仿真

MATLAB軟件是當今控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真中重要的工具軟件。MATLAB提供的仿真工具箱SIMULINK就是一個功能十分強大的仿真軟件，可以根據(jù)用戶的需要方便地為系統(tǒng)建立模型，并且十分直觀;它的仿真精度很高，仿真結(jié)果準確。

由于交流勵磁變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)的特點，Matlab/Simulink中的Power System基本模塊提供的電機模型用于雙饋發(fā)電機仿真時，受到多方面因素的影響，如轉(zhuǎn)子側(cè)供電時接入問題，用PWM供電時如何調(diào)頻等一系列問題，不能完全適應(yīng)仿真的需要。因而不能直接利用Simulink電機模型進行仿真研究。我們基于在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系d-q中建立的雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型，在Simulink環(huán)境下建立了相應(yīng)的仿真模型。采用上述公式推導所得控制策略，因此轉(zhuǎn)子參考電壓、直接送入發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)，，省去了變換器的控制及坐標變換，使仿真系統(tǒng)大大簡化［4］。這樣不但簡化了對控制系統(tǒng)仿真的復雜性，而且并不影響仿真結(jié)果的可信度。

首先，根據(jù)雙饋電機在兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型建立電機的仿真模型。單一選電流量為狀態(tài)變量，可得到電機的狀態(tài)方程，再根據(jù)電機的運動方程和轉(zhuǎn)矩方程便可建立電機仿真模型，仿真圖型如下所示。

雙饋發(fā)電機采用定子磁鏈定向的矢量控制，因為所建立的模型為d-q坐標系下的仿真模型所以省去了坐標變換模塊，從而使仿真更加簡化。

五、結(jié)論

由仿真結(jié)果可以看出，采用矢量控制的方法可以很好地解決雙饋發(fā)電機的解耦問題并實現(xiàn)變速恒頻控制達到控制要求，應(yīng)用MATLAB/Simulink進行雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的仿真，能夠解決定轉(zhuǎn)子電源接入的問題，很大程度度上簡化仿真難度。

［1］王振永，王然冉.電機的數(shù)學模型及參數(shù)辨識［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1991.

［2］李健，李華德.雙饋感應(yīng)變速恒頻風力發(fā)電機控制系統(tǒng)研究.2004.

［3］鄧禹.雙饋型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)研究［M］.華中科技大學碩士學位論文，2005.4.

［4］包能勝，陳慶新，姜桐.百千瓦級風機建模與仿真［M］.太陽能學報，1997，18(1):51-57.