并網(wǎng)型電勵(lì)磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電控制策略研究

龍世鵬，周揚(yáng)忠

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州350108）

引言

隨著能源枯竭和環(huán)境污染等問(wèn)題的出現(xiàn)，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。目前主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有鼠籠式異步發(fā)電機(jī) (SCIG)風(fēng)電系統(tǒng)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)風(fēng)電系統(tǒng)和同步發(fā)電機(jī)(SG)風(fēng)電系統(tǒng)[1]。SCIG風(fēng)電系統(tǒng)具有效率低、功率因數(shù)難控制等缺點(diǎn)，在小容量場(chǎng)合應(yīng)用較多；DFIG風(fēng)電系統(tǒng)具有控制復(fù)雜、故障率高、低電壓穿越能力有限等缺點(diǎn)，在大功率高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合維修量大大增加。永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)風(fēng)電系統(tǒng)存在功率因數(shù)特性差、永磁體有失磁危險(xiǎn)等缺點(diǎn)，而電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)(EESG)風(fēng)電系統(tǒng)擁有功率因數(shù)可調(diào)、過(guò)載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、弱磁區(qū)轉(zhuǎn)矩特性好以及無(wú)失磁風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，研究其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用具有重要意義。根據(jù)不同的發(fā)電機(jī)和拓?fù)潆娐酚胁煌目刂撇呗?，機(jī)側(cè)主要有矢量控制 (VC)、直接功率控制(DPC)和直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，網(wǎng)側(cè)主要有矢量控制和直接功率控制。20世紀(jì)80年代由德國(guó)學(xué)者M(jìn).Depenbrock和日本學(xué)者I.Takahashi首先針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)提出DTC，90年代學(xué)者們提出同步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論[2～5]，由于DTC直接控制轉(zhuǎn)矩，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，若將其應(yīng)用于發(fā)電領(lǐng)域，可以有效提高發(fā)電性能，減小發(fā)電控制策略對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)程度。文獻(xiàn)[6]以EESG為對(duì)象采用氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制研究其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[7]針對(duì)PMSG風(fēng)電系統(tǒng)介紹了機(jī)側(cè)矢量控制和網(wǎng)側(cè)DPC策略；文獻(xiàn)[8]以PMSG為對(duì)象詳細(xì)研究了機(jī)側(cè)最大功率跟蹤(MPPT)與DTC相結(jié)合的控制策略和網(wǎng)側(cè)DPC的控制策略。

本文致力于電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制策略(機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè))研究，系統(tǒng)功率部分拓?fù)錇楸晨勘畴pPWM結(jié)構(gòu)。

1 系統(tǒng)控制策略研究

本文設(shè)計(jì)的整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？刂撇糠职▋煞矫妫喊l(fā)電機(jī)側(cè)輸出電功率控制；網(wǎng)側(cè)直流母線電壓控制。由于篇幅受限，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流控制將在以后相繼論文中單獨(dú)討論。 其中 ωr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，uA、uB、uC分別為發(fā)電機(jī)定子三相電壓，iA、iB分別為發(fā)電機(jī)定子A、B 相繞組電流，Udc為直流母線電壓，uga、ugb、ugc分別為網(wǎng)側(cè)變換器輸出三相電壓，iga、igb、igc分別為并網(wǎng)三相電流，ega、egb、egc分別為電網(wǎng)三相電壓，C 為直流母線電容，L為網(wǎng)側(cè)濾波器電感。

圖1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 發(fā)電機(jī)側(cè)輸出電功率控制

發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出的電磁功率Pe如下：

從式(1)可知，在一定的轉(zhuǎn)子角速度ωr情況下，快速控制電磁轉(zhuǎn)矩Te即可快速控制發(fā)電機(jī)對(duì)外輸出功率。本文采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略，以期實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁功率的快速控制。

一般電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上具有阻尼繞組，當(dāng)發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，阻尼繞組中沒(méi)有電流；當(dāng)發(fā)電機(jī)處于動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程時(shí)，阻尼繞組感應(yīng)電流，阻礙氣隙磁場(chǎng)的變化。定義定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝與氣隙磁鏈?zhǔn)噶喀穖夾角為δsm，即為轉(zhuǎn)矩角，則發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩如下：

式中：Lsσ為定子繞組漏感；Pn為磁極對(duì)數(shù)。由于阻尼繞組作用，使得氣隙磁鏈為一個(gè)大慣性變量(時(shí)間常數(shù)一般大于10 ms)，在幾個(gè)控制周期(μs級(jí))內(nèi)，完全可以認(rèn)為Ψm基本不變。這樣通過(guò)控制Ψs的快速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制δsm即可快速控制電磁轉(zhuǎn)矩Te。

定義逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正方向，以定子磁鏈所在第一扇區(qū)θ1為例。發(fā)電機(jī)側(cè)PWM變換器在發(fā)電機(jī)定子端部產(chǎn)生電壓矢量及其對(duì)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的控制效果如圖2所示。u0～u7為PWM變換器輸出電壓矢量，以相鄰矢量夾角中心線為分界，定義6個(gè)扇區(qū)θ1～θ6。直角坐標(biāo)系αβ的α軸與電壓矢量u4重合，θs為定子磁鏈?zhǔn)噶喀穝與α軸的夾角。用符號(hào)“↑”和“↓”分別表示變量增大和減小。每一扇區(qū)中均可找到4個(gè)非零矢量及2個(gè)零矢量對(duì)定子磁鏈幅值|Ψs|及電磁轉(zhuǎn)矩 Te進(jìn)行控制。例如 θ1中，u2作用使 Te增大、|Ψs|減??；u6作用使 Te增大、|Ψs|增大；u1作用使 Te減小、|Ψs|減?。籾5作用使 Te減小、|Ψs|增大。u0或u7作用使Te緩慢減小、|Ψs|基本不變。

圖2 發(fā)電機(jī)端部電壓矢量圖

定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩采用滯環(huán)比較器，對(duì)應(yīng)輸入-輸出定義如下：

結(jié)合滯環(huán)比較器判斷出的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)，分析各個(gè)扇區(qū)中電壓矢量對(duì)定子磁鏈幅值及電磁轉(zhuǎn)矩的控制，給出最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量表如表1所示。

表1 EESG-DTC最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量表

定子磁鏈觀測(cè)器采用一階慣性環(huán)節(jié)電壓模型，輸入-輸出傳遞函數(shù)G(s)如下：

其中fc為截止頻率，為了有效抑制電壓及電流采樣中的直流偏置，同時(shí)又能滿(mǎn)足發(fā)電系統(tǒng)變速范圍，綜合考慮取5 Hz。

根據(jù)上述機(jī)側(cè)功率控制策略的分析，給出其對(duì)應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。由最大功率跟蹤模塊(MPPT)給出電磁轉(zhuǎn)矩給定。

1.2 網(wǎng)側(cè)直流母線電壓控制

圖3 機(jī)側(cè)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)側(cè)控制目標(biāo)是在直流母線電壓控制為定值情況下調(diào)節(jié)電壓和頻率實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。本文采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略，網(wǎng)側(cè)坐標(biāo)系定義如圖4所示，eg為網(wǎng)側(cè)電壓矢量，ig為網(wǎng)側(cè)電流矢量，ug為網(wǎng)側(cè)變換器輸出電壓矢量，abc為三相電網(wǎng)靜止坐標(biāo)系，αβ為兩相靜止坐標(biāo)系，dq為定向于電網(wǎng)電壓eg的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，ω為電網(wǎng)電頻率，θg為電角度。對(duì)應(yīng)矢量在αβ軸和dq軸上的投影分別用下標(biāo)“α”“β”和“d”“q”標(biāo)注。

圖4 網(wǎng)側(cè)坐標(biāo)系

網(wǎng)側(cè)變換器輸出通過(guò)濾波電感L與電網(wǎng)連接，借助于坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換可以推導(dǎo)出dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電感支路電壓方程結(jié)果為：

其中，Rg、L分別為濾波器電阻和電感。

由電網(wǎng)電壓定向得egd=|eg|，egq=0，所以流進(jìn)電網(wǎng)的瞬時(shí)有功功率P和瞬時(shí)無(wú)功功率Q分別如下：

圖5 網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)式(8)、(9)可見(jiàn)，流進(jìn)電網(wǎng)的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率可以分別通過(guò)電網(wǎng)直軸電流igd和電網(wǎng)交軸電流igq來(lái)控制。

根據(jù)上述網(wǎng)側(cè)控制策略的分析，構(gòu)建網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。采用dq軸并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)PI控制器調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流，采用直流母線電壓Udc外環(huán)PI控制器維持直流母線電壓恒定。為了解決在dq坐標(biāo)系下由輸出濾波器L帶來(lái)的耦合影響，在控制中分別加入了前饋補(bǔ)償項(xiàng)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)中采用的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表2所示。系統(tǒng)控制周期60 μs。

表2 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)參數(shù)

2.1 風(fēng)力機(jī)模擬

由空氣動(dòng)力學(xué)特征可知風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械功率Pm為：

式中：ρ為空氣密度；S為風(fēng)力機(jī)葉片橫掃面積；V為風(fēng)速；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。定義葉尖速比λ為：

式中：R為風(fēng)力機(jī)葉片半徑。并將式(11)代入式(10)得：

當(dāng)Cp為最大值Cpmax時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率Pm達(dá)到最大值Pm-opt，不同風(fēng)速時(shí)風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率Pm與機(jī)械角速度ωr關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 風(fēng)力機(jī)功率特征曲線

實(shí)驗(yàn)中采用功率、轉(zhuǎn)速、電流三閉環(huán)控制的直流電動(dòng)機(jī)來(lái)模擬風(fēng)力機(jī)，對(duì)應(yīng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。根據(jù)外界風(fēng)速V及機(jī)械角速度ωr，查圖6曲線得風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率給定值Pm*，然后利用三閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)實(shí)際機(jī)械功率Pm跟蹤其給定值，以達(dá)到模擬風(fēng)力機(jī)的目的。

2.2 實(shí)驗(yàn)研究

圖7 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

利用TMS320LF2812DSP全數(shù)字控制平臺(tái)，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)軟件對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流控制為1.5 A。其中機(jī)側(cè)定子磁鏈給定|Ψs*|為0.45 Wb， 轉(zhuǎn)矩誤差帶 ΔTe為0.000 05 N.m，直流母線電壓控制為270 V，網(wǎng)側(cè)直流母線電壓外環(huán)、d軸電流內(nèi)環(huán)、q軸電流內(nèi)環(huán)比例系數(shù)分別為：0.01，65，45，積分系數(shù)分別為：4，13.33，5。文章并以機(jī)側(cè)傳統(tǒng)矢量控制策略實(shí)驗(yàn)與本文控制策略實(shí)驗(yàn)作比較，傳統(tǒng)控制策略采用d軸給定電流為零的三相電流滯環(huán)控制策略。

當(dāng)網(wǎng)側(cè)q軸電流為0時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電磁功率并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。與傳統(tǒng)方法比較，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：發(fā)電機(jī)功率輸出更加穩(wěn)定，波動(dòng)更小，直流母線電壓為270 V，電網(wǎng)電流波形正弦度良好，且與電網(wǎng)電壓基本同相位。

圖8 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖9 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

當(dāng)網(wǎng)側(cè)q軸電流為0時(shí)，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩由-1 N.m階躍到-5 N.m時(shí)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。與傳統(tǒng)方法比較，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：（1）傳統(tǒng)方法發(fā)電機(jī)輸出電磁功率1 200 ms才能達(dá)到穩(wěn)定；而本文控制策略發(fā)電機(jī)輸出電磁功率響應(yīng)迅速且能瞬間達(dá)到穩(wěn)定；（2）階躍瞬間，直流母線電壓、電網(wǎng)電流有輕微震蕩，且震蕩時(shí)間更短，能更快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，動(dòng)態(tài)效果好；（3）并網(wǎng)電流、并網(wǎng)電壓始終保持近似同相位。

當(dāng)網(wǎng)側(cè)q軸電流不同(4 A，-4 A)時(shí)網(wǎng)側(cè)實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)：通過(guò)控制網(wǎng)側(cè)q軸電流，可以靈活且穩(wěn)定控制網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)并網(wǎng)型電勵(lì)磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電控制策略進(jìn)行詳細(xì)研究，并采用以TMS320LF2812為核心的全數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）機(jī)側(cè)采用直接轉(zhuǎn)矩控制來(lái)對(duì)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩快速直接控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)電磁功率更加快速而平穩(wěn)的控制，對(duì)風(fēng)力發(fā)電中時(shí)刻變化的隨機(jī)風(fēng)有更快的響應(yīng)和更穩(wěn)定的功率調(diào)整；

（2）網(wǎng)側(cè)采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制，在保證了直流母線電壓控制為270 V情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)的快速而平穩(wěn)控制。

本文機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)控制策略的研究為并網(wǎng)型電勵(lì)磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的深入研究奠定了重要基礎(chǔ)。

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