無速度傳感器籠型感應(yīng)電機風力發(fā)電控制*

梅柏杉， 吳 迪， 馮江波， 陳 瑢， 張德蘭

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

0 引 言

近年來，變速恒頻風力發(fā)電技術(shù)在MW級風力發(fā)電機組的應(yīng)用已成為研究熱點。在實際運行的變速恒頻風力發(fā)電機組中，雙饋異步發(fā)電機和直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機占主要市場，但這兩種機型在系統(tǒng)中存在一些不足。比如對于雙饋異步風力發(fā)電機系統(tǒng)，控制過程復(fù)雜，日常維護成本高，低電壓穿越運行較難[1]；對于直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)，永磁電機的勵磁不能調(diào)節(jié)；永磁材料硬脆，機械加工困難，有的永磁材料在高溫下會出現(xiàn)退磁現(xiàn)象；電機的體積較大，給運輸、安裝帶來一定問題，且成本高。

本文介紹了一種基于雙PWM變頻器全功率變流的籠型感應(yīng)電機風力發(fā)電系統(tǒng)。采用籠型轉(zhuǎn)子的異步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、耐用、成本低廉、體積小、便于維護，并可實現(xiàn)低電壓穿越，在風力發(fā)電系統(tǒng)中更具有競爭力。

1 電機側(cè)變流器控制策略[2- 4]

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)要求電機可在很寬的速度范圍內(nèi)運行，且為獲得最大風能，滿足最大風能跟蹤時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，還要求電機有很好的轉(zhuǎn)速跟蹤響應(yīng)[4]。本文采用的直接轉(zhuǎn)矩控制是一種高動態(tài)性能的交流電機調(diào)速技術(shù)，其控制器結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)魯棒性高，在動態(tài)過程中可獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性[5]，故該調(diào)速方式適用于異步風力發(fā)電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。此外，轉(zhuǎn)速反饋值采用無速度傳感器的控制方式，省略了速度傳感器與控制器之間的連線，提高了控制系統(tǒng)可靠性，也降低了系統(tǒng)成本。本文采用的籠型感應(yīng)發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示[2-4]。

圖1 籠型感應(yīng)發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)

籠型感應(yīng)電機在靜止兩相坐標系中磁鏈和轉(zhuǎn)矩表達式為[6-7]

(1)

式中：uαs、uβs——αβ坐標系下的定子電壓分量；

iαs、iβs——αβ坐標系下的定子電流分量；

ψαs、ψβs——αβ坐標系下的定子磁鏈分量；

Rdqs——dq坐標系下的定子等效電阻;

np——極對數(shù)；

Lm、Lr——互感、轉(zhuǎn)子電感；

γ——定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角；

ψs、ψr——定子、轉(zhuǎn)子的磁鏈矢量；

Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

不計定子電阻，定子的電壓與磁鏈的關(guān)系為

(2)

若轉(zhuǎn)子磁鏈保持不變，通過選擇不同的定子繞組電壓空間矢量us1可改變ψs的幅值大小和γ的大小，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。

靜止兩相坐標系下，定子電壓表示的轉(zhuǎn)子磁鏈模型，即參考模型為

(3)

以轉(zhuǎn)子電流表示的轉(zhuǎn)子磁鏈估計模型，即可調(diào)模型為

(4)

定義兩模型的輸出誤差為

(5)

(6)

圖2 模型參考自適應(yīng)速度觀測器

圖3 籠型感應(yīng)發(fā)電機無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖

兩相靜止坐標系下，定子磁鏈的幅值和相位角分別為

(7)

使用相位角判斷出磁鏈所在扇區(qū)Sn(n=1,2,…,6)，并將結(jié)果送電壓矢量選擇表模塊。電壓矢量選擇模塊接受磁鏈滯環(huán)控制器和轉(zhuǎn)矩控制器送來的信號和扇區(qū)信號，經(jīng)查表輸出相應(yīng)的電壓空間矢量及三相橋開關(guān)狀態(tài)(SA、SB、SC)到變流器。變流器電壓矢量選擇表如表1所示。

表1 變流器電壓矢量選擇表

2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器一方面控制直流電壓恒定，實現(xiàn)功率傳輸，另一方面控制系統(tǒng)發(fā)出的無功功率。本文采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略。將d軸與電網(wǎng)電壓矢量同向，θ為電網(wǎng)電壓矢量位置角，同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系下并網(wǎng)逆變器數(shù)學模型[9]為

(8)

式中：id、iq，urd、urq——逆變器交流側(cè)的電流分量，控制電壓分量；

ud、uq——三相電網(wǎng)電壓d、q分量；

L、R——電感和電阻；

ω——電網(wǎng)電壓角頻率。

式(8)表明，d、q軸電流分量除受電壓控制量urd、urq影響外，還受交叉耦合項ωLiq、ωLid擾動和電網(wǎng)電壓分量ud、uq的影響，給控制器的設(shè)計帶來困難，故需要一種解除d、q軸之間電流耦合的控制方法。引入id、iq的前饋解耦控制，并對ud、uq前饋補償。此處采用PI調(diào)節(jié)器作為電流控制器。

由于電網(wǎng)電壓空間合成矢量方向與d軸同相，則uq=0，忽略交流側(cè)電阻影響，經(jīng)前饋解耦和補償后，式(8)變?yōu)?/p>

(9)

式中：us——電網(wǎng)電動勢峰值；

Kp、Ki——電流調(diào)節(jié)器比例、積分增益；

網(wǎng)側(cè)變換器從電網(wǎng)吸收的有功功率和無功功率(感性)分別為

(10)

可知，當電網(wǎng)電壓恒定時，控制id即可控制網(wǎng)側(cè)輸入的有功功率，控制iq即可控制網(wǎng)側(cè)輸入的無功功率。故稱id為有功電流分量，iq為無功電流分量。電網(wǎng)電壓定向矢量控制如圖4所示。

當交流側(cè)輸入功率大于直流側(cè)負載消耗功率

圖4 電網(wǎng)電壓定向矢量控制

時，多余的功率會使直流環(huán)節(jié)電容電壓udc升高；反之，電容電壓會降低。故直流環(huán)節(jié)電壓可通過id控制。雙閉環(huán)控制得到的控制電壓分量經(jīng)坐標變換和SVPWM調(diào)制，輸出脈沖驅(qū)動網(wǎng)側(cè)變流器。

3 籠型感應(yīng)電機風力發(fā)電系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)計

3.2 仿真結(jié)果及分析

在0.9s時，風力機輸入轉(zhuǎn)矩由20N·m上升到30N·M，發(fā)電機給定轉(zhuǎn)速ωm由700r/min上升到800r/min，發(fā)電機實際和估計轉(zhuǎn)速波形分別如圖5、圖6所示。

圖5 發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速波形

圖6 發(fā)電機估計轉(zhuǎn)速波形

由圖5、圖6可知，當轉(zhuǎn)速突變時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速能很好地跟蹤給定轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機有功功率可調(diào)，故能實現(xiàn)最佳功率跟蹤控制時的轉(zhuǎn)速響應(yīng)。由圖6可知，轉(zhuǎn)速估計值有一定波動，波動絕對誤差≤±8r/min，相對誤差≤±1%，與實際接近。波動的產(chǎn)生是因為MRAS算法以參考模型為基礎(chǔ),參考模型與可調(diào)模型都與電機參數(shù)有關(guān),參數(shù)的準確程度直接影響到轉(zhuǎn)速辨識的效果，而不同工況下,電阻與電感參數(shù)將發(fā)生變化。

圖7 并網(wǎng)逆變器相電壓與相電流

圖8 直流側(cè)電壓

圖9 并網(wǎng)逆變器相電壓與相電流

4 結(jié) 語

由仿真結(jié)果可知，電機側(cè)采用無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制策略與網(wǎng)側(cè)采用電網(wǎng)電壓定向控制策略構(gòu)成的全功率變流籠型感應(yīng)風力發(fā)電控制系統(tǒng)，能較好實現(xiàn)最佳功率追蹤轉(zhuǎn)速響應(yīng)，網(wǎng)側(cè)有功和無功功率能實現(xiàn)解耦控制，功率因數(shù)可調(diào)。

【參考文獻】

[1] 賀益康,周鵬.變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)綜述[J].電工技術(shù)學報，2009，24(9)： 140-146.

[2] 吳競之.基于鼠籠電機全功率風力發(fā)電的系統(tǒng)分析與研究[D].上海： 上海交通大學，2011.

[3] 荊龍.鼠籠異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制[D].北京： 北京交通大學,2008.

[4] 喬明.采用異步發(fā)電機的風力發(fā)電系統(tǒng)研究[D].北京： 北京交通大學,2008.

[5] 丁學文.電力拖動運動控制系統(tǒng)[M].北京： 機械工業(yè)出版社,2007.

[6] 周楊忠，胡育文.交流電動機直接轉(zhuǎn)矩控制[M].北京： 機械工業(yè)出版社,2009.

[7] 黃文新,胡育文.籠型異步發(fā)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的研究[J].電工技術(shù)學報，2002，17(5)： 30-34.

[8] 王煥鋼,徐文立,楊耕.感應(yīng)電機無速度傳感器控制的自適應(yīng)轉(zhuǎn)速估計[J].電氣傳動，2002，(1)： 6-9.

[9] 李喆.永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)控制算法的一些研究[D].上海： 上海交通大學，2009.