雙饋異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方法改進(jìn)研究

康朋飛 黨幼云 方露

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的不斷增大，提高風(fēng)能利用率和風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行效率已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。為了提高風(fēng)能利用效率、保證功率輸出的穩(wěn)定，針對(duì)風(fēng)波動(dòng)變化較快的特點(diǎn)，本文基于雙饋風(fēng)電系統(tǒng)對(duì)變速恒頻技術(shù)進(jìn)行分析研究，采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，并以陣風(fēng)為例，通過MATLAB仿真軟件對(duì)不同風(fēng)速下的風(fēng)電機(jī)組變速恒頻動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行控制、仿真分析，對(duì)有效提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率有明顯作用。

關(guān)鍵詞：變速恒頻；直接轉(zhuǎn)矩；利用效率；波動(dòng)

隨著能源問題的日益嚴(yán)峻，世界各國競相發(fā)展可再生能源。風(fēng)能憑借其綠色環(huán)保、容易開發(fā)、性價(jià)比高等優(yōu)勢得到了世界各國的認(rèn)可，是目前世界上發(fā)展得最快的可再生能源[1]。風(fēng)速的隨機(jī)性，不確定性特點(diǎn)導(dǎo)致風(fēng)電場的輸出功率不斷波動(dòng)和震蕩，如果接入電網(wǎng)勢必會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一系列不良影響，所以在風(fēng)電穿透功率較大的電網(wǎng)中，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性顯得極為重要，尤其是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和直接轉(zhuǎn)矩的控制方法。本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制問題展開研究，通過對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)不同風(fēng)速下的風(fēng)電機(jī)組變速恒頻動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析，以提高風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率。

1 直接轉(zhuǎn)矩控制概述

直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡單地通過檢測電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制[2]。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是利用空間矢量、定子磁場定向分析方法，直接在定子坐標(biāo)系下分析雙饋異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)器（Band-Band調(diào)節(jié)器控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小是由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出[3]。它的控制效果是不取決于異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩實(shí)際狀況，它不需要將交流電動(dòng)機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)作比較、等效、轉(zhuǎn)化，也不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標(biāo)變換與計(jì)算和為解耦和簡化異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型，沒有通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，所以它的控制結(jié)構(gòu)比較簡單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制的方式。和矢量控制方式比較，直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只需要知道定子電阻就可以把它檢測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉(zhuǎn)子磁鏈，觀測轉(zhuǎn)子磁鏈需要知道電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻與電感。以至于直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響。直接轉(zhuǎn)矩控制強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制以達(dá)到所需效果。與矢量控制方法不同的是，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是被控量直接轉(zhuǎn)矩，對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制或直接控制轉(zhuǎn)矩，既簡化又直接[4]。

雙饋發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈速度來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的輸出功率。在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系上建立它的數(shù)學(xué)模型，定子繞組直接接電網(wǎng)，使定子磁鏈基本上保持恒定；轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值由饋入的三相交流電壓決定，通過磁通角θ的變化和空間電壓矢量的選擇來控制轉(zhuǎn)矩的大小[5]。

2 雙饋發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法的改進(jìn)研究

2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的構(gòu)成

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)按照功能結(jié)構(gòu)可由PWM逆變器模塊，轉(zhuǎn)子磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊，轉(zhuǎn)子磁鏈、轉(zhuǎn)矩滯環(huán)調(diào)節(jié)模塊，轉(zhuǎn)子磁鏈區(qū)間判定模塊，電壓矢量選擇模塊五個(gè)部分構(gòu)成[6]。

作為雙饋異步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的核心部分，逆變器起著連接電源和發(fā)電機(jī)的橋梁作用，對(duì)電機(jī)的調(diào)節(jié)就可以通過對(duì)逆變器調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)[7]。因此，PWM逆變器控制算法對(duì)于風(fēng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制相當(dāng)重要。

2.2 PWM逆變器控制算法改進(jìn)

圖2.1所示為星形連接理想電壓型逆變器的主電路圖，直流電源udc被分成各為udc/2的兩部分，其中點(diǎn)O為零電位，Sa、 Sb、Sc表示同一橋臂上兩個(gè)開關(guān)的狀態(tài)，ua、ub、uc用來表示三相電壓，若Sa=1表示a相導(dǎo)通用“1”表示，否則a相關(guān)斷，就用“0”表示。b、c相同理[8]。

以a相為例，其輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

雙饋發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制是在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行運(yùn)算的，其中所用的

基本電壓矢量ur（t）是由式（2-2）定義。

其中，ua、ub、uc分別為a、b、c三相轉(zhuǎn)子（或定子）繞組的相電壓，它們在相位上互差120°。

設(shè)逆變器輸入電壓為udc，則其輸出的三相相電壓分別為：

對(duì)電機(jī)的控制正是通過控制逆變器的開關(guān)狀態(tài)來改變電機(jī)的定子側(cè)電壓的幅值和頻率，從而使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，達(dá)到變頻調(diào)速的目的[9]。

2.3 直接轉(zhuǎn)矩控制

電壓矢量選擇模型的開關(guān)狀態(tài)是事先確定好的，當(dāng)系統(tǒng)采樣時(shí)間越小，開關(guān)狀態(tài)切換的頻率就越高，所得到的轉(zhuǎn)子磁鏈平均旋轉(zhuǎn)速度越均勻，因而電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)也越小[10]。當(dāng)然這樣對(duì)功率器件的要求較高，開關(guān)損耗也會(huì)增加。

由直接轉(zhuǎn)矩控制的仿真框圖所測得信號(hào)電壓電流信號(hào)分別經(jīng)過坐標(biāo)變換，得到udc、uqr、idr、iqr，并通過磁鏈轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊計(jì)算出電磁轉(zhuǎn)矩Te，轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值―Ψe―，d軸分量Ψdr，q軸分量Ψqr。磁鏈區(qū)間判斷模塊利用磁鏈的兩個(gè)分量信號(hào)判斷出轉(zhuǎn)子磁鏈所在區(qū)間信號(hào)θ，同時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)矩T與反饋轉(zhuǎn)矩T*進(jìn)行比較后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)信號(hào)τ，實(shí)際磁鏈Ψr與反饋轉(zhuǎn)矩 Ψ*r進(jìn)行比較，經(jīng)過處理后得到磁鏈滯環(huán)比較輸出，三個(gè)變量共同作為開關(guān)電壓矢量選擇模塊的輸入量，由該模塊實(shí)現(xiàn)正確的電壓選擇，輸出量即為逆變器輸入端需要的空間電壓矢量，從而對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行最有效的控制[11]。

3 雙饋發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制改進(jìn)方法的仿真實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真數(shù)據(jù)

系統(tǒng)仿真參照SEC-1250KW風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)，詳細(xì)參數(shù)見下表3.1所示，由于不牽扯變槳問題，槳距角設(shè)置為最優(yōu)值β=00。

仿真中的風(fēng)速模型采用了陣風(fēng)為例[12]，仿真出在陣風(fēng)情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。其中基本風(fēng)速為7m/s，陣風(fēng)起始時(shí)間2.2s，周期4s，最大峰值為1m/s；

3.2 仿真結(jié)果

由圖3.1-3.4可知，在陣風(fēng)條件下，風(fēng)電機(jī)組各個(gè)部分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性比較穩(wěn)定，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)子側(cè)的控制效果比較理想。所以在風(fēng)速變化時(shí)發(fā)電機(jī)基本可以穩(wěn)定的發(fā)電，在提高發(fā)電的同時(shí)，對(duì)風(fēng)機(jī)也得到了有效的保護(hù)。

4 結(jié)語

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是雙饋異步發(fā)電機(jī)的一種重要的控制系統(tǒng)，如何使其發(fā)揮重大作用，以使雙饋異步發(fā)電機(jī)能更有效的應(yīng)用，是當(dāng)前研究的熱門問題。本文主要對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)部分進(jìn)行了研究和分析。通過對(duì)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制方法改進(jìn)，并對(duì)風(fēng)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的變速恒頻動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行分析，建立風(fēng)電機(jī)組變速恒頻動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性仿真模型[13]。并以陣風(fēng)為例，對(duì)不同風(fēng)速下的風(fēng)電機(jī)組變速恒頻動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析，有效提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)效率。

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