離網(wǎng)型微水電交流勵磁控制策略研究

葉陽建，肖蕙蕙， 李　山， 古　亮

(重慶理工大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，重慶　400054)

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離網(wǎng)型微水電交流勵磁控制策略研究

葉陽建，肖蕙蕙， 李山， 古亮

(重慶理工大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院，重慶400054)

摘要：為提高離網(wǎng)微水電輸出電壓的穩(wěn)定性和微水資源利用率，將交流勵磁發(fā)電機的勵磁矢量控制技術(shù)應(yīng)用于離網(wǎng)型微水電中進行分析研究。首先，闡明了離網(wǎng)型微水電交流勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；其次，分析并建立了交流勵磁發(fā)電機和雙PWM的數(shù)學(xué)模型；然后在此基礎(chǔ)上，探討了離網(wǎng)運行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子側(cè)變換器和定子側(cè)變換器勵磁矢量控制策略，分別用于定、轉(zhuǎn)子變換器的控制；最后，基于Matlab仿真平臺，建立了相應(yīng)的仿真模型，對離網(wǎng)微水電交流勵磁控制系統(tǒng)中平衡負載的變化進行了仿真研究，從而驗證了策略的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：離網(wǎng)；微水電；交流勵磁；雙PWM控制

為緩解能源緊缺形勢，保護生態(tài)環(huán)境，各國越來越重視光伏、風(fēng)能、微水能等可再生清潔能源發(fā)電技術(shù)的研究。微水電是微型水力發(fā)電的簡稱，是指功率小于100 kW、利用電力負荷周圍的微小水力資源發(fā)電，離網(wǎng)運行、無需變電、直接供用戶使用的水力發(fā)電系統(tǒng)[1]。在我國偏遠地區(qū)，微水資源蘊藏豐富，且微水電具有送電線路簡單、維護方便、成本低、無污染等優(yōu)點，特別適用于電網(wǎng)未能覆蓋的偏遠地區(qū)。微水電是解決環(huán)境與資源矛盾的重要途徑，發(fā)展環(huán)境友好型的微型水力發(fā)電技術(shù)符合國家大力開發(fā)新能源的戰(zhàn)略要求。

目前，國內(nèi)常用的微水電發(fā)電機主要有永磁同步發(fā)電機、三次諧波勵磁同步發(fā)電機、異步發(fā)電機。理論上，它們均適用于離網(wǎng)型發(fā)電系統(tǒng)，但是永磁同步發(fā)電機難以通過調(diào)節(jié)磁場來控制電壓，且對永磁材料[2]的技術(shù)性能要求很高；三次諧波勵磁同步發(fā)電機價格昂貴，難以推廣[1]；異步發(fā)電機的實際應(yīng)用則是以穩(wěn)定的電壓為前提的。在研究過程中，提出了許多穩(wěn)壓措施，如并聯(lián)電容器來提供勵磁電流，或采用靜止同步補償器[3]穩(wěn)定定子電壓，但控制精度往往要求較高，且不適用于負載波動大的場合[4]。交流勵磁發(fā)電機又被稱為雙饋發(fā)電機，當(dāng)釆用轉(zhuǎn)子交流勵磁控制時[5-7]，能通過負載和發(fā)電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)勵磁電流，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓、有功和無功功率，提高電能質(zhì)量等。目前，基于雙饋發(fā)電機的離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和柴-風(fēng)互補發(fā)電系統(tǒng)都進行了理論和實踐研究，取得了一定的研究成果[8-14]，但離網(wǎng)型微水電還缺乏相應(yīng)的研究。此外，微水電離網(wǎng)運行，容量小，電壓和頻率受負載和電機轉(zhuǎn)速變化的影響大，表現(xiàn)為輸出電壓的幅值和頻率不穩(wěn)定。為此，本文將交流勵磁應(yīng)用于離網(wǎng)微水電控制系統(tǒng)，使其建立一個穩(wěn)定的三相定子電壓，滿足用電負荷的要求，有利于提高微水能的利用率和解決偏遠貧困地區(qū)人民生活和生產(chǎn)用電問題。

本文首先介紹了離網(wǎng)型微水電交流勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；其次，分析并建立了雙饋發(fā)電機和雙PWM的數(shù)學(xué)模型；在此基礎(chǔ)上探討了雙PWM變換器的控制策略，分別對定子側(cè)變換器(stator side converter，SSC)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器(rotor side converter，RSC)進行控制。最后，進行了仿真實驗，證明了雙PWM控制策略的可行性。

1離網(wǎng)型微水發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其勵磁控制策略

獨立運行的微水發(fā)電系統(tǒng)又稱為離網(wǎng)型微水發(fā)電系統(tǒng)，其主要由微水輪機、交流勵磁發(fā)電機、變換器和負載組成。該系統(tǒng)中變換器有交-交和交-直-交兩種電路結(jié)構(gòu)。前者為頻率一次變換，功率雙向流動，省去中間直流環(huán)節(jié)，被廣泛用于大功率場合，但由于功率因數(shù)低，會產(chǎn)生脈動的電磁轉(zhuǎn)矩，減少電機的壽命和降低供電質(zhì)量。另外，交-交變頻器自身會產(chǎn)生大量高次諧波，極大影響供電可靠性。解決上述問題的常用措施是增加變換器的脈沖波數(shù)或者采用矩陣式變換器，但前者需要增加晶閘管數(shù)量，后者的驅(qū)動和保護電路比較復(fù)雜。另外，離網(wǎng)微水電的控制目標為電壓，必須建立一個穩(wěn)定的輸出電壓，以便向負荷穩(wěn)定供電。

本文采用如圖1所示的交-直-交的勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的“背靠背”連接的電壓源型PWM變換器組成。雙PWM變換器兩端結(jié)構(gòu)對稱，且通過中間電容相互解耦，根據(jù)功率傳遞方向交互完成整流和逆變的過程。

在圖1中，與發(fā)電機定子相連的是定子側(cè)變換器，目標是建立穩(wěn)定的中間直流電容電壓Udc，使發(fā)電機得到勵磁能量；與發(fā)電機轉(zhuǎn)子相連的是轉(zhuǎn)子側(cè)變換器，目標是根據(jù)負載的特性建立平衡的三相對稱電壓[15]，即系統(tǒng)通過對雙PWM變換器的控制[7]來實現(xiàn)交流勵磁發(fā)電機的控制。同時，在與交流勵磁發(fā)電機、負載和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器聯(lián)接位置加入濾波電感Lg和濾波電容Cg，以提高用電負荷的質(zhì)量。

圖1　離網(wǎng)型微水發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在離網(wǎng)型微水電交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)中，無論是設(shè)計勵磁控制策略，還是研究系統(tǒng)負載特性，都必須對交流勵磁發(fā)電機和雙PWM結(jié)構(gòu)的模型進行分析，從而為穩(wěn)壓控制策略提供理論基礎(chǔ)[9]。

1.1交流勵磁發(fā)電機數(shù)學(xué)模型

理想條件下，交流勵磁發(fā)電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的磁鏈方程為[9,10,14-17]：

(1)

電壓方程為：

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩和運動方程為：

(3)

式中：D為微分算子；ψs，ψr為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈；R為電阻；Lm為定轉(zhuǎn)子間互感；ω1和ω2為電機同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度，且滿足ω2=ω1-ωr，ωr為電機轉(zhuǎn)子的角速度；s為轉(zhuǎn)差率；J為轉(zhuǎn)動慣量；np為電機極對數(shù)；Tem，Tm分別為電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩[9]。

1.2控制模型及策略

離網(wǎng)型微水電交流勵磁系統(tǒng)的控制實質(zhì)是對雙PWM變換器的控制。本文采用背靠背的雙PWM變換器對交流勵磁發(fā)電機進行控制，控制策略分為轉(zhuǎn)子側(cè)控制和定子側(cè)控制。因此，對雙PWM變換器控制的分析可以分解為分別對轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)變換器控制進行分析[14-17]。

1.2.1轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略

在離網(wǎng)型微水電交流勵磁控制系統(tǒng)中，對交流勵磁發(fā)電機的控制主要通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變換器實現(xiàn)。由于雙PWM變換器兩端相互解耦，故可將RSC視為逆變器，即一個逆變器對雙饋電機的驅(qū)動控制[16]，建立一個平衡三相的定子電壓，以滿足負載對電能的需求。

在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，將定子磁鏈定向在d軸上[9,10,18]，有

(4)

式中，ψs為定子磁鏈的幅值。因此，交流勵磁發(fā)電機磁鏈和電壓方程可簡化為：

則有

(7)

式中，ims為常規(guī)的勵磁電流。當(dāng)定子磁鏈定向d軸時，轉(zhuǎn)子電壓用轉(zhuǎn)子電流表示為

(8)

離網(wǎng)型微水電中，定子電壓由轉(zhuǎn)子電勢感生所得，但是轉(zhuǎn)子電勢受控于轉(zhuǎn)子電流。為建立三相平衡的定子電壓，將定子電壓作為控制外環(huán)，轉(zhuǎn)子電流作為控制內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)子電壓作為轉(zhuǎn)子電流反饋環(huán)中的控制量。式(8)中以d軸為例，轉(zhuǎn)子d軸電壓中不僅含有轉(zhuǎn)子d軸電流產(chǎn)生的電勢差項、轉(zhuǎn)子q軸電流產(chǎn)生的交叉耦合項，也包含了轉(zhuǎn)子d軸電壓和d軸電流的微分項。將上述幾項視為擾動項，轉(zhuǎn)子q軸電壓同上處理。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子d-q軸電壓近似解耦，需在反饋環(huán)中進行前饋補償操作，以抵消擾動造成的影響，提高系統(tǒng)控制的精度，從而達到交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子d、q軸電壓僅取決于自身的轉(zhuǎn)子d、q軸電流的控制目的。另外，轉(zhuǎn)子d-q軸電壓與其電流之間的傳遞函數(shù)是一階微分環(huán)節(jié)，可在前向控制回路中采用PI控制器對內(nèi)環(huán)電流誤差進行調(diào)節(jié)[10]，即得到轉(zhuǎn)子外環(huán)d-q軸電壓的參考值。

(9)

(10)

式(10)表明：當(dāng)釆用前饋補償時，可將轉(zhuǎn)子內(nèi)環(huán)d-q軸電流完全解耦，很大程度上簡化了控制系統(tǒng)的設(shè)計。由圖1可知，發(fā)電機定子端與負載的公共連接點上有濾波電容Cg，其與系統(tǒng)負載之間存在以下關(guān)系[10,17]:

(11)

其中，igd，igq分別是PWM變換器交流側(cè)電流在d軸和q軸上的分量。

將式(7)代入式(11)，得定子磁鏈定向坐標系下的系統(tǒng)方程：

(12)

由式(12)可得式(13)，即定子電壓外環(huán)控制的轉(zhuǎn)子電流參考值[10]。

(13)

在忽略雙饋電機定子電阻的前提下，定子電壓只與定子磁鏈有關(guān)，且與定子磁鏈矢量相差90°，則定子側(cè)電壓可表示為：

(14)

其中us為定子電壓幅值，具體控制框圖[10,16]如圖2所示。

圖2　基于定子磁鏈定向的轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制框圖

1.2.2定子側(cè)變換器控制策略

在圖1所示的離網(wǎng)型微水電中，SSC控制的主要目標是建立穩(wěn)定的直流側(cè)電容電壓，從而為發(fā)電機勵磁提供能量。為簡化定子側(cè)變換器，仍在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下進行設(shè)計。PWM變換器在d-q坐標系下的數(shù)學(xué)模型為[10,16]：

(15)

其中：usd，usq分別是定子電壓d軸和q軸上的分量；Vd =SdVdc和Vq =SqVdc分別為定子側(cè)交流端電壓d軸和q軸分量；Sd和Sq為PWM變換器的開關(guān)函數(shù)d，q軸分量。

為得到理想的中間直流電壓，將直流電壓設(shè)為控制外環(huán)，而定子側(cè)變換器兩端的電壓受交流側(cè)電流影響，故將交流側(cè)電流作為控制內(nèi)環(huán)。由式(15)可知：定子側(cè)變換器兩端電壓的d、q軸分量存在交叉耦合項，需釆用前饋控制來消除耦合項；另外，因定子側(cè)變換器兩端電壓和電流為一階微分環(huán)節(jié)，故也采用PI控制器[10]。

定子側(cè)電壓的d軸和q軸分量的參考值如下式(16)所示[16]

(16)

圖3　基于定子電壓定向的定子側(cè)變換器控制框圖

2仿真分析

基于Matlab/simulink搭建了仿真平臺。其中，轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)變換器分別采用圖2、3的控制策略。

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的波形如圖4所示。發(fā)電機定子輸出電壓在穩(wěn)態(tài)時，電壓幅值維持在180 V，且三相定、轉(zhuǎn)子電流波形滿足正弦波形輸出要求；從圖4(d)可知：直流電壓穩(wěn)定在400 V附近，波動較小，使得定、轉(zhuǎn)子兩端控制器能相互完全解耦，驗證了上述解耦控制策略的可行性與有效性。

圖4　系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)波形

為進一步貼近實際工況，對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)后突加減負載的情況進行仿真。初始負載為三相R=20 Ω、L=3 mH的感性負載，0.3 s時在系統(tǒng)三相負載中分別并入一個20 Ω、L=3 mH的三相感性負載，持續(xù)時間為0.1 s。相應(yīng)的三相定子電壓和電流以及轉(zhuǎn)子電流、中間直流電壓的動態(tài)響應(yīng)波形見圖5(a)～(d)。

圖5　突加負載前后系統(tǒng)波形

由上述波形可知：盡管中間直流電壓有較小的波動，但基本維持在400 V，從而使得定、轉(zhuǎn)子變換器兩端解耦控制，最終得到穩(wěn)定的三相定子電壓。三相定、轉(zhuǎn)子電流會隨著負載的突增而增大，經(jīng)過系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)，達到新的平衡狀態(tài)。同理可知，突減負荷時，系統(tǒng)也能保持穩(wěn)定。上述仿真曲線結(jié)果表明：突加、減負載時，本文針對離網(wǎng)型微水電交流勵磁控制系統(tǒng)采用的定、轉(zhuǎn)子變換器控制策略是可行的，且系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。

3結(jié)束語

本文針對離網(wǎng)型微水交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定性進行了理論研究和仿真驗證。首先，采用交流勵磁發(fā)電機和雙PWM變換器；其次，在分析交流勵磁發(fā)電機和雙PWM變換器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分別建立了基于同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型；然后，針對離網(wǎng)型微水電中定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的控制目標，確立了控制策略；最后，搭建了實驗仿真模型，對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行和負荷突變的情形進行了仿真。仿真結(jié)果表明：基于雙PWM拓撲結(jié)構(gòu)的定子磁場定向的勵磁控制系統(tǒng)具有良好的動、穩(wěn)態(tài)性能，驗證了該控制策略的可行性和有效性。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Research of Ac Excitation Control Strategy for Off-Grid Micro Hydropower

YE Yang-jian, XIAO Hui-hui, LI Shan, GU Liang

(College of Electronic Information and Automation,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:To improve the output voltage stability of the off-grid micro hydropower and utilization of micro water resources, this article brought the ac excitation generator excitation vector control technology to the off-grid micro hydropower and made an in-depth analysis and research. Firstly, this paper introduced the off-grid micro hydropower structure of ac excitation system. Secondly, we analyzed and established the mathematical model of ac excitation generator and dual PWM converter. Then on this basis, we discussed the excitation vector control strategy of the rotor side converter and the stator side converter under the off-grid running status, respectively for controlling the stator and the rotor side converter side converter. Finally, based on the simulation platform of Matlab/Simulink, we established the corresponding simulation model and carried out simulation research for the off-grid micro hydropower ac excitation control system of balanced load change, verifying the feasibility and validity of the control strategy.

Key words:off-grid; micro hydropower; ac excitation; dual-PWM control

文章編號：1674-8425(2016)02-0119-08

中圖分類號：TK39；TM301.2

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.02.021

作者簡介：葉陽建(1989—)，男，碩士研究生，湖南株洲人，主要從事電氣設(shè)備測試與控制研究；肖蕙蕙(1964—)，女，教授，湖南衡陽人，主要從事自動控制理論及應(yīng)用研究。

基金項目：重慶市教委科研基金項目(KJ1400914)；重慶市科委科研基金項目(cstc2013jcyjA90019)

收稿日期：2015-10-15

引用格式：葉陽建，肖蕙蕙， 李山， 等.離網(wǎng)型微水電交流勵磁控制策略研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016(2):119-126.

Citation format：YE Yang-jian, XIAO Hui-hui, LI Shan, et al.Research of Ac Excitation Control Strategy for Off-Grid Micro Hydropower[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(2):119-126.