基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究

林成武， 馬淑芳， 李 瑞

(青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555)

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基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機(jī)勵(lì)磁控制技術(shù)研究

林成武， 馬淑芳， 李 瑞

(青島濱海學(xué)院，山東 青島 266555)

基于定子磁場定向矢量控制理論，在dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，提出以定子側(cè)功率因數(shù)作為主要觀測和控制變量的勵(lì)磁控制策略，建立了功率因數(shù)調(diào)節(jié)方程和勵(lì)磁控制模型，分析了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁參數(shù)變化對功率因數(shù)和輸出功率的影響。理論分析表明，所提出的勵(lì)磁控制技術(shù)對變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制策略研究具有一定的參考價(jià)值。

雙饋電機(jī)； 矢量控制； 功率因數(shù)觀測； 勵(lì)磁控制

0 引 言

風(fēng)能是最重要的可再生能源之一，為廣泛存在、可自由索取的綠色能源。在地球面臨“能源危機(jī)、資源危機(jī)和環(huán)境危機(jī)”的狀況下，充分利用這種可再生能源有著重大意義，因此受到世界各國的高度重視。按2013年底的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量計(jì)算，我國在2001年至2013年間，年均復(fù)合增長率為57.12%[1]。當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、減輕單位千瓦重量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。其中，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為主力機(jī)型,在2009年全球新增風(fēng)電機(jī)組中，變速恒頻雙饋型機(jī)組占80%以上。目前，歐洲正在開發(fā)10MW的變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組[2]。這種風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)在于： 在額定風(fēng)速以下，保持最佳葉尖速比以獲得最佳風(fēng)能；在額定風(fēng)速以上，通過變槳距和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制相結(jié)合，調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，儲(chǔ)存或釋放部分能量，提高傳動(dòng)系統(tǒng)的柔性，使輸出功率保持穩(wěn)定[3- 4]。本文根據(jù)雙饋電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，提出了基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機(jī)勵(lì)磁控制策略，推導(dǎo)了功率因數(shù)調(diào)節(jié)特性方程，對轉(zhuǎn)子勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程進(jìn)行矢量分析，為雙饋電機(jī)勵(lì)磁控制理論和勵(lì)磁控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

1 雙饋電機(jī)定子磁場定向矢量控制原理

1.1 雙饋電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量圖

在現(xiàn)代電機(jī)控制系統(tǒng)過程中，根據(jù)不同的研究對象選取不同的坐標(biāo)系，就可以使方程中的某些變量變成零元素，從而達(dá)到解耦的目的。本文以并網(wǎng)型變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，建立雙饋電機(jī)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量圖和電壓、電流方程。

并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁控制系統(tǒng)和電網(wǎng)組成。

圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖

由于定子電壓和頻率為常數(shù)，如果忽略定子繞組的電阻，則定子電壓矢量U1滯后于定子磁鏈90°。在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，取d軸與定子磁鏈方向一致，則q軸與定子電壓矢量方向一致，定子電壓的d軸分量為0，定子磁鏈的q軸分量為0，這樣就簡化了雙饋電機(jī)控制模型[5]。根據(jù)雙饋電機(jī)定子磁場定向的基本原理，按發(fā)電機(jī)慣例，其矢量圖如圖2所示。

圖2 雙饋電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量圖

圖2直觀地展示了在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，雙饋電機(jī)定子側(cè)輸出參數(shù)和轉(zhuǎn)子側(cè)控制參數(shù)之間的相互關(guān)系，為雙饋電機(jī)電流、電壓方程和控制模型的建立打下了基礎(chǔ)。

1.2 電壓與電流關(guān)系方程

在abc三相靜止坐標(biāo)系下的雙饋電機(jī)方程為六階微分方程[6-8]。根據(jù)坐標(biāo)變換原理，轉(zhuǎn)換為dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的四階代數(shù)方程，即：

(1)

s——雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

若忽略定子電阻r1并考慮uq1=U1,ud1=0，可將雙饋電機(jī)電壓與電流關(guān)系方程簡化為

(2)

2 定子功率因數(shù)的矢量控制模型

根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系,定子電流的直軸分量id1和交軸分量iq1的正切角即定子功率因數(shù)角φ1為

(3)

轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓直軸分量ud1和交軸分量uq1為

(4)

由式(2)式得

(5)

(6)

將式(4)～式(6)代入式(3)，可得功率因數(shù)角為

(7)

(8)

由式(8)可知：

(1) 當(dāng)定子電壓U1、頻率、有功功率、轉(zhuǎn)速、定轉(zhuǎn)子電壓相位φ12保持不變時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)與轉(zhuǎn)子電壓的幅值有關(guān)。轉(zhuǎn)子電壓較小(欠勵(lì))時(shí)為容性；當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓增加到某一值時(shí)，功率因數(shù)為1；繼續(xù)增加轉(zhuǎn)子電壓，功率因數(shù)變?yōu)闇蟛⒅饾u減小。其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 功率因數(shù)與轉(zhuǎn)子電壓幅值的關(guān)系

(2) 當(dāng)定子電壓U1、頻率、有功功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子電壓幅值保持不變時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)與定轉(zhuǎn)子電壓的相位角φ12有關(guān)。夾角小時(shí)，轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量小(欠勵(lì))，功率因數(shù)為超前；隨著夾角的增大，轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量增加，功率因數(shù)角由超前變?yōu)闇?，如圖4所示。

圖4 定轉(zhuǎn)子電壓相位角與功率因數(shù)的關(guān)系

(3) 當(dāng)頻率、有功功率、定轉(zhuǎn)子電壓的相位角及幅值保持不變時(shí)，轉(zhuǎn)速變化，雙饋電機(jī)的功率因數(shù)也將發(fā)生變化。

所以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的幅值和定轉(zhuǎn)子電壓的相位角φ12，可以控制雙饋電機(jī)的功率因數(shù)。

3 勵(lì)磁控制過程的矢量分析

并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子電壓和頻率為恒定值，電機(jī)氣隙磁通近似為常數(shù)，即定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁分量之和是常數(shù)。

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)處于過勵(lì)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流較大，定子電流滯后于定子電壓，功率因數(shù)為感性，定子電流的無功分量與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的直軸分量方向相反，起去磁作用，以保持電機(jī)氣隙磁通恒定，如圖2所示。

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)處于欠勵(lì)狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)定子電流超前定子電壓，功率因數(shù)為容性，定子電流的無功分量與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的直軸分量方向相同，起增磁作用，以保持定子氣隙磁通為常數(shù)。

3.1 無功功率調(diào)節(jié)過程分析

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)輸出有功功率恒定而進(jìn)行無功功率調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)滿足條件：

i1cosφ1=iq1=常數(shù)

(9)

式(9)說明，若定子電流矢量在q軸上的投影保持不變，即可保持有功功率不變。所以，定子電流矢量i1端點(diǎn)的軌跡在雙饋發(fā)電機(jī)輸出不同的無功功率時(shí)為一條過定子電流矢量端點(diǎn)且垂直于q軸的直線，如圖5所示。定子電流矢量i1端點(diǎn)的軌跡為虛線m-m′。

其調(diào)節(jié)過程如下： 逐漸減小發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流i21→i22→i23,發(fā)電機(jī)定子電流由滯后電壓矢量向超前電壓矢量方向變化，即定子電流矢量的變化為i11→i12→i13，從輸出滯后無功功率改變?yōu)檩敵龀盁o功功率。定子電流的無功分量由去磁作用逐漸變?yōu)橹抛饔?，發(fā)電機(jī)氣隙磁通隨著轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的減弱而得到定子電流無功分量的補(bǔ)充，從而使系統(tǒng)吸收超前無功功率而穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 有功功率調(diào)節(jié)過程分析

當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)輸出無功功率恒定而進(jìn)行有功功率調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)滿足條件：

i1sinφ1=id1=常數(shù)

(10)

式(10)說明，定子的電流矢量i1在d軸上的投影應(yīng)保持不變。所以，定子電流矢量i1端點(diǎn)的軌跡在雙饋發(fā)電機(jī)輸出不同的有功功率時(shí)，為一條過定子電流矢量i1端點(diǎn)且平行于q軸的直線，如圖6所示。在進(jìn)行無功功率調(diào)節(jié)過程中，定子電流矢量i1端點(diǎn)的軌跡為虛線g-g′。

其控制過程如下： 逐漸增加雙饋發(fā)電機(jī)的輸出電流i11→i12→i13，其有功分量iq11→iq12→iq13。在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，發(fā)電機(jī)定子電流矢量i1的無功分量id1始終保持不變，從而使系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)輸出的有功功率。

綜上所述，由于雙饋發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)不僅反映了電機(jī)的勵(lì)磁程度，而且具有“標(biāo)幺值”的特點(diǎn)，只反映有功功率和無功功率的分配關(guān)系和無

圖6 無功功率恒定、有功功率變化時(shí)矢量圖

功功率的性質(zhì)(超前或滯后)，而與有功功率和無功功率的量值無關(guān)。

4 結(jié) 語

(1) 雙饋電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)需要觀測和控制的諸多變量中，定子繞組功率因數(shù)對系統(tǒng)運(yùn)行狀況的反映具有全局性。其不僅顯示了發(fā)電機(jī)輸出有功和無功功率的分配關(guān)系，還能反映電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電流的變化。

(2) 在dq軸同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)下，建立的定子側(cè)功率因數(shù)控制模型與理論分析一致，直觀地反映了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁參數(shù)變化對功率因數(shù)和輸出功率的影響。

(3) 功率因數(shù)具有“標(biāo)幺值”的特點(diǎn)，以定子側(cè)功率因數(shù)作為主要觀測和控制變量，便于對不同容量雙饋電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的共性問題進(jìn)行研究。

(4) 本文提出的基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機(jī)勵(lì)磁模型和控制策略，對于及時(shí)了解雙饋電機(jī)系統(tǒng)總體運(yùn)行狀況和采取相應(yīng)的控制措施具有重要的意義。

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Study on Doubly-Fed Motor Excitation Control Technology Based on Stator Power Factor Observation

LINChengwu,MAShufang,LIRui

(Qingdao Binhai University, Qingdao 266555， China)

Based on the stator field oriented vector control theory and in the axis synchronous rotating coordinate system in thedq, proposed that using stator side power factor as the excitation control strategy of main observations and control variables, established the power factor adjustment equation and the excitation control model, and analyzed the impact of rotor excitation parameters variation on power factor and output power. Theoretical analysis indicated that the proposed excitation control technique has some reference value to the design of VSCF double fed wind generator and the study of control strategy.

double fed motor; vector control; power factor observation; excitation control

林成武(1955—)，男，博士研究生，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電機(jī)控制技術(shù)。

馬淑芳(1978—)，女，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)10- 0024- 04

2016-07-08

李 瑞(1981—)，女，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)。