雙級矩陣變換器雙饋感應(yīng)電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)矢量控制

戴 斌, 宋衛(wèi)章

(1. 運(yùn)城學(xué)院,山西 運(yùn)城 044000；2. 西安理工大學(xué),陜西 西安 710048)

戴 斌1, 宋衛(wèi)章2

(1. 運(yùn)城學(xué)院,山西 運(yùn)城 044000；2. 西安理工大學(xué),陜西 西安 710048)

以雙級矩陣變換器(TSMC)勵(lì)磁的變速恒頻發(fā)電控制系統(tǒng)作為研究對象,對TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制策略進(jìn)行了分析，并推導(dǎo)了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)工作原理和數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，將TSMC作為DFIG勵(lì)磁電源，推導(dǎo)了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子磁場定向矢量控制策略表達(dá)式；其次制作樣機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到空載和亞同步、同步、超同步狀態(tài)下的部分并網(wǎng)試驗(yàn)結(jié)果。良好的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性和有效性。

雙級矩陣變換器; 雙饋感應(yīng)電機(jī); 變速恒頻; 定子磁場定向; 矢量控制

0 引 言

矩陣變換器工作原理在20世紀(jì)80年代被提出，隨著電力電子器件和微處理器技術(shù)的發(fā)展，矩陣變換器越來越引起人們的廣泛關(guān)注和重視，并且取得了一些突破。

同樣，近年來風(fēng)力發(fā)電因其獨(dú)特的優(yōu)勢在可再生能源中備受關(guān)注。變速恒頻發(fā)電技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢在眾多風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)中脫穎而出。變速恒頻矢量控制技術(shù)是通過在不同風(fēng)速下控制轉(zhuǎn)子頻率變化來保證定子電壓始終與電網(wǎng)電壓同頻同幅值，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電安全穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電。

將兩者結(jié)合，充分發(fā)揮兩者優(yōu)勢吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注。國外學(xué)者K.Ghedamsi等將常規(guī)矩陣變換器(Conventional Matrix Converter, CMC)應(yīng)用于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證；在國內(nèi)，浙江大學(xué)、重慶大學(xué)等，結(jié)合CMC、交流勵(lì)磁發(fā)電技術(shù)及矢量控制的優(yōu)點(diǎn)，建立了CMC勵(lì)磁的(Variable Speed Constant Frequency， VSCF)交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)的矢量變換控制[1]系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了仿真研究。

雖然雙級矩陣變換器(Two Stage Matrix Converter, TSMC)比CMC更有優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Γ珜SMC應(yīng)用于VSCF雙饋發(fā)電機(jī)(Doubly-Fed Induction Generator， DFIG)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)[2]，目前還處于研究階段，因此對于這方面的探索研究顯得很有必要。

本文選定TSMC作為DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)勵(lì)磁電源，并對兩者結(jié)合后的控制策略展開研究。分析了TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制策略以及變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)定子磁場定向矢量控制策略，推導(dǎo)了矢量控制表達(dá)式，給出了系統(tǒng)空載并網(wǎng)理論依據(jù)，并搭建了1臺TSMC勵(lì)磁的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在亞同步、同步、超同步3種狀態(tài)下均能實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)發(fā)電，且輸出電能質(zhì)量高。良好的結(jié)果驗(yàn)證了控制方案的正確性及有效性，也為矩陣變換器將來的市場應(yīng)用開辟了基礎(chǔ)，同時(shí)也為風(fēng)電變換器開辟了新途徑。

1 TSMC基本理論

1.1 TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

TSMC由輸入濾波器、可控整流級和逆變級組成，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 18開關(guān)TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 TSMC的間接空間矢量調(diào)制

定義輸入三相輸入電壓為

(1)

式中:U1——輸入相電壓幅值；ω1——輸入電壓角頻率。

假設(shè)輸入電壓平衡，如圖2所示，以相電壓過零點(diǎn)將輸入相電壓的每個(gè)周期分為6個(gè)區(qū)間，會出現(xiàn)兩種情況。第1種： 兩相輸入電壓為正，另一相為負(fù)；第2種： 兩相輸入相電壓為負(fù)，另一相為正。這樣每1個(gè)區(qū)間都有2個(gè)最大且極性為正的線電壓，因此每個(gè)PWM調(diào)制周期可分為2個(gè)階段，在每個(gè)階段直流側(cè)將輸出2個(gè)最大且極性為正的線電壓。

圖2 輸入電壓區(qū)間劃分

如圖3(a)所示，6個(gè)有效矢量和3個(gè)零矢量合成整流級空間矢量。在第1區(qū)間中，參考電流矢量Iref由Iab和Iac合成，為產(chǎn)生有效矢量Iab和Iac，直流側(cè)正極一直與a相連接，直流側(cè)負(fù)極N分別與b、c相連接。

圖3 整流級與逆變級空間矢量合成圖

為了進(jìn)一步說明間接空間矢量脈寬調(diào)制方法，假設(shè)整流級工作在第一區(qū)間，逆變級輸出電壓也在第一扇區(qū)，分別如圖3(a)和圖3(b)所示?？赏茖?dǎo)出整流級有效矢量占空比dγ、dδ分別為

dγ=mIsin(π/3-θin),dδ=mIsin(θin)

(2)

式中：mI——整流級調(diào)制度；θin——電流參考矢量Iref與右邊相鄰矢量Iab的夾角。

在整流級調(diào)制策略中不考慮零矢量，開關(guān)狀態(tài)僅有兩個(gè)有效矢量Iab和Iac構(gòu)成，即dab+dac=1，可推導(dǎo)出在一個(gè)開關(guān)周期中占空比為

(3)

直流側(cè)輸出電壓平均值為

(4)

直流側(cè)電壓平均值最大最小值分別為

(5)

同理，可得一個(gè)PWM周期里整流級所有區(qū)間的開關(guān)狀態(tài)，如表1所示。

表1 整流級各區(qū)間開關(guān)狀態(tài)與直流側(cè)輸出電壓

由于空間矢量調(diào)制策略能很方便地減小輸出電壓諧波，所以被廣泛應(yīng)用在逆變器控制中，在TSMC逆變級中也同樣適用。參考矢量Uref在第一扇區(qū)，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分別由兩個(gè)有效矢量U1、U2及兩個(gè)零矢量U0、U7合成，如圖3(b)所示。

(6)

(7)

d0=d7=0.5(1-d1-d2)

(8)

式中:θout——輸出電壓矢量Uref相角；d1,d2,d0,d7——輸出電壓合成矢量U1,U2,U0,U7的占空比。

相比傳統(tǒng)逆變器，TSMC整流級輸出電壓是波動的，所以要對整流級和逆變級進(jìn)行協(xié)調(diào)，因此有效矢量和零矢量的占空比可寫為

(9)

2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)是靠轉(zhuǎn)子勵(lì)磁變頻器(此處用的是TSMC)改變轉(zhuǎn)子頻率來保證定子頻率恒定的。TSMC勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 TSMC勵(lì)磁的雙饋發(fā)電系統(tǒng)

對于雙饋電機(jī)有

(10)

式中：f1——定子頻率；f2——轉(zhuǎn)子供電頻率；n——雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速；p——電機(jī)極對數(shù)。

可知當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n發(fā)生變化時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的供電頻率f2，可保持f1不變，即定子饋電頻率f1與電網(wǎng)保持一致。

2.1 雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型可表示如下。

定子電壓方程：

(11)

轉(zhuǎn)子電壓方程:

(12)

定子磁鏈方程:

(13)

轉(zhuǎn)子磁鏈方程：

(14)

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

(15)

式中:ω1——同步速；ωs——轉(zhuǎn)差頻率，ωs=ω1-ωr;ωr——電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 定子磁場定向矢量控制

要實(shí)現(xiàn)變量之間的解耦，可以采用定子磁場定向。定子磁場定向矢量圖[3]如圖5所示。

圖5 定子磁場定向矢量圖

應(yīng)使同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)M軸與定子綜合磁鏈相重合。由于T軸超前M軸90°，則有

(16)

工頻條件下，發(fā)電機(jī)定子電阻遠(yuǎn)小于定子繞組電抗，所以忽略定子電阻壓降。采用模不變型變換矩陣，在兩軸坐標(biāo)系中相電壓綜合矢量的模為三相系統(tǒng)相電壓的幅值um，因此：

(17)

將式(16)代入式(13)中得

(18)

將式(18)代入式(14)可得

(19)

則由式(12)可得

(20)

式中，轉(zhuǎn)子電壓電流除了一階微分關(guān)系，還存在交叉耦合。因此將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)，u′Mr、u′Tr是轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流的解耦項(xiàng)，ΔuMr、ΔuTr可對轉(zhuǎn)子電壓電流交叉耦合進(jìn)行補(bǔ)償。這樣可提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)并保證控制精度又簡單易實(shí)現(xiàn)。實(shí)質(zhì)上是通過引入交叉耦合的補(bǔ)償項(xiàng)來對轉(zhuǎn)子電流實(shí)現(xiàn)解耦，并且提高了電流控制環(huán)的動靜態(tài)性能。

圖6 TSMC勵(lì)磁變速恒頻雙饋發(fā)電矢量控制系統(tǒng)

根據(jù)以上分析，構(gòu)建雙饋電機(jī)定子磁場定向雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，如圖6所示。轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)作為內(nèi)環(huán)，由iMr、iTr兩個(gè)控制通道組成，電流誤差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器后獲得電壓初始指令，再加上電壓補(bǔ)償分量，構(gòu)成MT坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子電壓指令，經(jīng)ipark獲得雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子兩相靜止坐標(biāo)下得電壓指令uαr、uβr，經(jīng)過空間矢量脈寬調(diào)制模塊和逆變器，獲得準(zhǔn)確的勵(lì)磁電壓和電流。

3 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證方案的有效性和正確性，制作一臺基于DSP+CPLD的系統(tǒng)樣機(jī)，系統(tǒng)和雙饋電機(jī)參數(shù)分別如表2和表3表示。試驗(yàn)樣機(jī)由主控制板TMS320F2812 DSP和一塊MAXⅡ系列EPM240型CPLD組成。DSP事件管理器所能發(fā)出的PWM路數(shù)不能滿足TSMC整流級及逆變級的控制要求，因而選用CPLD配合DSP來進(jìn)行控制。利用異步電機(jī)同軸連接對拖雙饋電機(jī)來模擬風(fēng)速；將霍爾獲得的電壓電流信號經(jīng)過調(diào)理，送給DSP，DSP根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速情況通過TSMC對雙饋電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁，實(shí)現(xiàn)變速恒頻的控制效果，保證定子電壓與電網(wǎng)電壓同頻、同相、同相序，從而實(shí)現(xiàn)可靠并網(wǎng)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

表3 雙饋電機(jī)銘牌參數(shù)

系統(tǒng)輸入相電壓電流波形如圖7所示。功率因數(shù)基本為1，相電流由于濾波電容的存在稍超前相電壓，從而驗(yàn)證了TSMC優(yōu)良的網(wǎng)側(cè)性能。

圖7 輸入相電壓電流

TSMC直流側(cè)電壓試驗(yàn)波形如圖8所示，TSMC直流側(cè)無儲能電容，因此直流側(cè)為脈動的直流電壓。

圖8 直流側(cè)電壓

圖9分別為電網(wǎng)相電壓αβ和MT坐標(biāo)系下試驗(yàn)波形。由圖9可知，電網(wǎng)電壓經(jīng)Clark變化所得的電壓uas,ubs相位差90°，與理論推導(dǎo)相符。

圖9 電網(wǎng)電壓波形

要想實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)運(yùn)行，要求雙饋電機(jī)定子輸出交流電壓幅值、相位、頻率必須與電網(wǎng)電壓相同。

圖10所示為雙饋發(fā)電機(jī)工作在亞同步狀態(tài)(1300r/min)時(shí)，定子A相電壓與轉(zhuǎn)子A、B兩相電流試驗(yàn)波形。從試驗(yàn)結(jié)果可知，亞同步狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流頻率，來保證定子輸出電壓頻率、幅值、相位恒定。

圖10 亞同步定子A相電壓與轉(zhuǎn)子電流波形

圖11所示為并網(wǎng)前定子A相和電網(wǎng)A相電壓對比波形，圖12為并網(wǎng)前后亞同步狀態(tài)下得定子電壓波形，圖13為并網(wǎng)前后亞同步狀態(tài)下定子轉(zhuǎn)子電流波形。試驗(yàn)結(jié)果表明，并網(wǎng)前定子電壓與電網(wǎng)電壓幅值、頻率、相位基本相同；并網(wǎng)瞬間，定、轉(zhuǎn)子電流沒有大的沖擊，過渡時(shí)間短，實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)；并網(wǎng)后定子電壓被電網(wǎng)電壓箝位，與電網(wǎng)電壓完全一致，系統(tǒng)在測試0.18s后運(yùn)行穩(wěn)定。

圖11 并網(wǎng)前定子與電網(wǎng)A相電壓波形

圖12 亞同步狀態(tài)并網(wǎng)前后定子A相電壓波形

圖13 亞同步狀態(tài)并網(wǎng)前后定子轉(zhuǎn)子電流波形

圖14為同步狀態(tài)(1500r/min)下定轉(zhuǎn)子電壓及電流波形。試驗(yàn)結(jié)果表明，同步狀態(tài)下轉(zhuǎn)子輸出電流頻率為零，定子與電網(wǎng)電壓同頻同相，可實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)。

圖14 同步狀態(tài)定子A相電壓與轉(zhuǎn)子電流試驗(yàn)波形

圖15為超同步狀態(tài)(1700r/min)下定轉(zhuǎn)子電壓及電流波形，與亞同步狀態(tài)相比，轉(zhuǎn)子A、B兩相電流相序發(fā)生了改變，證明系統(tǒng)工作在超同步狀態(tài)。此時(shí)定子輸出電壓頻率、幅值、相位仍保持恒定，滿足并網(wǎng)條件，并且在試驗(yàn)中進(jìn)行了成功并網(wǎng)。

圖15 超同步狀態(tài)定子A相電壓與轉(zhuǎn)子電流試驗(yàn)波形

4 結(jié) 語

本文研究了TSMC勵(lì)磁的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，推導(dǎo)了矢量控制表達(dá)式，給出了理論依據(jù)，并對系統(tǒng)控制策略進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明，在亞同步、同步、超同步3種運(yùn)行狀態(tài)下系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)，從而證明了TSMC作為DFIG勵(lì)磁電源是切實(shí)可行和有效的。這為矩陣變換器將來的市場應(yīng)用開辟了基礎(chǔ)，同時(shí)也為風(fēng)電變換器開辟了新途徑。

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Vector Control of Two Stage Matrix Converter Doubly-Fed Induction Generator Variable Speed Constant Frequency Wind Power Generator System*

DAIBin1,SONGWeizhang2

(1. Yuncheng University, Yuncheng 044000, China;2. Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

The control strategy of AC excitation variable speed constant frequency wind power system is as the object of study. The expression of the variable speed constant frequency wind power generation system of stator flux oriented vector control polic was deduced based on the analysis of the double-fed wind generators working principle and mathematical model. The grid load and the theoretical basis for control strategy was given. Second, testing and verifing the system by emulating some experimental results, part of experimental results were given under the no-load and sub-synchronous, synchronization, super-synchronous three states. The results showed that, a good experimental results verified the feasibility and effectiveness of the program.

two stage matrix converter(TSMC); double-fed induction generator(DFIG); variable speed constant frequency(VSCF); stator flux orientation; vector control

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51307138)；陜西省專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014JQ7247)

戴 斌(1975—)，男，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)。 宋衛(wèi)章(1980—)，男，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)榫仃囎儞Q器。

TM 464

A

1673- 6540(2016)12- 0089- 07

2016-07-21