矢量控制異步發(fā)電機(jī)對(duì)輸出功率的響應(yīng)分析

袁同軍，丁長(zhǎng)健

?

矢量控制異步發(fā)電機(jī)對(duì)輸出功率的響應(yīng)分析

袁同軍，丁長(zhǎng)健

（中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津300000）

建立繞線式異步電機(jī)矢量控制變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的分析模型，研究該系統(tǒng)對(duì)輸出功率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。通過(guò)理論推導(dǎo)，在MATLAB中編寫(xiě)S-Function建立繞線式異步電機(jī)矢量控制變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。并結(jié)合具體參數(shù)算例分析輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)情況下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形，表明矢量控制的有效性及控制模型合理性。

矢量控制 異步發(fā)電機(jī)

0 引言

矢量控制技術(shù)最早由德國(guó)學(xué)者Blaschke等人提出[1]，其本質(zhì)是一種解耦控制。異步電機(jī)的矢量控制就是以電機(jī)空間磁場(chǎng)矢量的方向作為一個(gè)基準(zhǔn)方向，建立坐標(biāo)系，通過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)變化及數(shù)學(xué)運(yùn)算，將異步電機(jī)的定子電流分解為方向相互垂直的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩的分別控制[2-4]。

本文根據(jù)矢量控制原理，建立繞線式異步電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的矢量控制分析模型，接著在MATLAB中利用S-Function構(gòu)建相應(yīng)的仿真模型，并對(duì)仿真中輸出功率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)情況下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行分析。

1 異步電機(jī)變速恒頻發(fā)電原理

繞線式異步電機(jī)變速恒頻發(fā)電運(yùn)行的基本原理是：在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)通入轉(zhuǎn)差頻率的、幅值和相位可調(diào)的交流電流，控制定子輸出電壓的頻率、幅值和相位與電網(wǎng)嚴(yán)格一致，并有效控制電機(jī)的輸出功率和功率因數(shù)。利用矢量控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電之間的充分解耦，使原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不受發(fā)電機(jī)輸出（電網(wǎng)）頻率的限制，同時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出電壓（或電流）的頻率、幅值、相位也不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時(shí)位置的影響，變傳統(tǒng)的剛性約束為柔性聯(lián)系[5]。

2 繞線式異步電機(jī)矢量控制模型

首先建立繞線式異步電機(jī)矢量控制變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的分析模型。為簡(jiǎn)化分析，討論直接在同步速參照系內(nèi)進(jìn)行，并假定定子側(cè)正方向服從發(fā)電機(jī)慣例，而轉(zhuǎn)子側(cè)服從電動(dòng)機(jī)慣例，電機(jī)氣隙均勻，定、轉(zhuǎn)子三相對(duì)稱，Y連接。

可得，電機(jī)的磁鏈方程和電壓方程為：

此外，由一般化公式，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T和轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為

式中，T為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

取q軸與定子電壓綜合矢量U重合，即給定矢量控制約束條件為：

u=0,u=U

式中，U為定子電壓(電網(wǎng)電壓)幅值。由此，可繪出電機(jī)在同步速參照系中的矢量圖及其與三相靜止坐標(biāo)系的關(guān)系，如圖1所示。

于是，當(dāng)定子輸出功率和功率因數(shù)一定時(shí)，參照上圖1，可以將定子電流指令值(右上角加“*”表示)的d、q軸分量表示為：

式中，1為定子輸出功率。

利用以上電機(jī)磁鏈方程和電壓方程，以及指令表達(dá)式，令微分算子為零，可解得轉(zhuǎn)子d、q軸電流和電壓的穩(wěn)態(tài)值(亦即控制指令值)分別為：

由此可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率一定后，嚴(yán)格以轉(zhuǎn)差頻率交變的轉(zhuǎn)子電流只是定子功率因數(shù)和定子輸出功率(亦即定子電流)的函數(shù)，而據(jù)此控制轉(zhuǎn)子電流或電壓，也就可以簡(jiǎn)單而有效地控制給定的定子電流和給定的定子電壓的幅值和相位，并調(diào)節(jié)電機(jī)的輸出功率和功率因數(shù)。

利用Taylor展開(kāi)法，仿線性化模型的一般化建模過(guò)程，可得轉(zhuǎn)子電壓的動(dòng)態(tài)控制方程：

式中，各狀態(tài)變量的增量統(tǒng)一定義為

設(shè)實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)控前電機(jī)以速度ω0穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，定子電壓、頻率、輸出功率和功率因數(shù)分別為U0、10、10和cos則初始條件可由如下式子確定：

根據(jù)上述繞線式異步電機(jī)矢量控制變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在MATLAB中編寫(xiě)S-Function。

3 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析實(shí)例

建模所用三相繞線式異步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示，轉(zhuǎn)子由VVVF理想正弦波電源供電，以簡(jiǎn)化分析計(jì)算程序。

表1 三相繞線式異步發(fā)電機(jī)參數(shù)表

3.1 建模

輸出功率P1由1.5 kW→1.8 kW→1.5 kW→1.2 kW→1.5 kW的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程（期間，、s保持為額定值）。指定各次跳變的時(shí)間為0.1 s、0.3 s、0.5 s、0.7 s。

所用仿真模型框圖如圖2所示。

圖2 變定子輸出功率P1時(shí)仿真框圖

得到輸出結(jié)果如圖3所示。

圖3 定子輸出功率P1從1.5 kW→1.8 kW→1.5 kW→1.2 kW→1.5 kW的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程

3.2 結(jié)果分析

觀察圖3，雖然定子輸出功率和功率因數(shù)的瞬間調(diào)節(jié)幅度都比較大，但由此引起的電磁擾動(dòng)卻并不顯著，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和跟蹤控制過(guò)程時(shí)間均比較短，變化也比較平緩，這實(shí)際上說(shuō)明了矢量控制的有效性。而整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中速度的變化甚微，幾乎沒(méi)有影響，進(jìn)一步表明機(jī)電之間的解耦是比較成功的，控制模型是合理的。

4 結(jié)論

本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下采用矢量控制技術(shù)對(duì)繞線式異步電機(jī)變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，分析了在輸出功率變化情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，仿真結(jié)果表明，該繞線式異步電機(jī)矢量控制變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)分析模型可充分實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)機(jī)電之間的解耦，可有效應(yīng)用于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析。

[1] 張春喜, 廖文建, 王佳子. 異步電機(jī)SVPWM矢量控制仿真分析[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2008, 12(3): 160-163.

[2] 石嚴(yán), 芻議. 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)[J]. Science & Technology Information, 2009, 3(1): 525.

[3] 曹先慶, 朱建光, 唐任遠(yuǎn). 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006, 26(1): 137-141.

[4] 楊圣蓉, 王劍平, 張果. 基于SVPWM的異步電機(jī)矢量控制及調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J]. 電氣自動(dòng)化, 2015, 37(1): 17-20.

[5] 辜承林. 機(jī)電動(dòng)力系統(tǒng)分析[M]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 1998.

Response of Vector Controlled Asychronous Generator to Output Power

Yuan Tongjun, Ding Changjing

（1. CNOOC Energy Technology & Services Limited, Tianjin300000, China）

TP391.9

A

1003-4862（2017）04-0047-03

2016-12-26

袁同軍（1971-），男，工學(xué)學(xué)士。研究方向：船舶機(jī)電工程。