基于SVPWM的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接 轉(zhuǎn)矩控制研究與實驗

，

(廣西大學(xué)，電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著傳統(tǒng)化石燃料的耗盡和環(huán)境污染問題日益突出，人們將目光投向可再生的新能源發(fā)電機(jī)技術(shù)。在眾多的可再生能源發(fā)電技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電因其技術(shù)成熟、成本較低和大規(guī)模開發(fā)利用的優(yōu)勢成為新能源發(fā)展最快、最具有競爭力的發(fā)電技術(shù)[1]。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了三個時期的改變，在早期使用最多的是定速型鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其定子繞組直接和電網(wǎng)連接對電網(wǎng)干擾較大且發(fā)電效率較低；目前，市場安裝最多風(fēng)力發(fā)電機(jī)為變速的雙饋異步發(fā)電機(jī)，其調(diào)速范圍有限且定子繞組和電網(wǎng)直接相連不利于低電壓穿越控制；為了改進(jìn)以上兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不足，新一代全變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生，有效提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和低電壓穿越性能[2]。在全變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，主要使用永磁同步發(fā)電機(jī)和鼠籠異步發(fā)電機(jī)，相比于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，鼠籠異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單牢固、體積小、維護(hù)及運(yùn)行成本低、無永磁體退磁的隱患等特點，在數(shù)千千瓦功率等級的風(fēng)力發(fā)電運(yùn)用中，使用鼠籠異步發(fā)電機(jī)是一個值得考慮的方案[2-4]。已有文獻(xiàn)[3-6]對鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[5-6]針對鼠籠異步發(fā)電機(jī)雙PWM變流器系統(tǒng)采用矢量控制進(jìn)行了實驗研究，但矢量控制需要較多的電機(jī)參數(shù)且電機(jī)參數(shù)容易發(fā)生變化，降低了系統(tǒng)的魯棒性。文獻(xiàn)[3]針對鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)三電平變流器系統(tǒng)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制，但只進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[4]提出一種鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制策略，此算法結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且需要較多的電機(jī)參數(shù)。

針對上述問題，本文對全變速鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變流系統(tǒng)，提出發(fā)電機(jī)側(cè)變流器基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制策略，降低控制算法對發(fā)電機(jī)參數(shù)的過度依賴，提高發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的響應(yīng)速度；電網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的控制策略，將發(fā)電輸出電能并入電網(wǎng)。最后，通過實驗驗證了所提控制策略的正確性與有效性。

2 全變速鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 全變速鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

全變速鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)力機(jī)通過齒輪箱變速后連接鼠籠異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的定子端口經(jīng)過兩個電壓型PWM變流器連接至電網(wǎng)。在由兩個電壓型的PWM變流器構(gòu)成的“背靠背”結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間固有隔離，使得整個系統(tǒng)控制具有很好的靈活性。由于鼠籠異步發(fā)電機(jī)沒有勵磁裝置，不能獨立建壓發(fā)電機(jī)，機(jī)側(cè)變流器的主要功能是為發(fā)電機(jī)提供勵磁控制以及調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其追蹤最大的風(fēng)能；電網(wǎng)側(cè)逆變器主要作用是穩(wěn)定中間直流電容兩端的電壓，并將發(fā)電輸出電能并入大電網(wǎng)。

3 基于SVPWM的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略

按電動機(jī)慣例建立鼠籠異步發(fā)電機(jī)在αβ坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型為[9]：

(1)

(2)

(3)

上式中urα,urβ表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓在α，β軸上的分量；usα,usβ表示發(fā)電機(jī)定子電壓在α，β軸上的分量。isα,isβ表示電機(jī)定子電流在α，β軸上的分量，irα,irβ表示發(fā)電機(jī)定子電流在α，β軸上的分量。ψrα,ψrβ表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈在α，β軸上的分量，ψsα,ψsβ表示發(fā)電機(jī)定子磁鏈在α，β軸上的分量。ωr表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度，示電磁轉(zhuǎn)矩。

齒輪箱的作用，風(fēng)輪機(jī)和鼠籠異步發(fā)電機(jī)的動態(tài)關(guān)系可由下面的表達(dá)式反映：

(4)

式中J表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；Tmech表示風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

基于SVPWM的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略框圖如圖2所示，直接對發(fā)電機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，不涉及電流內(nèi)環(huán)控制加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。相比與傳統(tǒng)基于滯環(huán)比較器和開關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制，本文采用基于SVPWM的控制策略能夠有效降低轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動。

圖2 發(fā)電側(cè)變流器控制框圖

由機(jī)側(cè)變流器控制占空比信號da、db、dc和直流側(cè)電壓計算出發(fā)電機(jī)定子電壓如下：

(5)

定子電壓和定子電流經(jīng)過3/2變換后可得得到usα、usβ、isα、isβ，從而計算出定子磁鏈：

(6)

進(jìn)一步可得發(fā)電機(jī)定子磁鏈的幅值和角度：

(7)

在由(6)式計算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈時，需要對反電勢交流信號進(jìn)行積分運(yùn)算，工程上通常采用一階低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)，其截止頻率通常固定不變而發(fā)電機(jī)發(fā)電勢信號是頻率變化的交變信號，采用階低通濾波器將造成發(fā)電機(jī)低速時磁鏈的幅值和相位偏移。為此，本采用工程化變頻自適應(yīng)磁鏈觀測器器其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 變頻自適應(yīng)定子磁鏈觀測器

圖3中，k變頻濾波增益，根據(jù)工程經(jīng)驗本文取0.1。其中發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩指令可由可由最大功率追蹤原理求得[4]：

(8)

4 網(wǎng)側(cè)逆變器的控制

發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的主要為鼠籠異步發(fā)電機(jī)提供勵磁和控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使其滿足“最佳轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線”使其捕獲最大的風(fēng)能。網(wǎng)側(cè)逆變主要控制直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，并將發(fā)電機(jī)輸出電能并入電網(wǎng)，并根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令調(diào)節(jié)功率因數(shù)。并網(wǎng)逆變器的性能也決定著全變速鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能。網(wǎng)側(cè)變流器通常采用電網(wǎng)電壓定向控制策略，以下從逆變數(shù)學(xué)模型分析其原理。

dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型為：

(9)

式中igd、igq為三相逆變器電流在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的分量，ugd、ugq為電網(wǎng)電源在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的分量，sd、sq為開關(guān)信號在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的分量，ωg為同步旋轉(zhuǎn)角速度，udo、uqo表示逆變器端口電壓在dq坐標(biāo)系的分量。

將并網(wǎng)逆變器電流在dq坐標(biāo)系的d軸和電網(wǎng)電壓矢量重合，q軸電流將滯后于d軸90°。定義電網(wǎng)電壓矢量方向為有功方向，則在d軸分量igd為純有功分量，q軸電流分量igd為純有功分量。并有如下約束條件：

(10)

并網(wǎng)逆變器dq坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型(9)進(jìn)一步可寫成：

(11)

由瞬時功率理論得逆變器的瞬時有功、無功功率為：

(12)

將(10)代入上式，進(jìn)一步可得瞬時功率的表達(dá)式為：

(13)

圖4 網(wǎng)側(cè)逆變控制框圖

5 實驗驗證及分析

為驗證控制策略的正確性與有效性在實驗室搭建鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實驗平臺，用一臺2.2kW的永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動變頻器系統(tǒng)模擬風(fēng)力機(jī)拖動2.2kW的鼠籠異步發(fā)電機(jī)，由兩臺7.5kW的電壓型變流器構(gòu)成“背靠背”變流系統(tǒng)連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)。其中兩臺變流器的控制器采用德國dSPACE公司生產(chǎn)的單板dSPACE1104快速原型控制器。并通過其D/A口將要觀察的信號輸出，用Textronix示波器記錄波形。網(wǎng)側(cè)逆變器直流側(cè)電容取2000μF，并網(wǎng)逆變器的濾波電感取3mH。實驗用鼠籠異步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 籠異步發(fā)電機(jī)實驗

調(diào)節(jié)模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速為550r/min，發(fā)電機(jī)定子磁鏈給定值設(shè)為0.65Wb，逆變器直流側(cè)電壓指令設(shè)置為100V。為了實驗安全，并網(wǎng)逆變的輸出經(jīng)過隔離變壓器和自耦調(diào)壓器連接至電網(wǎng)，調(diào)節(jié)逆變器的端口線電壓幅值為50V。并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果如圖5所示，圖5(a)發(fā)電機(jī)定子磁鏈幅值和發(fā)電機(jī)定子a相電流的實驗波形，可知穩(wěn)態(tài)時發(fā)電機(jī)定子磁鏈穩(wěn)定在給定值0.65Wb,且定子電流波形的正弦度較好。圖5(b)為電網(wǎng)側(cè)逆變器穩(wěn)態(tài)時的直流側(cè)電壓、相電壓、相電流的實驗波形，由可知穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值100V。由于網(wǎng)側(cè)變流器電流傳感器按整流器方向整定，即電流流進(jìn)變流器為正方向，由圖可知相電壓與相電流方向，說明變流器工作于逆變狀態(tài)，且處于單位功率因數(shù)狀態(tài)。

圖5 并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)實驗波形

為進(jìn)一步驗證所提控制策略的動態(tài)響應(yīng)性能，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速觀察系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。圖6(a)電機(jī)轉(zhuǎn)速由550r/min調(diào)節(jié)至630r/min,并保持發(fā)電機(jī)定子磁鏈給定值為0.65Wb時，發(fā)電機(jī)定子a相電流和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值波形，由圖可知增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)定子磁鏈穩(wěn)定在給定值，由于轉(zhuǎn)速增加使得發(fā)電機(jī)輸出電能增加，由圖可知發(fā)電機(jī)定子電流也隨之增加。圖6(b)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時，電網(wǎng)側(cè)逆變器的實驗直流電壓和相電流的實驗波形，由圖可知增加發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速時，直流側(cè)電壓出現(xiàn)短暫的泵升之后穩(wěn)定在給定值100V,逆變器的并網(wǎng)電流也隨之增大，說明發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送的電能增大。圖6(c)和6(d)為將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由630r/min調(diào)節(jié)至550r/min時發(fā)電機(jī)側(cè)變流器實驗波形，可知減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機(jī)定子電流和并網(wǎng)逆變器電流也隨之減小，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)功率減小，而發(fā)電機(jī)的定子磁鏈幅值和直流側(cè)電壓都穩(wěn)定在給定值。通過發(fā)電機(jī)加減速實驗，進(jìn)一步驗證了本文所提控制策略有較好的動態(tài)性能。

圖6 并網(wǎng)運(yùn)行動態(tài)實驗波形

6 結(jié)論

本文針對全變鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，提出了發(fā)電機(jī)側(cè)變流器基于SVPWM的鼠籠異步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略，此控制方法相比與傳統(tǒng)矢量控制減小控制對于發(fā)電機(jī)參數(shù)的依賴性，直接轉(zhuǎn)矩控制策略僅需發(fā)電機(jī)定子電阻參數(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性；相比于基于開關(guān)表和滯環(huán)比較器的直接轉(zhuǎn)矩控制，本文采用SVPWM技術(shù)減小發(fā)電磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動。并詳細(xì)分析了網(wǎng)側(cè)逆變基于電網(wǎng)電壓矢量定向控制原理。最后，在實驗搭建實驗平臺，驗證本文所提控制策略，分別針對全變鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實驗和改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)實驗驗證了所提控制策略的正確性與有效性。