雙饋風力發(fā)電機無速度傳感器控制方法研究

海櫻 寧丙辰

摘要：建立了可用于控制算法研究的雙饋風力發(fā)電機數學模型，在確定電網電壓定向矢量控制策略的基礎上，提出了采用基于轉子電流的模型參考自適應方法進行電機轉速觀測的無速度傳感器控制方法。在雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)模擬實驗平臺上對控制方法進行了實驗驗證，結果證明了無速度傳感器定向矢量控制策略的有效性。

關鍵詞：雙饋風力發(fā)電機;無速度傳感器;模型參考自適應

0? ? 引言

風能作為一種可再生清潔能源，在世界范圍內得到了廣泛的應用。雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)采用轉子雙饋發(fā)電機，其功率變換是在轉子側實現(xiàn)的，轉子側電路流過的功率由轉差功率決定，一般僅為發(fā)電機定子額定功率的30%左右[1]，大大降低了變換器的容量和成本。因此，該方案在兆瓦級以上風電系統(tǒng)中應用尤為廣泛，發(fā)展前景十分廣闊[2-3]。

在雙饋風電控制系統(tǒng)中，需要實時采集電機轉子的轉速或位置信號，通常是通過安裝光電編碼器等速度傳感器或位置傳感器來實現(xiàn)的。然而傳感器的安裝一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性[4]，增加了系統(tǒng)的運行和維護成本。近40年來，國內外學者對無速度傳感器控制策略展開了研究，一般采用直接計算、狀態(tài)估計、參數辨識、間接測量等方法對轉子的速度進行計算[5-6]。

本文對雙饋風力發(fā)電機的控制算法展開了研究，在確定了電網電壓定向矢量控制策略的基礎上，采用以轉子電流為觀測量的模型參考自適應方法進行電機轉速辨識，實現(xiàn)了系統(tǒng)的無速度傳感器定向矢量控制。最后在實驗室搭建的雙饋風電模擬實驗平臺上進行了算法驗證，證明了控制策略的有效性。

1? ? 雙饋發(fā)電機的數學模型

為了研究雙饋風力發(fā)電機的控制方法，首先要建立可用于控制算法研究的數學模型。基于雙饋電機在三相靜止坐標系下具有非線性、高階、強耦合的特點[7]，為便于分析研究，通常采用坐標變換的方法[8]，將其在三相靜止坐標系下的數學模型變換到（d，q）同步旋轉坐標系下。同步旋轉坐標系下的電壓方程式為：

2? ? 電網電壓定向矢量控制策略

本文采用電網電壓定向矢量控制，即將同步旋轉坐標系的d軸定向于電網電壓空間矢量方向，由于電網電壓可以直接測量，因此該定向方式不易受電機參數的影響，可以實現(xiàn)準確定向，保證控制算法的有效性[9]。此時，電網電壓的d、q軸分量為：

雙饋發(fā)電機采用轉子電流環(huán)、定子側功率環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，控制器可根據風機實際轉速和電網容量需求，實時動態(tài)調節(jié)發(fā)電機輸出的有功功率和無功功率。

3? ? 無速度傳感器控制策略

在雙饋風電系統(tǒng)中，為了保證運行效率，發(fā)電機通常運行在同步轉速附近，這會導致轉子側的頻率和電壓值都比較小，直接將電機轉子反電動勢或磁鏈作為觀測量將變得非常困難[10]?？紤]到電機轉子電流可以直接進行測量的優(yōu)勢，本文將轉子電流作為直接觀測對象，采用基于轉子電流的模型參考自適應方法，將轉子電流作為模型的輸出量，通過比較參考模型和可調模型的誤差，并輸入到自適應比較器中，不斷縮小參考模型輸出電流和可調模型輸出電流之間的偏差，當偏差為0時，即得到轉子轉速。

在不考慮電機定子、轉子電阻影響的情況下，由雙饋電機的電壓、磁鏈方程式，可計算出轉子電流為：

在兩相同步旋轉坐標系下，定子電壓和電流的大小與轉子位置無關，因此式（8）所表示的轉子電流也與轉子位置角無關，可認為是準確值，將其作為參考模型。

圖1所示為轉子電流準確值Ir與觀測值Ir′之間的矢量關系，其中，Δθ為轉子電流準確值與觀測值之間的角度差。

當轉子電流準確值與觀測值之間的角度差為0時，廣義誤差e即為0，此時轉速值ωr穩(wěn)定不變。對式（12）中的轉速信號進行積分可得到轉子實際位置角，該位置角是電機轉子側電壓和電流進行坐標變換的必要值。將雙饋風力發(fā)電機的速度辨識方法與上節(jié)提出的電網電壓定向矢量控制策略結合，則得到雙饋風力發(fā)電機無速度傳感器控制系統(tǒng)。

4? ? 實驗研究

在實驗室搭建的15 kW雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)模擬平臺上對控制策略進行驗證。實驗平臺基本結構如圖2所示，主要由雙饋發(fā)電機、風機模擬系統(tǒng)、電機側變換器、網側變換器及其控制系統(tǒng)組成。

控制系統(tǒng)是風電模擬平臺的核心，它由兩個TMS320F2812型號DSP控制器及其采集調理電路組成。DSP1負責對網側變換器進行控制，實現(xiàn)網側變換器功率因數的可調;DSP2對電機側變換器進行實時控制，通過改變轉子電流調節(jié)雙饋發(fā)電機的輸出功率。

在實驗室模擬平臺上，先后進行了系統(tǒng)靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗研究。圖3為發(fā)電機轉速約為800 r/min時的靜態(tài)實驗波形，此時風電系統(tǒng)為亞同步速狀態(tài)。從圖3中可以看出，在亞同步速運行狀態(tài)下，網側變換器電壓和電流同相，變換器工作在整流狀態(tài);定子側電壓、電流保持反相，向電網輸出3 kW的恒定功率。對比圖3（d）和圖3（e）可以看出，通過模型參考自適應辨識的電機轉速與碼盤讀出的實際轉速基本一致，其辨識精度較高。當采用無速度傳感器控制方案時，系統(tǒng)具有優(yōu)良的靜態(tài)性能。

圖4為動態(tài)實驗過程波形，當發(fā)電機轉速由800 r/min向1 100 r/min變化時，系統(tǒng)從亞同步速過渡到超同步速。在電機轉速變化的整個過程中，定子側的電壓和電流始終反相，電機始終處于發(fā)電狀態(tài)，輸出功率保持不變;當電機轉速變化時，轉子電流的頻率隨之發(fā)生變化，電機轉速越接近同步轉速，轉子電流的頻率越小，當雙饋電機達到同步轉速1 000 r/min時，轉子電流頻率為0，此時，雙饋電機相當于同步電機;在電機轉速從亞同步速向超同步速變化的過程中，網側變換器功率因數由1變?yōu)?1，從整流狀態(tài)變化為逆變狀態(tài)。在該策略的控制下，系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應。

5? ? 結語

本文對雙饋風電系統(tǒng)無速度傳感器電網電壓定向矢量控制算法進行了研究，并在實驗室風電模擬平臺上進行了靜態(tài)和動態(tài)實驗驗證，結果表明該控制策略可以實現(xiàn)無機械速度或位置傳感器下，雙饋風力發(fā)電機并網運行的控制，并且具有較好的靜態(tài)和動態(tài)特性。

[參考文獻]

[1] 沙非，馬成廉，劉闖，等.變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術研究[J].電網與清潔能源，2009，25（1）：44-47.

[2] 馬洪飛，徐殿國，苗立杰.幾種變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對比分析[J].電工技術雜志，2000（10）：1-4.

[3] 肖亞平，肖灑，任貝婷，等.雙饋變速恒頻風力發(fā)電機并網運行控制研究[J].電力學報，2017，32（5）：370-375.

[4] AMIRAT Y，BENBOUZID M E H，AL-AHMAR E.A Brief Status on Condition Monitoring and Fault Diagnosis in Wind Energy Conversion Systems[J].Renewable and Sustai-

nable Energy Reviews，2009，13（9）：2629-2636.

[5] 李永東，李明才.感應電機高性能無速度傳感器控制系統(tǒng)——回顧、現(xiàn)狀與展望[J].電氣傳動，2004，34（1）：4-10.

[6] 陳偉昌，王孝洪，田聯(lián)房.基于DSP的無速度傳感器異步電機矢量控制[J].電機與控制應用，2015，42（3）：20-23.

[7] 王志新，羅文廣.電機控制技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[8] 張興，張宗巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[9] 海櫻，崔巖梅，寧丙辰.雙饋風電系統(tǒng)控制策略及測試研究[J].計測技術，2013，33（2）：19-23.

[10] MOHAMMED O A，LIU Z，LIU S.A Novel Sensorless Control Strategy of Doubly Fed Induction Motor and Its Examination with the Physical Modeling of Machines[J].IEEE Transactions on Magnetics，2005，41（5）：1852-1855.

收稿日期：2020-03-02

作者簡介：海櫻（1985—），女，河北人，工程師，研究方向：環(huán)試檢測、風電變流器控制技術。