基于DTC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈沖時間乘積平衡控制策略

丁強 ，朱潔 ，江瑩旭

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210023；2.江蘇省風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)中心，江蘇 南京 210023；3.南京交通技師學(xué)院機電工程系，江蘇 南京 210049；4.蘇州新智機電工業(yè)有限公司，江蘇 蘇州 215156）

在全球化石燃料逐漸枯竭、碳排放日益增長 的大環(huán)境背景下，開發(fā)利用可再生清潔新能源，擺脫石油煤炭等化石能源的依賴將是我國長期的能源戰(zhàn)略[1-3]。目前，在各種新能源形式中，風(fēng)能作為一種分布廣泛的一次能源，在我國電力行業(yè)中已經(jīng)得到了大量的開發(fā)利用。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機類型一般有永磁同步電機、雙饋型異步電機、電勵磁電機（EESM）等類型。按照驅(qū)動方式也可分為直驅(qū)、半直驅(qū)和帶變速箱的驅(qū)動形式[4]。其中，直驅(qū)型電勵磁電機由于其自身的優(yōu)勢，在風(fēng)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[5-8]。相比于永磁電機，EESM的優(yōu)勢主要有以下幾點：1）隨著稀土資源的大量使用，稀土永磁材料價格逐年上升，而EESM通過勵磁繞組實現(xiàn)勵磁，因此在成本上更加經(jīng)濟；2）EESM由于勵磁可控，在故障狀態(tài)下可實現(xiàn)可靠滅磁，安全性更高；3）可通過控制勵磁實現(xiàn)深度弱磁，獲得更寬的調(diào)速范圍，在各種風(fēng)速段均能獲得較好的發(fā)電性能。雖然其由于轉(zhuǎn)子勵磁繞組的原因體積較大，并且存在一定轉(zhuǎn)子損耗，效率略遜于永磁電機，但在體積不敏感的風(fēng)電場合，直驅(qū)型的EESM仍然受到青睞。

目前學(xué)術(shù)界對EESM的研究集中于對電機模型的研究。文獻[9]設(shè)計了一種速度觀測器，考慮了負(fù)載換相模式給速度觀測帶來的影響。文獻[10]設(shè)計了一種基于電勵磁同步電機的模型觀測器，重點分析了負(fù)載變化給觀測帶來的影響。文獻[11]基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)對電機轉(zhuǎn)速辨識算法進行了研究，通過電壓型磁鏈改進觀測模型，簡化了實現(xiàn)電流型磁鏈觀測的方法。這些文獻均是從EESM模型本身出發(fā)做了相關(guān)的研究，分析了負(fù)載變化、參數(shù)影響對模型的影響，但未考慮模型收斂時間對電機動態(tài)性能的影響，也沒有給出對應(yīng)的優(yōu)化方案。文獻[12]提到，在高速精軋機的應(yīng)用中，需要驅(qū)動系統(tǒng)對負(fù)載快速變化時有著較好的動態(tài)響應(yīng)特性，因此將模型預(yù)測控制算法應(yīng)用于電勵磁電機的控制中，提出的單級模型預(yù)測控制方法能夠避免多級控制帶來的短板問題，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，降低硬件成本并提高系統(tǒng)運行的可靠性。該文獻從模型角度優(yōu)化了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力，但在電機的速度外環(huán)上的動態(tài)性上，和傳統(tǒng)方案相比并沒有本質(zhì)區(qū)別。

電勵磁直驅(qū)風(fēng)機系統(tǒng)構(gòu)成形式一般如圖1所示，風(fēng)機扇葉通過傳動機構(gòu)直接與電勵磁同步電機連接，由于采用了直驅(qū)的形式，電機繞組發(fā)出的電壓頻率不固定，無法直接并網(wǎng)，需要通過電力電子器件，先將頻率幅值不固定的交流電整流為直流，通過直流母線上的電容濾波后，再逆變?yōu)槿嘟涣麟姡ㄟ^LCL濾波器并入電網(wǎng)[13-16]。直流勵磁裝置為電勵磁電機輸出可控的恒流勵磁，其工作方式原理不一，有的從上述的背靠背中直流母線取電，通過DC-DC變換器輸出；有的從電網(wǎng)取電，通過晶閘管整流輸出直流勵磁。

圖1 電勵磁電機風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Wind power generation system of EESM

在上述的背靠背結(jié)構(gòu)中，電能通過交-直-交的形式完成并網(wǎng)，其中直流母線作為電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)能量交換的中間環(huán)節(jié)，其穩(wěn)定性對整個系統(tǒng)的工作至關(guān)重要。當(dāng)負(fù)載側(cè)的電流發(fā)生突變時，電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)能量就會發(fā)生瞬時的不平衡，導(dǎo)致母線電容上的電壓發(fā)生抬高或者跌落，如果電機側(cè)在較長一段時間無法響應(yīng)負(fù)載的變化，就會發(fā)生母線過壓或者欠壓故障。因此母線的動態(tài)響應(yīng)能力是系統(tǒng)魯棒性的一個重要指標(biāo)，也是本文重點研究的內(nèi)容。

學(xué)界針對此類功率變換器的動態(tài)性能問題做出了不少的相關(guān)研究。文獻[17]分析了變換器直流輸出在動態(tài)過程中的阻抗穩(wěn)定的邊界，為動態(tài)性能分析提供了分析方法和理論基礎(chǔ)。文獻[18]中將并網(wǎng)逆變器的功率指令前饋至PWM整流器端，通過聯(lián)合控制獲得較好的動態(tài)性能。文獻[19]在Buck變換器中提出了一種電容充放電平衡控制策略來改善動態(tài)性問題。文獻[20]又進一步將該策略應(yīng)用于PWM整流器中。

本文首先在推導(dǎo)EESM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）算法的實現(xiàn)原理。然而，雖然DTC在轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)方面具有天然的優(yōu)勢，但母線電壓外環(huán)的PI控制器仍然是限制動態(tài)性能的瓶頸因素。針對此問題，本文在電機系統(tǒng)中采用電容電荷沖量平衡算法，研究一種轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制算法，理論分析了該算法在電勵磁DTC控制下實現(xiàn)的原理，并通過仿真和實驗驗證了該算法的可行性和有效性。

1 EESM模型及DTC算法

1.1 EESM數(shù)學(xué)模型

交流電機的數(shù)學(xué)模型一般由三組重要的方程構(gòu)成，分別為磁鏈方程、電壓方程和運動方程。

電勵磁電機磁鏈方程如下：

式中：Ψsd，Ψsq，ΨDd和ΨDq分別為定子磁鏈和阻尼繞組磁鏈在d，q軸上的分量；Ψf為勵磁繞組磁鏈；Ld，Lq，Lmd和 Lmq分別為同步電感和電樞反應(yīng)電感在d，q軸上的分量；isd，isq，iDd和iDq分別為定子繞組和阻尼繞組中的電流在d，q軸上的分量；if為轉(zhuǎn)子勵磁繞組中的直流勵磁電流。

需要注意的是iDd，iDq以及if并非是指真實的電流大小，而是經(jīng)過折合，等效到定子側(cè)的電流大小。式（1）各電感之間滿足如下關(guān)系：

式中：Ls，Lf1，LDd1和LDq1分別為定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感以及阻尼繞組d，q軸漏感。

電勵磁電機的電壓方程如下：

式中：Rs，Rf，RDd和 RDq分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻以及阻尼繞組 d，q軸電阻；Usd，Usq和 Uf分別為定子d，q軸電壓和轉(zhuǎn)子繞組電壓；ωr為轉(zhuǎn)子角頻率。阻尼繞組由于是閉合繞組，因此端電壓為零。同樣的，轉(zhuǎn)子和阻尼繞組相關(guān)的量均為折合至定子側(cè)的等效值。

電機的電磁轉(zhuǎn)矩以及運動方程表達式如下：

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；p為極對數(shù)；J為電機慣量。

1.2 DTC算法

DTC算法基本原理在于控制定子磁鏈幅值恒定基礎(chǔ)，通過控制定子磁鏈與氣隙磁鏈夾角實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的直接控制。根據(jù)磁鏈方程可以推導(dǎo)得到定子磁鏈和氣隙磁鏈之間的關(guān)系：

式中：Ψσd，Ψσq為氣隙磁鏈在d，q軸上的分量。

式（6）表明，定子磁鏈可以表示為氣隙磁鏈和漏磁鏈之和。進一步的，可以將定子側(cè)電流表示為和磁鏈相關(guān)的表達式：

將式（7）代入式（4），轉(zhuǎn)矩的表達式中可消去和電流相關(guān)的量，并轉(zhuǎn)換為和磁鏈相關(guān)的表達式：

式中：θsm為定子磁鏈和氣隙磁鏈的夾角。

從式（8）可以看到，電磁轉(zhuǎn)矩正比于定子磁鏈和氣隙磁鏈幅值的乘積，并且正比于二者夾角的正弦值。在電勵磁電機中，由于阻尼繞組的存在，當(dāng)定子側(cè)電流瞬間變化時，阻尼繞組中總是會感應(yīng)出相應(yīng)的電流抵消定子電流對氣隙磁場的影響，因此氣隙磁場的變化相對緩慢，其時間常數(shù)往往在百ms級別。相比于開關(guān)周期，通?？烧J(rèn)為氣隙磁鏈恒定不變，因此可以通過控制定子磁鏈來控制轉(zhuǎn)矩的大小。根據(jù)式（8），可以看出電機的轉(zhuǎn)矩是多變量耦合的系統(tǒng)，為了能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的解耦控制，可控制磁鏈幅值保持恒定來減少轉(zhuǎn)矩的影響變量，通過控制定子磁鏈與氣隙磁鏈的夾角變化來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的控制。定子磁鏈的表達式可以寫為

式中：Us，is分別為逆變器輸出的三相電壓和電流的合成矢量。

考慮到在高速時，定子電阻壓降項較小，因此可以近似認(rèn)為定子磁鏈?zhǔn)请妷旱姆e分。顯然，通過選擇不同的電壓矢量，即可使得定子磁鏈朝著預(yù)期的方向變化。

將每個橋臂上管開通，下管關(guān)斷的狀態(tài)定義為’1?，相反的狀態(tài)定義為’0?，逆變器的三個橋臂總共會形成8個電壓矢量，包括6個有效電壓矢量和2個零矢量，各個電壓矢量空間分布如圖2所示。將磁鏈所處的扇區(qū)按照60°等間距劃分為6個區(qū)域，以圖中定子磁鏈位于扇區(qū)Ⅰ為例，若電機逆時針旋轉(zhuǎn)，由于定子磁鏈?zhǔn)请妷菏噶糠e分形式，因此定子磁鏈會朝著電壓矢量方向變化。當(dāng)施加電壓矢量U6時，定子磁鏈和氣隙磁鏈的夾角θsm增大，此時電機轉(zhuǎn)矩增大，定子磁鏈幅值|Ψs|增大；當(dāng)施加電壓矢量U2，夾角θsm增大，定子磁鏈幅值|Ψs|增大；當(dāng)施加電壓矢量 U1時，夾角θsm減小，定子磁鏈幅值|Ψs|減??；當(dāng)施加電壓矢量U5，夾角θsm減小，定子磁鏈幅值|Ψs|增大。因此在選擇電壓矢量時，需要綜合轉(zhuǎn)矩和磁鏈的變化趨勢。

圖2 DTC磁鏈扇區(qū)和電壓矢量分布示意圖Fig.2 Flux linkage sector and voltage vector distribution of DTC

根據(jù)上述原理，可以根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差討論，定義兩個相關(guān)的狀態(tài)變量?和τ來描述電機當(dāng)前磁鏈和轉(zhuǎn)矩與設(shè)定值之間的關(guān)系。當(dāng)實際磁鏈低于目標(biāo)磁鏈時，期望實際磁鏈增大，開關(guān)量?的函數(shù)值為1，反之則為0。τ本質(zhì)上為一個轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器，當(dāng)實際轉(zhuǎn)矩小于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩并且超過一定誤差時，期望實際轉(zhuǎn)矩增大，τ取1，反之取-1。為避免開關(guān)頻率過高，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和實際轉(zhuǎn)矩偏差在一定范圍內(nèi)時，期望實際轉(zhuǎn)矩不變化。以上描述可用公式表示為

式中：Ψ*s為定子磁鏈的設(shè)定值；Te*為轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值；ΔT為轉(zhuǎn)矩允許的誤差帶。

進一步的，可以枚舉出在不同狀態(tài)變量下的開關(guān)選擇原則，如表1所示。

表1 DTC開關(guān)矢量選擇表Tab.1 Switch vector selection table of DTC

根據(jù)上述DTC控制的原理，可以得到風(fēng)電系統(tǒng)中電勵磁電機的控制框圖，如圖3所示。在該系統(tǒng)中，驅(qū)動風(fēng)機的逆變器工作在能量回饋狀態(tài)，將電機的機械能轉(zhuǎn)換為電能并饋入母線。為了維持后級系統(tǒng)的正常工作，需要以母線電壓恒定為控制目標(biāo)，因此將給定的母線電壓和采樣的實際母線電壓作差后，通過PI控制器得到轉(zhuǎn)矩設(shè)定。磁鏈觀測器和轉(zhuǎn)矩觀測器將磁鏈的幅值相位和轉(zhuǎn)矩信息反饋并做閉環(huán)，結(jié)合轉(zhuǎn)矩滯環(huán)τ和磁鏈滯環(huán)?的輸出開關(guān)信息，可以選取合適的電壓矢量，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速跟蹤，并最終達到母線電壓恒定的控制目標(biāo)。磁鏈觀測器一般包含定子磁鏈和氣隙磁鏈觀測兩部分，其形式一般如圖3中Ψs和Ψσ所示，通過對電壓矢量的積分換算后計算得到磁鏈信息。值得注意的是，電勵磁的氣隙磁鏈和永磁機的永磁磁鏈相比而言，其并非是完全恒定的值。雖然從開關(guān)暫態(tài)的角度而言，其變化緩慢，近似恒定，但從更長的時間尺度看，氣隙磁鏈仍然會隨著負(fù)載大小的變化而變化，因此需要通過轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流閉環(huán)調(diào)節(jié)將其控制為恒定值。

圖3 電勵磁電機DTC控制框圖Fig.3 Control diagram of DTC for EESM

2 轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡算法

在上述DTC控制環(huán)路中，母線電壓的動態(tài)性能是至關(guān)重要的性能。當(dāng)后級突加或者突卸負(fù)載時，母線電壓會發(fā)生相應(yīng)的波動。若響應(yīng)不夠快，很容易導(dǎo)致系統(tǒng)過壓或者欠壓故障，不僅影響自身的安全性，還會造成后級并網(wǎng)逆變器故障停機。由于DTC采用了轉(zhuǎn)矩滯環(huán)，也即Bang-Bang控制，因此本質(zhì)上屬于一種時間最優(yōu)的控制算法，因此在動態(tài)響應(yīng)時間方面，和傳統(tǒng)的矢量控制相比具有優(yōu)勢，然而電壓外環(huán)的PI控制器仍然是限制母線電壓響應(yīng)的瓶頸因素。PI控制器基于誤差調(diào)節(jié)，為獲得較好的動態(tài)響應(yīng)，需要將PI參數(shù)設(shè)置到較為靠近穩(wěn)定域的邊界處，因此不可避免地會產(chǎn)生超調(diào)震蕩等問題。為了實現(xiàn)母線電壓的快速動態(tài)響應(yīng)，本節(jié)首先分析負(fù)載突變過程中母線電壓穩(wěn)定平衡的條件。

圖4給出EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與后級負(fù)載連接方式示意圖，用以描述系統(tǒng)動態(tài)過程的母線電壓調(diào)節(jié)過程。

圖4 EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與后級負(fù)載連接示意圖Fig.4 Connection diagram of EESM wind power generation system and load

假設(shè)ts時刻負(fù)載突變進入動態(tài)過程，te時刻系統(tǒng)重新進入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)圖4和電容充放電壓方程可以寫出如下方程：

根據(jù)能量守恒原則，電機發(fā)電功率和母線對外輸

出功率相等，因此可以有：

考慮到母線電壓閉環(huán)控制時Udc（te）=Udc（ts）=Udc，且根據(jù)圖4，電容電流ic滿足：

將式（14）代入式（12）可以得到：

式（15）表明，EESM發(fā)電系統(tǒng)對電容C的充電功率（Teωr）與電容C對負(fù)載的放電功率（Udcidc）相等是母線電壓平衡的條件。

依據(jù)上述推導(dǎo)分析，為了提高母線電壓控制的動態(tài)響應(yīng)，只需要在負(fù)載突變的動態(tài)過程中對母線電容C的充放電過程合理控制，使其經(jīng)過一次充電過程和一次放電過程就達到充放電能量的平衡，便能實現(xiàn)母線電壓快速的動態(tài)穩(wěn)定控制。

為便于分析，將后級負(fù)載突變等效為前級EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變。由于電機工作在發(fā)電狀態(tài)，圖5以轉(zhuǎn)速為負(fù)、轉(zhuǎn)矩為正為例畫出示意圖。

圖5 負(fù)載階躍突變動態(tài)調(diào)節(jié)過程Fig.5 Transient adjusting process of sudden load step

負(fù)載階躍突變動態(tài)調(diào)節(jié)過程如下：

1）t0時刻，后級突加負(fù)載且等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL。由于EESM發(fā)電系統(tǒng)中存在電感，電磁轉(zhuǎn)矩Te需要經(jīng)歷一定調(diào)節(jié)時間才能跟負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL平衡。此時母線電容放電提供一部分負(fù)載電流，導(dǎo)致母線電壓跌落。

2）t1時刻，電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩TL平衡，母線電壓停止跌落。由于t0至t1間母線電容處于放電狀態(tài)，此時母線電壓低于設(shè)定值。為了使母線電壓回到設(shè)定值，電磁轉(zhuǎn)矩Te需要繼續(xù)增加給母線電容提供充電能量（電流）。

3）t2時刻，電磁轉(zhuǎn)矩Te達到整個調(diào)節(jié)過程中的極大值，如果電機轉(zhuǎn)矩超過該值，則需要在回調(diào)過程中花費更多的時間去和負(fù)載平衡，無法實現(xiàn)最優(yōu)。此時母線電壓仍未回到設(shè)定值。隨后電磁轉(zhuǎn)矩Te開始減小，繼續(xù)給母線電容充電并抬升母線電壓。影響電磁轉(zhuǎn)矩Te極大值的因素主要為母線電容的容值和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。

4）t3時刻，電磁轉(zhuǎn)矩Te和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL平衡。母線電容充電結(jié)束且母線電壓回到設(shè)定值。動態(tài)調(diào)節(jié)過程完成。

可以看出，若能保證圖5中S1和S2+S3的面積相等，則經(jīng)過一次動態(tài)調(diào)節(jié)過程就可實現(xiàn)母線電壓動態(tài)過程的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。而S1=S2+S3的數(shù)學(xué)描述為

式（16）表明，對于EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，要實現(xiàn)負(fù)載突變過程母線電壓快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)必須滿足母線電容C充放電過程中電磁轉(zhuǎn)矩Te的脈沖時間積平衡。欲保證式（16）成立，如何確定動態(tài)調(diào)節(jié)過程的t2和t3時刻是算法實現(xiàn)的關(guān)鍵。將S1=S2+S3改寫為如下形式：

式中：m1，m2分別為施加零電壓矢量和后退電壓矢量時電磁轉(zhuǎn)矩Te的變化率。

依據(jù)式（17）以及S2和S3間的比例關(guān)系可以得到：

其中，t0時刻可根據(jù)負(fù)載突變時刻確定；t1時刻可根據(jù)dUdc/dt=0時刻確定，當(dāng)檢測到母線電容電壓變化率由負(fù)轉(zhuǎn)正時，表明電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，即可確定t1時刻。于是確定t2和t3關(guān)鍵在于確定m1/m2。

考慮到電勵磁電機中存在阻尼繞組，通常采用氣隙磁鏈定向控制策略。將式（3）中的d，q軸下的電壓方程轉(zhuǎn)化至m，t軸下并化簡得到：

式中：Usm，Ust，ism，ist為參照氣隙磁鏈角度定向后m，t軸上的電壓和電流分量；ωσ為氣隙磁鏈的角頻率。

忽略氣隙磁鏈的微分項，式（19）可以化簡為

式中：ωs為氣隙磁鏈和轉(zhuǎn)子對應(yīng)的電角頻率之和。依據(jù)式（20）可以推導(dǎo)零電壓矢量作用時轉(zhuǎn)矩電流表達式，將Usm=0和Ust=0代入并求解微分方程得到：

考慮到轉(zhuǎn)矩電流動態(tài)電流調(diào)節(jié)過程中上升和下降階段線性度較高，可以近似用直線來替代。假設(shè)零電壓矢量和后退電壓矢量作用時，轉(zhuǎn)矩電流變化量分別為n1和n2，依據(jù)式（21）和式（22）可以得到：

考慮到電磁轉(zhuǎn)矩變化率與轉(zhuǎn)矩電流變化率成正比關(guān)系，則有

將式（24）代入式（18）可以計算得到t2和t3時刻。在t2時刻之前一直發(fā)送零電壓矢量，在t2時刻之后發(fā)送后退電壓矢量，即可使得母線電壓經(jīng)過一次調(diào)節(jié)后恢復(fù)平衡。

3 仿真與實驗

為了驗證上述算法的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型驗證，仿真所用的EESM參數(shù)如下：額定功率PN=5.5 kW，額定電壓UN=380 V，額定電流IN=8 A，額定頻率fN=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min，極對數(shù)p=2，定子漏感Ls=0.035 8 H，d軸互感Lmd=0.322 H，q軸互感 Lmq=0.014 8 H，定子電阻Rs=2.5 Ω，阻尼繞組d軸時間常數(shù)為376 ms，阻尼繞組q軸時間常數(shù)為286 ms。

圖6對比了傳統(tǒng)矢量控制和DTC控制下的階躍轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形。從圖中可以看到，DTC的轉(zhuǎn)矩紋波更大，這是DTC特性本身決定的，但本文重點關(guān)注動態(tài)性能，該問題不在討論范疇。從動態(tài)過程中可以看到，傳統(tǒng)矢量控制轉(zhuǎn)矩達到設(shè)定值約花費了8 ms，相比而言DTC控制由于轉(zhuǎn)矩采用的是Bang-Bang控制，僅用了約2 ms便跟蹤到設(shè)定值，體現(xiàn)出了較優(yōu)的動態(tài)性能。

圖6 傳統(tǒng)矢量控制和DTC的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)Fig.6 Torque step response of traditional vector control and DTC

當(dāng)電壓外環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制器時，選取一組較優(yōu)的PI參數(shù)[20]。從圖7可以看出，在突加負(fù)載的工況下，經(jīng)過了2個周期的波動后，調(diào)節(jié)回到了穩(wěn)態(tài)。在整個過程中，電壓最大跌落約20 V，調(diào)節(jié)時間約為55 ms。

圖7 PI控制時突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩仿真波形Fig.7 Bus voltage and torque simulation waveforms of PI controller

圖8和圖9為電壓外環(huán)采用了轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制算法時，突加、突卸電機額定負(fù)載下的母線電壓波形。從圖8可以看到，在一次后退電壓矢量作用下和一次零電壓矢量作用下，母線電壓跌落的值僅為7 V左右，調(diào)節(jié)時間僅為13 ms。圖9中突卸負(fù)載后，母線向上波動約9 V，調(diào)節(jié)時間15 ms。相比PI控制，動態(tài)性能得到了有效的改善。電壓跌落降低為原來的1/3～1/2，調(diào)節(jié)時間縮短為原來的1/3～1/4。

圖8 轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制下的突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩波形Fig.8 Bus voltage and torque simulation waveforms of product balance of torque and impulse time when load was increased suddenly

圖9 轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制下的突卸負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩波形Fig.9 Bus voltage and torque simulation waveforms of product balance of torque and impulse time when load was dumped suddenly

為進一步驗證算法的可行性，搭建EESM的實驗平臺，如圖10所示，原動機運行在恒轉(zhuǎn)速模式模擬風(fēng)力機的扇葉，為EESM提供動力。

圖10 實驗平臺Fig.10 Experimental platform

在kp=2.5，ki=0.6時，實驗的波形如圖11所示，母線電壓經(jīng)過震蕩調(diào)整后，收斂至穩(wěn)定值。整個過程的調(diào)節(jié)時間大約為25 ms，母線電壓最大跌落值約為16 V左右。

圖11 PI控制時突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩電流實驗波形Fig.11 Bus voltage and torque current experimental waveforms of PI controller when load was increased suddenly

通過調(diào)節(jié)不同的PI參數(shù)，可以獲得不同的母線電壓的動態(tài)性能。表2為調(diào)整PI參數(shù)后的實驗結(jié)果?？梢钥闯觯琍I參數(shù)加強后，在一定程度上能夠減小跌落的電壓，但其調(diào)節(jié)時間顯著變長，這是由于震蕩次數(shù)過多導(dǎo)致。當(dāng)增大到一定程度后，系統(tǒng)對母線跌落的抑制已經(jīng)無法起到明顯的改善作用，甚至出現(xiàn)無法穩(wěn)定，出現(xiàn)母線震蕩發(fā)散的現(xiàn)象。

表2 PI控制時的母線動態(tài)性能結(jié)果Tab.2 Transient performance of bus voltage of PI controller

圖12為轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制下的母線電壓波形?？梢钥吹酵患迂?fù)載時，定子的轉(zhuǎn)矩電流迅速增大，并通過一次回調(diào)使母線恢復(fù)穩(wěn)定。整個過程的調(diào)節(jié)時間大約為5 ms，母線電壓跌落6 V，相比于PI控制，動態(tài)性能有了大幅改善。

圖12 轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制時突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩電流波形Fig.12 Bus voltage and torque current experimental waveforms of product balance of torque and impulse time when load was dumped suddenly

4 結(jié)論

針對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電勵磁發(fā)電機控制的動態(tài)性能進行深入研究。為了改善背靠背功率變換拓?fù)渲心妇€電壓環(huán)節(jié)的動態(tài)性能，在推導(dǎo)了電機數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析了DTC控制的實現(xiàn)原理。為了進一步解決母線電壓外環(huán)的PI控制器響應(yīng)慢的問題，研究基于DTC的轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制算法。該算法通過非線性的開關(guān)矢量選擇，僅需一次調(diào)節(jié)即可實現(xiàn)電壓的恢復(fù)穩(wěn)定。通過理論推導(dǎo)分析了該算法的實現(xiàn)原理，并通過仿真驗證了其可行性。最后通過實驗對比了轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制和傳統(tǒng)PI控制的效果。實驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)矩脈沖時間積平衡控制能夠大大抑制母線電壓在負(fù)載突變時的波動，起到了較好的動態(tài)調(diào)節(jié)作用。