摘要：建立了雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)矢量控制系統(tǒng)的控制模型，討論了基丁定子磁場定向的解耦控制方法，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行了仿真，通過對仿真結(jié)果的分析，驗證了控制策略的正確性和有效性。
作為一種新型發(fā)電技術(shù)，雙饋發(fā)電機實現(xiàn)的變速恒頻的發(fā)電是一種新型的發(fā)電技術(shù)，非常適用于風(fēng)力、水力等綠色能源開發(fā)領(lǐng)域，尤其是在風(fēng)力發(fā)電方面，變速恒頻體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性和廣闊的應(yīng)用前景。
山于雙饋發(fā)電機變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，僅為定予額定功率的一部分，因此其雙向勵磁變換器的容量僅為發(fā)電機容量的一小部分，成本將會大大降低。交流勵磁雙饋型異步發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻控制、減小變換器的容量外，在磁場定向矢量控制下還可實現(xiàn)P、0解禍控制，進而實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電中的****風(fēng)能追蹤，對電網(wǎng)而言可起到無功補償?shù)淖饔谩?/DIV>
轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器的控制對象是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(D0ubly—Fed Induction Generator(DFIG))。為了實現(xiàn)有效控制，必須對轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器的控制對象DFIG進行充分r解，以此為基礎(chǔ)來建立轉(zhuǎn)子側(cè)PwM變換器控制分析的理論基礎(chǔ)。本文研究了轉(zhuǎn)子側(cè)基于定子磁場定向的矢量控制仿真模型，并對D FIG中各種有功功率之間的關(guān)系進行分析，以期找出實現(xiàn)****風(fēng)能追蹤的DFIG有功功率之間的關(guān)系，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的有效設(shè)計。
1雙饋發(fā)電機中雙PwM變換器控制基本原理
該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原理如圖1所示，采用的發(fā)電機為轉(zhuǎn)子交流勵磁的雙饋感應(yīng)發(fā)電機，定子繞組直接接人電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、幅值、相位可調(diào)的電源供給三相低頻勵磁電流，在轉(zhuǎn)子中形成一個低速旋轉(zhuǎn)磁場，這個磁場旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速相加等于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速。從而在發(fā)電機定子繞組中感應(yīng)出T頻電壓。
當(dāng)風(fēng)力機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr，小于發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速n1、時，雙饋發(fā)電機處于亞同步運行狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同，雙PWM變換器向轉(zhuǎn)子提供交流勵磁，定子向電網(wǎng)饋出電能，此時對于雙PWM變換器電網(wǎng)側(cè)為整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)為逆變狀態(tài)，其控制方法是基于定子磁場定向的矢量變換控制；當(dāng)風(fēng)力機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，大于發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速n1時，雙饋發(fā)電機處于超同步運行狀態(tài)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，此時定、轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)饋出電能，此時對于雙PwM變換器轉(zhuǎn)子側(cè)為整流狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)為逆變狀態(tài)，其控制方法將采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制方式。當(dāng)風(fēng)力機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，等于發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速nr時，雙PwM變換器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，此時電機作為普通隱極式同步發(fā)電機運行。
2基于定子磁場定向的矢量控制方案
與普通的三相交流電機一樣，三相靜止坐標(biāo)系F DHG的數(shù)學(xué)模型是一個高階、多變量、非線性、強耦合的系統(tǒng)，很難進行控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計。為了實現(xiàn)對DFIG有功、無功功率的有效控制，_-者必須解耦，因而可把交流調(diào)速中的矢量控制技術(shù)應(yīng)用于DFIG的有功、無功解耦控制中，即通過坐標(biāo)變換，使轉(zhuǎn)予電流的有功分量與無功分量實現(xiàn)解耦，控制轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無功分量就可以實現(xiàn)DFIG的有功和無功功率的有效、解耦控制，從而實現(xiàn)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制目標(biāo)。
首先列寫靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型，為了便于分析問題，通常作如下的假設(shè)：1)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間中互差120。電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布；2)忽略磁路飽和，認(rèn)為各繞組的自感和互感都是恒定的；3)忽略鐵心損耗；4)不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響；5)如無特別說明，轉(zhuǎn)子側(cè)的參數(shù)都是經(jīng)過折算到定子側(cè)的參數(shù)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。
(1)電壓方程
三相定子電壓療程為：
式中：uA，uB，uC，ua，ub，uc分別為定、轉(zhuǎn)子相電壓瞬時值；iA，iB，iC，ia，ib，ic分別為定、轉(zhuǎn)子相電
流瞬時值；ΨA，ΨB，ΨC，Ψa，Ψb，Ψc分別為定、轉(zhuǎn)子各項繞組磁鏈。
將其轉(zhuǎn)化為矩陣形式：
u-Ri-pΨ （3）
(2)磁鏈方程
式中：Lms是定子一相繞組交鏈的****互感磁通所對應(yīng)的定子互感值；Lmr，是轉(zhuǎn)子一相繞組交鏈的****互感磁通所對應(yīng)的定子瓦感值；Lls，Llr分別為定、轉(zhuǎn)子漏電感：θ為轉(zhuǎn)子的位置角。
(3)轉(zhuǎn)矩方程
運動方程
式中：TL為風(fēng)力機提供的拖動轉(zhuǎn)矩;J為機組的轉(zhuǎn)動慣量。
進一步將靜止坐標(biāo)系下的DFIG數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其電壓方程和磁鏈方程為：
考慮到雙饋電機不論是電動狀態(tài)還是發(fā)電狀態(tài)，都始終運行在工頻50Hz樣的頻率下，定子電阻壓降遠(yuǎn)比電抗壓降和電機反電勢小，通常可以忽略電機定子繞組電阻。由定子電壓表達(dá)式可以看出，忽略電機定子繞組電阻后，定子磁鏈?zhǔn)噶喀?SUB>1，比定子電壓矢量u，****90。當(dāng)選擇M—T坐標(biāo)系的M軸沿ψ1定向時，有：
為了進行發(fā)電機有功功率P和無功功率Q的獨立調(diào)節(jié)，寫出M-T坐標(biāo)系下發(fā)電機定子的功率表達(dá)式為：
式中，3/2為按模不變原則引入的坐標(biāo)變換系數(shù)，將式（9）代入（11）得：
根據(jù)磁鏈方程（8）導(dǎo)出定子磁鏈方程并得出：
轉(zhuǎn)子磁鏈方程轉(zhuǎn)化有：
根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)電壓方程得到轉(zhuǎn)子電壓方程：
式中：
；
為實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電壓、電流解耦控制的解耦項；△umr, △umr為消除M、T軸轉(zhuǎn)子電壓、電流分量間交叉耦合的補償項。將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項和補償項，就獲得實惠P，Q獨立調(diào)節(jié)的M-T坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子分量電壓，通過2；/3；旋轉(zhuǎn)變換，可得到發(fā)電機轉(zhuǎn)子三相電壓，此電壓可用做勵磁變頻電源所需的PWM指令。控制PWM變頻器產(chǎn)生所需頻率、大小、相位的三相交流勵磁電壓，就可最終實現(xiàn)發(fā)電機功率控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以及****風(fēng)能捕獲運行。
描述定子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的控制框如圖2所示。由圖可見，整個系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)能原則給出，無功指令Q根據(jù)電網(wǎng)要求設(shè)定rc饋值進行比較，差值經(jīng)PI型功率調(diào)節(jié)器運算，得到定子電流有功分量和無功分量指令imr，its；進一步計算得到轉(zhuǎn)子電流有功和無功分量指令imr 和iTr；imr 和iTr 與轉(zhuǎn)子電流反饋值imr和imr，its比較后經(jīng)PI型電流調(diào)節(jié)器，可輸出轉(zhuǎn)子電壓解耦項。uMr和uTr，加上轉(zhuǎn)子電壓補償項△uMr和△uTr后，就得到轉(zhuǎn)子勵磁電源的電壓控制指令uMr和uTr。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換所需定子磁鏈空間位置θs以及轉(zhuǎn)子位置角θr可以通過定子磁鏈ψ1觀測器和轉(zhuǎn)子同軸光電編碼器得到。
3轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制仿真
為了驗證論文理論分析和建模的正確性，運用所構(gòu)建的交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型進行了****風(fēng)能追蹤控制方面的仿真研究。仿真所用的是一臺國產(chǎn)的8kw，380v，50Hz的6極電機，經(jīng)折算后的參數(shù)如下：定子電阻2. 8Ω，自感0. 286H，轉(zhuǎn)子電阻2 .52Q，自感0 286H，激磁電感(互感)0. 270H，轉(zhuǎn)動慣量O. ool kg m2。
首先假定風(fēng)速為4 5m／s所對應(yīng)的雙饋發(fā)電機定子輸出參考有功功率為2kw，在5s后，風(fēng)速上升為7．5 m／s所對應(yīng)的雙饋發(fā)電機定子輸出參考有功功率躍變?yōu)?kw，整個過程的定子參考無功功率為150Var。圖3為定子輸出功率的仿真波形，其中P1的變化體現(xiàn)了****風(fēng)能的追蹤情況，而P1變化時Q1保持不變，不但實現(xiàn)了****風(fēng)能追蹤，還實現(xiàn)了P、Q解耦。
圖4、圖5為DHG轉(zhuǎn)子電流i2和定子電流i1仿真波形。隨著轉(zhuǎn)子角速度的變化，i2的頻率發(fā)生變化，當(dāng)轉(zhuǎn)子角速度接近同步角速度時，i2的頻率接近為零. i1的頻率不受轉(zhuǎn)子角速度變化的影響，始終保持為工頻50Hz。當(dāng)轉(zhuǎn)子角速度變化時，通過改變i2的頻率保證i1頻率恒定，這就是“變速恒頻”的基本原理。隨著轉(zhuǎn)子角速度的變化，i1幅值發(fā)生明顯的變化，在電網(wǎng)電壓恒定的條件下，i1幅值變化反映了P1的變化。圖6為DFIG轉(zhuǎn)子電壓u2的變化過程。在整個過程中，
I2和u2；的幅值、頻率、相位發(fā)牛變化。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電壓、電流的幅值、頻率、相位，實現(xiàn)DFIG的變速恒頻運行和P、Q解耦控制，這正是“交流勵磁”的本質(zhì)和優(yōu)勢。
4結(jié)論
本文結(jié)合交流勵磁發(fā)電和矢量變換控制的優(yōu)點，建立了雙PWM變頻器供電的雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)變換器模型，并對該系統(tǒng)進行了較為全面的仿真研究。結(jié)果表明，本文研究所獲得的交流勵磁變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的理論分析和控制策略是正確的，可行的，對以后的實驗研究具有指導(dǎo)意義。
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本課題為遼寧省教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃立項課題
