李 娜

摘 要:論述在分析級聯(lián)式無刷雙饋電機原理的基礎(chǔ)上,根據(jù)玠[CD*2]q軸數(shù)學(xué)模型,通過轉(zhuǎn)子和功率繞組、控制繞組之間的坐標(biāo)變換,得到同步數(shù)學(xué)模型,并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出無刷雙饋電機數(shù)學(xué)模型。根據(jù)次模型進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明:并網(wǎng)過程中,通過改變勵磁電流的大小可調(diào)節(jié)功率側(cè)輸出電壓的幅值,從而可實現(xiàn)變速恒頻

關(guān)鍵詞:無刷雙饋電機;并網(wǎng)運行控制策略;變速恒頻;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號:TM343

近來,風(fēng)力發(fā)電行業(yè)一直在快速發(fā)展,而且在電網(wǎng)中的比重也越來越大。無刷雙饋電機由于其省略了滑環(huán)和碳刷,使其使用壽命大大增加,而且性能更可靠,被廣泛使用。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

級聯(lián)式無刷雙饋電機‐[1[CD*2]3](CBDFM)可看作是兩臺極對數(shù)為玃璸和P璫的繞線式異步電機級聯(lián)而成,即將兩臺繞線式異步電機同軸相連,轉(zhuǎn)子繞組相互連接, CBDFM有兩套定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子繞組,這兩套轉(zhuǎn)子繞組機械上同軸,并且反相序連接和定子繞組分別向外輸出電能和控制磁場內(nèi)部的變化。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

模型是在網(wǎng)絡(luò)電路的電壓方程式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,有利于控制系統(tǒng)的設(shè)計。但該數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)子電流不僅受功率繞組的影響還受到控制繞組的影響,這如果僅通過控制控制繞組的電源不易于實現(xiàn)解耦控制。若把轉(zhuǎn)子電流分成由功率繞組和控制繞組的電磁耦合作用產(chǎn)生的,則可以把BDFM解耦成兩臺異步電機,然后再參考三相異步電機的矢量解耦控制,就可以實現(xiàn)矢量解耦控制。

轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和同步坐標(biāo)系的關(guān)系如┩2所示[5]。其中:上標(biāo)pe代表功率繞組同步坐標(biāo)系;ヽe代表控制繞組同步坐標(biāo)系;r0代表轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系。通過轉(zhuǎn)子和功率繞組、控制繞組坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,可以得到同步數(shù)學(xué)模型。И

將功率繞組及控制繞組定子坐標(biāo)系變換到同步坐標(biāo)系并取各自磁場玠軸方向與其總磁場方向重合有

如果功率繞組的定子總磁鏈與玃璸對極同步坐標(biāo)系直軸(d軸)相重合,功率繞組可以描述為

式中:V為電壓;I為電流;L為電感;M為互感;P為極對數(shù);ω為角速度;q為q軸;d為d軸;下標(biāo)p為功率繞組;c為控制繞組;下標(biāo)r為轉(zhuǎn)子;s為自感;│泉﹑e=ω璸t-P璸θ璻,θヽe=-∫瑃0ω璫玠玹-P璫θ璻。式(1)、式(2)為功率繞組,┦(3)~式(5)為控制繞組,式(6)為電磁轉(zhuǎn)矩。[JP]

經(jīng)過上述變換,將兩個子系統(tǒng)的電流與磁鏈變量由正弦量變成直流量,可極大簡化控制器的設(shè)計。對于功率子系統(tǒng),磁場定向后,簡化了運算。由式(1)式(2)可見,該子系統(tǒng)不受控制繞組的影響,轉(zhuǎn)子電流I﹑e﹒rp,I﹑eヾrp可以由式(1)、式(2)求得?？刂谱酉到y(tǒng)經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁場定向后,將電流方程簡化為式(3)~(5)的形式,由式(4)、式(5)可知,轉(zhuǎn)子磁鏈ψヽeヾrc僅受控制繞組電流Iヽeヾc控制,如果保持電流Iヽeヾc為常數(shù),則可以保持轉(zhuǎn)子磁鏈為常數(shù)。由式(3)可知,ψヽeヾrc確定后,ω由Iヽe﹒c確定。又功率繞組子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流可由式(1),式(2)求得,所以經(jīng)磁場定向后,電磁轉(zhuǎn)矩完全受Iヽe﹒c控制。這樣分別控制Iヽeヾc,Iヽe﹒c就可以相應(yīng)地控制磁通與轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)解耦控制。И

3 運行控制策略

將電動機慣例的玀T軸系數(shù)學(xué)模型改寫為發(fā)電機慣例的MT軸系數(shù)學(xué)模型,并假定定子功率繞組的電流正方向為反方向,重寫電壓、磁鏈方程可得:[FL)]

式中:l﹑s為功率側(cè)定子全自感;l﹑m為功率側(cè)定轉(zhuǎn)子互感;lヽs為控制側(cè)定子全自感;lヽm側(cè)為控制定轉(zhuǎn)子互感;l﹑r為功率側(cè)轉(zhuǎn)子全自感;lヽr為控制側(cè)轉(zhuǎn)子全自感。И

仍然采用定子功率繞組磁鏈定向控制策略[7],將軸取在定子功率繞組的磁鏈方向上,忽略定子功率繞組的電阻,則有:

式(11)～(15)構(gòu)成無刷雙饋電機做發(fā)電機并網(wǎng)運行時,定子功率繞組磁場定向的控制依據(jù)。

4 并網(wǎng)過程仿真

以Matlab的Simulink及Power System Block為工具,構(gòu)建無刷雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載仿真模型,如圖3所示。

無刷雙饋電機在350 r/min穩(wěn)態(tài)運行,當(dāng)定子輸出的空載電壓與電網(wǎng)在波形、幅值、相位完全一致時實施并網(wǎng)。并網(wǎng)前,定子功率繞組輸出電壓波形如圖4~┩8所示。

[XC<58t4.tif>]

5 結(jié) 語

放大各仿真時間段的波形可以看出,圖5、圖6中從亞同步到同步再到超同步速的過程中,玣璸一直為50 Hz。狢BDFG運行在同步速時,負(fù)載電阻由20 Ω變?yōu)? kΩ,從圖7、圖8中可以看出玼璸的幅值有所抬高,而i璸的幅值下降明顯,0.9 s時CBDFG變?yōu)槌竭\行,玼璸的幅值有所下降;1.2 s時通過補償玦璵使得u璸的幅值又變回到下降前的數(shù)值附近,這說明改變勵磁電流的大小可以調(diào)節(jié)功率側(cè)輸出電壓的幅值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]黃守道,王耀南,王毅.無刷雙饋電機有功和無功功率控制的研究[J].中國電機工程學(xué)報,2005,25(4):87[CD*2]93.

[JP2][2]Jovanovic M G,Betz R,Jian Yu.The Use of Double Fed Reluctance Machines for Large Pumps and Wind Turbines[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2002,38(6):1 508[CD*2]1 516.[JP]

[3]Betz R,Jovanovic M G.The Brushless Doubly Fed Reluctance Machine and the Synchronous Reluctance Machine:A Comparison[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2000,36(4):1 103[CD*2]1 110.

[4]潘再平,章瑋.無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的理論分析[J].新能源,2000,22(7):1[CD*2]4.