霍現(xiàn)旭， 胡書舉， 許洪華

(1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

0 引言

電勵(lì)磁同步電機(jī)具有功率因數(shù)高且可調(diào)、過(guò)載能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，在水電、火電中得到了廣泛應(yīng)用。德國(guó)Enercon等公司已經(jīng)將電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)電系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)湘電等一些公司也在進(jìn)行電勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研制。目前國(guó)內(nèi)的主流機(jī)型為使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(Double-Fed Induction Generator，DFIG)的雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)和使用永磁同步發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Syndronous Generator，PMSG)的直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)［1］。相比于DFIG，電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)具有功率因數(shù)高、弱磁區(qū)轉(zhuǎn)矩特性好等優(yōu)點(diǎn);相比于PMSG，電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)具有無(wú)需永磁材料、無(wú)失磁風(fēng)險(xiǎn)、可調(diào)勵(lì)磁磁通、造價(jià)相對(duì)便宜等優(yōu)點(diǎn)，顯示了一定的優(yōu)越性能。

同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)可分為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制、定子磁場(chǎng)定向控制、氣隙磁場(chǎng)定向控制等方式［2］。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定向容易，只需檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸線位置即可實(shí)現(xiàn)定向，一般用于永磁同步電機(jī)控制中。文獻(xiàn)［3］等采用了定子磁鏈定向控制，文獻(xiàn)［4-5］等采用氣隙磁鏈定向控制。在不同的控制目標(biāo)和控制方式下，定子磁場(chǎng)定向控制和氣隙磁鏈定向控制對(duì)于轉(zhuǎn)子激磁電流、功率因數(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面影響不同，各有優(yōu)劣。本文采取氣隙磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)。

氣隙磁場(chǎng)定向控制能夠得以有效實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，在于電機(jī)磁鏈信息的準(zhǔn)確獲取。對(duì)電勵(lì)磁同步電機(jī)磁鏈觀測(cè)常用的方法有電流模型、電壓模型和混合模型。電流模型在低轉(zhuǎn)速時(shí)能夠快速跟隨給定，缺點(diǎn)是對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感，電機(jī)參數(shù)受外界影響變化時(shí)，模型不能很好的工作。傳統(tǒng)的電壓模型是對(duì)反電動(dòng)勢(shì)直接積分，為開環(huán)模型，積分累積誤差和直流偏移誤差較大。為了消除這些誤差，部分文獻(xiàn)采用了低通濾波器代替積分環(huán)［6］、飽和雙反饋積分器［7］、MT軸系感應(yīng)電勢(shì)辨識(shí)［8］等策略加以改進(jìn)。

本文以電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)其在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制進(jìn)行了研究，對(duì)氣隙磁場(chǎng)定向中的磁鏈觀測(cè)和控制方案進(jìn)行詳細(xì)闡述，并給出了仿真結(jié)果。

1 氣隙磁場(chǎng)定向下的同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)的解耦控制，通過(guò)坐標(biāo)變換將同步發(fā)電機(jī)的abc坐標(biāo)系等效變換到同步旋轉(zhuǎn)MT軸坐標(biāo)系中，其中，同步旋轉(zhuǎn)軸線M軸與氣隙磁鏈?zhǔn)噶喀爪闹睾稀⒍ㄗ与娏鱥s沿MT軸分解為激磁分量ism和轉(zhuǎn)矩分量ist，分別控制便可實(shí)現(xiàn)解耦，簡(jiǎn)化同步電機(jī)的控制。不同軸系的相對(duì)位置關(guān)系及矢量關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 電勵(lì)磁同步電機(jī)矢量圖

在氣隙磁鏈定向控制中，采用電動(dòng)機(jī)慣例，坐標(biāo)變換采用恒幅值變化，可得到氣隙磁鏈表達(dá)式如下:

式中:ψδm、ψδt——M、T軸磁鏈分量;

Lmd、Lmq——d、q坐標(biāo)系下的d、q軸互感;

ist、ism——M、T軸定子電流分量;

if——?jiǎng)?lì)磁電流;

iDd、iDq——d、q軸阻尼電流分量;

δ——功角，即轉(zhuǎn)子與氣隙磁鏈之間的夾角。

根據(jù)氣隙磁鏈定向原理可知 ψδt=0。從式(1)可看到，阻尼繞組只在動(dòng)態(tài)時(shí)對(duì)氣隙磁鏈產(chǎn)生影響，且凸極效應(yīng)對(duì)磁鏈幅值的影響很弱，定子電流磁場(chǎng)分量ism和轉(zhuǎn)子激磁電流if是氣隙磁鏈的主要作用量。因此，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，可以忽略凸極效應(yīng)影響和阻尼繞組的影響，氣隙磁鏈的表達(dá)式簡(jiǎn)化為

MT軸系下電勵(lì)磁同步電機(jī)的電壓方程為

其中:ust、usm——M、T軸定子端電壓分量;

Rs、Lsl——定子繞組電阻和漏電感;

ω——同步坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度。

轉(zhuǎn)矩方程為

2 同步發(fā)電機(jī)氣隙磁鏈觀測(cè)

傳統(tǒng)的電壓模型面臨著積分零點(diǎn)漂移的問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］提出了一種采用MT軸系感應(yīng)電勢(shì)辨識(shí)磁鏈的方法，有效解決了傳統(tǒng)電壓模型中存在的問(wèn)題。這種方案的控制框圖如圖2所示。

圖2 基于MT軸系的氣隙磁鏈觀測(cè)

在MT軸系坐標(biāo)系下，假設(shè)氣隙磁鏈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與T軸不重合，定子感應(yīng)電勢(shì)矢量在MT軸上分解為轉(zhuǎn)矩分量est和磁場(chǎng)分量esm，則感應(yīng)電勢(shì)方程為

根據(jù)式(5)，可以得到:

基于MT軸系感應(yīng)電勢(shì)觀測(cè)氣隙磁鏈的積分器處于閉環(huán)中，漂移能夠被抑制，可以直接輸出氣隙磁鏈的幅值和相位，也為電勵(lì)磁同步電機(jī)無(wú)速度傳感器控制提供了轉(zhuǎn)速和角度值。

3 矢量控制策略

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變流器接收的主控命令為轉(zhuǎn)矩命令，依據(jù)式(4)可得到轉(zhuǎn)矩參考電流。根據(jù)所設(shè)定的發(fā)電機(jī)功率因數(shù)，輸入氣隙磁鏈幅值和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩參考電流，可得到定子勵(lì)磁參考電流。本文中，設(shè)定電機(jī)內(nèi)功率因數(shù)為1，即定子電流與氣隙磁鏈垂直。根據(jù)式(3)，定子的MT軸系電流經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，再加上前饋補(bǔ)償項(xiàng)，就可以得到MT軸的參考電壓矢量ust和usm。再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到三相參考電壓usa、usb和usc，最后進(jìn)過(guò)SVPWM算法得到發(fā)電機(jī)的控制信號(hào)。

在電勵(lì)磁同步電機(jī)的氣隙磁鏈?zhǔn)噶靠刂浦?，須保持氣隙磁鏈幅值的恒定，即保持激磁電流iμ恒定。根據(jù)式(2)，穩(wěn)態(tài)時(shí)氣隙磁鏈主要與定子M軸電流ism和轉(zhuǎn)子激磁電流if有關(guān)，動(dòng)態(tài)時(shí)還與阻尼繞組電流iD有關(guān)。由于控制中定子電流與氣隙磁鏈垂直，故有ism=0。穩(wěn)態(tài)時(shí)，阻尼繞組電流為0，由式(2)可看到此時(shí)氣隙磁鏈僅與勵(lì)磁電流和功角有關(guān)。氣隙磁鏈參考值與磁鏈觀測(cè)器所得到的氣隙磁鏈幅值的差值送入PI調(diào)節(jié)器，得到所需要的激磁電流參考值。由于定子M軸電流ism已確定，轉(zhuǎn)子激磁電流參考值也可以唯一確定。

根據(jù)上述原理可得到機(jī)側(cè)變流器的整體控制框圖，如圖3所示。

圖3 電機(jī)側(cè)變流器控制原理圖

4 仿真驗(yàn)證

基于上述工作原理，在MATLAB/Simulink 7.11中搭建了電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)與電機(jī)側(cè)變流器的仿真系統(tǒng)。為模擬風(fēng)速變化對(duì)電流跟隨能力的影響，轉(zhuǎn)速給定由初始的100 rad/s在0.3 s時(shí)斜坡給定至150 rad/s。為了驗(yàn)證實(shí)際工況中主控給定的轉(zhuǎn)矩變化對(duì)電流變化的影響，轉(zhuǎn)矩給定由初始值時(shí)的 －135 N·m在 0.6 s時(shí)變?yōu)椋?25 N·m。磁鏈參考幅值設(shè)定為1.5 Wb。仿真中電機(jī)的參數(shù)如下:額定功率31.3 kW、定子電阻0.214 Ω、定 子 漏 感 1.025 mH、直 軸 電 感24.36 mH、交軸電感 11.67 mH、極對(duì)數(shù)2。

圖4為磁鏈觀測(cè)器模型得到的磁鏈幅值和相位的變化曲線。由圖可看出，初始經(jīng)過(guò)短暫的暫態(tài)后，相位和幅值很快收斂至穩(wěn)定;在速度發(fā)生變化后，磁鏈觀測(cè)模型能很快進(jìn)行跟蹤，并且轉(zhuǎn)矩突變對(duì)其影響不大，顯示了磁鏈觀測(cè)器良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性。該磁鏈觀測(cè)器在系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)能夠保持幅值恒定，消除了由于直流偏置和積分累積導(dǎo)致的誤差。

圖4 磁鏈幅值和相位觀測(cè)值

圖5和圖6分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化曲線，圖6給出了參考轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩的對(duì)比曲線。圖7是定子轉(zhuǎn)矩電流ist和激磁電流ism在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩突變情況下的變化曲線，圖8為相應(yīng)的定子三相電流波形。由圖5可看出，在參考轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩能夠很好地進(jìn)行跟蹤，并且脈動(dòng)很小。從圖6中可看出在0.3 s轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，定子轉(zhuǎn)矩電流和激磁電流脈動(dòng)很小;在轉(zhuǎn)矩發(fā)生突變時(shí)，定子的轉(zhuǎn)矩電流ist也發(fā)生突變，驗(yàn)證了在磁鏈幅值不變的情況下，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩電流成正比的關(guān)系;整個(gè)過(guò)程中，定子的激磁電流ism基本為0，即定子電流與氣隙磁鏈基本保持垂直，維持內(nèi)功率因數(shù)為1不變。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖6 參考電磁轉(zhuǎn)矩和實(shí)際電磁轉(zhuǎn)矩曲線

圖7 MT軸電流波形

圖8 定子三相電流

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，提出了機(jī)側(cè)的控制策略，并對(duì)控制中的磁鏈觀測(cè)和控制策略進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性。由仿真可知，在風(fēng)速和轉(zhuǎn)矩突變時(shí)，磁鏈觀測(cè)器能準(zhǔn)確觀測(cè)氣隙磁鏈的幅值和相位，發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，控制效果良好。

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