陶彩霞，張友鵬

(蘭州交通大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著世界化石能源的匱乏以及環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，風(fēng)能作為一種可再生的綠色能源，越來越多的受到世界上各個國家的關(guān)注。其中變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)因其高效性和實(shí)用性正受到越來越多的重視[1]。為了更加有效的利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制的水平，本文對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本原理

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將雙饋電機(jī)定子接到工頻電網(wǎng)上，轉(zhuǎn)子接到四象限變頻器上，使定轉(zhuǎn)子同時饋電[2]，等效電路如圖1所示。

圖1 雙饋電機(jī)等效電路

由等效電路可以得出方程式如下:

因此轉(zhuǎn)子電流為:

或者:

將式(3)展開，可以得到轉(zhuǎn)子電流的有功分量 I2p和無功分量I2q:

由轉(zhuǎn)子電流的有功分量求出雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得:

2 基于圓形磁鏈的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在進(jìn)行發(fā)電時其負(fù)載轉(zhuǎn)矩跟隨外界風(fēng)速的變化而實(shí)時的變化，所以為了滿足并網(wǎng)要求以及外界實(shí)時變化的風(fēng)速，就要控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速n運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)時跟蹤。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)其基本原理就是利用開關(guān)型電壓逆變器的特點(diǎn)，施加空間電壓矢量來控制轉(zhuǎn)子的磁鏈，通過控制逆變器的六個不同方向的非零電壓矢量來使轉(zhuǎn)子磁鏈沿著圓形軌跡運(yùn)行，并可通過穿插兩個零電壓矢量狀態(tài)來改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差頻率，這樣用來控制雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化，實(shí)現(xiàn)對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制[3]。

2.1 轉(zhuǎn)矩方程

根據(jù)雙饋電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以得出轉(zhuǎn)矩的方程為:

式中，Ls為定子側(cè)自感;Lr為轉(zhuǎn)子側(cè)自感;Lm定轉(zhuǎn)子間互感;Lσ=θ為轉(zhuǎn)子磁鏈與定子磁鏈之間的夾角，即磁通角。

根據(jù)式(6)可知，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制就是控制雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈ψr、定子磁鏈 ψs、以及定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角θ來控制雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

2.2 空間電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康年P(guān)系

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制中轉(zhuǎn)子磁鏈的模型采用u－i模型，表達(dá)式為:

式(7)說明了雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子空間電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐g的近似關(guān)系，將轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶颗c轉(zhuǎn)子空間電壓矢量的關(guān)系反映到d－q軸上，其運(yùn)行軌跡如圖2所示。

圖中ur1(100)～ur6(101)為六個不同方向的非零電壓矢量，S1－S6為轉(zhuǎn)子磁鏈對應(yīng)的六個扇區(qū);據(jù)圖2所示，可以分析其沿著整個圓形轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡運(yùn)行的過程[4]，θ及T隨實(shí)際風(fēng)況的變化而變化[5]。

圖2 空間電壓矢量與逆變器的開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系圖

2.3 逆變器開關(guān)狀態(tài)

最優(yōu)逆變器開關(guān)狀態(tài)列表如表1所示。

表1中，ψq表示磁鏈控制信號，當(dāng)ψq=1時，表示需要增加磁鏈幅值;當(dāng)ψq=0時，表示需要減小磁鏈幅值。Tq為轉(zhuǎn)矩控制信號，當(dāng)Tq=1時，表示需要增加轉(zhuǎn)矩;當(dāng)Tq=0時，表示需要發(fā)送零電壓矢量，以減小轉(zhuǎn)矩;當(dāng)Tq=－1時，表示需要發(fā)送使定子磁鏈反向旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，使電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩快速減小，加快電機(jī)對轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度。

2.4 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器

施密特三點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。轉(zhuǎn)矩三點(diǎn)式調(diào)節(jié)器容差范圍為±εm。其中T*為轉(zhuǎn)矩的輸入信號的給定值(該值可以通過功率輸出曲線以及風(fēng)能的最大捕獲能力查出)，T為實(shí)際的轉(zhuǎn)矩，ΔT為輸入的給定轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的信號差，Tq為轉(zhuǎn)矩的輸出信號。

表1 逆變器開關(guān)狀態(tài)

圖3 轉(zhuǎn)矩三點(diǎn)式調(diào)節(jié)器

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)系統(tǒng)的基本原理，運(yùn)用MATLAB/simulink仿真軟件搭建近似于圓形磁鏈的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)系統(tǒng)的仿真模型。主要包括:風(fēng)力機(jī)模型[6]、雙 PWM變換器模型、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩和磁鏈的檢測模型、磁鏈調(diào)節(jié)器、三點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、PI控制模型、開關(guān)狀態(tài)選擇單元、磁鏈區(qū)間選擇單元等。

設(shè)置仿真參數(shù)如下:

(1)雙饋電機(jī)主要參數(shù)為:(各繞組參數(shù)為折算后)

極對數(shù)nP=2，采用Y/y接法，額定功率PN=110 kW，額定轉(zhuǎn)速nN=1 785 r/min，定子側(cè)額定電壓 UN=575 V，頻率 fN=60 Hz，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.008 913(pu)，轉(zhuǎn)子漏感 L1r=0.054 1(pu)，定子電阻 Rs=0.015 53(pu)，定子漏感 L1s=0.054 1(pu)，定、轉(zhuǎn)子互感 Lm=2.04(pu)，轉(zhuǎn)差率 s= －0.09，摩擦因數(shù) F=0.006 613，慣性常數(shù) H=0.317 5。

(2)風(fēng)力機(jī)的主要參數(shù)為:

風(fēng)力機(jī)的葉尖速比 λopt=8.1，最大風(fēng)能利用系數(shù) Cpmax=0.48，輸出的額定功率為:PNmec=100 kW。

功率的基準(zhǔn)值為:PB=110 kW;電壓的基準(zhǔn)值為:UB=電流的基準(zhǔn)值為:

3.1 電網(wǎng)電壓恒定情況下的仿真結(jié)果

假設(shè)電網(wǎng)電壓是理想的正弦交流電壓。在整個過程中給定的風(fēng)速為vwind=10 m/s，此時發(fā)電機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的1.09倍，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作在超同步運(yùn)行狀態(tài)[7]，轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡仿真圖如圖4所示。

由圖4可知轉(zhuǎn)子磁鏈的軌跡為近似圓形，其中橫軸為轉(zhuǎn)子磁鏈在d軸上的坐標(biāo)分量、縱軸為轉(zhuǎn)子磁鏈在q軸上的坐標(biāo)分量，單位為 wb。因?yàn)榇沛溎Ｐ驮诿總€扇區(qū)內(nèi)都采用了多個空間電壓矢量，這樣可以減少轉(zhuǎn)矩的脈動以及諧波的含量。

圖4 轉(zhuǎn)子磁鏈軌跡

圖5 可以看出在電網(wǎng)電壓恒定情況下，整個系統(tǒng)運(yùn)行比較平穩(wěn)。

圖5 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形

3.2 電網(wǎng)電壓跌落情況下的仿真結(jié)果

設(shè)置風(fēng)速為vwind=10 m/s，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)同樣在超同步轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，在 0.03 s～0.13 s之間，設(shè)置電網(wǎng)電壓跌落20%。在0.13 s以后又恢復(fù)到初始值。仿真波形如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可以看出，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時雙饋電機(jī)定、轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓及電流也發(fā)生了突變，當(dāng)0.13 s電網(wǎng)電壓恢復(fù)初始值之后整個系統(tǒng)又恢復(fù)到初始狀態(tài)運(yùn)行。

由圖8可以看出該系統(tǒng)調(diào)速性能的優(yōu)越性，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)一直在指定的轉(zhuǎn)速值附近運(yùn)行，這樣可以更有效的利用風(fēng)能。

圖6 電壓跌落時，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子側(cè)三相電流波形

4 結(jié)束語

論文主要是根據(jù)目前的風(fēng)力發(fā)電水平，將直接轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用到風(fēng)電系統(tǒng)中，采用近似圓形磁鏈的空間電壓矢量的選擇方案，有效解決了轉(zhuǎn)矩的脈動大以及電流諧波含量大等問題。同時轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用的是施密特三點(diǎn)式調(diào)節(jié)器，這樣更細(xì)化了轉(zhuǎn)矩的偏差分析，提高了系統(tǒng)的性能。

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