顧 凱，魏海峰，張 懿

(江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，目前，國內(nèi)外學(xué)者已加大對直驅(qū)式風(fēng)電變流器控制技術(shù)的研究。直驅(qū)式風(fēng)電變流器機(jī)側(cè)主要對永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。永磁同步發(fā)電機(jī)(以下簡稱PMSG)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得較低，并且易于實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)、兼具有功和無功可控、低諧波等優(yōu)勢［1］。目前工程中常用的控制方式有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，矢量控制采用電流閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)連續(xù)且平滑的控制，并且調(diào)速范圍較寬;而直接轉(zhuǎn)矩控制，存在轉(zhuǎn)矩脈動，影響低速性能，同時(shí)調(diào)速范圍受到了限制，無論采用哪一種控制，都需要知道發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子精確的位置。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境通常比較惡劣，采用傳統(tǒng)安裝光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等裝置進(jìn)行檢測，容易受到干擾，傳感器易損壞，這樣不僅增加設(shè)備成本，而且安裝和維修都比較困難，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)，對于直驅(qū)式全功率變流器的發(fā)展具有重要意義［2］。關(guān)于無傳感器控制技術(shù)，國內(nèi)外已有大量的研究。目前，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)無傳感器控制主要通過利用定子端電壓和電流直接估算、基于狀態(tài)觀測器估計(jì)和凸極跟蹤等方法［3］。

本文研究了一種機(jī)側(cè)變流器采用id=0 的轉(zhuǎn)速外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。該控制策略控制系統(tǒng)簡單，不會引起去磁反應(yīng)和永磁同步電機(jī)退磁現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)定子電流與轉(zhuǎn)子磁通解耦控制，良好的轉(zhuǎn)矩特性，可以獲得很寬的調(diào)速范圍，比較適合永磁同步電機(jī)。無傳感器采用一種數(shù)字鎖相環(huán)和模型參考的方法，并在公司2 MW 直驅(qū)式全功率變流器樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制效果。

1 PMSG 數(shù)學(xué)模型

要設(shè)計(jì)PMSG 控制策略，需要對其進(jìn)行理論分析，而目前常用的理論分析方法是通過建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。對于電機(jī)有三種不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，每個(gè)數(shù)學(xué)模型適用于不同的理論分析，本文根據(jù)研究需要，建立PMSM dq 軸下的數(shù)學(xué)模型［3-4］。電機(jī)參數(shù)矢量圖如圖1 所示。

在這些假設(shè)下，以電動機(jī)慣例為電流的參考方向，最后得到永磁同步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d，q軸下的數(shù)學(xué)模型:

圖1 d，q 坐標(biāo)系矢量圖

電壓方程:

式中:ud，uq分別是d 軸和q 軸的定子電壓分量;ωs是轉(zhuǎn)子電角速度;R 是定子電阻。

磁鏈方程:

式中:ψd，ψq分別是d，q 軸的磁通;Ld，Lq分別是d軸和q 軸的電感;ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈。

電磁轉(zhuǎn)矩方程:

式中:p 為電機(jī)極對數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

機(jī)械運(yùn)動方程:

式中:ωr是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速;TL為原動機(jī)轉(zhuǎn)矩。

2 機(jī)側(cè)變流器控制策略

2.1 id =0 矢量控制策略

機(jī)側(cè)變流器的控制策略示意圖如圖2 所示。本文采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制策略，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電流dq 軸分量，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子無功功率的控制［5-6］。采取id=0 控制方式，將定子電流全部用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩、最小損耗、最大效率的控制［7-8］。外環(huán)控制中，風(fēng)力機(jī)實(shí)時(shí)風(fēng)速和發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算得到轉(zhuǎn)速度參考值ω*，再將轉(zhuǎn)速實(shí)際值與轉(zhuǎn)速參考值的差值，通過PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)得到q 軸電流參考值。將id=0 代入式(3)中，可得到電磁轉(zhuǎn)矩和iq的線性關(guān)系，所以發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只存在唯一的變量，即q 軸電流iq。因此，只需要對定子電流在q 軸上的電流分量iq進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制功能，同時(shí)使轉(zhuǎn)速實(shí)際值跟隨轉(zhuǎn)速參考值ω*。采用Clarke 和Park 變換，將電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的定子電流ia，ib和ic進(jìn)行變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下的電流值id和iq。機(jī)側(cè)為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制dq 軸電流和消除電網(wǎng)電壓擾動，引入電壓前饋補(bǔ)償控制，同時(shí)引入兩軸的反饋電流ωLdid和ωLqiq解耦項(xiàng)，使有功電流和無功電流可以分別獨(dú)立控制。最后得到了要調(diào)制的電壓ud和uq，再將ud和uq進(jìn)行反坐標(biāo)變換后送入SVPWM 脈寬調(diào)制產(chǎn)生驅(qū)動信號。

圖2 機(jī)側(cè)變流器控制策略示意圖

2.2 無速度傳感器控制策略

本文采用的數(shù)字鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)的無速度傳感器控制技術(shù)。圖1 中dq 軸是實(shí)際轉(zhuǎn)子位置坐標(biāo)系，d'q'軸為估計(jì)轉(zhuǎn)子位子坐標(biāo)系。由前面分析可知，PMSG 電磁轉(zhuǎn)矩僅與iq成正比而與id無關(guān)。當(dāng)id=0 時(shí)，單位電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩最大，即電流利用率最高，所以在保證dq 坐標(biāo)系d 軸與d'重合前提下控制d 軸電流為零［9］。為此本文采用了一種旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系閉環(huán)控制策略，該策略根據(jù)d 軸與d'軸線的角度差來調(diào)整同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而保證d 軸與d'軸重合。當(dāng)d 軸與d'軸線重合時(shí)，Δθ=θ' -θ=0。為了計(jì)算需要，將電壓方程改寫成:

由式(5)可以推出:

式(6)中，忽略了不容易獲得的電流微分信號部分，而且電流微分信號容易引入干擾，并且穩(wěn)態(tài)時(shí)基本為零。根據(jù)分析及式(5)和式(6)，可知，通過PI 調(diào)節(jié)器控制Δθ =0 就可實(shí)現(xiàn)鎖相功能。圖3 是鎖相環(huán)的控制原理圖，將PMSG 輸出的電壓和電流經(jīng)過坐標(biāo)變換得到dq 軸分量，經(jīng)過鎖相環(huán)算法得到Δθ，再經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)Δθ=0，得到轉(zhuǎn)子角速度，經(jīng)過積分環(huán)節(jié)后就可得到轉(zhuǎn)子位置角。

圖3 三相數(shù)字鎖相環(huán)控制原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢測理論的正確性和可行性，在某公司2 MW 直驅(qū)式全功率變流器樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖4 和圖5 分別為機(jī)側(cè)三相電流波形和直流側(cè)電壓波形，從波形上可以看出，機(jī)側(cè)三相電流波形接近于正弦波，且波形比較平滑，相序和幅值均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。直流側(cè)電壓也穩(wěn)定在1 000 V 左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文研究的控制策略在工程應(yīng)用中的可行性。測試平臺相關(guān)參數(shù)如表1 所示，測試波形顯示皆為標(biāo)幺值。

圖4 機(jī)側(cè)三相電流波形

圖5 直流側(cè)電壓波形

表1 測試平臺相關(guān)參數(shù)

4 結(jié) 語

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要，本文研究一種基于數(shù)字鎖相環(huán)的無速度傳感器矢量控制技術(shù)，該控制策略簡單易行，便于工程實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過理論分析和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果表明該控制策略能夠準(zhǔn)確算出風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，在直驅(qū)式全功率變流器上體現(xiàn)了良好的控制性能。

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