葛啟楨，黎 波，殷進(jìn)軍

?

船用軸帶無刷雙饋發(fā)電機(jī)標(biāo)量控制研究

葛啟楨，黎 波，殷進(jìn)軍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為了驗(yàn)證在船用軸帶發(fā)電系統(tǒng)中使用標(biāo)量控制進(jìn)行無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)控制的可行性。首先利用閉環(huán)標(biāo)量控制策略的對(duì)無刷雙饋電機(jī)的發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。然后對(duì)一臺(tái)64 kW無刷雙饋電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立發(fā)電試驗(yàn)并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在普通標(biāo)量控制的基礎(chǔ)上應(yīng)用一種基于自適應(yīng)PI的控制策略，通過檢測無刷雙饋電機(jī)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，選取合適的PI參數(shù)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)可以在特定船舶軸速范圍內(nèi)空載或帶載保持發(fā)電穩(wěn)定。

無刷雙饋電機(jī) 標(biāo)量控制 船用軸帶發(fā)電

0 引言

因?yàn)槌ル娝h(huán)節(jié)，無刷雙饋電機(jī)不需要使用與電機(jī)容量相匹配的大功率變流器，其發(fā)電系統(tǒng)的使用及維護(hù)成本大幅降低。但是需要利用復(fù)雜的算法來控制無刷雙饋電機(jī)的運(yùn)行。目前主要的控制方法有標(biāo)量控制[2-3]，直接轉(zhuǎn)矩控制[2,4-5]，矢量解耦控制等。對(duì)于基于標(biāo)量控制的無刷雙饋單機(jī)發(fā)電方式，文獻(xiàn)[1]驗(yàn)證了其可行性和缺陷。

本文針對(duì)在船用軸帶發(fā)電環(huán)境下的無刷雙饋電機(jī)的標(biāo)量控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上提出一種基于自適應(yīng)PI的標(biāo)量控制策略。

1 無刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電原理

1.1 BDFM單機(jī)發(fā)電運(yùn)行原理

無刷雙饋電機(jī)工作在發(fā)電工況時(shí)，原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，在p極控制繞組中通入頻率為f的三相對(duì)稱交流勵(lì)磁電流，在轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)感應(yīng)電流。P極轉(zhuǎn)子磁場在定子P對(duì)極繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢產(chǎn)生定子功率繞組電流也會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于控制繞組和功率繞組在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流共享同一個(gè)轉(zhuǎn)子回路。所以二者產(chǎn)生的感應(yīng)電流相等。于是可得到控制繞組電流頻率f和功率繞組電流頻率f的換算關(guān)系：

由公式(1)，對(duì)于變化的轉(zhuǎn)子速n，只需要根據(jù)控制策略調(diào)整控制繞組的頻率f即可使功率繞組的輸出電流頻率f保持恒定。

功率繞組電壓調(diào)節(jié)規(guī)律可以從無刷雙饋電機(jī)折算后等效電路圖分析得出。

當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)檢測到功率繞組發(fā)電電壓低于設(shè)定值時(shí)，可以提高控制繞組給定電流，反之亦然。從圖1中可以看出，當(dāng)控制繞組電流I變大時(shí)，控制繞組與轉(zhuǎn)子磁鏈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢增大，在其他情況不變時(shí)轉(zhuǎn)子回路電流I增大，由于激磁電流一般不超過10%，可以認(rèn)為I和I不變，這樣功率繞組側(cè)電流I會(huì)跟著增大，提高功率繞組側(cè)輸出電壓[1]。

楊福旺說：“‘百’就是全心全意依靠經(jīng)銷商，我們要建立100“佳”經(jīng)銷商群體，這些經(jīng)銷商都是專業(yè)的、專一的、專心的經(jīng)銷商，是我們非常好的戰(zhàn)略合作伙伴?！碧旒辜瘓F(tuán)擁有一批“粉絲”級(jí)的經(jīng)銷商，他們與天脊集團(tuán)有多年的感情，在多年的經(jīng)營中，他們見證了天脊化肥卓越的品質(zhì)，看到了天脊化肥帶給農(nóng)民的豐收畫面。因此，在新的形勢下，他們更愿意與天脊集團(tuán)攜手同行，深入合作，共同經(jīng)營市場。

1.2 BDFM單機(jī)發(fā)電數(shù)學(xué)模型

在本文的仿真及實(shí)驗(yàn)過程中使用的控制繞組控制器均為電壓源型變頻器。假設(shè)無刷雙饋發(fā)電機(jī)的等效異步電機(jī)為理想電機(jī)，則在靜態(tài)坐標(biāo)系下，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型如式(2)所示[1]：

如果將無刷雙饋發(fā)電機(jī)模型由靜止坐標(biāo)系變換到轉(zhuǎn)子速dq0坐標(biāo)系，則數(shù)學(xué)模型變?yōu)槭?3)[1]：

在仿真條件或者實(shí)驗(yàn)條件下，可以分別假定某些量為已知，從而適當(dāng)簡化該發(fā)電機(jī)模型。

2 無刷雙饋發(fā)電機(jī)單機(jī)發(fā)電控制策略

在獨(dú)立發(fā)電工況下，針對(duì)無刷雙饋電機(jī)的控制對(duì)象主要是功率繞組的輸出電壓和頻率，控制目的是保持這兩個(gè)輸出量的恒值穩(wěn)定。

在發(fā)電工況下，電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，于是發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子速可測。根據(jù)上面所述的無刷雙饋電機(jī)運(yùn)行規(guī)律，通過改變控制繞組激勵(lì)的幅值以及頻率可實(shí)現(xiàn)對(duì)功率繞組發(fā)電電壓幅值、頻率的控制。下面分析單機(jī)發(fā)電運(yùn)行標(biāo)量控制策略。

2.1 BDFM單機(jī)發(fā)電運(yùn)行標(biāo)量控制

無刷雙饋發(fā)電機(jī)標(biāo)量控制算法是基于上面所述的原理，當(dāng)給定轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，檢測到的功率繞組電流頻率或幅值增加或者降低，則相應(yīng)降低或者增加給定的控制繞組電流頻率或幅值。于是可以采用如圖2所示的功率繞組電壓和電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，電壓環(huán)在外電流環(huán)在內(nèi)，保證了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。同時(shí)為了保證功率繞組輸出頻率恒定，加上頻率閉環(huán)。控制系統(tǒng)原理圖如圖2。

2.2 BDFM發(fā)電標(biāo)量控制仿真分析

根據(jù)轉(zhuǎn)子速dq軸模型和電壓源模型，輸入量為功率繞組端發(fā)電給定頻率f和電壓矢量值U、轉(zhuǎn)速和負(fù)載阻抗大小。實(shí)驗(yàn)仿真所采用的無刷雙饋電機(jī)的各參數(shù)如下：

功率：64 kW；電壓：380V；轉(zhuǎn)速：300~700 rpm；=4；=2；=0.03；r=0.075；r=0.11；r=0.931；=0.04205；=0.16188；=1.0775；=0.11745；=0.33585。

2.2.1 無刷雙饋發(fā)電機(jī)空載建壓過程

轉(zhuǎn)速為300 rpm時(shí)，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，獲得的仿真曲線如圖3~5所示。

2.2.2 突加負(fù)載擾動(dòng)的仿真

轉(zhuǎn)速為300 rpm，負(fù)載為阻感性負(fù)載，功率因數(shù)為0.8。仿真時(shí)間10 s時(shí)由空載突加到半載，15 s時(shí)由半載突加滿載的仿真曲線如圖5~7。

圖3 空載建壓過程輸出電壓矢量值的仿真曲線

圖4 空載建壓過程輸出三相相電壓的仿真曲線

圖5 突加負(fù)載時(shí)輸出電壓矢量值的仿真曲線

圖6 突加負(fù)載時(shí)輸出三相相電壓的仿真曲線

圖7 突加負(fù)載時(shí)輸出三相電流的仿真曲線

2.2.3 轉(zhuǎn)速上升變化擾動(dòng)的仿真

在仿真時(shí)間為6 s時(shí)，轉(zhuǎn)速由300 rpm變化到450 rpm，獲得的輸出電壓仿真曲線如圖8~10。

圖8 轉(zhuǎn)速變化擾動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響

圖9 轉(zhuǎn)速變化時(shí)輸出電壓三相相電壓的仿真曲線

圖10 轉(zhuǎn)速變化時(shí)控制側(cè)定子繞組電流的仿真曲線

根據(jù)標(biāo)量控制仿真圖形分析，可以發(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)過程中，系統(tǒng)輸出電壓波動(dòng)不大，并且可以很快恢復(fù)，但是當(dāng)負(fù)載突變或者轉(zhuǎn)速突然發(fā)生劇烈變化時(shí)，輸出電壓的幅值波動(dòng)將超過20%的限定要求，如果處于船用軸帶發(fā)電狀態(tài)，則會(huì)對(duì)船舶電網(wǎng)造成很大影響。

3 無刷雙饋發(fā)電機(jī)單機(jī)發(fā)電實(shí)驗(yàn)

無刷雙饋電機(jī)單機(jī)發(fā)電實(shí)驗(yàn)使用的是由長航電機(jī)廠生產(chǎn)的64 kW無刷雙饋電機(jī)搭建的無刷雙饋電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電機(jī)參數(shù)為：功率繞組極對(duì)數(shù)為4，控制繞組極對(duì)數(shù)為2，同步轉(zhuǎn)速＝500 r/min。由于是做獨(dú)立交流電源使用，這里未提供額外三相交流電源。無刷雙饋單機(jī)發(fā)電的自勵(lì)過程，由變頻器直流母線端給功率繞組側(cè)加壓到正常逆變需要的560 V左右的電壓，在任意轉(zhuǎn)速下建壓起動(dòng)。

圖11空載時(shí)，轉(zhuǎn)速n=300，6 s時(shí)突變轉(zhuǎn)速至450轉(zhuǎn)

另外由于沒有采用能量回饋單元，所以整套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒有進(jìn)行超同步實(shí)驗(yàn)，但是因?yàn)槌胶痛瓮降陌l(fā)電狀態(tài)區(qū)別僅在于相位相反，所以僅進(jìn)行從起動(dòng)工況至次同步發(fā)電工況最后到同步速工況的實(shí)驗(yàn)。

由于無刷雙饋電機(jī)的工作點(diǎn)會(huì)隨著轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，導(dǎo)致在閉環(huán)系統(tǒng)中固定的PI參數(shù)無法滿足在不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)的電機(jī)工況。于是采用一種自適應(yīng)PI的方式，建立離線專家知識(shí)庫，根據(jù)不同的工況由控制程序選取合適的PI參數(shù)來進(jìn)行控制。

實(shí)驗(yàn)如下，圖中三個(gè)曲線CH A1 A2 A3由上至下分別是功率繞組電壓，功率繞組電流，控制繞組電流，下圖表示特定時(shí)間段的放大曲線：

可以發(fā)現(xiàn)空載時(shí)諧波含量大，如小圖所示，在轉(zhuǎn)速突變時(shí)功率繞組輸出基本無變化，僅諧波幅值變大。而加很小的輕載以后諧波有很大改善。

加載卸載實(shí)驗(yàn)采用逐步加載至負(fù)載滿載，然后突卸至空載的方式進(jìn)行無刷雙饋電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

按照以下步驟加載1.5 kW—4.5 kW—10.5 kW—25.5 kW—46.5 kW，然后突然切換至空載，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為330轉(zhuǎn)、410轉(zhuǎn)、490轉(zhuǎn)時(shí)，測試波形如圖13。

圖13 轉(zhuǎn)速分別為330轉(zhuǎn)，410轉(zhuǎn)，490轉(zhuǎn)時(shí)的測試波形

觀察以上圖形，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合無刷雙饋電機(jī)的原理。隨著轉(zhuǎn)速逐漸接近同步速500轉(zhuǎn)時(shí)，控制繞組電流基本為零，功率繞組電流隨著負(fù)載功率增加而增加。同時(shí)根據(jù)以上選取的幾個(gè)轉(zhuǎn)速節(jié)點(diǎn)分析可以發(fā)現(xiàn)，在次同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)至接近同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近，整個(gè)系統(tǒng)在加載卸載過程中的電壓都能基本穩(wěn)定輸出，不會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間過大的欠壓或者過壓。如果在功率繞組輸出端加入濾波環(huán)節(jié)，那么可以有效濾除諧波，使得輸出波形可以變得更平滑。

4 總結(jié)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過采用一種基于自適應(yīng)PI的標(biāo)量控制方法時(shí)，無刷雙饋發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)能夠達(dá)到船用電的使用要求。驗(yàn)證了使用標(biāo)量控制策略來進(jìn)行船用無刷雙饋電機(jī)控制的可行性。但是，在實(shí)驗(yàn)過程中，如果發(fā)生突加60%以上負(fù)載或者存在300以上的轉(zhuǎn)速突變，則容易發(fā)生因過壓而引發(fā)的系統(tǒng)崩潰。在環(huán)境更為復(fù)雜的條件下，則需要考慮采用更為復(fù)雜的控制算法。

綜合分析可得知，在船用軸帶發(fā)電這種動(dòng)態(tài)性能要求不高的場合，采用無刷雙饋發(fā)電機(jī)的標(biāo)量控制是一種經(jīng)濟(jì)且容易實(shí)現(xiàn)的方式。

[1] 吳濤．變速恒頻無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行控制研究[D]．華中科技大學(xué)博士論文, 2009．

[2] 劉航航, 韓力．無刷雙饋電機(jī)控制策略發(fā)展綜述[J]．微特電機(jī)．2010(6)：69-73．

[3] Sarasola I, Poza J, Oyarbide E, et a1．Stability analysis of a brushless doubly fed machine under closed loop scalar current control[C]//IECON 2006-32nd Annual Conference on the IEEE Industrial Electronics. Paris, France: IEEE Industrial Electronics, 2006: 1527-1532．

[4] Brassfield W R, Spée R, Habetler T G. Direct torque control for brushless doubly fed machines[C]// Conference Record of the IEEE Industry Application Society Annual Meeting. Houston, TX, USA: IEEE, 1992, (1): 6l5—622.

[5] 楊俊華, 呂惠子, 吳捷, 楊金明. 基于波波夫超穩(wěn)定性的無刷雙饋電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(15)：107-113.

Marine Shaft Brushless Doubly-fed Generator Based on Scalar Control Theory

Ge Qizhen, Li Bo, Yin Jingjun

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064, China)

TM31

A

1003-4862（2015）02-0059-04

2014-10-08

葛啟楨（1990-），男，碩士研究生。研究方向：無刷雙饋電機(jī)控制策略。