李 慶 陳康博 張宏俊 羅 琦

(貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

現(xiàn)在能源消耗嚴重，新能源革命已經(jīng)開始。在當今對可再生能源的開發(fā)利用中，風能由于其突出的優(yōu)點而成為世界各國普遍重視的能源。風力發(fā)電技術(shù)成為世界各國學者競相研究的熱點。我國的風力發(fā)電機裝機量已經(jīng)是世界第一了，足以說明國家對風力發(fā)電機的重視[1-2]。而在運行風力發(fā)電中，無刷雙饋電機在節(jié)能調(diào)速控制上有無可比擬的優(yōu)勢。無刷雙饋電機具有結(jié)構(gòu)簡單并且堅固可靠，可用于異步和同步電機，可在無刷情況下實現(xiàn)雙饋，具有功率因數(shù)可調(diào)、高效率的特點，適合用于變頻恒速發(fā)電系統(tǒng)中[3-5]。

本課題在此背景下主要研究把無刷雙饋電機用于風力發(fā)電，如何實現(xiàn)對它的控制，使無刷雙饋電機在風速變化、風速恒定和負載波動的情況下發(fā)出頻率恒定的電能。

1 無刷雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)數(shù)學模型分析

首先將同步旋轉(zhuǎn)的d-q 坐標系的d 軸定向于定子磁鏈矢量的方向[6]，可推導得出：

定子電流方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

定子側(cè)功率為：

由以上結(jié)論可知，雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩與有功功率與定子電流q軸分量isq是呈線性關(guān)系，而有功功率和無功功率分別得到解耦，分別與isq和isd有線性關(guān)系。通過控制isd可以控制雙饋電機定子側(cè)的無功功率，而控制isq則可以控制雙饋電機有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩。因此通常也將isq稱為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，而將isd稱為定子電流的勵磁分量。

電壓耦合項為：

以上詳細推導了基于定子磁鏈定向適量控制的關(guān)系式。于穩(wěn)態(tài)情況下，一般讓定子的磁鏈保持不變，此時，雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩與有功功率都和isq且與irq成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子勵磁及無功功率則由ird決定。為了實現(xiàn)有功功率與無功功率的完全解耦控制，需要設(shè)計d 軸和q 軸的PI 環(huán)節(jié)，再進而利用前饋補償?shù)姆椒?，消除電壓的兩個耦合項△urd和△urq，從而達到完全解耦的目的。

2 無刷雙饋發(fā)電機電網(wǎng)側(cè)控制策略研究

2.1 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器數(shù)學模型

由網(wǎng)側(cè)PWM 變換器結(jié)構(gòu)圖[7]可以得出以下關(guān)系式：

由基爾霍夫電流理論可知，在三相且無中線的系統(tǒng)中，三相電流和等于零，穩(wěn)態(tài)時，電網(wǎng)電壓的三相對稱，三相電壓之和也為零。從而可推到出由abc 靜止坐標系變換到d-q 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的定子側(cè)PWM 變換器數(shù)學模型為：

式中，ud、uq分別是電網(wǎng)電壓d 軸、q 軸分量，id、iq分別是網(wǎng)側(cè)輸入電流的d 軸和q 軸分量，ω1為電網(wǎng)電壓同步角速度。

2.2 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器的控制策略

采用以直軸電網(wǎng)電壓矢量定向的控制策略。網(wǎng)側(cè)輸入的有功功率和無功功率表達式：

由式(9)可得出出，電網(wǎng)電壓矢量幅值不變時，網(wǎng)側(cè)變換器輸入有功功率的大小可由控制網(wǎng)側(cè)變流器輸入電流的d 軸分量控制，變換器輸入的無功功率的大小可由控制網(wǎng)側(cè)變流器輸入電流q 軸分量控制。當Pg＞0 時，表示網(wǎng)側(cè)PWM 變換器工作于整流狀態(tài)下，能量從電網(wǎng)流入網(wǎng)側(cè)PWM 變換器，當Pg＜0 時，則表示網(wǎng)側(cè)PWM 變換器工作于逆變狀態(tài)下，能量從直流環(huán)節(jié)再經(jīng)網(wǎng)側(cè)PWM 變換器返回電網(wǎng)。當Qg＞0時，網(wǎng)側(cè)PWM 變換器向電網(wǎng)輸入滯后的感性無功，當Qg＜0 時，網(wǎng)側(cè)PWM 變換器從電網(wǎng)吸收滯后的感性無功。

3 仿真模型與結(jié)果分析

3.1 仿真模型建立

應用Matlab/Simulink 建立了無刷雙饋電機控制的仿真模型真模型，如圖1 所示。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 恒定風速仿真

圖1 simulink 仿真模型

圖2 發(fā)電機輸出有功功率

圖3 發(fā)電機無功功率

圖4 發(fā)電機轉(zhuǎn)矩

圖5 發(fā)電機輸出有功功率

在無刷雙饋電機給定的風速為10m/s，發(fā)電機輸出電能供給電阻值為25Ω 的負載，風力發(fā)電機的無功功率給定為0Var 的情況下，仿真結(jié)果如圖所示。

從圖2～3 可看出電機啟動30s 后有功可以達到3kW，而無功維持在0Var 附近。另外，發(fā)電機輸入的機械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩（如圖4）在0.3秒內(nèi)達到平衡，電機很快進入穩(wěn)態(tài)運行。

3.2.2 變風速仿真

在t=3s 時，風速由12m/s 降為7m/s；在10s 處，風速又由7m/s 變回為12m/s，其他條件與恒風速下相同。從圖5 可看出，風速由12m/s變?yōu)?m/s，輸出有功功率由6kW 跌落到2.5kW，10s 時，風速恢復到12m/s，輸出的有功功率增加到初始狀態(tài)。無功功率也基本維持0Var，在我的模型仿真結(jié)果還可以看到電磁、機械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子角速度電壓和電流都在40s 后逐漸恢復到初始狀態(tài)，達到了系統(tǒng)要求的誤差控制。

3.2.3 負載波動仿真

給定額定風速12m/s，無功功率0Var，系統(tǒng)負載在20s 時變化，從50Ω 變?yōu)?5Ω。有功功率和轉(zhuǎn)子角速度如圖5～6。

從有功功率波形可看出，負載的變化影響了風機的輸出有功功率。負載為50Ω 時，最大功率為5kW，負載為25Ω 時，最大功率為6kW。轉(zhuǎn)子角速度也有180rad/s 降為150rad/s，因此可知負載變小，風機轉(zhuǎn)速也變小了。

圖6 發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度

4 結(jié)語

針對無刷雙饋電機風力發(fā)電在恒定風速、變風速和負載波動三種情景下的仿真結(jié)果，最終仿真結(jié)果證明風力機和無刷雙饋發(fā)電機的功率是平衡的，因此這種控制策略能夠應用。且他們是同軸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩也實現(xiàn)了平衡，從而使扭力為0，減少了發(fā)電機的損耗。又無刷雙饋電機的無功功率給定值為0，而我們的實驗結(jié)果也近乎為0，兩者近似相等為0，說明無刷雙饋風力發(fā)電機不輸出無功功率，從而實現(xiàn)了功率輸出最大化的目的，發(fā)電機輸出的電壓電流波形也均為正弦波形，對系統(tǒng)參數(shù)實現(xiàn)誤差控制。而負載的波動會影響發(fā)電機的最大功率工作狀態(tài)，讓我們有效的使用調(diào)節(jié)風力發(fā)電機。這些都與我們提出的控制策略的初衷吻合，證明了無刷雙饋電機在風力發(fā)電中的優(yōu)勢。

本文僅對無刷雙饋電機在風力發(fā)電中作電動機用的幾種控制策略進行了研究和仿真實驗，而世界上目前對無刷雙饋風力發(fā)電機用的控制策略研究尚處于探索階段，但是參考無刷雙饋電動機的控制策略，也可以得到一些有益的啟示。

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