高國章， 張 帆， 高 嵐

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063)

隨著節(jié)能減排成為目前航運(yùn)業(yè)的重要目標(biāo)之一，各大造船企業(yè)和船舶科研單位都在研究船舶節(jié)能和提高經(jīng)濟(jì)性的方法。軸帶發(fā)電機(jī)利用船舶主機(jī)的冗余功率為船舶提供一部分的電力，這已成為當(dāng)前船舶電站節(jié)能最重要的方式。[1]無刷雙饋發(fā)電機(jī)(Brushless Doubly-Fed Generator, BDFG)相較于傳統(tǒng)的有刷電機(jī)取消了電刷和滑環(huán)等裝置，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn),目前其主要應(yīng)用于變頻調(diào)速、風(fēng)力發(fā)電和船舶發(fā)電等領(lǐng)域中,也是現(xiàn)今船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)主要的研究方向之一。

針對BDFG的研究，文獻(xiàn)[2]對目前國內(nèi)BDFG的發(fā)展歷程、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、控制策略及發(fā)展與應(yīng)用前景進(jìn)行整體概述。目前，對于BDFG的控制主要分為獨(dú)立發(fā)電控制與并網(wǎng)控制。BDFG作為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，已有大多數(shù)學(xué)者對其控制策略進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[3]對船舶軸帶雙饋獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的控制進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明其獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，BDFG電機(jī)具有良好的電壓跟隨性和頻率穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]提出一種BDFG獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)的勵(lì)磁控制策略，并對其進(jìn)行具體的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明BDFG在原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，仍能保持穩(wěn)定的輸出電壓和頻率。

BDFG并網(wǎng)控制的研究多在于風(fēng)力發(fā)電場合與船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)中。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特殊性，發(fā)電機(jī)一般處于長期并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)輸出電壓受到電網(wǎng)電壓鉗制[5]，其控制目標(biāo)多是以抑制電壓諧波于振蕩[6-7]，控制電機(jī)的最大輸出功率為主。文獻(xiàn)[8]提出一種模型預(yù)測直接功率控制的方法，該方法能夠快速地實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)雙饋風(fēng)機(jī)的有功、無功功率的控制。對于船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)而言，由于其特殊的工作環(huán)境，需經(jīng)常對軸帶發(fā)電機(jī)與船舶電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)操作。目前,對于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制已有較多的研究。文獻(xiàn)[9]針對船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)網(wǎng)與并網(wǎng)控制兩種控制模式提出可實(shí)現(xiàn)平滑切換的控制方法，并對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10]基于船舶軸帶無刷雙饋電機(jī)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)提出一種矢量控制與模糊比例-微分-積分(Proportional Integral Differential,PID)控制器相結(jié)合的控制方法，以此來實(shí)現(xiàn)對BDFG獨(dú)立運(yùn)行的控制。文獻(xiàn)[11]提出BDFG在獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電模式下的控制策略，但主要針對獨(dú)立發(fā)電模式下的控制，并未對并網(wǎng)進(jìn)行深入研究。文獻(xiàn)[12]針對BDFG的優(yōu)勢，提出將其運(yùn)用于船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)中，并提出基于BDFG的獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電兩種運(yùn)行方式的控制方法。

但是，目前基于軸帶BDFG并網(wǎng)控制的研究較少且大多數(shù)是對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。因此，本文根據(jù)船舶軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的條件，采用電壓矢量控制的方法對無刷雙饋電機(jī)發(fā)電電壓與頻率進(jìn)行控制以達(dá)到與電網(wǎng)電壓一致。同時(shí)，利用并網(wǎng)鎖相環(huán)對電網(wǎng)相位進(jìn)行跟蹤進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)電壓相位與電網(wǎng)相位一致，實(shí)現(xiàn)軸帶BDFG并網(wǎng)控制。并用MATLAB/Simulink進(jìn)行建模仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明該控制方法的可行性，具有一定的理論意義。

1 BDFG的運(yùn)行原理與數(shù)學(xué)模型

1.1 BDFG運(yùn)行原理

隨著BDFG研究不斷發(fā)展和完善，BDFG在傳統(tǒng)交流發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上取消電刷和滑環(huán)等裝置，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上定子繞組采用兩對極對數(shù)不同的定子繞組，即控制繞組與功率繞組?？刂评@組通過可雙向流動(dòng)的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)變頻器與電網(wǎng)連接，并輸入頻率為fc的控制電流，功率繞組直接與電網(wǎng)連接并向電網(wǎng)輸送頻率fp的電流。根據(jù)文獻(xiàn) [13]可得，BDFG的轉(zhuǎn)速計(jì)算式為

(1)

式(1)中：fp、fc分別為功率繞組與控制繞組的電流頻率；pp、pc為功率繞組與控制繞組的極對數(shù)。當(dāng)無刷雙饋發(fā)電機(jī)處于超同步速時(shí)取“+”，處于亞同步速時(shí)取“-”。

在船舶運(yùn)行中，由于海況及航線的變化，船舶主機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致無刷雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速nr改變引起發(fā)電頻率發(fā)生改變。但是，在無刷雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)電并網(wǎng)過程中需保持功率繞組電流fp不變。功率繞組電流頻率的公式可由式(1)推導(dǎo)為

(2)

式(2)中:由于功率繞組需要與電網(wǎng)相連，需保持頻率恒定且與電網(wǎng)一致。當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，可通過改變控制繞組電流頻率fc來保持fp的穩(wěn)定，以達(dá)到變速恒頻發(fā)電的目的。

1.2 BDFG數(shù)學(xué)模型

由于BDFG復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電磁關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型相比于同步發(fā)電機(jī)更為復(fù)雜。以采用轉(zhuǎn)子速d-q坐標(biāo)系下的BDFG數(shù)學(xué)模型[14]為

(3)

磁鏈方程為

(4)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Tem=ppLsp(iqpidr-idpiqr)+

pcLsc(iqcidr-idciqr)

(5)

式(3)～式(5)中：下標(biāo)d和q分別為在Odq坐標(biāo)系下的d軸與q軸的分量；下標(biāo)s和r分別為定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)；下標(biāo)p和c為定子控制繞組與功率繞組；p為微分算子；pp、pc為功率繞組與控制繞組的極對數(shù)；udsp、uqsp、udsc、uqsc、udr、uqr分別為BDFG在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定轉(zhuǎn)子繞組對應(yīng)的相電壓值；idp、iqp、idc、iqc、idr、iqr為電流值；Rsp、Rsc、Rr分別為定轉(zhuǎn)子各繞組的電阻值；Lsp、Lsc、Lr分別為定轉(zhuǎn)子各繞組的自感；Mpr、Mcr分別為功率繞組、控制繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感；Ψ為電壓磁鏈。

2 軸帶BDFG并網(wǎng)控制

2.1 BDFG并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

船舶軸帶無刷雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要分為船舶主機(jī)、軸帶無刷雙饋發(fā)電機(jī)及船舶負(fù)載等3個(gè)部分，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

船舶主機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后通過齒輪箱帶動(dòng)軸帶BDFG轉(zhuǎn)動(dòng)，BDFG定子繞組中功率繞組末端直接與船舶電網(wǎng)通過一個(gè)合閘開關(guān)相連，控制繞組一端通過一個(gè)雙向流動(dòng)的雙PWM變頻器及濾波器與船舶電網(wǎng)相連。軸帶BDFG啟動(dòng)時(shí)，由雙PWM之間的交流輸入經(jīng)不可控整流提供啟動(dòng)時(shí)所需的勵(lì)磁電流以保證BDFG正常啟動(dòng)，待BDFG穩(wěn)定運(yùn)行且功率繞組端向電網(wǎng)供電后，控制繞組端的勵(lì)磁電流便由電網(wǎng)端經(jīng)過雙PWM變頻器整流逆變后提供，以保證軸帶BDFG正常運(yùn)行。

使用軸帶BDFG的最終目的是與船舶電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行以節(jié)省柴油發(fā)電機(jī)的消耗。但是，軸帶BDFG并入電網(wǎng)將會(huì)對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，并網(wǎng)過程中必須控制BDFG功率繞組輸出電壓的幅值、頻率及相位與電網(wǎng)一致。根據(jù)BDFG的特點(diǎn)，分別對其電壓的幅頻及相位進(jìn)行控制。

2.2 BDFG電壓幅頻控制

BDFG發(fā)電并網(wǎng)前是空載運(yùn)行的，對其控制也可看作是對獨(dú)立運(yùn)行時(shí)變速恒頻發(fā)電的控制。根據(jù)BDFG的原理，結(jié)合定子電壓矢量控制的方法，以電網(wǎng)電壓的頻率與幅值為基準(zhǔn)，通過對控制繞組的勵(lì)磁電流的控制即可控制功率繞組輸出電壓的頻率與幅值，得到控制原理框圖見圖2。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知BDFG功率繞組輸出的瞬時(shí)有功功率與無功功率的表達(dá)式為

圖2 控制原理框圖

(6)

在BDFG的旋轉(zhuǎn)Odq坐標(biāo)系下，定義功率繞組磁鏈與d軸同方向，d軸落后于q軸90°，根據(jù)控制目標(biāo)令功率繞組的目標(biāo)值與電網(wǎng)電壓一致，則控制繞組電壓的矢量值為us，則存在的電壓關(guān)系為

(7)

(8)

則式(6)可化簡為

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

上述只是對BDFG功率繞組輸出電壓的幅值與頻率進(jìn)行控制，但是由于發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)還需要求電壓相位與電網(wǎng)一致，才能夠使BDFG順利并入船舶電網(wǎng)，因此，還需對BDFG功率繞組輸出電壓的相位進(jìn)行控制。

2.3 BDFG電壓相位控制

在并網(wǎng)過程中，鎖相環(huán)就是通過監(jiān)測電網(wǎng)電壓來保證逆變器輸出的電壓的相位及頻率與電網(wǎng)保持一致的閉環(huán)控制系統(tǒng)。[16]對于電壓的相位控制引入一個(gè)鎖相環(huán)來監(jiān)測船舶電網(wǎng)電壓以保證BDFG功率繞組輸出電壓相位與其一致。

鎖相環(huán)的基本工作原理矢量圖見圖3，將三相電壓ua、ub、uc轉(zhuǎn)換到靜止Oαβ坐標(biāo)系下，再由靜止的αβ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)的Odq坐標(biāo)系下。其中α軸與a軸重合，電壓矢量u與α軸的夾角為θ，靜止的Oαβ坐標(biāo)系以一定的速度旋轉(zhuǎn)后便形成旋轉(zhuǎn)Odq坐標(biāo)系，Oαβ坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)Odq坐標(biāo)系的夾角為θ*。其鎖相環(huán)控制框圖見圖4。

圖3 坐標(biāo)變換矢量圖

鎖相環(huán)將監(jiān)測到的船舶電網(wǎng)三相電壓ua、ub、uc通過坐標(biāo)變換后得到同步旋轉(zhuǎn)Odq坐標(biāo)系下的電壓值ud、uq如圖4所示。然后由PI控制器對uq進(jìn)行調(diào)節(jié)使其迅速達(dá)到零。ω0的給定值為電網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)值50 Hz，再經(jīng)過一個(gè)積分環(huán)節(jié)得到電網(wǎng)電壓的相位θ*。根據(jù)電網(wǎng)電壓相位對BDFG控制繞組電流進(jìn)行控制，使其迅速地靠近電網(wǎng)電壓相位，達(dá)到并網(wǎng)條件。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、控制繞組與功率繞組的關(guān)系式

圖4 鎖相環(huán)控制框圖

(14)

得到相位控制框圖見圖5。由圖5可知

ussin(Δθ)=usΔθ=uq

(15)

(16)

圖5 相位控制框圖

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文針對BDFG并網(wǎng)所提出的控制方法的可行性，根據(jù)所建立的BDFG數(shù)學(xué)模型及控制方法，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中搭建船舶軸帶BDFG并網(wǎng)控制的仿真模型。其中電機(jī)采用2/4極對數(shù)64 kW的BDFG，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.03 kg/m2。所選取的BDFG主要仿真參數(shù)設(shè)定見表1。然后對傳統(tǒng)標(biāo)量控制和所提出的定子電壓矢量控制分別進(jìn)

表1 BDFG仿真參數(shù)設(shè)定

行仿真試驗(yàn)，并在轉(zhuǎn)速突變的條件下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最后對軸帶BDFG進(jìn)行并網(wǎng)試驗(yàn)。

3.1 BDFG發(fā)電仿真分析

3.1.1標(biāo)量控制仿真

為驗(yàn)證控制方法的優(yōu)勢，首先在Simulink搭建標(biāo)量控制的仿真模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，所得到的BDFG輸出電壓曲線見圖6。

a)BDFG功率繞組輸出電壓曲線

b)BDFG電壓頻率曲線圖6 標(biāo)量控制仿真結(jié)果

由圖6可知：圖6a中BDFG功率繞組輸出的電壓從建立起一直在280～320 V內(nèi)波動(dòng)，且不穩(wěn)定；圖6b中所示的由鎖相環(huán)所檢測到的電壓頻率也一直在50 Hz上下波動(dòng)且波動(dòng)范圍較大，不能滿足船用電的要求，且不能滿足與船舶電網(wǎng)并網(wǎng)的要求。

3.1.2定子電壓矢量控制仿真

根據(jù)上述分析，在MATLAB/Simulink中建立BDFG鎖相環(huán)的仿真模型和定子電壓矢量控制仿真模型。首先對電網(wǎng)電壓平衡時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，電網(wǎng)線電壓的有效值為311 V，頻率為50 Hz。仿真結(jié)果見圖7，圖7a、7c、7e分別為電網(wǎng)電壓的幅值相位和頻率，圖7b、7d、7f分別對應(yīng)為矢量控制下BDFG輸出的電壓的幅值相位以及頻率。由圖7可知:在電網(wǎng)穩(wěn)定的情況下，鎖相環(huán)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測到電網(wǎng)電壓頻率與相位，并且定子電壓矢量控制方法穩(wěn)定。

a)電網(wǎng)電壓曲線

b)BDFG電壓曲線

c)電網(wǎng)電壓頻率曲線

d)BDFG電壓頻率曲線

e)電網(wǎng)電壓相位

f)BDFG電壓相位曲線圖7 矢量控制電網(wǎng)電壓仿真結(jié)果

3.2 BDFG轉(zhuǎn)速突變仿真

由于軸帶BDFG的轉(zhuǎn)速受船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化影響，所以,BDFG在發(fā)電穩(wěn)定后需在主機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)能夠迅速穩(wěn)定功率繞組的輸出電壓。因此，仿真設(shè)置在功率繞組的有效線電壓和頻率分別為311 V和 50 Hz，設(shè)定其初始穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為300 r/min。BDFG穩(wěn)定后的功率繞組輸出電壓曲線見圖8。

BDFG轉(zhuǎn)速在2.0 s時(shí)由300 r/min突變至400 r/min。功率繞組輸出的A相電壓幅值和電壓頻率的仿真結(jié)果見圖9。DBFG在約0.5 s電壓的幅值與頻率趨于穩(wěn)定并一直保持。在2.0 s轉(zhuǎn)速突變時(shí)，由9a和9b可知，BDFG功率繞組輸出電壓出現(xiàn)約5 V的小幅度波動(dòng)；由9c可知，電壓的頻率也出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)，但波動(dòng)在允許的范圍內(nèi)，經(jīng)過約0.1 s后又恢復(fù)為穩(wěn)定值。并且相位基本保持不變，由此說明對于BDFG的控制比較穩(wěn)定。從圖9e所示的控制繞組電流信號(hào)的幅值可看出在轉(zhuǎn)速突變時(shí)，電流幅值基本保持穩(wěn)定，但其頻率迅速變化以此來保持功率繞組輸出電壓的頻率迅速保持穩(wěn)定，其變化也滿足式(1)中的函數(shù)關(guān)系式。

3.3 BDFG并網(wǎng)仿真分析

根據(jù)上述分析，BDFG在穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)下和轉(zhuǎn)速突變的情況下，功率繞組輸出電壓的幅值頻率與相位都能夠與電網(wǎng)保持同步，在其達(dá)到并網(wǎng)的條件后，進(jìn)行軸帶BDFG與船舶電網(wǎng)并網(wǎng)的仿真試驗(yàn)。

BDFG并網(wǎng)仿真曲線見圖10，虛線為BDFG A相電壓，實(shí)線為船舶電網(wǎng)A相電壓。當(dāng)BDFG功率繞組電壓頻率和幅值與電網(wǎng)一致時(shí)，相位不斷接近電網(wǎng)相位。在1.5 s時(shí)發(fā)出并網(wǎng)信號(hào)，電機(jī)電壓相位不斷接近電網(wǎng)相位。在約2.0 s電壓相位實(shí)現(xiàn)同步，軸帶無刷雙饋成功并入船舶電網(wǎng)，且能夠迅速穩(wěn)定。由此可知所提出的BDFG幅頻以及相位控制方法具有可行性。

a)功率繞組輸出電壓

b)功率繞組輸出電壓局部放大

圖8 BDFG功率繞組輸出電壓仿真結(jié)果

a)功率繞組輸出三相電壓

b)功率繞組輸出A相電壓

c)功率繞組輸出電壓頻率

d)功率繞組輸出電壓相位

e)控制繞組電流值圖9 轉(zhuǎn)速突變仿真結(jié)果

圖10 BDFG并網(wǎng)仿真曲線

4 結(jié)束語

基于BDFG的優(yōu)點(diǎn)，將其運(yùn)用于船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)，并與船舶電網(wǎng)并網(wǎng)為船舶提供電能。根據(jù)軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)所需的條件，提出定子繞組矢量控制來控制BDFG功率繞組輸出電壓的幅值與頻率；利用并網(wǎng)鎖相環(huán)的優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)相位，并對發(fā)電機(jī)的相位進(jìn)行控制以達(dá)到與電網(wǎng)同步。在Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真試驗(yàn)來驗(yàn)證該控制方法的可行性。仿真結(jié)果表明：該方法可完成軸帶BDFG的發(fā)電和與船舶并網(wǎng)運(yùn)行的控制。