韓成春， 崔慶玉

(1.徐州工程學(xué)院 電氣與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018； 2.徐州工程學(xué)院 外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，江蘇 徐州 221018)

0 引 言

隨著各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)能源的需求量也持續(xù)增加。風(fēng)能具備含量高、無(wú)污染和可再生等眾多優(yōu)勢(shì)獲得了廣泛應(yīng)用。對(duì)風(fēng)能進(jìn)行開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，直驅(qū)永磁同步風(fēng)力電機(jī)已獲得眾多學(xué)者的研究[1-4]。根據(jù)前期文獻(xiàn)報(bào)道與相關(guān)試驗(yàn)分析可知，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能輔助調(diào)頻、虛擬慣性控制、預(yù)留容量最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)調(diào)控與虛擬同步電機(jī)調(diào)節(jié)等功能[5-6]。對(duì)預(yù)留容量進(jìn)行MPPT控制的過(guò)程是以風(fēng)力電機(jī)減載方式或增大槳距角的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[7-9]。相對(duì)于虛擬慣性條件下的控制方式，采用虛擬同步電機(jī)進(jìn)行控制時(shí)可以在動(dòng)態(tài)下獲得自治頻率信息，因此能夠消除以鎖相環(huán)進(jìn)行電網(wǎng)測(cè)試所導(dǎo)致的頻率檢測(cè)不穩(wěn)定問(wèn)題[10]。還有學(xué)者[11]為VSG模型構(gòu)建了傳遞函數(shù)，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特征，優(yōu)化了各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)。由于VSG的虛擬參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)靈活可調(diào)的功能，有研究人員在并網(wǎng)條件下，按照實(shí)際運(yùn)行狀況來(lái)達(dá)到自適應(yīng)調(diào)節(jié)VSG算法虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)的功能，使系統(tǒng)獲得更優(yōu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

考慮到VSG在孤島運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)發(fā)生頻率偏移的情況，文獻(xiàn)[12]調(diào)整了算法結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合同步電機(jī)的二次調(diào)頻原理，在確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的條件下，進(jìn)一步優(yōu)化控制參數(shù)來(lái)達(dá)到對(duì)系統(tǒng)頻率的精確控制。

1 VSG控制策略

當(dāng)負(fù)荷有功功率改變后，傳統(tǒng)形式的同步電機(jī)由輸入端獲得的機(jī)械功率與輸出端的電磁功率無(wú)法達(dá)到平衡的狀態(tài)，從而引起電機(jī)輸出頻率的較大差異。圖1為VSG控制策略結(jié)構(gòu)圖。

圖1給出了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)變流器所使用的VSG控制策略，對(duì)同步電機(jī)功頻與勵(lì)磁特性進(jìn)行了模擬分析。

采用式(1) 表示有功頻率控制器同步電機(jī)二階模型轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：

(1)

式中：J為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；δ為同步電機(jī)功角；ω為電機(jī)額定角速度；D為調(diào)整系數(shù)；Δω為電機(jī)額定與實(shí)際角速度差；Tm為電機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩。Δω較小時(shí)，將上述轉(zhuǎn)矩由式(2)表示。

圖1 VSG控制策略結(jié)構(gòu)圖

(2)

式中:Pm為輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為輸出電磁轉(zhuǎn)矩；ωN為電機(jī)實(shí)際角速度；Pe為逆變器輸出功率，取決于逆變器輸出電壓與電流。Pe通過(guò)式(3)進(jìn)行計(jì)算。

Pe=uaia+ubib+ucic

(3)

式中：ua、ub、uc分別為逆變器輸出三相電壓；ia、ib、ic為逆變器輸出三相電流。

2 VSG控制在并網(wǎng)下的穩(wěn)定性分析

圖2給出了VSG并網(wǎng)條件下形成的等效電路。并網(wǎng)條件下將其由式(4)表示。

圖2 逆變器在并網(wǎng)時(shí) 的等效電路圖

(4)

式中：E為逆變器輸出電壓；Ug為電網(wǎng)電壓；δ為逆變器電壓與電網(wǎng)電相角差；Z為阻抗；α為示阻抗角；Q為逆變器輸出的無(wú)功功率。

從圖3可以看到,并網(wǎng)條件下VSG在s域中形成的小信號(hào)模型。

忽略兩個(gè)環(huán)路耦之間的合作用時(shí)，可以利用式(5)表示有功功率閉環(huán)傳遞函數(shù)。

(5)

式中：Xg為阻抗Z的虛部。

上述傳遞函數(shù)對(duì)應(yīng)的特征方程如式(6)所示。

(6)

3 仿真驗(yàn)證

利用MATLAB/Simulink軟件建立仿真模型，進(jìn)行仿真測(cè)試時(shí)，在逆變器輸出端配備變比為150/380的變壓器作為負(fù)載與電網(wǎng)間的連接結(jié)構(gòu)。表1為仿真過(guò)程得到的參數(shù)。

圖3 并網(wǎng)下的小信號(hào)模型

表1 仿真參數(shù)

分別對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行q軸電流、d軸電流、電磁轉(zhuǎn)矩以及直流母線電壓進(jìn)行測(cè)試，所得結(jié)果如圖4所示。以id=0策略控制電機(jī)側(cè)的變流器。根據(jù)圖4(a)可知，d軸電流一直都為零；圖4(b)與圖4(c)分別為q軸電流與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形，兩者間呈現(xiàn)明顯的比例變化特征；根據(jù)圖4(d)發(fā)現(xiàn)直流母線電壓與350 V設(shè)定值保持良好跟隨性，獲得了穩(wěn)定的直流電壓。

圖4 并網(wǎng)下電機(jī)側(cè)變流器控制變化量

圖5(a)給出了下垂控制與VSG控制條件下隨著有功負(fù)荷的增大形成的電機(jī)轉(zhuǎn)速波形變化情況。圖5(b)給出了并網(wǎng)下逆變器輸出交流電形成的頻率圖。分析可知，頻率也存在較大區(qū)別，電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生了明顯減小，可以釋放轉(zhuǎn)子動(dòng)能來(lái)滿足頻率變化的需求。相對(duì)于同樣條件下的下垂控制過(guò)程，采用VSG控制方式時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生了更明顯的下降現(xiàn)象，因此能夠更高效地滿足頻率變換要求。此控制方式下形成了更平滑的頻率變化曲線，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間，頻率變化率顯著減小，頻率最低點(diǎn)也發(fā)生了提高，實(shí)現(xiàn)了頻率的穩(wěn)定變化狀態(tài)和頻率回歸到額定值。

圖5 并網(wǎng)下電機(jī)轉(zhuǎn)速和逆變器頻率波形

4 結(jié)束語(yǔ)

(1) 永磁同步電機(jī)q軸電流與電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形，兩者間呈現(xiàn)明顯的比例變化特征。直流母線電壓與350 V設(shè)定值保持良好跟隨性，獲得了穩(wěn)定的直流電壓。

(2) 采用VSG控制方式時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生了更明顯的下降現(xiàn)象，因此能夠更高效地滿足頻率變換要求。此控制方式下形成了更平滑的頻率變化曲線，延長(zhǎng)了調(diào)節(jié)時(shí)間，頻率變化率顯著減小，實(shí)現(xiàn)了頻率的穩(wěn)定變化狀態(tài)，頻率回歸到額定值。