丁強(qiáng) ,朱潔 ,江瑩旭
(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)電氣工程學(xué)院,江蘇 南京 210023;2.江蘇省風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)中心,江蘇 南京 210023;3.南京交通技師學(xué)院機(jī)電工程系,江蘇 南京 210049;4.蘇州新智機(jī)電工業(yè)有限公司,江蘇 蘇州 215156)
在全球化石燃料逐漸枯竭、碳排放日益增長(zhǎng) 的大環(huán)境背景下,開發(fā)利用可再生清潔新能源,擺脫石油煤炭等化石能源的依賴將是我國(guó)長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略[1-3]。目前,在各種新能源形式中,風(fēng)能作為一種分布廣泛的一次能源,在我國(guó)電力行業(yè)中已經(jīng)得到了大量的開發(fā)利用。
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電機(jī)類型一般有永磁同步電機(jī)、雙饋型異步電機(jī)、電勵(lì)磁電機(jī)(EESM)等類型。按照驅(qū)動(dòng)方式也可分為直驅(qū)、半直驅(qū)和帶變速箱的驅(qū)動(dòng)形式[4]。其中,直驅(qū)型電勵(lì)磁電機(jī)由于其自身的優(yōu)勢(shì),在風(fēng)電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[5-8]。相比于永磁電機(jī),EESM的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn):1)隨著稀土資源的大量使用,稀土永磁材料價(jià)格逐年上升,而EESM通過勵(lì)磁繞組實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁,因此在成本上更加經(jīng)濟(jì);2)EESM由于勵(lì)磁可控,在故障狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)可靠滅磁,安全性更高;3)可通過控制勵(lì)磁實(shí)現(xiàn)深度弱磁,獲得更寬的調(diào)速范圍,在各種風(fēng)速段均能獲得較好的發(fā)電性能。雖然其由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的原因體積較大,并且存在一定轉(zhuǎn)子損耗,效率略遜于永磁電機(jī),但在體積不敏感的風(fēng)電場(chǎng)合,直驅(qū)型的EESM仍然受到青睞。
目前學(xué)術(shù)界對(duì)EESM的研究集中于對(duì)電機(jī)模型的研究。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種速度觀測(cè)器,考慮了負(fù)載換相模式給速度觀測(cè)帶來的影響。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了一種基于電勵(lì)磁同步電機(jī)的模型觀測(cè)器,重點(diǎn)分析了負(fù)載變化給觀測(cè)帶來的影響。文獻(xiàn)[11]基于模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)算法進(jìn)行了研究,通過電壓型磁鏈改進(jìn)觀測(cè)模型,簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)電流型磁鏈觀測(cè)的方法。這些文獻(xiàn)均是從EESM模型本身出發(fā)做了相關(guān)的研究,分析了負(fù)載變化、參數(shù)影響對(duì)模型的影響,但未考慮模型收斂時(shí)間對(duì)電機(jī)動(dòng)態(tài)性能的影響,也沒有給出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化方案。文獻(xiàn)[12]提到,在高速精軋機(jī)的應(yīng)用中,需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)負(fù)載快速變化時(shí)有著較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,因此將模型預(yù)測(cè)控制算法應(yīng)用于電勵(lì)磁電機(jī)的控制中,提出的單級(jí)模型預(yù)測(cè)控制方法能夠避免多級(jí)控制帶來的短板問題,提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,降低硬件成本并提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。該文獻(xiàn)從模型角度優(yōu)化了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力,但在電機(jī)的速度外環(huán)上的動(dòng)態(tài)性上,和傳統(tǒng)方案相比并沒有本質(zhì)區(qū)別。
電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成形式一般如圖1所示,風(fēng)機(jī)扇葉通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)直接與電勵(lì)磁同步電機(jī)連接,由于采用了直驅(qū)的形式,電機(jī)繞組發(fā)出的電壓頻率不固定,無法直接并網(wǎng),需要通過電力電子器件,先將頻率幅值不固定的交流電整流為直流,通過直流母線上的電容濾波后,再逆變?yōu)槿嘟涣麟?,通過LCL濾波器并入電網(wǎng)[13-16]。直流勵(lì)磁裝置為電勵(lì)磁電機(jī)輸出可控的恒流勵(lì)磁,其工作方式原理不一,有的從上述的背靠背中直流母線取電,通過DC-DC變換器輸出;有的從電網(wǎng)取電,通過晶閘管整流輸出直流勵(lì)磁。
圖1 電勵(lì)磁電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Wind power generation system of EESM
在上述的背靠背結(jié)構(gòu)中,電能通過交-直-交的形式完成并網(wǎng),其中直流母線作為電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)能量交換的中間環(huán)節(jié),其穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作至關(guān)重要。當(dāng)負(fù)載側(cè)的電流發(fā)生突變時(shí),電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)能量就會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的不平衡,導(dǎo)致母線電容上的電壓發(fā)生抬高或者跌落,如果電機(jī)側(cè)在較長(zhǎng)一段時(shí)間無法響應(yīng)負(fù)載的變化,就會(huì)發(fā)生母線過壓或者欠壓故障。因此母線的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力是系統(tǒng)魯棒性的一個(gè)重要指標(biāo),也是本文重點(diǎn)研究的內(nèi)容。
學(xué)界針對(duì)此類功率變換器的動(dòng)態(tài)性能問題做出了不少的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[17]分析了變換器直流輸出在動(dòng)態(tài)過程中的阻抗穩(wěn)定的邊界,為動(dòng)態(tài)性能分析提供了分析方法和理論基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[18]中將并網(wǎng)逆變器的功率指令前饋至PWM整流器端,通過聯(lián)合控制獲得較好的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[19]在Buck變換器中提出了一種電容充放電平衡控制策略來改善動(dòng)態(tài)性問題。文獻(xiàn)[20]又進(jìn)一步將該策略應(yīng)用于PWM整流器中。
本文首先在推導(dǎo)EESM數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)算法的實(shí)現(xiàn)原理。然而,雖然DTC在轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面具有天然的優(yōu)勢(shì),但母線電壓外環(huán)的PI控制器仍然是限制動(dòng)態(tài)性能的瓶頸因素。針對(duì)此問題,本文在電機(jī)系統(tǒng)中采用電容電荷沖量平衡算法,研究一種轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制算法,理論分析了該算法在電勵(lì)磁DTC控制下實(shí)現(xiàn)的原理,并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的可行性和有效性。
交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型一般由三組重要的方程構(gòu)成,分別為磁鏈方程、電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程。
電勵(lì)磁電機(jī)磁鏈方程如下:
式中:Ψsd,Ψsq,ΨDd和ΨDq分別為定子磁鏈和阻尼繞組磁鏈在d,q軸上的分量;Ψf為勵(lì)磁繞組磁鏈;Ld,Lq,Lmd和 Lmq分別為同步電感和電樞反應(yīng)電感在d,q軸上的分量;isd,isq,iDd和iDq分別為定子繞組和阻尼繞組中的電流在d,q軸上的分量;if為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中的直流勵(lì)磁電流。
需要注意的是iDd,iDq以及if并非是指真實(shí)的電流大小,而是經(jīng)過折合,等效到定子側(cè)的電流大小。式(1)各電感之間滿足如下關(guān)系:
式中:Ls,Lf1,LDd1和LDq1分別為定子漏感、轉(zhuǎn)子漏感以及阻尼繞組d,q軸漏感。
電勵(lì)磁電機(jī)的電壓方程如下:
式中:Rs,Rf,RDd和 RDq分別為定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻以及阻尼繞組 d,q軸電阻;Usd,Usq和 Uf分別為定子d,q軸電壓和轉(zhuǎn)子繞組電壓;ωr為轉(zhuǎn)子角頻率。阻尼繞組由于是閉合繞組,因此端電壓為零。同樣的,轉(zhuǎn)子和阻尼繞組相關(guān)的量均為折合至定子側(cè)的等效值。
電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩以及運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式如下:
式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;p為極對(duì)數(shù);J為電機(jī)慣量。
DTC算法基本原理在于控制定子磁鏈幅值恒定基礎(chǔ),通過控制定子磁鏈與氣隙磁鏈夾角實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制。根據(jù)磁鏈方程可以推導(dǎo)得到定子磁鏈和氣隙磁鏈之間的關(guān)系:
式中:Ψσd,Ψσq為氣隙磁鏈在d,q軸上的分量。
式(6)表明,定子磁鏈可以表示為氣隙磁鏈和漏磁鏈之和。進(jìn)一步的,可以將定子側(cè)電流表示為和磁鏈相關(guān)的表達(dá)式:
將式(7)代入式(4),轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式中可消去和電流相關(guān)的量,并轉(zhuǎn)換為和磁鏈相關(guān)的表達(dá)式:
式中:θsm為定子磁鏈和氣隙磁鏈的夾角。
從式(8)可以看到,電磁轉(zhuǎn)矩正比于定子磁鏈和氣隙磁鏈幅值的乘積,并且正比于二者夾角的正弦值。在電勵(lì)磁電機(jī)中,由于阻尼繞組的存在,當(dāng)定子側(cè)電流瞬間變化時(shí),阻尼繞組中總是會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電流抵消定子電流對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響,因此氣隙磁場(chǎng)的變化相對(duì)緩慢,其時(shí)間常數(shù)往往在百ms級(jí)別。相比于開關(guān)周期,通??烧J(rèn)為氣隙磁鏈恒定不變,因此可以通過控制定子磁鏈來控制轉(zhuǎn)矩的大小。根據(jù)式(8),可以看出電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是多變量耦合的系統(tǒng),為了能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的解耦控制,可控制磁鏈幅值保持恒定來減少轉(zhuǎn)矩的影響變量,通過控制定子磁鏈與氣隙磁鏈的夾角變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。定子磁鏈的表達(dá)式可以寫為
式中:Us,is分別為逆變器輸出的三相電壓和電流的合成矢量。
考慮到在高速時(shí),定子電阻壓降項(xiàng)較小,因此可以近似認(rèn)為定子磁鏈?zhǔn)请妷旱姆e分。顯然,通過選擇不同的電壓矢量,即可使得定子磁鏈朝著預(yù)期的方向變化。
將每個(gè)橋臂上管開通,下管關(guān)斷的狀態(tài)定義為’1?,相反的狀態(tài)定義為’0?,逆變器的三個(gè)橋臂總共會(huì)形成8個(gè)電壓矢量,包括6個(gè)有效電壓矢量和2個(gè)零矢量,各個(gè)電壓矢量空間分布如圖2所示。將磁鏈所處的扇區(qū)按照60°等間距劃分為6個(gè)區(qū)域,以圖中定子磁鏈位于扇區(qū)Ⅰ為例,若電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),由于定子磁鏈?zhǔn)请妷菏噶糠e分形式,因此定子磁鏈會(huì)朝著電壓矢量方向變化。當(dāng)施加電壓矢量U6時(shí),定子磁鏈和氣隙磁鏈的夾角θsm增大,此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大,定子磁鏈幅值|Ψs|增大;當(dāng)施加電壓矢量U2,夾角θsm增大,定子磁鏈幅值|Ψs|增大;當(dāng)施加電壓矢量 U1時(shí),夾角θsm減小,定子磁鏈幅值|Ψs|減小;當(dāng)施加電壓矢量U5,夾角θsm減小,定子磁鏈幅值|Ψs|增大。因此在選擇電壓矢量時(shí),需要綜合轉(zhuǎn)矩和磁鏈的變化趨勢(shì)。
圖2 DTC磁鏈扇區(qū)和電壓矢量分布示意圖Fig.2 Flux linkage sector and voltage vector distribution of DTC
根據(jù)上述原理,可以根據(jù)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差討論,定義兩個(gè)相關(guān)的狀態(tài)變量?和τ來描述電機(jī)當(dāng)前磁鏈和轉(zhuǎn)矩與設(shè)定值之間的關(guān)系。當(dāng)實(shí)際磁鏈低于目標(biāo)磁鏈時(shí),期望實(shí)際磁鏈增大,開關(guān)量?的函數(shù)值為1,反之則為0。τ本質(zhì)上為一個(gè)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較器,當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)矩小于目標(biāo)轉(zhuǎn)矩并且超過一定誤差時(shí),期望實(shí)際轉(zhuǎn)矩增大,τ取1,反之取-1。為避免開關(guān)頻率過高,當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩偏差在一定范圍內(nèi)時(shí),期望實(shí)際轉(zhuǎn)矩不變化。以上描述可用公式表示為
式中:Ψ*s為定子磁鏈的設(shè)定值;Te*為轉(zhuǎn)矩的設(shè)定值;ΔT為轉(zhuǎn)矩允許的誤差帶。
進(jìn)一步的,可以枚舉出在不同狀態(tài)變量下的開關(guān)選擇原則,如表1所示。
表1 DTC開關(guān)矢量選擇表Tab.1 Switch vector selection table of DTC
根據(jù)上述DTC控制的原理,可以得到風(fēng)電系統(tǒng)中電勵(lì)磁電機(jī)的控制框圖,如圖3所示。在該系統(tǒng)中,驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的逆變器工作在能量回饋狀態(tài),將電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能并饋入母線。為了維持后級(jí)系統(tǒng)的正常工作,需要以母線電壓恒定為控制目標(biāo),因此將給定的母線電壓和采樣的實(shí)際母線電壓作差后,通過PI控制器得到轉(zhuǎn)矩設(shè)定。磁鏈觀測(cè)器和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器將磁鏈的幅值相位和轉(zhuǎn)矩信息反饋并做閉環(huán),結(jié)合轉(zhuǎn)矩滯環(huán)τ和磁鏈滯環(huán)?的輸出開關(guān)信息,可以選取合適的電壓矢量,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速跟蹤,并最終達(dá)到母線電壓恒定的控制目標(biāo)。磁鏈觀測(cè)器一般包含定子磁鏈和氣隙磁鏈觀測(cè)兩部分,其形式一般如圖3中Ψs和Ψσ所示,通過對(duì)電壓矢量的積分換算后計(jì)算得到磁鏈信息。值得注意的是,電勵(lì)磁的氣隙磁鏈和永磁機(jī)的永磁磁鏈相比而言,其并非是完全恒定的值。雖然從開關(guān)暫態(tài)的角度而言,其變化緩慢,近似恒定,但從更長(zhǎng)的時(shí)間尺度看,氣隙磁鏈仍然會(huì)隨著負(fù)載大小的變化而變化,因此需要通過轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電流閉環(huán)調(diào)節(jié)將其控制為恒定值。
圖3 電勵(lì)磁電機(jī)DTC控制框圖Fig.3 Control diagram of DTC for EESM
在上述DTC控制環(huán)路中,母線電壓的動(dòng)態(tài)性能是至關(guān)重要的性能。當(dāng)后級(jí)突加或者突卸負(fù)載時(shí),母線電壓會(huì)發(fā)生相應(yīng)的波動(dòng)。若響應(yīng)不夠快,很容易導(dǎo)致系統(tǒng)過壓或者欠壓故障,不僅影響自身的安全性,還會(huì)造成后級(jí)并網(wǎng)逆變器故障停機(jī)。由于DTC采用了轉(zhuǎn)矩滯環(huán),也即Bang-Bang控制,因此本質(zhì)上屬于一種時(shí)間最優(yōu)的控制算法,因此在動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間方面,和傳統(tǒng)的矢量控制相比具有優(yōu)勢(shì),然而電壓外環(huán)的PI控制器仍然是限制母線電壓響應(yīng)的瓶頸因素。PI控制器基于誤差調(diào)節(jié),為獲得較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),需要將PI參數(shù)設(shè)置到較為靠近穩(wěn)定域的邊界處,因此不可避免地會(huì)產(chǎn)生超調(diào)震蕩等問題。為了實(shí)現(xiàn)母線電壓的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng),本節(jié)首先分析負(fù)載突變過程中母線電壓穩(wěn)定平衡的條件。
圖4給出EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與后級(jí)負(fù)載連接方式示意圖,用以描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的母線電壓調(diào)節(jié)過程。
圖4 EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與后級(jí)負(fù)載連接示意圖Fig.4 Connection diagram of EESM wind power generation system and load
假設(shè)ts時(shí)刻負(fù)載突變進(jìn)入動(dòng)態(tài)過程,te時(shí)刻系統(tǒng)重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。根據(jù)圖4和電容充放電壓方程可以寫出如下方程:
根據(jù)能量守恒原則,電機(jī)發(fā)電功率和母線對(duì)外輸
出功率相等,因此可以有:
考慮到母線電壓閉環(huán)控制時(shí)Udc(te)=Udc(ts)=Udc,且根據(jù)圖4,電容電流ic滿足:
將式(14)代入式(12)可以得到:
式(15)表明,EESM發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電容C的充電功率(Teωr)與電容C對(duì)負(fù)載的放電功率(Udcidc)相等是母線電壓平衡的條件。
依據(jù)上述推導(dǎo)分析,為了提高母線電壓控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng),只需要在負(fù)載突變的動(dòng)態(tài)過程中對(duì)母線電容C的充放電過程合理控制,使其經(jīng)過一次充電過程和一次放電過程就達(dá)到充放電能量的平衡,便能實(shí)現(xiàn)母線電壓快速的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制。
為便于分析,將后級(jí)負(fù)載突變等效為前級(jí)EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變。由于電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài),圖5以轉(zhuǎn)速為負(fù)、轉(zhuǎn)矩為正為例畫出示意圖。
圖5 負(fù)載階躍突變動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程Fig.5 Transient adjusting process of sudden load step
負(fù)載階躍突變動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程如下:
1)t0時(shí)刻,后級(jí)突加負(fù)載且等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL。由于EESM發(fā)電系統(tǒng)中存在電感,電磁轉(zhuǎn)矩Te需要經(jīng)歷一定調(diào)節(jié)時(shí)間才能跟負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL平衡。此時(shí)母線電容放電提供一部分負(fù)載電流,導(dǎo)致母線電壓跌落。
2)t1時(shí)刻,電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)矩TL平衡,母線電壓停止跌落。由于t0至t1間母線電容處于放電狀態(tài),此時(shí)母線電壓低于設(shè)定值。為了使母線電壓回到設(shè)定值,電磁轉(zhuǎn)矩Te需要繼續(xù)增加給母線電容提供充電能量(電流)。
3)t2時(shí)刻,電磁轉(zhuǎn)矩Te達(dá)到整個(gè)調(diào)節(jié)過程中的極大值,如果電機(jī)轉(zhuǎn)矩超過該值,則需要在回調(diào)過程中花費(fèi)更多的時(shí)間去和負(fù)載平衡,無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。此時(shí)母線電壓仍未回到設(shè)定值。隨后電磁轉(zhuǎn)矩Te開始減小,繼續(xù)給母線電容充電并抬升母線電壓。影響電磁轉(zhuǎn)矩Te極大值的因素主要為母線電容的容值和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。
4)t3時(shí)刻,電磁轉(zhuǎn)矩Te和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL平衡。母線電容充電結(jié)束且母線電壓回到設(shè)定值。動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程完成。
可以看出,若能保證圖5中S1和S2+S3的面積相等,則經(jīng)過一次動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程就可實(shí)現(xiàn)母線電壓動(dòng)態(tài)過程的快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)。而S1=S2+S3的數(shù)學(xué)描述為
式(16)表明,對(duì)于EESM風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)負(fù)載突變過程母線電壓快速穩(wěn)定調(diào)節(jié)必須滿足母線電容C充放電過程中電磁轉(zhuǎn)矩Te的脈沖時(shí)間積平衡。欲保證式(16)成立,如何確定動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程的t2和t3時(shí)刻是算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。將S1=S2+S3改寫為如下形式:
式中:m1,m2分別為施加零電壓矢量和后退電壓矢量時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te的變化率。
依據(jù)式(17)以及S2和S3間的比例關(guān)系可以得到:
其中,t0時(shí)刻可根據(jù)負(fù)載突變時(shí)刻確定;t1時(shí)刻可根據(jù)dUdc/dt=0時(shí)刻確定,當(dāng)檢測(cè)到母線電容電壓變化率由負(fù)轉(zhuǎn)正時(shí),表明電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡,即可確定t1時(shí)刻。于是確定t2和t3關(guān)鍵在于確定m1/m2。
考慮到電勵(lì)磁電機(jī)中存在阻尼繞組,通常采用氣隙磁鏈定向控制策略。將式(3)中的d,q軸下的電壓方程轉(zhuǎn)化至m,t軸下并化簡(jiǎn)得到:
式中:Usm,Ust,ism,ist為參照氣隙磁鏈角度定向后m,t軸上的電壓和電流分量;ωσ為氣隙磁鏈的角頻率。
忽略氣隙磁鏈的微分項(xiàng),式(19)可以化簡(jiǎn)為
式中:ωs為氣隙磁鏈和轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的電角頻率之和。依據(jù)式(20)可以推導(dǎo)零電壓矢量作用時(shí)轉(zhuǎn)矩電流表達(dá)式,將Usm=0和Ust=0代入并求解微分方程得到:
考慮到轉(zhuǎn)矩電流動(dòng)態(tài)電流調(diào)節(jié)過程中上升和下降階段線性度較高,可以近似用直線來替代。假設(shè)零電壓矢量和后退電壓矢量作用時(shí),轉(zhuǎn)矩電流變化量分別為n1和n2,依據(jù)式(21)和式(22)可以得到:
考慮到電磁轉(zhuǎn)矩變化率與轉(zhuǎn)矩電流變化率成正比關(guān)系,則有
將式(24)代入式(18)可以計(jì)算得到t2和t3時(shí)刻。在t2時(shí)刻之前一直發(fā)送零電壓矢量,在t2時(shí)刻之后發(fā)送后退電壓矢量,即可使得母線電壓經(jīng)過一次調(diào)節(jié)后恢復(fù)平衡。
為了驗(yàn)證上述算法的有效性,在Matlab/Simulink中搭建了仿真模型驗(yàn)證,仿真所用的EESM參數(shù)如下:額定功率PN=5.5 kW,額定電壓UN=380 V,額定電流IN=8 A,額定頻率fN=50 Hz,額定轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min,極對(duì)數(shù)p=2,定子漏感Ls=0.035 8 H,d軸互感Lmd=0.322 H,q軸互感 Lmq=0.014 8 H,定子電阻Rs=2.5 Ω,阻尼繞組d軸時(shí)間常數(shù)為376 ms,阻尼繞組q軸時(shí)間常數(shù)為286 ms。
圖6對(duì)比了傳統(tǒng)矢量控制和DTC控制下的階躍轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形。從圖中可以看到,DTC的轉(zhuǎn)矩紋波更大,這是DTC特性本身決定的,但本文重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)態(tài)性能,該問題不在討論范疇。從動(dòng)態(tài)過程中可以看到,傳統(tǒng)矢量控制轉(zhuǎn)矩達(dá)到設(shè)定值約花費(fèi)了8 ms,相比而言DTC控制由于轉(zhuǎn)矩采用的是Bang-Bang控制,僅用了約2 ms便跟蹤到設(shè)定值,體現(xiàn)出了較優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。
圖6 傳統(tǒng)矢量控制和DTC的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)Fig.6 Torque step response of traditional vector control and DTC
當(dāng)電壓外環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制器時(shí),選取一組較優(yōu)的PI參數(shù)[20]。從圖7可以看出,在突加負(fù)載的工況下,經(jīng)過了2個(gè)周期的波動(dòng)后,調(diào)節(jié)回到了穩(wěn)態(tài)。在整個(gè)過程中,電壓最大跌落約20 V,調(diào)節(jié)時(shí)間約為55 ms。
圖7 PI控制時(shí)突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩仿真波形Fig.7 Bus voltage and torque simulation waveforms of PI controller
圖8和圖9為電壓外環(huán)采用了轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制算法時(shí),突加、突卸電機(jī)額定負(fù)載下的母線電壓波形。從圖8可以看到,在一次后退電壓矢量作用下和一次零電壓矢量作用下,母線電壓跌落的值僅為7 V左右,調(diào)節(jié)時(shí)間僅為13 ms。圖9中突卸負(fù)載后,母線向上波動(dòng)約9 V,調(diào)節(jié)時(shí)間15 ms。相比PI控制,動(dòng)態(tài)性能得到了有效的改善。電壓跌落降低為原來的1/3~1/2,調(diào)節(jié)時(shí)間縮短為原來的1/3~1/4。
圖8 轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制下的突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩波形Fig.8 Bus voltage and torque simulation waveforms of product balance of torque and impulse time when load was increased suddenly
圖9 轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制下的突卸負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩波形Fig.9 Bus voltage and torque simulation waveforms of product balance of torque and impulse time when load was dumped suddenly
為進(jìn)一步驗(yàn)證算法的可行性,搭建EESM的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖10所示,原動(dòng)機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速模式模擬風(fēng)力機(jī)的扇葉,為EESM提供動(dòng)力。
圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.10 Experimental platform
在kp=2.5,ki=0.6時(shí),實(shí)驗(yàn)的波形如圖11所示,母線電壓經(jīng)過震蕩調(diào)整后,收斂至穩(wěn)定值。整個(gè)過程的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為25 ms,母線電壓最大跌落值約為16 V左右。
圖11 PI控制時(shí)突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Bus voltage and torque current experimental waveforms of PI controller when load was increased suddenly
通過調(diào)節(jié)不同的PI參數(shù),可以獲得不同的母線電壓的動(dòng)態(tài)性能。表2為調(diào)整PI參數(shù)后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果??梢钥闯?,PI參數(shù)加強(qiáng)后,在一定程度上能夠減小跌落的電壓,但其調(diào)節(jié)時(shí)間顯著變長(zhǎng),這是由于震蕩次數(shù)過多導(dǎo)致。當(dāng)增大到一定程度后,系統(tǒng)對(duì)母線跌落的抑制已經(jīng)無法起到明顯的改善作用,甚至出現(xiàn)無法穩(wěn)定,出現(xiàn)母線震蕩發(fā)散的現(xiàn)象。
表2 PI控制時(shí)的母線動(dòng)態(tài)性能結(jié)果Tab.2 Transient performance of bus voltage of PI controller
圖12為轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制下的母線電壓波形。可以看到突加負(fù)載時(shí),定子的轉(zhuǎn)矩電流迅速增大,并通過一次回調(diào)使母線恢復(fù)穩(wěn)定。整個(gè)過程的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為5 ms,母線電壓跌落6 V,相比于PI控制,動(dòng)態(tài)性能有了大幅改善。
圖12 轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制時(shí)突加負(fù)載母線電壓和轉(zhuǎn)矩電流波形Fig.12 Bus voltage and torque current experimental waveforms of product balance of torque and impulse time when load was dumped suddenly
針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)控制的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行深入研究。為了改善背靠背功率變換拓?fù)渲心妇€電壓環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能,在推導(dǎo)了電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分析了DTC控制的實(shí)現(xiàn)原理。為了進(jìn)一步解決母線電壓外環(huán)的PI控制器響應(yīng)慢的問題,研究基于DTC的轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制算法。該算法通過非線性的開關(guān)矢量選擇,僅需一次調(diào)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)電壓的恢復(fù)穩(wěn)定。通過理論推導(dǎo)分析了該算法的實(shí)現(xiàn)原理,并通過仿真驗(yàn)證了其可行性。最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比了轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制和傳統(tǒng)PI控制的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,轉(zhuǎn)矩脈沖時(shí)間積平衡控制能夠大大抑制母線電壓在負(fù)載突變時(shí)的波動(dòng),起到了較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用。