肖芳, 謝元宇, 林鵬, 林海波
(哈爾濱理工大學 大型電機電氣與傳熱技術國家地方聯(lián)合工程中心,黑龍江 哈爾濱 150080)
無刷雙饋電機(brushless doubly-fed machine,BDFM)是具有廣泛應用前景的新型感應電機,BDFM定子繞組由功率繞組與控制繞組兩部分組成,極對數(shù)分別為pp和pc。通過將功率繞組連接到電網(wǎng)并將控制繞組連接到變頻器,可以確保電機在有限速度范圍內(nèi)同步運行。BDFM結(jié)構(gòu)中取消了電刷與滑環(huán)裝置,通過特殊的嵌套環(huán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)確保與2個定子磁場分量耦合。因此,無刷雙饋電機的可靠性與安全性較高,在現(xiàn)代風力發(fā)電機組中的應用十分廣泛[1-2]。
根據(jù)傅里葉理論進行電機轉(zhuǎn)矩計算可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動由氣隙磁場中的空間諧波分量和流經(jīng)定轉(zhuǎn)子電流中的時間諧波分量引起,而氣隙磁場中的諧波分量主要由功率繞組與控制繞組的極數(shù)與供電頻率不同引起[3-8],因此可通過抑制功率繞組中的諧波分量改善電機轉(zhuǎn)矩脈動。
轉(zhuǎn)矩脈動是電機設計中必須考慮的問題,由于在無刷雙饋電機中轉(zhuǎn)矩脈動較一般電機更為嚴重,因此本文重點研究無刷雙饋電機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制策略,首先對繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的電磁轉(zhuǎn)矩及其與電流的關系進行分析,找到轉(zhuǎn)矩脈動產(chǎn)生的主因,為建立轉(zhuǎn)矩脈動抑制策略提供理論基礎,然后針對諧波磁場產(chǎn)生的諧波電流對轉(zhuǎn)矩脈動的影響,提出無刷雙饋電機轉(zhuǎn)矩脈動的抑制策略,最后搭建轉(zhuǎn)矩脈動抑制控制仿真模型進行驗證。
設電機的總電磁功率為Pe,則
Pe=Pc+Pp=(1+s)Pp。
(1)
式中:Pc、Pp分別代表功率繞組的電磁功率和控制繞組的電磁功率;s為功率繞組與控制繞組的相對磁場轉(zhuǎn)差率。
設功率繞組電磁轉(zhuǎn)矩為Temp,控制繞組電磁轉(zhuǎn)矩為Temc,則電機的總電磁轉(zhuǎn)矩為
Tem=Temp+Temc。
(2)
不計電機損耗,電機轉(zhuǎn)矩與定子兩套繞組的輸入總功率之間的關系為:
Pp=Tempωr;
(3)
Pc=Temcωr。
(4)
式中ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械角速度。
由式(1)、式(3)及式(4)可推導出功率繞組電磁轉(zhuǎn)矩與控制繞組電磁轉(zhuǎn)矩的關系為:
(5)
Tem=Temp+Temc=(1+s)Temp。
(6)
由于功率繞組的角頻率遠大于控制繞組的角頻率,因此電機的相對轉(zhuǎn)差率s很小。由式(6)可知,電機穩(wěn)定運行時,電機總電磁轉(zhuǎn)矩中功率側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩分量占絕大一部分,因此控制側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩分量極小不足以對總電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響。
無刷雙饋電機運動方程為
(7)
式中:J表示電機的轉(zhuǎn)動慣量;TL表示負載轉(zhuǎn)矩;Ω表示轉(zhuǎn)子機械角速度。
電機穩(wěn)定運行時,穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩為
Tem-TL=0。
(8)
當電機動態(tài)調(diào)節(jié)時,動態(tài)轉(zhuǎn)矩為
(9)
由于通常情況相對轉(zhuǎn)差率s很小,若控制繞組角頻率ωc變化不大,則轉(zhuǎn)差率s相對比較穩(wěn)定,此時可認為電機總電磁功率Tem主要是由功率繞組電磁功率Temp提供,因此對于電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩ΔT而言,功率繞組電磁功率Temp將起主導作用,是影響電機轉(zhuǎn)矩脈動的主要原因。
由機電能量轉(zhuǎn)換理論知,旋轉(zhuǎn)電機的電磁轉(zhuǎn)矩為
(10)
式中:θ為轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組(控制繞組和功率繞組)的空間角位移量;Labc為定轉(zhuǎn)子繞組間的互感矩陣;Iabc為定轉(zhuǎn)子繞組的電流矩陣。
定子功率繞組和轉(zhuǎn)子功率繞組互相作用時無刷雙饋電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為
Temp=ppMpr[(ipaipra+ipbiprb+ipciprc)sin(ppθr)+
(ipaipra+ipbiprb+ipciprc)sin(ppθr)sin(ppθr+120°)+
(ipaipra+ipbiprb+ipciprc)sin(ppθr)sin(ppθr-120°)]。
(11)
式中:pp為定子功率繞組的極對數(shù);Mpr為定子功率繞組和轉(zhuǎn)子功率繞組的互感最大值;θr為功率繞組A相軸線與轉(zhuǎn)子a相軸線間的機械角度。
轉(zhuǎn)子在d-q坐標下的磁鏈方程[9]為
(12)
式中:LP為d-q坐標下功率繞組的每相自感;LC為d-q坐標下控制繞組的每相自感;MMC為定子控制繞組和轉(zhuǎn)子控制繞組的互感;MMP為定子功率繞組和轉(zhuǎn)子功率繞組的互感。
轉(zhuǎn)子d-q坐標下的電壓方程為
(13)
式中:rP、rC分別為定子功率繞組的電阻和定子控制繞組的電阻;ωp、ωc分別為定子功率繞組電流的電角速度和定子控制繞組電流的電角速度;ρ為微分算子d/dt。
將式(12)代入式(10),可以得到轉(zhuǎn)子在d-q坐標下的電磁轉(zhuǎn)矩方程[9]為
(14)
由式(14)可以看出,電流對控制繞組和功率繞組的電磁轉(zhuǎn)矩均有影響,因此可通過調(diào)節(jié)控制繞組與功率繞組的電流,改變其磁場分布,實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的抑制,但由于電流對控制繞組電磁轉(zhuǎn)矩的影響較小,對功率繞組轉(zhuǎn)矩影響較大,因此通過削弱功率繞組電流中含有的諧波分量抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動效率更高。
圖1為諧波電流補償法控制系統(tǒng)框圖,該系統(tǒng)主要由功率繞組諧波電流檢測環(huán)節(jié)和諧波補償電流發(fā)生環(huán)節(jié)組成。
圖1 諧波電流補償控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of harmonic current compensation control system
諧波電流檢測環(huán)節(jié)把功率繞組電流作為輸入,獲得功率繞組諧波指令電流信號,該信號與實際諧波補償電流一起作為電流跟蹤控制環(huán)節(jié)的輸入,通過比較控制輸出PWM信號控制IGBT的通斷,從而產(chǎn)生諧波補償電流,最后將其反饋至功率繞組端抵消電流中的諧波分量,使電機諧波轉(zhuǎn)矩脈動得到抑制。
圖2 ip-iq功率繞組諧波電流檢測法Fig.2 ip-iq harmonic current detection method of power winding
采用半橋結(jié)構(gòu)的三相VSR拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。VSR中的開關管采用全控型器件IGBT,通過PWM技術來控制開關管的開斷,交流側(cè)由電網(wǎng)供電,任意時刻同一橋臂IGBT不可同時導通,因此共有8種模式,用開關函數(shù)sk表示為
圖3 電壓型PWM變流器Fig.3 Voltage source PWM converter
(15)
式中:“1”表示上橋臂導通下橋臂關斷;“0”表示下橋臂導通上橋臂關斷。
逆變器交流側(cè)三相電壓方程為:
(16)
式中:uaN、ubN、ucN為逆變器交流側(cè)a、b、c點相對于N點的電壓;uN0為N點和O點之間的電壓。
根據(jù)逆變橋相平衡關系可得
(17)
用開關函數(shù)表達逆變器交流側(cè)a、b、c點相對于N點的電壓為
ukN=skvdc,(k=a,b,c)。
(18)
根據(jù)電網(wǎng)的三相電流結(jié)合不同的開關狀態(tài)能夠得出直流側(cè)電流為
idc=iasa+ibsb+icsc。
(19)
對于每一相,令逆變器交流側(cè)電流為ia、ib、ic,結(jié)合式(17)、式(18)及式(19),并根據(jù)KCL、KVL可以得到VSR的三相回路方程為:
(20)
式中:L為逆變器交流側(cè)濾波升壓電感;R為電感內(nèi)阻。
由于功率繞組與電網(wǎng)相連,由三相電網(wǎng)的對稱性可得:
(21)
聯(lián)立式(20)與式(21)可得
(22)
將式(22)代入式(20)可得:
(23)
式中:ka、kb、kc為開關系數(shù),根據(jù)不同的工作模式能取±1/3、±2/3,并且滿足ka+kb+kc=0。
通過諧波檢測電路獲得功率繞組諧波電流分量可以驅(qū)動VSR主電路控制IGBT或二極管導通關斷。設VSR中的電流方向為正方向,以a相為例,如表1所列a相橋臂開關器件VT1、VT4通斷的邏輯。
表1 a相橋臂開關器件的開關順序Table 1 Switching sequence of A-phase bridge arm switching devices
2.4.1 功率繞組諧波電流跟蹤控制
基于空間矢量的滯環(huán)控制方法通過變換電壓矢量,得到標準圓形旋轉(zhuǎn)磁場,其優(yōu)勢在于開關頻率低的同時也能保證較快的動態(tài)響應[13-15]。
由2.3節(jié)分析可知逆變器交流側(cè)三相輸出電壓與開關函數(shù)的關系為:
(24)
逆變器交流側(cè)三相電壓大小按正弦規(guī)律變化,相位互差120°,則電壓空間矢量表示為
(25)
將式(24)代入式(25)可得復平面的空間電壓矢量Vk為:
(26)
空間矢量電壓扇區(qū)分布如圖4所示,V1~V6把復平面分為6個面積相同的扇區(qū),在任意扇區(qū)內(nèi)的V*都可以根據(jù)其所位于的扇區(qū)的鄰近2個矢量和零電壓矢量通過伏秒平衡原理進行合成。
圖4 空間電壓矢量分布圖Fig.4 Space voltage vector distribution
采用七段式PWM,由矢量作用時間以及非零基本矢量的模為2vdc/3可得V1、V2和V0的作用時間為:
(27)
(28)
(29)
(30)
聯(lián)立式(28)、式(29)和式(30)可得
(31)
通過選取最優(yōu)電壓矢量Vk實現(xiàn)電流跟蹤控制環(huán)節(jié)的目標,使功率繞組諧波補償電流與諧波指令電流相同,即ΔI=0,根據(jù)式(31),控制交流側(cè)輸出電壓矢量V靠近參考電壓矢量V*,因此將控制諧波補償電流跟蹤諧波指令電流的目標轉(zhuǎn)變成控制參考電壓矢量被空間電壓矢量跟蹤的目標。SVPWM方法的核心是對ΔI和V*的區(qū)域判斷從而選擇出最佳電壓矢量Vk,其區(qū)域劃分如圖5(a)所示。
圖5 矢量V*、ΔI的區(qū)域劃分Fig.5 Vector V*、ΔI regional division
2.4.2 電流控制規(guī)則與偏差電流矢量的區(qū)域判斷
根據(jù)式(29)可知,改變電壓矢量V可以有效控制dΔI/dt,因此需要選取最優(yōu)電壓矢量Vk使dΔI/dt與ΔI始終保持反向,從而產(chǎn)生抑制和限幅作用。如果ΔI變大,可以最快控制電流變化從而提高控制系統(tǒng)響應速度;如果dΔI/dt較小時,需要降低開關頻率,使其穩(wěn)定在較小的值。設滯環(huán)寬度為Hw,則空間電壓矢量電流控制規(guī)則如下:
規(guī)則1:當|ΔI|>Hw時,選取的Vk應該使其對應的dΔI/dt具有與ΔI方向相反的最大分量,實現(xiàn)功率繞組諧波補償電流跟蹤諧波指令電流的任務。
規(guī)則2:當|ΔI|≤Hw時,保持開關狀態(tài)不變,保持電壓矢量Vk不變,限制開關器件的頻率。
為了利于判斷偏差電流矢量ΔI的極性,將參考電壓矢量V*中的參考坐標系順時針旋轉(zhuǎn)30°作為ΔI的參考坐標系,得到偏差電流矢量區(qū)域圖如圖5(b)所示。
將偏差電流Δica、Δicb、Δicc輸入到滯環(huán)比較器獲得滯環(huán)比較值,定義邏輯變量B=(Ba,Bb,Bc),則
(32)
根據(jù)圖5(b)與式(32),通過邏輯變量判斷偏差電流矢量ΔI所在的區(qū)域,表2為偏差電流矢量ΔI區(qū)域判斷表。
表2 偏差電流矢量ΔI區(qū)域判斷表Table 2 Deviation current vector ΔI area judgment table
2.4.3 參考電壓矢量的區(qū)域判斷
定義邏輯變量X=(Xab,Xbc,Xca),則其與線電壓之間的關系可以表達為:
(33)
根據(jù)圖5(a)與式(33),當參考電壓矢量V*處于圖5(a)中6種區(qū)域內(nèi)的任意一個區(qū)域時,皆可以用邏輯變量X=(Xab,Xbc,Xca)唯一表示,參考電壓矢量V*區(qū)域判斷如表3所示。
表3 參考電壓矢量V*區(qū)域判斷表Table 3 Reference voltage vector V* area judgment table
能否正確選擇合適的電壓矢量Vk取決于參考電壓矢量V*與偏差電流矢量ΔI區(qū)域判斷的準確性,進而影響功率繞組諧波電流的補償效果。根據(jù)交流側(cè)相電壓與開關狀態(tài)的關系,當忽略零電壓矢量V0、7時,開關函數(shù)與電壓矢量V之間的關系如下:
(34)
2.4.4 空間電壓矢量的輸出判定規(guī)則
根據(jù)V*與ΔI所在的區(qū)域一同確定最優(yōu)電壓矢量Vk。選擇使V*-Vk與ΔI方向相反的所有可能的電壓矢量Vk中最小模值,確保ΔI緩慢變化,例如ΔI位于6區(qū)時,V*位于Ⅵ區(qū),選擇使V*-Vk模值相對較小對應的Vk,然后根據(jù)V*所位于的區(qū)域得到滿足條件的所有Vk,確保所有滿足條件的Vk對應的dΔI/dt與ΔI始終保持反向,因此只有V6符合上述要求。同理V*位于其他區(qū)域時同樣根據(jù)此法分析,則全部的電壓矢量選擇如表4所列。
表4 V*、ΔI的選擇Table 4 V*、ΔI Selection
通過對式(13)推導可以得到在轉(zhuǎn)子d-q坐標系下定子側(cè)兩套繞組電流,其模型如圖6所示,同理也可建立控制繞組電流變換模型。
圖6 功率繞組電流變換Fig.6 Winding current conversion
根據(jù)式(10)和式(11),無刷雙饋電機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模塊如圖7所示。
圖7 電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速模塊Fig.7 Electromagnetic torque and speed module
將上述子模塊搭建連接即可得無刷雙饋電機總模型,如圖8所示。
圖8 繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機模型Fig.8 Model of wound rotor brushless doubly-fed machine
根據(jù)2.2節(jié)中對ip-iq諧波檢測法原理介紹搭建諧波電流檢測模塊的仿真模型如圖9所示。
圖9 功率繞組諧波電流檢測模塊Fig.9 Power winding harmonic current detection module
根據(jù)此模塊可以獲得功率繞組諧波電流,然后通過一個控制信號能使主電路的輸出補償諧波電流實時且精準的跟蹤諧波指令電流達到良好的諧波抑制效果。
該控制環(huán)節(jié)分為滯環(huán)與SVPWM兩部分,主要包括滯環(huán)比較器控制模塊、參考電壓矢量V*生成模塊、線電壓X對應關系模塊與開關函數(shù)選擇模塊,將這些子模塊連接即可得到電流跟蹤控制電路模型,如圖10所示。
圖10 電流跟蹤控制電路模塊Fig.10 Current tracking control circuit module
通過功率繞組諧波電流檢測模塊和電流跟蹤控制電路模塊的運算和輸出,獲得可以控制VSR主電路開關器件通斷的信號g,從而控制IGBT輸出諧波補償電流能及時跟蹤諧波指令電流,諧波補償電流主電路模塊如圖11所示。
圖11 功率繞組諧波補償電流主電路模塊Fig.11 Main circuit module of winding harmonic compensation current
將VSR主電路產(chǎn)生的功率繞組諧波補償電流與無刷雙饋電機的功率繞組連接,即可消除功率繞組中的諧波電流,從而克服電機諧波轉(zhuǎn)矩脈動。
根據(jù)以上仿真模型,對無刷雙饋電機控制系統(tǒng)采用諧波電流抑制策略在不同運行狀態(tài)下進行仿真,仿真中設定繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機功率繞組為4對極,控制繞組為8對極,具體仿真參數(shù)如表5所列。
表5 45 kW繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機參數(shù)Table 5 Parameters of 45 kW wound rotor brushless doubly-fed machine
3.4.1 異步帶載運行
仿真條件設置:定子功率繞組由380 V、50 Hz電網(wǎng)供電,定子控制繞組直接短接,無刷雙饋電機異步帶載900 N·m運行1.5 s。仿真結(jié)果如圖12~圖13所示。由圖12(a)和(b)可看出,加入諧波電流抑制后,功率繞組a相電流波形波動程度顯著減少,諧波電流含量大幅削減;由圖13(a)和(b)可看出,在0.5 s時加入諧波電流抑制后,電磁轉(zhuǎn)矩波形的平滑度提高,波形振蕩減小,電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制顯著。
圖12 異步加載運行功率繞組a相電流仿真結(jié)果波形對比Fig.12 Comparison of waveforms of simulation results of phase A current of asynchronous running power winding
圖13 異步加載運行電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果波形對比Fig.13 Comparison of waveforms of electromagnetic torque simulation results in asynchronous loading operation
3.4.2 直流同步運行
仿真條件設置:定子功率繞組由電網(wǎng)供電,定子控制繞組以兩并一串的形式由直流電源供電,其中A相的直流電壓為7 V,B、C相的直流電壓為-3.5 V。電機先異步運行,然后在0.7 s與直流電源相連牽入同步速運行。將繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機異步帶載900 N·m運行0.5、0.7 s時電機牽入同步運行狀態(tài)。
仿真結(jié)果如圖14~圖15所示。由圖14(a)和圖14(b)可看出,在0.5 s時加入諧波電流抑制,電流曲線平滑無畸變,0.7 s時電機牽入同步運行狀態(tài)電流曲線波動范圍極小,諧波抑制效果理想。由圖15(a)和圖15(b)可以看出,在0.5 s時加入諧波電流抑制,快速調(diào)整轉(zhuǎn)矩脈動后穩(wěn)定在900 N·m,0.7 s電機牽入同步運行狀態(tài)后電磁轉(zhuǎn)矩進行片刻的脈動波動后穩(wěn)定在900 N·m,因此電機諧波轉(zhuǎn)矩脈動得到明顯抑制。
圖14 直流同步運行功率繞組a相電流仿真結(jié)果波形對比Fig.14 Comparison of waveforms of simulation results of DC synchronous running power around Group A phase current
圖15 直流同步運行電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果波形對比Fig.15 Comparison of waveforms of electromagnetic torque simulation results of DC synchronous operation
3.4.3 雙饋超同步運行
仿真條件設置:控制繞組由40 V,頻率為5 Hz的三相正相序交流電源供電,電機先異步運行,在0.7 s與三相正相序交流電源相連牽入超同步狀態(tài),將繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機異步帶載900 N·m運行0.5、0.7 s時電機牽入超同步運行狀態(tài)。
仿真結(jié)果如圖16~圖17所示。由圖16(a)和圖16(b)可看出,在0.5 s時加入諧波電流抑制后,電流波形的正弦程度得到大幅度改善,并且畸變現(xiàn)象消除,0.7 s時電機牽入超同步運行狀態(tài)電流曲線有極小的波動后快速恢復穩(wěn)定,沒有畸變電流,諧波抑制效果優(yōu)良。由圖17(a)和圖17(b)可以看出,在0.7 s時電機牽入超同步運行狀態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)過大幅度波動后轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在900 N·m,電機在切換運行狀態(tài)時牽入牽入超同步運行狀態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩經(jīng)過大幅度波動后轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在900 N·m,電機在切換運行狀態(tài)時期仍然具有轉(zhuǎn)矩脈動。在0.5 s時加入諧波電流抑制后,通過短暫調(diào)整轉(zhuǎn)矩脈動后穩(wěn)定在900 N·m,電磁轉(zhuǎn)矩波形平滑且振蕩消失,0.7 s電機牽入超同步運行狀態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩快速調(diào)整脈動后穩(wěn)定在900 N·m,因此顯著抑制了電機諧波轉(zhuǎn)矩脈動。
圖16 超同步運行功率繞組a相電流仿真結(jié)果波形對比Fig.16 Waveform comparison of phase current simulation results of power winding in ultra-synchronous operation
圖17 超同步運行電磁轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果波形對比Fig.17 Waveform comparison of electromagnetic torque simulation results in hypersynchronous operation
針對無刷雙饋電機存在較強轉(zhuǎn)矩脈動的問題,提出了以諧波補償電流的方式抵消電機運行時產(chǎn)生的諧波分量來抑制無刷雙饋電動機的轉(zhuǎn)矩脈動的方法,該方法能有效抑制電機的諧波轉(zhuǎn)矩脈動,提高無刷雙饋電機的機械特性和調(diào)速性能。
本文通過對無刷雙饋電機諧波轉(zhuǎn)矩脈動的抑制研究得出的結(jié)論如下:
1)通過分析無刷雙饋電機在旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學模型,研究諧波電流與轉(zhuǎn)矩脈動的關系,得到了功率繞組的諧波電流是引起電機的諧波轉(zhuǎn)矩脈動主要因素的結(jié)論。
2)采用ip-iq諧波檢測法實時檢測功率繞組諧波電流,設計了諧波電流跟蹤控制電路,通過補償諧波電流的方法抵消了功率繞組諧波電流,實現(xiàn)了功率繞組諧波轉(zhuǎn)矩脈動抑制的目的。
3)在電機處于異步、同步以及超同步運行狀態(tài)時分別進行了仿真對比,驗證了諧波電流補償法抑制無刷雙饋電機的諧波轉(zhuǎn)矩脈動的有效性,削弱了電機含有的諧波分量,使得電機可以平滑運行。