海櫻，崔巖梅，寧丙辰

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

風(fēng)能作為一種可再生綠色能源，越來(lái)越多地受到人們的重視，而隨著單機(jī)容量的不斷增大，雙饋風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。雙饋風(fēng)電系統(tǒng)由兩個(gè)背靠背連接的電壓型脈寬調(diào)制(PWM)變換器構(gòu)成，靠近電網(wǎng)一側(cè)的網(wǎng)側(cè)變換器是一個(gè)功率因數(shù)可控的三相PWM 整流器，為電機(jī)側(cè)變換器提供恒定的直流電壓;而靠近轉(zhuǎn)子的電機(jī)側(cè)變換器是一個(gè)三相電壓源型逆變器，為電機(jī)轉(zhuǎn)子提供交流勵(lì)磁，通過改變轉(zhuǎn)子電流實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)的控制。

雙PWM 變換器的控制技術(shù)是雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的核心，本文以雙饋風(fēng)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，分別對(duì)雙饋電機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變換器的控制算法進(jìn)行研究，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明控制算法的有效性。

1 變速恒頻原理

交流勵(lì)磁雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)定子繞組直接接入電網(wǎng)，定子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率為電網(wǎng)工頻f1;轉(zhuǎn)子繞組由頻率、幅值、相位可調(diào)的電源供給三相低頻勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)子電流形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)于轉(zhuǎn)子而言的供電頻率為f2。為實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，定子和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)應(yīng)保持相對(duì)靜止［1］，因此，f1，f2和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的頻率fm三者之間應(yīng)該保持如下關(guān)系:

式中:fm決定于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n，即fm=n/60 ;p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n 變化時(shí)，即pfm變化時(shí)，通過控制f2，可使f1始終與電網(wǎng)頻率保持一致，從而實(shí)現(xiàn)了雙饋電機(jī)的變速恒頻運(yùn)行。

2 電機(jī)側(cè)變換器的控制策略

電機(jī)側(cè)變換器通過改變轉(zhuǎn)子繞組電壓和電流的頻率、幅值、相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋電機(jī)的變速恒頻控制。在并網(wǎng)過程中，控制器需要根據(jù)實(shí)際風(fēng)速和電網(wǎng)要求，對(duì)發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此，電機(jī)側(cè)變換器將定子側(cè)功率作為被控對(duì)象，并且根據(jù)GB/T25388《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋式變流器》的要求，要實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。

由于雙饋電機(jī)具有非線性、時(shí)變性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，分析和求解比較困難，本文采用矢量控制方法，通過引入坐標(biāo)變換，把三相坐標(biāo)系下的各交流量轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量［2］。雙饋電機(jī)在(d，q)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程式為

磁鏈方程式為

定子功率方程式為［3］

式中:usd，usq，isd，isq，ψsd，ψsq分別是定子電壓us、電流is和磁鏈ψs的d，q 軸分量;urd，urq，ird，irq，ψrd，ψrq分別是轉(zhuǎn)子電壓ur、電流ir和磁鏈ψr的d，q 軸分量;Ps，Qs分別為定子有功和無(wú)功功率;Lm為激磁電感;Rs，Ls分別為定子的電阻和自感;Rr，Lr分別為轉(zhuǎn)子的電阻和自感;ω1，ω2分別為同步角速度和轉(zhuǎn)差角速度;微分算子用p 表示。

為了簡(jiǎn)化控制，將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d 軸按電網(wǎng)電壓空間矢量定向，即采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略，電網(wǎng)電壓在兩相同步坐標(biāo)系中的d，q 分量分別為

式中:Us為電網(wǎng)電壓峰值。

在穩(wěn)態(tài)下，由式(2)，(6)，(7)可以導(dǎo)出定子側(cè)功率與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系，有

由式(8)可以看出，定子側(cè)的有功、無(wú)功功率是互相解耦的，且可以得出功率控制器為

式中:Psref，Qsref分別為定子有功和無(wú)功功率給定值;irdref，irqref為功率環(huán)控制器輸出參考電流;Kpp，Kpi分別為功率環(huán)控制器的比例和積分系數(shù);s 是復(fù)變量。

將式(4)代入式(3)并忽略定子電流的動(dòng)態(tài)過程，得到轉(zhuǎn)子電壓與電流的關(guān)系:

根據(jù)式(10)，可以得出轉(zhuǎn)子電流環(huán)控制器為

式中:urdref，urqref為電流環(huán)控制器輸出參考電壓;Kip，Kii分別為電流環(huán)控制器的比例和積分系數(shù)。

電機(jī)側(cè)變流器采用定子功率為外環(huán)、轉(zhuǎn)子電流為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。其控制過程為:發(fā)電機(jī)的定子電壓us和電流is經(jīng)過坐標(biāo)變換得到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電壓usd，usq和電流isd，isq，其經(jīng)過功率計(jì)算模塊后得到實(shí)際功率Ps，Qs，并分別與給定功率Psref，Qsref進(jìn)行比較，其偏差通過功率環(huán)調(diào)節(jié)器后得到轉(zhuǎn)子電流的參考量irdref，irqref。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流ir經(jīng)過坐標(biāo)變換得到的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流ird，irq作為電流環(huán)反饋量，定子功率環(huán)輸出的電流量irdref，irqref作為參考量，其偏差值經(jīng)過轉(zhuǎn)子電流環(huán)調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)子電壓的參考量urdref，urqref，經(jīng)過坐標(biāo)變換和空間矢量調(diào)制得到空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)三相六路絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

圖1 電機(jī)側(cè)系統(tǒng)控制框圖

3 網(wǎng)側(cè)變換器的控制策略

為推導(dǎo)網(wǎng)側(cè)變換器的數(shù)學(xué)模型，通常假設(shè)［4］:交流側(cè)輸入為三相三線制平衡系統(tǒng);交流側(cè)進(jìn)線電感L為線性，不考慮飽和現(xiàn)象;功率器件為理想開關(guān)。網(wǎng)側(cè)變換器主電路如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)變換器主電路

網(wǎng)側(cè)變換器在同步旋轉(zhuǎn)(d，q)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型為［5］:

式中:ed，eq分別為電網(wǎng)電壓e 的d，q 軸分量;ud，uq分別為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓u 的d，q 軸分量;id，iq分別為網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流i 的d，q 軸分量;Udc為直流側(cè)母線電壓;iL為負(fù)載電流;C 為直流母線電容;L 為進(jìn)線電感;R 為線路總等效電阻;sd，sq為開關(guān)函數(shù)。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)GB/T25388《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋式變流器》的要求，網(wǎng)側(cè)變換器主要實(shí)現(xiàn)變流器直流環(huán)節(jié)電壓控制和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制，因此，網(wǎng)側(cè)變換器將直流側(cè)電壓Udc和交流側(cè)電流i 作為被控對(duì)象。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示?？刂葡到y(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)主要控制直流側(cè)電壓Udc，使其穩(wěn)定在指定值Udcref，電流內(nèi)環(huán)按照電壓外環(huán)輸出的電流指令idref，iqref對(duì)有功、無(wú)功電流id，iq進(jìn)行控制，產(chǎn)生的參考電壓udref，uqref被轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系中，并利用SVPWM技術(shù)控制變換器。

對(duì)式(12)進(jìn)行拉普拉斯變換，整理得

可以看出變換器交流側(cè)電流的d，q 分量存在著相互耦合，給控制器設(shè)計(jì)造成一定困難。為此，采用前饋解耦控制策略，由式(13)可知，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，變換器輸出端的電壓給定值udref，uqref為

式中:Kgp，Kgi分別為網(wǎng)側(cè)電流環(huán)控制器的比例和積分系數(shù)。

PI 調(diào)節(jié)器的輸出補(bǔ)償了交流側(cè)電感上的電壓降，控制器采用電流d，q 分量的解耦項(xiàng)抵消了實(shí)際系統(tǒng)中兩個(gè)分量的交叉耦合項(xiàng)。此時(shí)的被控對(duì)象簡(jiǎn)化為交流側(cè)電感，控制量為流過電感的電流，可以采用線性控制理論對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究

雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)變流器有如下要求［6］:為了追蹤最大風(fēng)能，需要發(fā)電機(jī)在同步速上、下運(yùn)行，要求變流器具有能量雙向流動(dòng)的能力;為了確保發(fā)電質(zhì)量，變流器要有優(yōu)良的輸出特性;為了防止變流器對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，要求變流器有良好的輸入特性。

為了測(cè)試雙饋風(fēng)電控制系統(tǒng)是否滿足上述要求，實(shí)驗(yàn)室搭建了一套雙饋發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，其實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。該平臺(tái)主要由雙饋發(fā)電機(jī)組，背靠背型雙PWM 功率變換器、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)組成。其中，控制系統(tǒng)是基本核心，由雙定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)組成，將雙饋電機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的控制算法分別編寫到DSP1 和DSP2 后，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)側(cè)變換器和網(wǎng)側(cè)變換器的實(shí)時(shí)控制。

圖4 雙饋風(fēng)電系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試中采用的雙饋電機(jī)參數(shù)為:定子額定電壓380 V，定子額定電流35 A，轉(zhuǎn)子額定電壓214 V，轉(zhuǎn)子額定電流46 A，發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速921 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.39 kgm。電機(jī)的定子電阻Rs=0.33 Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.24 Ω，定子自感Ls=41.335 mH，轉(zhuǎn)子自感Lr=41.38 4 mH，激磁電感Lm=39.97 mH。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)側(cè)的并網(wǎng)電壓為200 V，定子側(cè)有功功率Psref為3 kW，網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電壓為160 V，母線電壓給定Udcref為420 V。

控制算法中的變量usd和usq，isd和isq，ird和irq，ud和uq，id和iq分別為定子電壓us、定子電流is、轉(zhuǎn)子電流ir、網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電壓u、網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)電流i 在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量，試驗(yàn)中，對(duì)這些變量及母線電壓Udc在三相坐標(biāo)系下的波形進(jìn)行測(cè)試。首先，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了能量雙向流動(dòng)測(cè)試，進(jìn)行發(fā)電機(jī)由亞同步速向超同步速過渡的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，波形如圖5所示。從波形中可以看出，定子側(cè)的電壓us和電流is呈正弦曲線，且始終反相，頻率保持為50 Hz，系統(tǒng)始終處于工頻發(fā)電狀態(tài)，由于實(shí)驗(yàn)中雙饋電機(jī)定子漏感較大，因此定子電流波形較光滑，輸出電能質(zhì)量良好。轉(zhuǎn)子電流的頻率隨發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，當(dāng)雙饋電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流變?yōu)橹绷?。發(fā)電機(jī)由亞同步速向超同步速過渡過程中，網(wǎng)側(cè)變換器由單位功率因數(shù)整流狀態(tài)過渡到單位功率因數(shù)逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)。在過渡過程中，母線電壓Udc稍有變化，又很快穩(wěn)定在給定值，其超調(diào)量不超過3%。

圖5 亞同步速向超同步速過渡實(shí)驗(yàn)波形

其次，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，輸出功率也是一個(gè)變化量，這里進(jìn)行了雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)輸出功率變化的動(dòng)態(tài)測(cè)試，驗(yàn)證其功率跟蹤特性。圖6 為超同步速下的實(shí)驗(yàn)波形，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200 r/min，定子有功功率給定Psref由3 kW 到5 kW 階躍變化。從實(shí)驗(yàn)波形中可以看出，系統(tǒng)可以跟蹤給定功率變化，在較短時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)定，且電流基本沒有超調(diào)，定子側(cè)始終保持單位功率因數(shù)運(yùn)行，向電網(wǎng)輸送電能。當(dāng)定子功率變大，機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)差功率相應(yīng)變大，轉(zhuǎn)子電流幅值電也隨之增大，而其頻率保持不變。

圖6 超同步速下功率變化實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)論

本文對(duì)雙饋風(fēng)電系統(tǒng)電機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)變換器的控制算法進(jìn)行了研究，并在實(shí)驗(yàn)室模擬平臺(tái)上進(jìn)行了能量雙向流動(dòng)測(cè)試、定子側(cè)輸出功率變化動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，雙饋?zhàn)兞髌骺蓪?shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，且定子側(cè)輸出功率變化的動(dòng)態(tài)性能良好，滿足了雙饋?zhàn)兞髌鞯囊?，證明了系統(tǒng)控制策略的有效性。

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