文獻標(biāo)志碼：A

無刷雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)控制研究仿真

劉利黎，萬山明，高舉明

(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 湖北武漢430074)

A Simulation Study on Grid-Connected Control of Brushless Doubly Fed Induction GenerationLIU Lili, WAN Shanming, GAO Juming

(School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China)

摘要：為更好高效利用風(fēng)能，無刷雙饋電機須與大電網(wǎng)進行并網(wǎng)運行，為減小對并網(wǎng)過程中對電網(wǎng)的沖擊，須有效控制發(fā)電機的頻率、幅值和相位，本文基于對無刷雙饋電機數(shù)學(xué)模型的分析與簡化，提出了一種簡單的并網(wǎng)控制策略，并在SIMULINK環(huán)境下進行建模與仿真，結(jié)果驗證了本文所提策略的正確性與可行性，為無刷雙饋電機并網(wǎng)控制的進一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：無刷雙饋電機；并網(wǎng)控制；風(fēng)力發(fā)電；SIMULINK

文章編號：1007-2322(2015)05-0084-05

中圖分類號：TM614

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51377064)

收稿日期：2014-09-27

作者簡介：

Abstract：To efficiently make good use of wind power, the generator must operate at the status of connecting to power grid. And the controlling of frequency, amplitude and phase of generator efficiently is also needed to reduce their impact on the power grid. In this paper, a simple and practical grid-connected control strategy is proposed based on the analysis and simplification of the mathematical model. And through modeling and simulation under the environment of SIMULINK, the validity and feasibility of control theory is verified, which provides certain theoretical basises for further studying grid-connected control of BDFIGs.

Keywords：brushless doubly fed induction generators; grid connected control; wind power; SIMULINK

0引言

隨著能源危機的加深及環(huán)境保護意識的加強，風(fēng)能等可再生能源具有廣闊的發(fā)展前景。傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機由于風(fēng)速不穩(wěn)定，產(chǎn)生的能量大小亦不穩(wěn)定。而無刷雙饋發(fā)電機(BDFIG)由于具有變速恒頻特性，很好地符合了風(fēng)力發(fā)電的特點，同時BDFIG相比于雙饋電機由于省去電刷和滑環(huán)結(jié)構(gòu)，使其運行的穩(wěn)定性更高，維護也更加簡單。因此，BDFIG在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，BDFIG作為一種新型電機，對其控制算法的研究主要集中于其作為電動機運行[1-2]的控制算法和作為發(fā)電機[3-4]并網(wǎng)運行的運行算法，對于BDFIG的并網(wǎng)控制算法少見。本文基于BDFIG的數(shù)學(xué)模型的分析與簡化，提出了一種基于無刷雙饋電機模型的標(biāo)量并網(wǎng)控制算法，以及基于電流控制的恒流源有功功率控制的并網(wǎng)運行策略。

1BDFIG的電機結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型

1.1BDFIG的電機結(jié)構(gòu)

BDFIG的定子由兩套繞組組成，一套繞組稱為功率繞組，向外發(fā)出頻率為fp的電流連接電網(wǎng)，另一套繞組稱為控制繞組，輸入頻率為fc的控制電流，通過變頻器與電網(wǎng)相連。轉(zhuǎn)子繞組通過特殊設(shè)計，轉(zhuǎn)子電流將調(diào)制產(chǎn)生兩種旋轉(zhuǎn)方向相反的，極對數(shù)分別為Pc、Pp的磁場，故可以將轉(zhuǎn)子繞組看成是兩套轉(zhuǎn)子繞組反向并聯(lián)[5-7]，結(jié)構(gòu)原理如圖1。

其中轉(zhuǎn)速和頻率之間存在如下關(guān)系：

(1)

圖1　無刷雙饋發(fā)電機結(jié)構(gòu)原理圖

由式(1)可以得出，當(dāng)維持功率繞組頻率保持50Hz 不變時，只要控制繞組側(cè)施加的頻率跟隨轉(zhuǎn)速的變化即可以實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。

1.2BDFIG的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)異步電機電壓方程和結(jié)構(gòu)原理圖(圖1)，可以推導(dǎo)出BDFIG的數(shù)學(xué)模型[3, 8]。功率側(cè)參考坐標(biāo)取逆時針為正，控制側(cè)參考坐標(biāo)取順時針為正，其中控制側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組和功率側(cè)的定子繞組取發(fā)電機慣例，其余取電動機慣例。電壓和磁鏈的發(fā)電機慣例方程如下。

功率繞組側(cè)的電壓磁鏈方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

控制繞組側(cè)的電壓磁鏈方程:

(6)

(7)

(8)

(9)

功率側(cè)和控制側(cè)的參考坐標(biāo)如圖2。

圖2　BDFIG功率和控制側(cè)的參考坐標(biāo)系

由上圖可以獲得如下方程：

(10)

(11)

由于方程組維數(shù)高，定轉(zhuǎn)子之間的電磁耦合復(fù)雜，基于上式的方程很難清楚地獲得BDFIG的控制策略，同時也不便于分析，所以目前對于BDFIG高性能的快速動態(tài)響應(yīng)的矢量控制算法尚未成熟，還屬于探索階段。故采用簡單的標(biāo)量控制算法，其對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)要求不高，同時考慮到Lsp=Lmrp+Lsσp，其中Lmrp遠遠大于Lsσp，故忽略定子漏電感及其對于動態(tài)響應(yīng)的影響，取Lsp=Lmrp，同理忽略定子控制側(cè)漏電感，轉(zhuǎn)子的電阻和漏電感簡化模型。聯(lián)立(2)~(11)式可以獲得如下關(guān)系：

(12)

電機穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)時，內(nèi)部磁場基本保持恒定，式(12)可近似簡化為

(13)

根據(jù)式(13)，由此可以獲得電機控制的簡化數(shù)學(xué)模型如圖3。

圖3　BDFIG簡化模型

2并網(wǎng)控制算法

當(dāng)發(fā)電機需要和電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，在并網(wǎng)過程中為了減少對電網(wǎng)及設(shè)備的沖擊，必須讓發(fā)電機電壓的幅值、相位和頻率與電網(wǎng)電壓保持一致。本文在控制BDFIG風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)進行并網(wǎng)控制時，為對BDFIG發(fā)電機電壓的頻率、幅值和相位進行有效控制，分為兩部分來實現(xiàn)：幅頻控制(也即獨立發(fā)電模式)和相位控制。

2.1BDFIG的幅頻控制

由圖3可知，控制側(cè)折算過的電流和功率側(cè)的電壓存在一定的對應(yīng)關(guān)系，改變控制側(cè)的輸入電流的幅值和頻率將會影響到功率側(cè)電壓的幅值和頻率。但由于控制側(cè)和功率側(cè)的電磁耦合過于復(fù)雜，對于BDFIG高性能的快速動態(tài)響應(yīng)的矢量控制算法尚未成熟，還屬于探索階段。同時由于本文的控制思路及分析都是基于一個簡化的控制數(shù)學(xué)模型(圖3)，已經(jīng)弱化了其動態(tài)響應(yīng)，故本文選取一種簡單的標(biāo)量算法實現(xiàn)電壓的幅頻控制較為恰當(dāng)，也即獨立發(fā)電模式。

當(dāng)BDFIG功率側(cè)所接負(fù)載一定時，基于圖3簡化數(shù)學(xué)模型存在在如下關(guān)系：

(14)

式中：a復(fù)常數(shù)；b為與功率側(cè)電流有關(guān)的一個常量，故可以得到如下控制關(guān)系：

(15)

同理可知，當(dāng)BDFIG功率側(cè)所接負(fù)載一定時，控制側(cè)變量存在如下關(guān)系：

(16)

式中：c為復(fù)常數(shù)；d為與功率側(cè)電流有關(guān)的一個常量。故可得如下控制關(guān)系：

(17)

通過實驗仿真對比可知，當(dāng)對Isc進行dq軸分解時，取d軸電流為0時整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動態(tài)性都比較好，故取d軸控制側(cè)電流為0。

綜上所述，故整個系統(tǒng)的控制框圖如圖4，其中K1、K2在并網(wǎng)前，即獨立發(fā)電模式分別連接至A、C兩個端點處，并網(wǎng)后，K1、K2分別連接至端點B、D兩個端點處。

圖4　BDFIG幅頻控制

2.2BDFIG的相位控制

同理由圖3可知，當(dāng)改變控制側(cè)電流相位時，功率側(cè)相位也會跟隨變化，因此，可以通過移相的辦法而使功率側(cè)電壓不斷逼近電網(wǎng)電壓，而最終滿足并網(wǎng)條件。

若電網(wǎng)電壓矢量U*超前于BDFIG電壓矢量U，須增加電壓矢量U的旋轉(zhuǎn)速度以追趕U*，故由式(1)可知須將控制側(cè)頻率fc減小以增大fp，反之增加控制側(cè)頻率。其中，當(dāng)BDFIG處于亞同步狀態(tài)時fc取“-”，超同步狀態(tài)時fc取“+”。

圖5　BDFIG移相控制

圖中K4取(Pp+Pc)/60，并網(wǎng)前K5取1/Um，K3取端點E，并網(wǎng)后K5取1/Im，K3取端點F，Ubase為電網(wǎng)電壓矢量，Up為BDFIG功率側(cè)發(fā)出電壓矢量，Ip為功率側(cè)輸出電流。

當(dāng)電網(wǎng)電壓矢量U*和BDFIG電壓矢量U相差比較小時，存在如下關(guān)系：

(18)

故控制側(cè)的位置給定如下式：

(19)

其中取電網(wǎng)電壓矢量為參考D軸，Uq為BDFIG電壓U在參考坐標(biāo)系Q軸上的投影，Um為電網(wǎng)電壓幅值，θc為穩(wěn)態(tài)位置角，Uq/Um為位置補償角，θ*為控制側(cè)位置給定角。同時為了避免補償角過大而導(dǎo)致控制系統(tǒng)的振蕩，對補償角度進行限幅處理。

2.3BDFIG的并網(wǎng)運行策略

并網(wǎng)后，發(fā)電機電壓為電網(wǎng)電壓，只須對電流進行控制即可實現(xiàn)功率控制。但由于BDFIG復(fù)雜的電磁耦合關(guān)系，目前針對于BDFIG的有功功率和無功功率的解耦控制算法尚未成熟。為簡化問題，本文采用當(dāng)BDFIG發(fā)電機并網(wǎng)運行時，發(fā)電機只發(fā)出有功功率的運行策略，即基于電流控制的恒流源有功功率控制的并網(wǎng)運行策略。故并網(wǎng)后將獨立發(fā)電時的電壓幅頻控制改為電流的幅頻控制，其控制框圖如圖4，其中K1、K2分別連接在B、D兩處，同時在幅頻控制的基礎(chǔ)上，疊加上相位控制，此時其中K3連接至端點F，K5取1/Im，使得電流、電壓一直鎖定為同相位，即可通過控制電流幅值的給定從而來實現(xiàn)對有功功率的控制。

3SIMULINK仿真

利用上述控制算法，對一臺64kW的BDFIG發(fā)電機的并網(wǎng)控制系統(tǒng)搭建圖如圖6，其中BDFIG發(fā)電機參數(shù)參照參考文獻[5]。其中電容取4.7×10-3μF，整流橋電阻取0.15Ω，整流橋電感取5×10-3mH，啟動時所帶負(fù)載取16kW。在0.8s左右BDFIG發(fā)電機轉(zhuǎn)速由450r/min上升至550r/min。并網(wǎng)控制時電流初始給定指令為30A。并網(wǎng)后進行基于電流控制的恒流源的有功功率的調(diào)節(jié)。

先建立直流母線電壓650V，在0.6s處，啟動控制側(cè)變頻器，BDFIG實行電壓幅頻控制，建立起50Hz、380V電壓，啟動瞬間各部分電氣變量波形如圖7。

圖6　BDFIG并網(wǎng)控制系統(tǒng)

圖7　直流側(cè)電壓

圖8　啟動時功率側(cè)電壓與控制側(cè)電流

由圖7、8可知，母線電壓在突然啟動發(fā)電機時，存在一定的跌落和過調(diào)。BDFIG發(fā)電機功率側(cè)電壓與控制側(cè)電流波形存在一定的對應(yīng)關(guān)系，符合上文簡化的數(shù)學(xué)模型如圖3所對應(yīng)的一個關(guān)系。

BDFIG并網(wǎng)控制過程中相關(guān)變量的波形如圖9~圖10。

由上文理論推導(dǎo)知，并網(wǎng)前是一個電壓的幅頻控制，使得BDFIG發(fā)電機的電壓幅值和頻率與電網(wǎng)電壓的相同，輸出電流由負(fù)載決定。在并網(wǎng)后控制器將切換至電流的幅頻控制，輸出電流的大小等于給定的電流大小，本文取例30A。故存在一個電流的突變，圖9很好地反映了這一點。由圖10可以看出，并網(wǎng)瞬間，母線電壓Uq、Iq出現(xiàn)了擾動，這是由于控制算法的切換，相當(dāng)于突減負(fù)載，導(dǎo)致了直流母線電壓和相位的一個偏移，其中Uq、Iq分別反應(yīng)了并網(wǎng)前BDFIG電壓與電網(wǎng)電壓、并網(wǎng)后輸出電流與BDFIG電壓的相位差，圖10中電流Iq經(jīng)過一個擾動后，Iq逐漸回復(fù)到0，這個過程正好對應(yīng)了這個相位控制這一調(diào)節(jié)過程。

圖9　并網(wǎng)瞬間功率側(cè)電流和控制側(cè)電流

圖10　并網(wǎng)瞬間的直流母線電壓和相位關(guān)系

BDFIG功率側(cè)給定電流突變至80A的波形如圖11。BDFIG轉(zhuǎn)速由亞同步上升到超同步時，即由450n/min上升至550n/min的波形如圖12。

圖11　功率側(cè)電流突變時功率側(cè)電流和控制側(cè)電流

圖12　轉(zhuǎn)速變化時功率側(cè)電流和控制側(cè)電流

由圖11知，當(dāng)功率側(cè)電流增大時，控制側(cè)電流跟著增大，符合上文的簡化模型圖3，勵磁基本恒定時，輸出電流增大時，由圖3知控制側(cè)電流也要隨著增大，才能維持系統(tǒng)的平衡。由圖12知，當(dāng)BDFIG發(fā)電機轉(zhuǎn)速從亞同步速上升到超同步速時，功率側(cè)電流頻率和相位沒有發(fā)生變化，而控制側(cè)電流的頻率發(fā)生了變化，同時，由亞同步時的負(fù)序頻率慢慢轉(zhuǎn)換為超同步速時的正序頻率，與公式(1)相吻合。

綜上所述，整個并網(wǎng)控制的波形完整、準(zhǔn)確地反映和驗證了上文控制算法的正確性。

4結(jié)論

本文借助于對異步電機的基本方程和坐標(biāo)變化的基本理論，對BDFIG發(fā)電機電機數(shù)學(xué)模型進行了分析和簡化，并依據(jù)簡化后的數(shù)學(xué)模型，提出了一種簡單的適用于BDFIG的并網(wǎng)控制算法和基于電流控制的恒流源的有功功率控制，仿真并驗證了該并網(wǎng)控制算法和并網(wǎng)運行策略的可行性與正確性，為BDFIG并網(wǎng)運行控制的進一步研究提供了參考。

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劉利黎(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為BDFIG風(fēng)力發(fā)電機一次調(diào)頻技術(shù)，E-mail:liu_hust_2014@163.com；

萬山明(1970—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子及電機控制技術(shù), E-mail: wanshanming@hust.edu.cn。

(責(zé)任編輯：楊秋霞)