邢波

摘 要：在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組滿功率運(yùn)行時(shí)，由于風(fēng)況多變，存在變槳滯后等現(xiàn)象；此時(shí)主要的表現(xiàn)為：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大，而這種轉(zhuǎn)速的波動(dòng)在一定范圍內(nèi)是被允許的。對于雙饋發(fā)電機(jī)來說，此時(shí)可以通過降低雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流來降低磁通以達(dá)到控制功率輸出的目的；而直驅(qū)永磁電機(jī)由于采用永磁體作為磁場的提供者，其產(chǎn)生的磁場是無法調(diào)節(jié)的，那么在轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)的情況下，如果不采取任何措施，就會(huì)出現(xiàn)功率輸出會(huì)跟隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)而波動(dòng)。能否讓永磁發(fā)電機(jī)如同雙饋發(fā)電機(jī)一樣控制磁通量來達(dá)到控制功率的效果，對此該文進(jìn)行了分析與闡述。

關(guān)鍵詞：永磁電動(dòng)機(jī) 永磁發(fā)電機(jī) 弱磁控制

中圖分類號：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（a）-0069-03

在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過程中，有2個(gè)發(fā)展方向：一是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電，一是永磁同步風(fēng)力發(fā)電；分別選用了永磁同步發(fā)電機(jī)與雙饋異步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電主設(shè)備。

雙饋機(jī)組的異步發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上為定轉(zhuǎn)子三相對稱，轉(zhuǎn)子電流由滑環(huán)接入。通過增速齒輪箱將風(fēng)速的變化傳遞到發(fā)電機(jī)，為保持定子電流頻率的恒定，可以控制轉(zhuǎn)子電流的頻率，從而實(shí)行了風(fēng)電機(jī)組的功率控制。

永磁發(fā)電機(jī)組是以永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器為核心的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，通過全功率變流器與高壓電網(wǎng)相聯(lián)，變流器將風(fēng)電機(jī)組輸出的不停變化的交流電，首先變換成直流電，再通過逆變器逆變成電網(wǎng)需要的電壓、頻率和幅值及相位。

1 永磁發(fā)電機(jī)滿功率運(yùn)行時(shí)存在的問題

在滿功率運(yùn)行時(shí)，風(fēng)況多變，存在變槳滯后的現(xiàn)象，此時(shí)主要的表現(xiàn)為：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大。而這種轉(zhuǎn)速的波動(dòng)在一定范圍內(nèi)是被允許的，例如：金風(fēng)2.5 MW-121（葉片）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為m轉(zhuǎn)/min，最大允許的額定轉(zhuǎn)速為1.1倍的額定轉(zhuǎn)速。

對于雙饋發(fā)電機(jī)來說，此時(shí)可以通過降低雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流來降低磁通來達(dá)到控制功率輸出的目的；而直驅(qū)永磁電機(jī)由于采用的永磁體作為磁場的提供者，其產(chǎn)生的磁場是無法調(diào)節(jié)的，那么在轉(zhuǎn)速發(fā)生波動(dòng)的情況下，如果不采取任何措施，會(huì)出現(xiàn)功率輸出會(huì)跟隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)而波動(dòng)，最大功率將為1.1倍的額定功率；而根據(jù)有功功率高故障的觸發(fā)條件，此時(shí)就會(huì)造成機(jī)組的故障停機(jī)。

此時(shí)，首先想到將超發(fā)的有功功率消耗掉，那么根據(jù)目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)來看，能夠快速消耗掉電能的元器件為制動(dòng)電阻；但制動(dòng)電阻的啟停是受到限制的，不可能長時(shí)間或頻繁啟動(dòng)來消耗超發(fā)的電能。這種辦法不能解決超發(fā)，那么此時(shí)就會(huì)考慮，能不能讓永磁發(fā)電機(jī)如同雙饋發(fā)電機(jī)一樣控制磁通量來達(dá)到控制功率的效果。

2 永磁發(fā)電機(jī)采用了弱磁控制的控制方式

上節(jié)所述，在功率輸出恒定的情況下，永磁電動(dòng)機(jī)為了得到更高的速度，采用了弱磁控制的方法，降低了磁通從而讓電動(dòng)機(jī)得到了更高的速度。那么反過來考慮，在滿功率運(yùn)行時(shí)，永磁發(fā)電機(jī)追求的是穩(wěn)定的功率；在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果轉(zhuǎn)速增大了，那么要想得到額定轉(zhuǎn)速下的額定功率，根據(jù)電動(dòng)機(jī)控制原理，轉(zhuǎn)速增加的同時(shí)需要降低磁通，控制方法同樣為弱磁控制，即通過對發(fā)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制從而得到穩(wěn)定的功率。

想要了解永磁發(fā)電機(jī)的弱磁控制，首先從原理及公式推導(dǎo)的方式，來說明永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩都與哪些變量相關(guān)。

假設(shè)永磁同步電機(jī)：（1）磁路是線性且既沒有飽和現(xiàn)象，又不存在磁滯、渦流效應(yīng)；（2）忽略漏感并認(rèn)為永磁體的磁場是沿氣隙規(guī)則分布的。

通過坐標(biāo)變換的理論，可以得到永磁同步電機(jī)在同步的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程（公式摘自吳浩烈的《電機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)》），分別如下：

其中、為電機(jī)端電壓d和q軸分量；、為定子電流d和q軸分量；Ψd、Ψq為磁鏈d和q軸分量；ωr為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度；Rs為每相定子繞組的電樞電阻。

同步發(fā)電機(jī)d-q坐標(biāo)系下的磁鏈方程為：

其中Ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈，Ψd為定子磁鏈。

在旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中：d軸是在轉(zhuǎn)子磁極軸線上，q軸超前90°的電角度，d、q軸的位置角為θ=θ0+ωrt。此時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁勢的方向與d軸方向一致。d-q坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機(jī)的空間矢量圖，如圖1所示。

假設(shè)永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈、定子d軸電感Ld、定子q電感Lq恒定不變，那么d、q坐標(biāo)系下電壓、電流的關(guān)系為：

空載電勢Eq=ωrΨf，可以看出空載電勢Eq的方向是和轉(zhuǎn)子磁鏈Ψf的方向相一致。則：

根據(jù)上式中同步發(fā)電機(jī)的電壓、電流的關(guān)系，根據(jù)對稱原則，可以認(rèn)為d軸方向此時(shí)電勢Eq=0。

可以得到同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te為：

其中p為多級永磁同步發(fā)電機(jī)的極對數(shù)。

從上式中可以看到，p為極對數(shù)是常數(shù)；永磁發(fā)電機(jī)的磁場認(rèn)為是恒定值，發(fā)電機(jī)Ψf為常數(shù)；電感Ld、Lp是常數(shù)；Te的大小只與、相關(guān)。

綜上所述，永磁發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只與d-q軸的電流分量相關(guān)；那么通過調(diào)節(jié)d-q軸的電流分量就可以控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到功率控制的目標(biāo)。

3 永磁發(fā)電機(jī)的弱磁控制

上節(jié)所述，永磁發(fā)電機(jī)的電磁扭矩控制只與d-q軸的電流分量相關(guān)，下面開始從公式推導(dǎo)角度描述弱磁控制的方式。

3.1 數(shù)學(xué)模型

首先以筆者公司采用的永磁發(fā)電機(jī)為例，2.5 MW自主變流器控制簡圖見圖2所示。

從圖2中可以看到，由背靠背2套變流器一起控制發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由于2套變流柜的功能、用途、算法等均相同，所以選取一個(gè)變流器的機(jī)側(cè)單元做介紹。

PWM整流器的交流側(cè)與交流電壓電源（永磁發(fā)電機(jī)）；假設(shè)直流側(cè)是直流負(fù)載，典PWM整流器的主電路拓?fù)鋱D見圖3所示。

假定：Si（i=a，b，c）分別是三相橋臂的開關(guān)函數(shù)，可以定義開關(guān)函數(shù)Si=（1=Sip有效，0=Sin有效）根據(jù)圖3，根據(jù)電壓、電流定律，可得PWM整流器的一般數(shù)學(xué)模型為：

假設(shè)三相電壓平衡：ua+ub+uc=0；在三相無中線系統(tǒng)中，三相電流之和始終為零：ia+ib+ic=0。那么上式變?yōu)椋?/p>

此時(shí)采用傅里葉變換進(jìn)行求解，對發(fā)電機(jī)的控制不利。為了簡化，變換三相對稱靜止坐標(biāo)系的模型轉(zhuǎn)換為d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的表達(dá)式為：

3.2 控制策略

同步發(fā)電機(jī)的控制策略，是基于轉(zhuǎn)子磁鏈的定向控制，采用了矢量控制策略；定子磁場的定向控制，采用了直接扭矩控制的控制方式。

而2.5 MW自主變流器采用的是PWM控制是一種矢量控制，那么控制方式為：基于轉(zhuǎn)子磁鏈的定向控制；主要采用零d軸電流控制。

零d軸電流控制，就是控制同步發(fā)電機(jī)d軸電流是0，根據(jù)之前章節(jié)得到的扭矩公式（9）：

對于永磁同步發(fā)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子磁場可以認(rèn)為是恒定的，這樣Te與iq是成正比關(guān)系。

假設(shè)電機(jī)給定的轉(zhuǎn)矩為Te*，可以推出給定的電流指令為iq*=0，iq=Te2*/（3pΨf），那么：

（11）

這樣可以通過對id和iq的控制，使其跟蹤給定的電流值 id和iq，則可以實(shí)現(xiàn)對同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制。 那么控制邏輯如圖4所示。

如圖4，對于電流分量id、iq，將其與給定的電流值id*、iq*做比較，將差量作為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸入量，通過PI調(diào)節(jié)器跟蹤給定值id*、iq*，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓分量ud、uq的，產(chǎn)生的調(diào)制電壓park逆變換，得到電壓矢量uα、uβ，最后通過SVPWM方法產(chǎn)生PWM波控制變流器上下臂的導(dǎo)通和關(guān)斷。

綜上所述，只要給定了一個(gè)Te*就可以計(jì)算出id*=0，iq*=Te2*/（3p），與id、iq比較通過PI調(diào)節(jié)器和park逆變換得到電壓矢量，然后通過SVPWM方法產(chǎn)生PWM波控制變流器上下臂的導(dǎo)通和關(guān)斷，使永磁發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 機(jī)側(cè)弱磁控制簡圖擴(kuò)展

公式（8）為d、q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的表達(dá)式，通過公式可以看到id、iq分別與機(jī)側(cè)電流、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度ωr相關(guān)；而根據(jù)自主變流控制方式描述：扭矩給定Te*與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度ωr、變流器根據(jù)實(shí)際功率計(jì)算出來的ωq相關(guān)；那么將圖4的控制簡圖進(jìn)行擴(kuò)展，可以得到擴(kuò)展圖（見圖5所示）。

仔細(xì)看圖，可以發(fā)現(xiàn)控制框圖擴(kuò)展后與機(jī)側(cè)控制框圖相差不多；通過圖片可以看到機(jī)側(cè)控制的3個(gè)閉環(huán)控制，其中：（1）紫線框內(nèi)表示的部分為：電壓閉環(huán)控制；（2）紅色框內(nèi)表示的部分為：電流閉環(huán)控制；（3）紅色框外部分為：速度環(huán)閉環(huán)控制。

其中電壓閉環(huán)控制、電流閉環(huán)控制的核心便是圖5所示弱磁控制，所以弱磁控制在永磁發(fā)電機(jī)中的作用極為重要。

4 結(jié)語

通過弱磁控制的公式推導(dǎo)、框圖的擴(kuò)展最終推導(dǎo)出永磁發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)控制的控制簡圖；這說明了弱磁控制的重要性。通過調(diào)節(jié)永磁發(fā)電機(jī)d-q軸的電流分量就可以控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到功率控制的目標(biāo)；可以使永磁發(fā)電機(jī)如同雙饋發(fā)電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)在不同轉(zhuǎn)速的情況下，實(shí)現(xiàn)恒功率控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳浩烈.點(diǎn)機(jī)及電力拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].重慶大學(xué)出版社，2008.

[2] 胡書舉.直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)概述[J].變頻器世界，2009（10）：

55-59.