張鳳閣　朱連成，2　金　石　于思洋

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院　沈陽　110870 2.遼寧科技大學電子與信息工程學院　鞍山　114051)

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開繞組無刷雙饋風力發(fā)電機最大功率點跟蹤直接轉矩模糊控制研究

張鳳閣1朱連成1，2金石1于思洋1

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院沈陽110870 2.遼寧科技大學電子與信息工程學院鞍山114051)

基于風力發(fā)電機最大功率點跟蹤原理，結合無刷雙饋電機無電刷和集電環(huán)的特殊結構及采用雙定子磁場調制使得所需變流器容量更小的特點，提出了一種由雙兩電平變流器拓撲構造三電平饋電的開繞組策略，闡述了無刷雙饋風力發(fā)電機最大功率點跟蹤、開繞組策略及直接轉矩控制、模糊控制等各部分工作原理，進而利用Matlab/Simulink仿真軟件，搭建了無刷雙饋風力發(fā)電機控制繞組采用雙兩電平SVPWM變流器饋電實現(xiàn)最大功率點跟蹤的開繞組直接轉矩模糊控制模型，并進行了詳細的性能仿真，最后，通過無刷雙饋電機半實物仿真實驗平臺，證實了所提開繞組策略的正確性和可行性，為進一步研發(fā)半實物仿真實驗平臺及相關控制策略提供了良好的參考與借鑒。

無刷雙饋電機最大功率點跟蹤開繞組雙兩電平變流器直接轉矩控制模糊控制

0　引言

隨著工農業(yè)生產和人民生活對電能需求量和電能質量不斷提高，蘊藏量十分豐富的風能因其綠色、清潔、無污染和可再生等優(yōu)點，使風力發(fā)電在資源可持續(xù)發(fā)展和社會效益方面具有巨大優(yōu)勢。而伴隨著電力電子技術、自動控制技術和信息處理技術的飛速發(fā)展，風電技術又重新獲得了能源開發(fā)和利用領域的極力推崇，正越來越引起世界范圍的關注與大力投入[1-6]。

采用無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM)的變速恒頻(Variable-Speed Constant-Frequency，VSCF)風力發(fā)電系統(tǒng)，因電機結構上無電刷和集電環(huán)、可靠性高，免維護，采用的雙定子磁場調制機理，具有更寬的調速范圍，可以靈活運行在亞同步、同步、超同步和異步等工況，加之所需變流器容量僅為電機容量的一部分[7]，遠遠小于同容量感應電機和同步電機等所需的全容量電力電子變流裝置，使其總體成本較低，因此，具有比有刷雙饋發(fā)電機和同步發(fā)電機等非常明顯的發(fā)展空間與優(yōu)勢，且能夠更好地應用在大容量海上風力發(fā)電、水力發(fā)電和船舶軸帶發(fā)電等更加惡劣的工作場所。

目前，針對無刷雙饋電機及其風力發(fā)電控制系統(tǒng)的研究已經取得了一定進展，文獻[8，9]詳細論述了電機參數(shù)設計的性能比較和功率特性分析，文獻[10-14，15-23，25，29，30]分別針對同步電機、感應電機和無刷雙饋風力發(fā)電機控制系統(tǒng)進行了包括系統(tǒng)建模、矢量控制、功率分析與轉矩控制、直接轉矩控制等方面的研究，但因其采用單兩電平變流器饋電，難以應用在MW級以上等大容量系統(tǒng)。同時，鑒于文獻[23，24]等所提的單三電平變流器存在拓撲結構復雜、直流環(huán)節(jié)電容量大、功率開關等級要求高等缺點，本文提出了一種由雙兩電平SVPWM變流器構造三電平饋電[26-28]的開繞組無刷雙饋風力發(fā)電機最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)直接轉矩控制策略，詳細分析了開繞組拓撲結構的原理及優(yōu)點，并針對雙兩電平SVPWM協(xié)調控制的變流器開關策略進行了設計與優(yōu)化，進而，基于Matlab/Simulink仿真軟件，搭建了系統(tǒng)仿真模型并進行了詳細仿真分析，最后通過無刷雙饋電機半實物仿真實驗平臺進行了實驗研究，結果證實了所提控制策略的正確性和可行性：既獲得了三電平變流器饋電的優(yōu)越性能，又有效避免了傳統(tǒng)單三電平變流器饋電的缺陷，為進一步開發(fā)半實物仿真實驗平臺及后續(xù)相關控制策略的研究提供了較好的參考與借鑒。

1　無刷雙饋風力發(fā)電機最大功率點跟蹤

1.1無刷雙饋電機數(shù)學模型

無刷雙饋電機采用兩套極數(shù)不同的定子繞組共同作用實現(xiàn)磁場調制。其中，功率繞組(Power Winding，PW)，又稱主繞組，一般直接接工頻電網(頻率為fp，極對數(shù)為pp)，控制繞組(Control Winding，CW)，又稱副繞組，則通過變流器(頻率為fc，極對數(shù)為pc)接電網。和調制模式下BDFM電源頻率與電機轉速nr和極對數(shù)之間的關系為[7-9]。

(1)

式中，當功率繞組和控制繞組電源相序相同時取“-”號，相序相反時取“+”號?？梢?，BDFM作為發(fā)電機運行時，只要根據電機轉速nr及時調節(jié)控制繞組的電源頻率fc，就能夠確保功率繞組向電網饋送工頻電能。因此，BDFM非常適用于VSCF發(fā)電等復雜工況使用。

磁障轉子無刷雙饋磁阻電機(Brushless Doubly-fed Reluctance Machine，BDFRM)兩相轉子(d，q)坐標系中的電壓方程[7]為

(2)

磁鏈方程為

(3)

式中，下標字母“p”、“c”及“d”、“q”分別表示定子功率繞組、控制繞組參數(shù)及其d、q軸分量；p表示微分算子。

1.2無刷雙饋風力發(fā)電機最大功率點跟蹤

由無刷雙饋電機構成的傳統(tǒng)風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，包括風力機、齒輪增速箱、以功率繞組和控制繞組分別表示的無刷雙饋發(fā)電機、控制繞組網側和機側兩組可逆變流器、三相工頻電網等。工作中，由風力機經齒輪增速箱連接帶動發(fā)電機轉子旋轉，及時調整向控制繞組饋電的變流器電源頻率fc以適應轉速變化，確保電機向電網回饋正弦工頻電能。

圖1　變速恒頻無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1　VSCF brushless doubly-fed wind power generator system

要使風力發(fā)電機系統(tǒng)捕獲最大風能、回饋最大電能，必須分析風力機系統(tǒng)不同轉速下的功率輸出特性。由貝茲理論可知風力機所能輸出的機械功率Pm為

(4)

式中，ρ為空氣密度(kg/m3)；R為風機葉輪半徑(m)；vw為風速(m/s)；Cp為風能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，滿足

(5)

其中

(6)

電機轉速與風力機轉速關系為

nr=Nnt

(7)

式中，ωt、nt和nr分別為風輪機、發(fā)電機的機械角速度和轉速；N為齒輪箱的增速比。

選擇某風力機參數(shù)為：起動風速2.5 m/s，額定風速12 m/s，工作風速3～25 m/s，額定轉速100 r/min，額定功率50 kW，風輪機直徑12.5 m。由式(5)～式(7)，取空氣密度為1.23 kg/m3，齒輪箱增速比為5.2，得到圖2所示的風力機特性曲線。其中圖2a為不同槳距角對應的Cp-λ關系曲線，可見，Cp的最大值隨著槳距角β的增大而減小，當β=0°時，獲得最佳葉尖速比λ=8.1，對應的最佳風能利用系數(shù)Cp=0.48。從充分利用風能的角度來看，β值應盡可能小，當實際風速小于額定風速時，風力機為捕獲最大功率，常將β設為0°。圖2b為不同風速時風力機輸出機械功率與電機轉速關系曲線，可見，任一風速下功率曲線都有一個最大功率吸收點，因此，只要能夠根據風速變化實時調整BDFRG轉速，使之跟蹤不同最大功率點對應轉速，即可實現(xiàn)無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的MPPT，從電機轉矩控制的角度來說，只要能使發(fā)電機轉矩準確快速地跟蹤轉速調節(jié)器輸出的轉矩給定值，即可獲得MPPT效果。

圖2　風力機特性曲線Fig.2　Characteristics curve of wind turbine

2　無刷雙饋風力發(fā)電機開繞組直接轉矩模糊控制策略

2.1雙兩電平變流器饋電開繞組策略

將圖1中控制繞組原為星形聯(lián)結(三角形聯(lián)結)的一端打開，變成與控制繞組原來三相電源接線端子a1、b1、c1對應的三個新接線端子a2、b2、c2。由此，得到雙兩電平變流器饋電的控制繞組開繞組策略電路拓撲，如圖3所示。其中，兩個機側變流器(Machine Side Converter，MSC)，即MSC1的直流母線電壓為Udc/2，相當于控制繞組采用傳統(tǒng)的單三電平變流器饋電時直流母線電壓Udc的一半[23，24]，但卻可以得到單三電平變流器的饋電效果。

圖3　開繞組雙兩電平變流器饋電拓撲Fig.3　Circuit topology of open winding fed with dual two-level converter

此時，若令電機控制繞組三相電壓瞬時值為uca、ucb、ucc，則可以得到其與雙兩電平變流器輸出電壓的矢量關系，如式(8)所示，即控制繞組相電壓為機側兩個變流器交流側相電壓之差。

(8)

2.2雙兩電平SVPWM協(xié)調控制原理

SVPWM控制的兩電平變流器空間矢量如圖4所示。其中，有效電壓空間矢量簡寫為六邊形頂點1～6和1′～6′，零矢量為7、8和7′、8′，其將空間分別等分為①～⑥扇區(qū)。因兩電平變流器具有23=8種開關組合方式，則雙兩電平變流器共有23×23=64種開關模式，遠遠優(yōu)于單三電平變流器只能產生的33=27種開關模式。因此，對比傳統(tǒng)的單三電平變流器，采用本文所提開繞組策略時，不僅完全可以實現(xiàn)三電平饋電效果，而且開關冗余度高、容錯性好，同時又避免了采用單三電平變流器饋電時的電路拓撲結構復雜、存在中性點電位偏移等困難。

圖4　兩變流器的空間矢量Fig.4　The space phasor in each converter

對比傳統(tǒng)的單三電平變流器，長矢量GIKMPR冗余度為1，沒有發(fā)生改變，而中矢量HJLNQS冗余度由1增加到2，短矢量ABCDEF冗余度由2增加到6，零矢量冗余度由3增加到10，亦即總開關矢量由6+6+12+3=27增加到6×1+6×2+6×6+1×10=64，顯然，開關冗余度大大增加，容錯性獲得較大改善。

下面以雙兩電平變流器合成電壓矢量14′為例，說明開關導通及電壓矢量合成關系，對照圖3得到此時的電路拓撲如圖5b所示。根據式(8)，得到電機控制繞組a相電壓如式(9)所示，這與傳統(tǒng)單三電平變流器a相軸系對應的長矢量PNN(或1-1-1)一致。

(9)

圖5　雙兩電平變流器電壓空間矢量及開關狀態(tài)分析Fig.5　Converter space vector combined with dual two-level converters and analysis of 14′

由式(8)可知，若選擇兩個變流器的參考電壓空間矢量如式(10)所示。

(10)

可見，工作中只要能夠保證兩個變流器的參考電壓相量的幅值大小相等，且均為電機控制繞組所需參考電壓的一半，而相位相反，即可實現(xiàn)雙兩電平SVPWM協(xié)調控制變流器饋電的開繞組策略。

2.3無刷雙饋電機直接轉矩控制

無刷雙饋電機在靜止參考坐標系中的磁鏈矢量關系如圖6所示，根據其雙定子磁場調制機理，可知磁鏈矢量Ψpc與Ψc共同以控制繞組電流角頻率ωc旋轉，兩者相對靜止。

圖6　靜止坐標系中定子磁鏈矢量關系Fig.6　Relationship between flux vectors in the stationary frame

可以得到與感應電機相似的電磁轉矩為[15]

(11)

式中，Lp、Lc和Lpc分別為三相定子繞組電感及互感。

無刷雙饋電機的定子功率繞組和控制繞組分別相當于感應電機的定子和轉子繞組，由電壓平衡方程可得兩套定子繞組的磁鏈矢量Ψp、Ψc與電壓矢量up、uc和電流矢量ip、ic關系為

(12)

根據恒壓恒頻(Constant Voltage and Constant Frequency，CVCF)的發(fā)電要求，up的幅值和頻率應是恒定的，如果忽略定子功率繞組電阻壓降Rpip的影響，則可認為Ψp的幅值和轉速(或頻率)也是恒定不變的。同理，得到忽略控制繞組壓降時電壓表達式為

(13)

(14)

圖7　控制繞組電壓矢量與磁鏈矢量關系Fig.7　Relation between control winding voltage vector action and flux vector

從圖7可以看到第一扇區(qū)內電壓矢量uc2、uc6和uc3、uc5對磁鏈矢量的作用效果。若控制繞組電壓矢量在其他扇區(qū)時，同樣也可以得到用于磁鏈滯環(huán)控制的合適電壓矢量，因此，可以得到控制繞組各扇區(qū)中的電壓適量開關選擇[15]。同理，電磁轉矩的滯環(huán)控制與此相似。

2.4直接轉矩控制變量給定與參數(shù)估計

功率繞組的無功功率[29]

(15)

式中，按最大功率因數(shù)原則，應有式(15)Qp=0，得到控制繞組電流d軸分量icd，代入控制繞組磁鏈

Ψc=Ψcd+jΨcq=(σLcicd+Ψpc)+jσLcicq

(16)

即可得到控制繞組的磁鏈給定值，即

而電磁轉矩的給定既要求實現(xiàn)最大功率點跟蹤，又能完成功率繞組輸出電壓的并網前調節(jié)，如式(18)所示。

(18)

3　控制系統(tǒng)仿真及實驗

3.1控制系統(tǒng)仿真模型

圖8　控制系統(tǒng)框圖Fig.8　The diagram of control system

3.2系統(tǒng)仿真分析

BDFRG樣機參數(shù)為：額定電壓380 V，額定功率42 kW，功率繞組極對數(shù)3，控制繞組極對數(shù)1，功率繞組電阻0.166 2 Ω，控制繞組電阻0.188 2 Ω，功率繞組自感17.37 mH，控制繞組自感23.51 mH，定子繞組互感18.13 mH，轉動慣量0.3 kg·m2。

設系統(tǒng)槳距角為0°，給定風速為4 s時從7.4 m/s階躍到9.3 m/s，在6 s時再階躍到11.1 m/s，對應的BDFRG轉速應分別為600 r/min、750 r/min和900 r/min，即分別處于亞同步速、同步速和超同步速狀態(tài)，則BDFRG控制繞組的頻率分別應為10 Hz、0 Hz 和-10 Hz，其中，-10 Hz表示此時控制繞組電壓變?yōu)榉聪嘈颉?/p>

部分仿真結果如圖9～圖18所示。其中，設直流母線電壓Udc=300 V。圖9為經風力機齒輪箱增速后的發(fā)電機轉子轉速給定值和轉速跟蹤值，穩(wěn)態(tài)值分別為600 r/min、750 r/min和900 r/min，對應給定風速的7.4 m/s、9.3 m/s和11.1 m/s，可見，轉速跟蹤效果較好。圖10為根據MPPT原理得到的系統(tǒng)最大功率參考值與功率點跟蹤波形，可見，功率跟蹤效果較好。圖11為BDFRG功率繞組和控制繞組頻率波形，fp為50 Hz，fc分別為10 Hz、0 Hz及-10 Hz，即對應BDFRG亞同步、同步和超同步狀態(tài)。圖12為控制繞組相電壓給定值及局部放大波形，頻率分別為10 Hz和-10 Hz。圖13為控制繞組開繞組A相變流器-1輸出電壓局部放大波形，為兩電平電壓輸出，幅值電壓為150 V。圖14為控制繞組開繞組A相變流器-2輸出電壓的局部放大波形，同樣為兩電平電壓輸出，幅值電壓為150 V。圖15為控制繞組開繞組的A相雙變流器拓撲構造三電平饋電的輸出電壓局部放大波形，可見，輸出電壓為三電平。圖16為控制繞組開繞組的AB兩相雙變流器輸出線電壓局部放大波形，由圖15和圖16可知，所提雙兩電平變流器饋電的拓撲結構與傳統(tǒng)單三電平變流器饋電效果相似，即相電壓為三電平，而線電壓為五電平。圖17為功率繞組線電壓局部放大波形，頻率為50 Hz，幅值約為530 V；圖18為電磁轉矩參考及跟蹤波形與局部放大，可見，電磁轉矩性能較好，以確保實現(xiàn)MPPT。

圖9　轉速給定及轉速響應波形Fig.9　Waveform of speed reference and speed response

圖10　最大功率參考及跟蹤波形Fig.10　Waveform of reference and MPPT

圖11　功率繞組和控制繞組頻率Fig.11　Frequency of PW and CW

圖12　控制繞組相參考電壓幅值與基波及局部放大Fig.12　The reference phase voltage amplitude，fundamental of CW and local amplification

圖13　變流器-1相電壓局部放大波形Fig.13　The voltage local amplification of MSC1 in phase a

圖14　變流器-2 a相電壓局部放大波形Fig.14　The voltage local amplification of MSC2 in phase a

圖15　控制繞組a相電壓局部放大波形Fig.15　The voltage local amplification of CW in phase a

圖16　控制繞組ab兩相線電壓局部放大波形Fig.16　The line voltage local amplification of CW between phase a and b

圖17　功率繞組線電壓局部波形Fig.17　The line voltage of PW

圖18　電磁轉矩參考及跟蹤波形及局部放大波形Fig.18　The torque reference，tracking and its local amplification

3.3控制系統(tǒng)實驗

圖19所示為系統(tǒng)半實物仿真實驗平臺，包含雙兩電平背靠背可逆變流器、功率分析儀、示波器和隔離電抗器、濾波電容等。參照圖1、圖3和圖8，依據系統(tǒng)半實物仿真實驗平臺，對系統(tǒng)進行亞同步速和超同步速發(fā)電實驗，實驗結果如圖20～圖22所示。其中，圖20和圖21為控制繞組開繞組時的A相電壓、AB線電壓波形，各分圖分別對應于BDFRG亞同步速600 r/min時和超同步速900 r/min時的波形?？梢?，控制繞組相電壓和線電壓實驗波形與圖15、圖16的仿真結果相似，即與傳統(tǒng)的單三電平變流器饋電時相同，而母線電壓為傳統(tǒng)三電平變流器的一半。

圖19　系統(tǒng)實驗平臺Fig.19　The experimental platform

圖20　控制繞組a相電壓波形Fig.20　The voltage of CW in phase a

圖21　控制繞組線電壓波形Fig.21　The voltage of CW between phase a and b

圖22　功率繞組A相電壓和電流波形Fig.22　The voltage and current of PW in phase a

由無刷雙饋電機功率傳遞關系可知，顯然，圖22a對應BDFRG的亞同步速單饋狀態(tài)，即功率繞組吸收的機械功率和控制繞組通過變流器從電網吸收的電磁功率扣除各種損耗后，都轉化成了功率繞組側電磁功率實現(xiàn)電能的饋送；圖22b對應BDFRG的超同步速雙饋狀態(tài)，即功率繞組吸收機械功率實現(xiàn)電能饋送，同時控制繞組吸收的機械功率扣除相關損耗后，一部分轉化為功率繞組側的電磁功率，另一部分則轉化為控制繞組側的電磁功率通過變流器實現(xiàn)電能饋送。

4　結論

本文的系統(tǒng)主電路基于目前普遍采用的成熟兩電平變流器，實現(xiàn)雙兩電平變流器拓撲構造三電平饋電的開繞組控制策略，結構簡單、控制方便，既可以使得雙變流器直流環(huán)節(jié)電壓降低、直流電容容量減小、開關冗余度提高、容錯性良好，電機控制繞組相電壓和線電壓分別為三電平和五電平，同時又能有效避免傳統(tǒng)三電平變流器拓撲結構復雜、直流環(huán)節(jié)電壓高、直流電容容量大及中點電位偏移等弊端。通過理論分析和仿真建模及半實物仿真試驗研究，結果證明了所提的開繞組無刷雙饋風力發(fā)電機最大功率點跟蹤雙兩電平SVPWM變流器饋電的直接轉矩模糊控制策略的正確性和有效性，為進一步開發(fā)實驗平臺及研究直接功率控制等相關策略提供了較好的參考與借鑒。

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Research on the Maximum Power Point Tracking of Brushless Doubly-Fed Wind Power Generator with Open Winding Direct Torque Fuzzy Control Strategy

Zhang Fengge1Zhu Liancheng1，2Jin Shi1Yu Siyang1

(1. School of Electrical EngineeringShenyang University of TechnologyShenyang110870China 2. School of Electronic and Information EngineeringUniversity of Science and Technology Anshan114051China)

Based on the principle of wind power generator maximum power point tracking (MPPT)，combined with the special structure of brushless doubly-fed machine，which does not have brushes and slip rings，and allowing for the adopted double stator magnetic field modulation method，so that the capacity of required converters is smaller，then a novel scheme of direct torque control and fuzzy control inn brushless doubly-fed generator system is proposed，which the control winding is opened and fed with dual two-level converters. The principles of each part，i.e. the maximum power point tracking，the open winding strategy，the direct torque control，and the fuzzy control are all explained in detail. Then the MPPT of brushless doubly-fed wind power generators with the open winding direct torque fuzzy control strategy model，i.e. the control winding is fed with dual two-level SVPWM converters，is built and researched using the Matlab/Simulink software. The excellent performances are obtained by the simulation results. Finally，the correctness and feasibility of the proposed strategy are confirmed by the semi-physical simulation experimental platform，which can provide a good reference to further develop the semi-physical simulation experimental platform and the related control strategies.

Brushless doubly-fed machine，maximum power point tracking，open winding，dual two-level converters，direct torque control，fuzzy control

2014-11-03改稿日期2015-01-12

TM614

張鳳閣男，1963年生，博士，教授，博士生導師，研究方向為特種電機及其控制和新能源技術。

E-mail：zhangfg@sut.edu.cn

朱連成男，1979年生，博士研究生，講師，研究方向為電力電子與電力傳動、無刷雙饋電機及其控制、新能源發(fā)電技術和有源電力濾波器技術及應用等。

E-mail：zhuliancheng@163.com(通信作者)。

國家自然科學基金(51537007、51277124)、歐盟國際合作項目(318925)和遼寧科技大學青年基金(2012QN29)資助項目。