風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋電機控制的研究

0恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)近年來，風(fēng)力發(fā)電取得了迅速的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源能否替代不可再生能源或者能否在能源領(lǐng)域占一席之地,關(guān)鍵問題是風(fēng)電成本的降低。所以增加風(fēng)力發(fā)電機的利用效率和降低設(shè)備成本包括運營成本是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的方向。目前廣泛使用的失速型風(fēng)力發(fā)電機采用異步鼠籠電機,轉(zhuǎn)速基本恒定,控制簡單,可靠性高。但是,他不能夠隨著風(fēng)速變化跟蹤最大出力點;而且在風(fēng)速變化的時候會出現(xiàn)轉(zhuǎn)距脈動和能量脈動,過大的轉(zhuǎn)距脈動是風(fēng)輪機和發(fā)電機相連接的增速箱損壞的主要原因,而增速箱的成本和維護費用在整個系統(tǒng)成本中占有可觀的比重。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以有效地解決這些問題,而基于雙饋電機的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),是目前一種適合于風(fēng)力發(fā)電,可以有效提高風(fēng)力發(fā)電機的使用效率,減少發(fā)電機的維護費用,降低風(fēng)力發(fā)電機的運營成本,具有較高實際效益的方案。其優(yōu)點有:1、在欠同步速和超同步速下都可以處于發(fā)電狀態(tài),隨風(fēng)速的變化跟蹤最大出力點(MPPT),有效增加風(fēng)力機的輸出能量。2、降低轉(zhuǎn)距脈動,可以將脈動能量轉(zhuǎn)化為葉片的動能,形成一個具有彈性的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。3、降低變流器成本(相對于同步風(fēng)力發(fā)電機定子側(cè)交一直一交系統(tǒng))變流器只需要處理發(fā)電機的轉(zhuǎn)差功率即可對電機進行有效控制。4、有效降低濾波電路的成本,濾波電路的容量通常占25%的視在功率,本方案里他只針對轉(zhuǎn)差能量。5、以較低的成本實現(xiàn)對發(fā)電機無功能量的控制,因為雙饋電機本質(zhì)上也可以看作一個同步電機,可以通過調(diào)節(jié)勵磁來調(diào)節(jié)無功。目前,國外的雙饋調(diào)速風(fēng)力發(fā)電機大多采用帶位置傳感器的定子電壓定向的矢量控制技術(shù)。位置傳感器的維護工作量較大,而且信號線要在風(fēng)力發(fā)電機和逆變器之間傳遞50m左右的距離,無位置傳感器的控制技術(shù)將會提高風(fēng)力發(fā)電機的可靠性。有文獻提出從轉(zhuǎn)子側(cè)定向氣隙磁通對雙饋電機進行無位置傳感器的控制,但是在同步速附近,無法準確定位磁通該控制方法無法實施。本文針對雙饋電機提出一種新的無位置傳感器矢量控制技術(shù),從瞬時功率的角度出發(fā),分析了瞬時功率理論和電機電磁轉(zhuǎn)距和勵磁之間的統(tǒng)一關(guān)系,以瞬時有功功率的控制來實現(xiàn)對力矩的控制,對轉(zhuǎn)子側(cè)瞬時無功功率的控制實現(xiàn)定子側(cè)勵磁電流的控制,可以實現(xiàn)所謂同步發(fā)電機的調(diào)相作用?？刂扑惴ǖ年P(guān)鍵是轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢定向,在瞬時功率理論中感應(yīng)電勢的定向?qū)嶋H上就是電機當(dāng)中空間磁鏈定向,瞬時有功功率的計算不需要積分器來計算磁通,也就沒有積累誤差,瞬時的干擾對以后的控制不產(chǎn)生影響。所以,該方法較其他的無速度傳感器的矢量控制算法簡單且有較高的抗擾動性,在本系統(tǒng)中可以結(jié)合主電路的特點很方便地實現(xiàn),而且在控制中只需要檢測轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流,降低了系統(tǒng)造價。其在同步速附近的不準確可以在實際應(yīng)用中采取有效措施回避。1發(fā)電機轉(zhuǎn)速的測量雙饋調(diào)速發(fā)電機為繞線式感應(yīng)電機。將繞線式感應(yīng)電機的定子繞組接工頻電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組接到一個變頻器,變頻器經(jīng)過一個直流環(huán)節(jié)和脈沖整流器與電網(wǎng)進行能量傳遞。脈沖整流器的主要任務(wù)是:(1)穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)電壓;(2)實現(xiàn)與電網(wǎng)高功率因數(shù)的雙向能量流動。感應(yīng)電機在超同步速和欠同步速下都可以工作在發(fā)電狀態(tài),這一點正是提高風(fēng)力發(fā)電機效率的關(guān)鍵。在超同步速發(fā)電的時候,通過定子和轉(zhuǎn)子兩個通道同時向電網(wǎng)饋送能量。這時脈沖整流器相當(dāng)于逆變器。在欠同步速發(fā)電的時候,通過定子向電網(wǎng)饋送能量,轉(zhuǎn)子吸收能量產(chǎn)生制動力矩使電機工作在發(fā)電狀態(tài)。這時脈沖整流器相當(dāng)于整流器。轉(zhuǎn)子側(cè)總是傳遞轉(zhuǎn)差功率。在穩(wěn)態(tài)運行的時候,氣隙磁場以同步速度ω0旋轉(zhuǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)子以速度ωr旋轉(zhuǎn)的時候,轉(zhuǎn)子繞組以轉(zhuǎn)差頻率ωs切割氣隙磁場,轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出頻率為ωs的感應(yīng)電勢,所以總是存在關(guān)系ωr=ω0?ωs(1)ωr=ω0-ωs(1)如果知道轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的頻率,可以通過該公式求得電機轉(zhuǎn)速。有公式(2),表示雙饋電機的能量關(guān)系pr=ps?pm(2)pr=ps-pm(2)pr為電機從轉(zhuǎn)子側(cè)吸收的功率,ps為電機定子向電網(wǎng)輸出的功率,pm為電機吸收的機械功率。由公式(1),結(jié)合公式(2)可得轉(zhuǎn)子側(cè)功率為轉(zhuǎn)差功率(3)。pr=T(ω0ωr)=Tωs(3)pr=Τ(ω0ωr)=Τωs(3)2轉(zhuǎn)子側(cè)等效于電機和無功電流對于三相電機來說,空間磁動勢矢量、磁通矢量、磁鏈矢量是確實存在的,而電流矢量和電壓矢量并不存在。但是磁動勢與電流密切相關(guān),電壓與磁鏈密切相關(guān),所以可以定義電流空間矢量和電壓空間矢量,它們分別表示三相電流的合成作用和三相電壓的合成作用在坐標系中所處的位置。這就是電機α-β變換的依據(jù)。在此可以將三相電路的相電壓和相電流的瞬時值變換到α-β兩相正交的坐標系上。三相電路瞬時功率理論的定義當(dāng)中,也將三相電路的相電壓和相電流的瞬時值變換到α-β兩相正交的坐標系上,這種變換與電機理論中的α-β變換一致,并且定義瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為兩相坐標系上的電流矢量在電壓矢量及其法線上的投影。三相瞬時有功功率和無功功率分別為電壓矢量的模與相應(yīng)電流的乘積。雙饋調(diào)速電機可以看做一個旋轉(zhuǎn)的變壓器。原邊接電網(wǎng),副邊輸出接變流器,原副邊的電壓不僅正比于繞組匝數(shù),而且跟原副邊繞組切割空間磁場的相對速度成正比,這樣,這個模型可以表示轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞的轉(zhuǎn)差功率。如公式(4)。urmusm=nrωsnsω0=kωsω0(4)urmusm=nrωsnsω0=kωsω0(4)公式中,nr,ns分別為轉(zhuǎn)子和定子繞組匝數(shù),ωo,ωs分別為同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差速率。現(xiàn)在只考慮轉(zhuǎn)子側(cè)的等效電路,urm為轉(zhuǎn)子側(cè)的感應(yīng)電勢,在瞬時功率理論中,經(jīng)過3/2變換以后,與u—rmu—rm的矢量方向一致的電流為有功電流i—di—d,與urm垂直的電流為無功電流i—qi—q。結(jié)合電機的實際物理意義,如果電網(wǎng)電壓幅值恒定,忽略雙饋電機定子漏感影響,則電機內(nèi)部磁通的幅值也恒定,旋轉(zhuǎn)磁場切割磁力線時,最大的瞬時電壓出現(xiàn)在磁極中心距離繞組中心90°電角度的空間位置,所以在空間矢量當(dāng)中磁通的矢量垂直于繞組感應(yīng)電勢矢量,有功電流i—di—d與感應(yīng)電勢方向一致也垂直于電機磁通矢量,在電機的矢量變換當(dāng)中等效于力矩電流;那么無功電流i—qi—q與磁通方向一致,等效于電機矢量變換當(dāng)中的勵磁電流。轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞的功率為轉(zhuǎn)差功率,所以由公式(3)可以推得公式(5)。|u—rm||i—d|=Tωs(5)|u—rm||i—d|=Τωs(5)由公式(4)可知urm的模正比于轉(zhuǎn)差頻率ωs,所以id的大小正比于電機的力矩。可見,調(diào)節(jié)雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)的瞬時有功電流和無功電流就實現(xiàn)了對電機力矩和轉(zhuǎn)子側(cè)勵磁電流的調(diào)節(jié)。控制方法雙饋電機無位置傳感器控制框圖如圖2。3轉(zhuǎn)子應(yīng)力電勢矢量的計算實現(xiàn)控制方法的關(guān)鍵問題是確定轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢在轉(zhuǎn)子靜止坐標軸上的位置。感應(yīng)電勢的矢量是轉(zhuǎn)子端電壓與轉(zhuǎn)子漏感電壓的矢量和,如公式(6)。u—m=ldi—dt+u—r(6)u—m=ldi—dt+u—r(6)um,ur分別為轉(zhuǎn)子端電壓和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢。在轉(zhuǎn)子側(cè)靜止坐標軸上進行3/2變換求得轉(zhuǎn)子側(cè)端電壓的矢量,然后對三相轉(zhuǎn)子漏感電壓進行3/2變換,得到轉(zhuǎn)子漏感的電壓矢量,兩矢量相加后得到感應(yīng)電勢的矢量。矢量關(guān)系如圖3。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的位置由公式(7)確定。um=u2mα+u2mβ?????????√(7)sinθ=umβumum=umα2+umβ2(7)sinθ=umβumcosθ=umαumcosθ=umαum4雙向濾波ctd測量在本文中可以使用轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢定向,而不需要進一步積分求磁通是因為有方法檢測轉(zhuǎn)子漏感電壓。雙饋電機側(cè)驅(qū)動器是四象限變流器。在大容量場合變流器的開關(guān)管開關(guān)頻率較低,為了減少電機轉(zhuǎn)子內(nèi)的脈動電流,四象限變流器的輸出分別串聯(lián)濾波電感接電機轉(zhuǎn)子的三相繞組?？梢酝ㄟ^測量四象限變流器的輸出電感電壓,然后按相應(yīng)比例求出轉(zhuǎn)子漏感的電壓,進而求出在兩相坐標軸當(dāng)中的轉(zhuǎn)子漏感電壓矢量。三相濾波電感電壓的檢測只需要增加1只電壓傳感器在其中一相的電感上,根據(jù)電機側(cè)的端電壓和直流側(cè)電壓以及三相橋臂開關(guān)管的狀態(tài)可以計算得到另外兩只電感的電壓。速度調(diào)節(jié)器和無功調(diào)節(jié)器實際為PI調(diào)節(jié)。速度經(jīng)PI調(diào)節(jié)以后生成轉(zhuǎn)距給定信號,也就是有功電流id的給定。無功調(diào)節(jié)后生成無功電流iq的給定。按照矢量圖4。在感應(yīng)電勢已經(jīng)定向以后,可以將電流變換到兩相靜止坐標軸,最后轉(zhuǎn)換為三相電流的給定,用電流滯環(huán)比較的控制方法使實際電流快速跟蹤給定。5旋轉(zhuǎn)磁場頻率該控制方法可以很方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速估計,假設(shè)電網(wǎng)電壓頻率恒定,則旋轉(zhuǎn)磁場頻率固定。旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子的頻率就是轉(zhuǎn)差頻率,由靜止坐標軸上的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的位置變化可以得到轉(zhuǎn)差頻率,進而可以求出電機的轉(zhuǎn)速。6同步速周邊電力線路轉(zhuǎn)換的控制該方法在轉(zhuǎn)子速度接近同步轉(zhuǎn)速的時候,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢較小,甚至為零,這時將不能得到端電壓的矢量。在實際工程應(yīng)用中,這一現(xiàn)象可以得到解決。這時由于轉(zhuǎn)差很小,電機的轉(zhuǎn)差功率也很小,如果在這種情況下,對電機進行控制,則需要將很低的輸出電壓泵升到較高的直流電壓,這時的四象限變換器的效率較低,整個驅(qū)動系統(tǒng)的效率也會很低。所以不論采取什么控制方法,在同步速附近的這一小段工作區(qū)域都需要采取措施。本文中,在同步速附近,將電機的轉(zhuǎn)子三相短接,這時的電機類似一個鼠籠電機。由吸收的風(fēng)能保證其工作在同步轉(zhuǎn)速之上的發(fā)電狀態(tài)。具體做法是將四象限變流器上橋臂的三只開關(guān)管同時打開形成三相之間的短路。這時控制回路變換為一個限流環(huán)。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流超過設(shè)定峰值或者低于最小幅值的時候,說明從風(fēng)輪機獲取的能量已經(jīng)足夠大(或足夠小),需要進一步提高(或降低)轉(zhuǎn)速到較大的轉(zhuǎn)差區(qū)域以跟蹤最大出力點,控制又可以切換到正常的無速度傳感器矢量控制當(dāng)中。這樣在實際工作中,在同步速附近有一個控制方法的切換,使得在工作范圍內(nèi)系統(tǒng)都能夠以較高的效率工作,且避免了同步速附近的轉(zhuǎn)子電壓過低所帶來的不準確。7電機轉(zhuǎn)子側(cè)變壓器電壓同相位根據(jù)以上推導(dǎo),在3kW的電機上做了實驗。電機定子額定電壓380V,轉(zhuǎn)子額定電壓195V,轉(zhuǎn)子漏感7.1mH,同步轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)/分,變頻器輸出串電感7.1mH。當(dāng)轉(zhuǎn)子工作在欠同步速的時候,電網(wǎng)側(cè)逆變器的電壓電流同相位,波形如圖5,可見這時電機轉(zhuǎn)子側(cè)吸收能量。當(dāng)轉(zhuǎn)子工作在超同步速的時候,電網(wǎng)側(cè)逆變器的電壓電流反相位,波形如圖6,可見這時電機轉(zhuǎn)子側(cè)向電網(wǎng)反饋能量。當(dāng)加載id的階躍信號的時候,轉(zhuǎn)子電流如圖7所示,轉(zhuǎn)子電流增加,力矩增加。當(dāng)加載iq的階躍信號的時候,定子側(cè)電壓和電流如圖8,電流由滯后電網(wǎng)電壓變?yōu)槌半娋W(wǎng)電壓,說明調(diào)節(jié)iq可以調(diào)節(jié)電機從電網(wǎng)吸收的無功,起到同步電機調(diào)相的作用。8出充放電后轉(zhuǎn)速自適應(yīng)通過實驗驗證,用瞬時功率理論對電機進行控制,適用于雙饋調(diào)速風(fēng)力發(fā)電機。通過轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流進行感應(yīng)電勢定向,沒有積分器,某一時刻的干擾不