無刷雙饋風力發電機并網運行的策略及仿真

李 娜

摘 要:論述在分析級聯式無刷雙饋電機原理的基礎上,根據玠[CD*2]q軸數學模型,通過轉子和功率繞組、控制繞組之間的坐標變換,得到同步數學模型,并在此基礎上推導出無刷雙饋電機數學模型。根據次模型進行仿真,仿真結果表明:并網過程中,通過改變勵磁電流的大小可調節功率側輸出電壓的幅值,從而可實現變速恒頻

關鍵詞:無刷雙饋電機;并網運行控制策略;變速恒頻;數學模型

中圖分類號:TM343

近來,風力發電行業一直在快速發展,而且在電網中的比重也越來越大。無刷雙饋電機由于其省略了滑環和碳刷,使其使用壽命大大增加,而且性能更可靠,被廣泛使用。

1 結構及工作原理

級聯式無刷雙饋電機‐[1[CD*2]3](CBDFM)可看作是兩臺極對數為玃璸和P璫的繞線式異步電機級聯而成,即將兩臺繞線式異步電機同軸相連,轉子繞組相互連接, CBDFM有兩套定子繞組和兩套轉子繞組,這兩套轉子繞組機械上同軸,并且反相序連接和定子繞組分別向外輸出電能和控制磁場內部的變化。

2 數學模型的建立

模型是在網絡電路的電壓方程式的基礎上發展起來的,有利于控制系統的設計。但該數學模型轉子電流不僅受功率繞組的影響還受到控制繞組的影響,這如果僅通過控制控制繞組的電源不易于實現解耦控制。若把轉子電流分成由功率繞組和控制繞組的電磁耦合作用產生的,則可以把BDFM解耦成兩臺異步電機,然后再參考三相異步電機的矢量解耦控制,就可以實現矢量解耦控制。

轉子坐標系和同步坐標系的關系如┩2所示[5]。其中:上標pe代表功率繞組同步坐標系;ヽe代表控制繞組同步坐標系;r0代表轉子坐標系。通過轉子和功率繞組、控制繞組坐標系之間的轉換,可以得到同步數學模型。И

將功率繞組及控制繞組定子坐標系變換到同步坐標系并取各自磁場玠軸方向與其總磁場方向重合有

如果功率繞組的定子總磁鏈與玃璸對極同步坐標系直軸(d軸)相重合,功率繞組可以描述為

式中:V為電壓;I為電流;L為電感;M為互感;P為極對數;ω為角速度;q為q軸;d為d軸;下標p為功率繞組;c為控制繞組;下標r為轉子;s為自感;│泉﹑e=ω璸t-P璸θ璻,θヽe=-∫瑃0ω璫玠玹-P璫θ璻。式(1)、式(2)為功率繞組,┦(3)~式(5)為控制繞組,式(6)為電磁轉矩。[JP]

經過上述變換,將兩個子系統的電流與磁鏈變量由正弦量變成直流量,可極大簡化控制器的設計。對于功率子系統,磁場定向后,簡化了運算。由式(1)式(2)可見,該子系統不受控制繞組的影響,轉子電流I﹑e﹒rp,I﹑eヾrp可以由式(1)、式(2)求得。控制子系統經過轉子磁場定向后,將電流方程簡化為式(3)~(5)的形式,由式(4)、式(5)可知,轉子磁鏈ψヽeヾrc僅受控制繞組電流Iヽeヾc控制,如果保持電流Iヽeヾc為常數,則可以保持轉子磁鏈為常數。由式(3)可知,ψヽeヾrc確定后,ω由Iヽe﹒c確定。又功率繞組子系統轉子電流可由式(1),式(2)求得,所以經磁場定向后,電磁轉矩完全受Iヽe﹒c控制。這樣分別控制Iヽeヾc,Iヽe﹒c就可以相應地控制磁通與轉矩,從而實現解耦控制。И

3 運行控制策略

將電動機慣例的玀T軸系數學模型改寫為發電機慣例的MT軸系數學模型,并假定定子功率繞組的電流正方向為反方向,重寫電壓、磁鏈方程可得:[FL)]

式中:l﹑s為功率側定子全自感;l﹑m為功率側定轉子互感;lヽs為控制側定子全自感;lヽm側為控制定轉子互感;l﹑r為功率側轉子全自感;lヽr為控制側轉子全自感。И

仍然采用定子功率繞組磁鏈定向控制策略[7],將軸取在定子功率繞組的磁鏈方向上,忽略定子功率繞組的電阻,則有:

式(11)～(15)構成無刷雙饋電機做發電機并網運行時,定子功率繞組磁場定向的控制依據。

4 并網過程仿真

以Matlab的Simulink及Power System Block為工具,構建無刷雙饋變速恒頻風力發電系統的負載仿真模型,如圖3所示。

無刷雙饋電機在350 r/min穩態運行,當定子輸出的空載電壓與電網在波形、幅值、相位完全一致時實施并網。并網前,定子功率繞組輸出電壓波形如圖4~┩8所示。

[XC<58t4.tif>]

5 結 語

放大各仿真時間段的波形可以看出,圖5、圖6中從亞同步到同步再到超同步速的過程中,玣璸一直為50 Hz。狢BDFG運行在同步速時,負載電阻由20 Ω變為1 kΩ,從圖7、圖8中可以看出玼璸的幅值有所抬高,而i璸的幅值下降明顯,0.9 s時CBDFG變為超同步運行,玼璸的幅值有所下降;1.2 s時通過補償玦璵使得u璸的幅值又變回到下降前的數值附近,這說明改變勵磁電流的大小可以調節功率側輸出電壓的幅值。

參 考 文 獻

[1]黃守道,王耀南,王毅.無刷雙饋電機有功和無功功率控制的研究[J].中國電機工程學報,2005,25(4):87[CD*2]93.

[JP2][2]Jovanovic M G,Betz R,Jian Yu.The Use of Double Fed Reluctance Machines for Large Pumps and Wind Turbines[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2002,38(6):1 508[CD*2]1 516.[JP]

[3]Betz R,Jovanovic M G.The Brushless Doubly Fed Reluctance Machine and the Synchronous Reluctance Machine:A Comparison[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2000,36(4):1 103[CD*2]1 110.

[4]潘再平,章瑋.無刷雙饋風力發電機的理論分析[J].新能源,2000,22(7):1[CD*2]4.