無速度傳感器籠型感應電機風力發電控制*

梅柏杉， 吳 迪， 馮江波， 陳 瑢， 張德蘭

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

0 引 言

近年來，變速恒頻風力發電技術在MW級風力發電機組的應用已成為研究熱點。在實際運行的變速恒頻風力發電機組中，雙饋異步發電機和直驅式永磁同步發電機占主要市場，但這兩種機型在系統中存在一些不足。比如對于雙饋異步風力發電機系統，控制過程復雜，日常維護成本高，低電壓穿越運行較難[1]；對于直驅式永磁同步風力發電系統，永磁電機的勵磁不能調節；永磁材料硬脆，機械加工困難，有的永磁材料在高溫下會出現退磁現象；電機的體積較大，給運輸、安裝帶來一定問題，且成本高。

本文介紹了一種基于雙PWM變頻器全功率變流的籠型感應電機風力發電系統。采用籠型轉子的異步發電機結構簡單、耐用、成本低廉、體積小、便于維護，并可實現低電壓穿越，在風力發電系統中更具有競爭力。

1 電機側變流器控制策略[2- 4]

變速恒頻風力發電系統要求電機可在很寬的速度范圍內運行，且為獲得最大風能，滿足最大風能跟蹤時的轉速響應，還要求電機有很好的轉速跟蹤響應[4]。本文采用的直接轉矩控制是一種高動態性能的交流電機調速技術，其控制器結構簡單，系統魯棒性高，在動態過程中可獲得快速的轉矩響應特性[5]，故該調速方式適用于異步風力發電機變頻調速系統。此外，轉速反饋值采用無速度傳感器的控制方式，省略了速度傳感器與控制器之間的連線，提高了控制系統可靠性，也降低了系統成本。本文采用的籠型感應發電機風力發電系統如圖1所示[2-4]。

圖1 籠型感應發電機風力發電系統

籠型感應電機在靜止兩相坐標系中磁鏈和轉矩表達式為[6-7]

(1)

式中：uαs、uβs——αβ坐標系下的定子電壓分量；

iαs、iβs——αβ坐標系下的定子電流分量；

ψαs、ψβs——αβ坐標系下的定子磁鏈分量；

Rdqs——dq坐標系下的定子等效電阻;

np——極對數；

Lm、Lr——互感、轉子電感；

γ——定子磁鏈與轉子磁鏈之間的夾角；

ψs、ψr——定子、轉子的磁鏈矢量；

Te——電磁轉矩；

不計定子電阻，定子的電壓與磁鏈的關系為

(2)

若轉子磁鏈保持不變，通過選擇不同的定子繞組電壓空間矢量us1可改變ψs的幅值大小和γ的大小，從而實現轉矩控制。

靜止兩相坐標系下，定子電壓表示的轉子磁鏈模型，即參考模型為

(3)

以轉子電流表示的轉子磁鏈估計模型，即可調模型為

(4)

定義兩模型的輸出誤差為

(5)

(6)

圖2 模型參考自適應速度觀測器

圖3 籠型感應發電機無速度傳感器直接轉矩控制原理圖

兩相靜止坐標系下，定子磁鏈的幅值和相位角分別為

(7)

使用相位角判斷出磁鏈所在扇區Sn(n=1,2,…,6)，并將結果送電壓矢量選擇表模塊。電壓矢量選擇模塊接受磁鏈滯環控制器和轉矩控制器送來的信號和扇區信號，經查表輸出相應的電壓空間矢量及三相橋開關狀態(SA、SB、SC)到變流器。變流器電壓矢量選擇表如表1所示。

表1 變流器電壓矢量選擇表

2 網側變流器控制策略

網側變流器一方面控制直流電壓恒定，實現功率傳輸，另一方面控制系統發出的無功功率。本文采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制，基于電網電壓定向的矢量控制策略。將d軸與電網電壓矢量同向，θ為電網電壓矢量位置角，同步旋轉dq坐標系下并網逆變器數學模型[9]為

(8)

式中：id、iq，urd、urq——逆變器交流側的電流分量，控制電壓分量；

ud、uq——三相電網電壓d、q分量；

L、R——電感和電阻；

ω——電網電壓角頻率。

式(8)表明，d、q軸電流分量除受電壓控制量urd、urq影響外，還受交叉耦合項ωLiq、ωLid擾動和電網電壓分量ud、uq的影響，給控制器的設計帶來困難，故需要一種解除d、q軸之間電流耦合的控制方法。引入id、iq的前饋解耦控制，并對ud、uq前饋補償。此處采用PI調節器作為電流控制器。

由于電網電壓空間合成矢量方向與d軸同相，則uq=0，忽略交流側電阻影響，經前饋解耦和補償后，式(8)變為

(9)

式中：us——電網電動勢峰值；

Kp、Ki——電流調節器比例、積分增益；

網側變換器從電網吸收的有功功率和無功功率(感性)分別為

(10)

可知，當電網電壓恒定時，控制id即可控制網側輸入的有功功率，控制iq即可控制網側輸入的無功功率。故稱id為有功電流分量，iq為無功電流分量。電網電壓定向矢量控制如圖4所示。

當交流側輸入功率大于直流側負載消耗功率

圖4 電網電壓定向矢量控制

時，多余的功率會使直流環節電容電壓udc升高；反之，電容電壓會降低。故直流環節電壓可通過id控制。雙閉環控制得到的控制電壓分量經坐標變換和SVPWM調制，輸出脈沖驅動網側變流器。

3 籠型感應電機風力發電系統仿真分析

3.1 仿真參數設計

3.2 仿真結果及分析

在0.9s時，風力機輸入轉矩由20N·m上升到30N·M，發電機給定轉速ωm由700r/min上升到800r/min，發電機實際和估計轉速波形分別如圖5、圖6所示。

圖5 發電機實際轉速波形

圖6 發電機估計轉速波形

由圖5、圖6可知，當轉速突變時，發電機轉速能很好地跟蹤給定轉速，使發電機有功功率可調，故能實現最佳功率跟蹤控制時的轉速響應。由圖6可知，轉速估計值有一定波動，波動絕對誤差≤±8r/min，相對誤差≤±1%，與實際接近。波動的產生是因為MRAS算法以參考模型為基礎,參考模型與可調模型都與電機參數有關,參數的準確程度直接影響到轉速辨識的效果，而不同工況下,電阻與電感參數將發生變化。

圖7 并網逆變器相電壓與相電流

圖8 直流側電壓

圖9 并網逆變器相電壓與相電流

4 結 語

由仿真結果可知，電機側采用無速度傳感器直接轉矩控制策略與網側采用電網電壓定向控制策略構成的全功率變流籠型感應風力發電控制系統，能較好實現最佳功率追蹤轉速響應，網側有功和無功功率能實現解耦控制，功率因數可調。

【參考文獻】

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