無刷雙饋發(fā)電機的一種標量控制方法

劉 愉，韋忠朝，高信邁，陳前臣

（1華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074；2武漢豪邁電器設備有限公司，湖北武漢 430074）

無刷雙饋發(fā)電機的一種標量控制方法

劉 愉1，韋忠朝1，高信邁2，陳前臣2

（1華中科技大學強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074；2武漢豪邁電器設備有限公司，湖北武漢 430074）

隨著無刷雙饋電機（BDFM）理論的日趨成熟，該類電機在風力發(fā)電等工業(yè)應用場合越來越體現出廣泛的前景。分析了無刷雙饋電機工作原理以及無刷雙饋變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)的實現。依據BDFM在d－q坐標系的動態(tài)數學模型，提出變速恒頻運行條件下獨立發(fā)電的標量控制策略。最后搭建Matlab／Simulink模型進行仿真驗證了該策略的可行性，并提出了一些提高系統(tǒng)動態(tài)響應的方法。

無刷雙饋電機；標量控制；數學模型；仿真

上個世紀以來，從“兩臺異步電機同軸級連以獲得一種新的運行方式”的發(fā)現，到Hunt電機的誕生，再到Broadway通過改進Hunt電機繞組最終誕生了無刷雙饋電機雛形，人們已經逐漸將無刷雙饋電機本體設計推向了一個較成熟的階段。近年來，國內外學者紛紛展開了對無刷雙饋電機動態(tài)數學模型以及雙軸模型的探究，為無刷雙饋電機動態(tài)仿真和系統(tǒng)的建立奠定了基礎［1］。

本文分析了BDFM的工作原理以及它在變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中的實現。根據BDFM在dq坐標系的動態(tài)數學模型，提出了一種變速恒頻運行條件下的獨立發(fā)電的標量控制策略。應用此控制方法，對不同轉速以及不同負荷下雙饋電機的運行進行仿真，并提出了一些提高系統(tǒng)動態(tài)響應的方法。

1 無刷雙饋電機的運行原理

無刷雙饋電機是由兩臺同軸級聯的繞線式感應電機演變而來的，兩臺電機轉子繞組反相連接實現能量的傳遞：電網從第一臺電機的定子輸入功率傳遞到轉子側，進而通過轉子傳遞到第二臺電機的定子側作為功率輸出。

無刷雙饋電機運行如圖1所示，兩套定子繞組分別為功率繞組和控制繞組，一般功率繞組接電網，控制繞組通過可逆變頻器接到電網。定子的兩套繞組是經過特殊設計的，它們能夠在空間產生兩種不同頻率的磁場，而且兩套繞組之間沒有直接的電磁耦合。轉子部分是雙饋電機最重要的組成部分，它與兩種不同頻率的磁場耦合，通過自身的磁場調制機理，實現電磁能量的傳遞。轉子通常設計為繞線式、特殊籠式或者磁阻式結構。轉子繞組的極對數與定子繞組的極對數有關。

圖1 無刷雙饋電機發(fā)電接線圖

假定功率側定子繞組極對數是Pp，控制側定子繞組的極對數是Pc，則電機轉子極對數由

計算。式（1）中±取決于兩臺電機定、轉子相對相序。當轉子極對數為Pr＝Pp＋Pc時稱為“和調制”；當Pr＝Pp－Pc時稱為“差調制”。采用“和調制”時，等效極數較多，電機自然同步速轉速較低，整個電機的電磁功率為定子兩種極數繞組提供的電磁功率之和。由于“和調制”下的電機具有較好的特性，比較適合低速風力或水力發(fā)電，所以通常采用“和調制”的方式［2］。

1.1 無刷雙饋電機的變速恒頻發(fā)電原理

發(fā)電運行時，功率繞組始終接電網。這里規(guī)定功率繞組合成的氣隙磁場的方向始終為逆時針，原動機的機械旋轉也選取逆時針方向，見圖2。

圖2 無刷雙饋電機磁場旋轉示意圖

原動機拖動轉子繞組以轉速nr旋轉，穩(wěn)定運行時，在控制繞組中通入頻率為nr的三相對稱交流勵磁電流，其在空間會形成一個旋轉的磁場，磁場的電氣角速度為nr（假定逆時針旋轉方向為＋，否則為－），在轉子繞組中會感應出相應的感應電流，電氣角速度為：

同理，功率繞組中流通著頻率為fp的三相交流電流，其電氣角速度為ωp，在轉子繞組中感應的交流電流，電氣角速度為：

因為轉子繞組中，兩套繞組是反相序連接，所以有ωrc＝－ωrp，則將式（2）、式（3）代入得：

將定子繞組角速度換算成頻率值，轉子角速度換算成轉速得

由上式看出，隨著轉速的變化，可以通過變頻器來調節(jié)控制繞組電流的頻率fc，使得功率側輸出電壓保持在工頻50Hz，這樣就實現了變速恒頻控制。

1.2 無刷雙饋獨立發(fā)電系統(tǒng)各轉速下的能量流動

無刷雙饋電機在變速恒頻條件下發(fā)電時，能量流動方向與電機轉速密切相關。借助文獻［3］的分析，可以知道：

2 獨立發(fā)電系統(tǒng)控制的實現

無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)可被應用于大功率風力發(fā)電領域，這主要是由于其取消了有刷雙饋發(fā)電機的滑環(huán)和電刷設計，具備較好的可維護性和穩(wěn)定性。事實上，無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)在工業(yè)領域也有一定的發(fā)展前景。要使其得到推廣，該系統(tǒng)需要有良好的變速恒頻特性和較好的穩(wěn)壓特性。本套系統(tǒng)立足于這兩個方面實現無刷雙饋電機的閉環(huán)控制。

由前面分析知，無刷雙饋電機處于發(fā)電狀態(tài)，不考慮電磁飽和且負載一定時，控制側定子繞組通入的勵磁電流越大，功率側定子繞組輸出電壓幅值就越大，因此可以將功率側輸出電壓設定值與實際反饋值的差值送到電壓PI控制器，將控制器輸出值作為控制側勵磁電流的給定值，從而實現功率繞組恒壓輸出的控制；在電機穩(wěn)態(tài)運行時，由推導公式（5）可知，如果對電機轉速進行實時監(jiān)測，便可以通過對控制側定子電壓的頻率調節(jié)來實現功率繞組輸出電壓頻率的恒定。這樣便可實現對功率繞組輸出電壓幅值和頻率的控制?；谶@種分析，得到本套系統(tǒng)的控制框圖見圖3。

圖3 無刷雙饋獨立發(fā)電系統(tǒng)控制框圖

2.1 無刷雙饋電機發(fā)電系統(tǒng)仿真

為驗證上述獨立發(fā)電系統(tǒng)標量控制理論的可行性，下面使用Matlab／Simulink工具搭建系統(tǒng)進行仿真和比較。仿真參數設定為：功率繞組定子極對數Pp為1，電阻Rp為0.274Ω，自感Lsp為0.041 H，與轉子互感Mpr為0.035H；控制側定子極對數Pc為3，電阻Rc為0.033Ω，自感Lsc為0.033H，與轉子互感Mcr為0.028H；轉子側電阻Rr為0.481 Ω，自感Lr為0.071H；依據以上分析，這里使用S函數搭建無刷雙饋電機模型，使用Simulink中的SimPowerSystems子模塊搭建外圍控制模塊。

轉速擾動仿真：將功率側輸出電壓設定值設定為380V，所帶負載每相設定值為R＝10Ω，L為0.01H。在第一秒時間內轉速設定為500r／min的亞同步轉速，t＝1s時刻轉速突變?yōu)樽匀煌睫D速750r／min，t＝2.5s時刻轉速突變?yōu)?00r／min的超同步轉速。圖4、圖5分別為轉速擾動過程中電壓幅值、電壓及電流瞬時值的仿真結果。

圖4 轉速擾動下的功率側電壓幅值

圖5 轉速擾動下的功率側電壓與電流瞬時值

由圖4和圖5知轉速擾動對輸出電壓品質有一定程度的影響，分析這種波動產生的原因，由于控制側與功率側輸出功率之比等于二者頻率比［2］，系統(tǒng)中，轉速的變化會引起控制側電壓頻率的變化，而功率側為恒頻電壓，故知功率側輸出功率會隨之改變，表現為功率側輸出電壓的突變；而又由于系統(tǒng)閉環(huán)，控制側幅值緊跟著會做出改變來維持功率側輸出電壓幅值的恒定。就此分析可知，要改變動態(tài)性能，就要調節(jié)PI環(huán)節(jié)參數。

負載擾動仿真：將功率側輸出電壓設定值設為380V，轉速定為900r／min，負載側L設為0.01H，R的變化為：初始值為5Ω，而在t＝1s時突變?yōu)? Ω，t＝2s時突變?yōu)?0Ω。圖6、圖7分別為轉速擾動過程中電壓幅值、電壓及電流瞬時值的仿真結果（圖6、圖7）。

由圖6和圖7知負載擾動對輸出電壓品質有一定影響，但是動態(tài)過程中電壓幅值超調較小，可知該系統(tǒng)輸出抗負載干擾能力較好。分析這種情況下的電壓波動原因：無刷雙饋電機功率側輸出電壓穩(wěn)定時，負荷突變，對應的功率定子側電流會產生突變，進而對電機磁場產生影響，功率側輸出電壓會產生突變；這時由于閉環(huán)的作用，變頻器對控制繞組側定子電壓幅值進行調整，從而調節(jié)了電機勵磁，以維持功率側電壓幅值的穩(wěn)定。

通過對轉速擾動和負載擾動兩種情況下的仿真，初步驗證了無刷雙饋發(fā)電機電壓─電流雙閉環(huán)控制的可行性，為無刷雙饋發(fā)電機控制提供了一種標量控制思路和方法。

圖6 負載擾動下的功率側電壓幅值

圖7 負載擾動下的功率側電壓與電流瞬時值

2.2 系統(tǒng)動態(tài)性能的調節(jié)

通過上述仿真可以發(fā)現，標量控制系統(tǒng)簡單可靠，但是動態(tài)響應不夠理想，尤其是響應時間以及動態(tài)瞬間電壓易存在過沖的現象。這里提出兩種方法來提高動態(tài)響應：電流前饋補償、在高頻整流側進行無功補償。

電流前饋補償即將功率側電流向控制側進行折算，通過對控制側進行電流控制來補償功率側電流的擾動，提高系統(tǒng)的響應速度；在高頻整流側進行無功補償，既通過檢測功率側負載電流中的無功分量，由高頻PWM整流側提供無功電流，這就大大降低了電機功率繞組負擔的無功。在高頻PWM整流側進行無功補償，可以較好地減少感應電機等感性負載擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高動態(tài)性能。

3 結論

本文結合無刷雙饋電機的運行原理給出了一種雙閉環(huán)標量控制的思路，并結合仿真驗證了該控制方法的可行性。在風力發(fā)電等環(huán)境因素有較大影響的領域，無刷雙饋發(fā)電機較普通的有刷雙饋發(fā)電機有一定的優(yōu)勢；但由于無刷雙饋發(fā)電機的設計是建立在兩臺異步電機級聯理論基礎上的，它不可避免地有著更為復雜的磁場，因此在實際應用中要得到更為理想的輸出電壓品質，還需要對控制系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化和完善。

［1］ 吳 濤.變速恒頻無刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)獨立運行控制研究［D］.武漢：華中科技大學圖書館，2009.

［2］ 張鳳閣，王鳳翔，林成武.無刷雙饋電機的結構特點與設計原則［J］，微特電機，1999，27（03）：21－24.

［3］ 劉航航，王 華，羅 杰.無刷雙饋電機功率流向分析［J］，微特電機，2011，29（01）：21－25.

［責任編校：張巖芳］

A Scalar Control Method to the Brushless Doubly－fed Generator

LIU Yu1，WEI Zhong－chao1，GAO Xin－mai2，CHEN Qian－chen2
（1 Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China；2 Wuhan Haomai Electrical Equipment co.，LTD，Wuhan 430074，China）

With the maturing of the brushless doubly－fed machine（BDFM）theory，this kind of motor is showing its great expectations in wind power and other industrial applications.This paper analyzes the working principle of the brushless doubly－fed motor and the realization of Variable speed constant frequency（VSCF）double fed wind power generation.The paper puts forward the scalar control strategy of VSCF on the basis of dynamic mathematical model of the BDFM in d－q coordinate system.And finally the author builds the Matlab／Simulink model to simulate and verify the feasibility of this strategy，and puts forward some methods to improve the system dynamic response.

BDFM；Scalar control；mathematical model；simulation

TM359.9

A

1003－4684（2014）01－0029－04

2013－11－28

劉 愉（1989－），男，湖北黃岡人，華中科技大學碩士研究生，研究方向為電機與電器