雙饋異步發電機轉矩控制方法改進研究

康朋飛 黨幼云 方露

摘 要：隨著風力發電機組容量的不斷增大，提高風能利用率和風電機組運行效率已經成為風力發電技術研究的重要內容之一。為了提高風能利用效率、保證功率輸出的穩定，針對風波動變化較快的特點，本文基于雙饋風電系統對變速恒頻技術進行分析研究，采用直接轉矩控制技術，并以陣風為例，通過MATLAB仿真軟件對不同風速下的風電機組變速恒頻動態運行特性進行控制、仿真分析，對有效提高風機的運行效率有明顯作用。

關鍵詞：變速恒頻；直接轉矩；利用效率；波動

隨著能源問題的日益嚴峻，世界各國競相發展可再生能源。風能憑借其綠色環保、容易開發、性價比高等優勢得到了世界各國的認可，是目前世界上發展得最快的可再生能源[1]。風速的隨機性，不確定性特點導致風電場的輸出功率不斷波動和震蕩，如果接入電網勢必會對電網產生一系列不良影響，所以在風電穿透功率較大的電網中，風電機組的運行特性顯得極為重要，尤其是其動態響應特性和直接轉矩的控制方法。本文針對風力發電機組的控制問題展開研究，通過對雙饋發電機的直接轉矩控制方法進行改進，并對不同風速下的風電機組變速恒頻動態運行特性進行仿真分析，以提高風機的運行效率。

1 直接轉矩控制概述

直接轉矩控制也稱之為“直接自控制”，“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、轉矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得差值，實現磁鏈和轉矩的直接控制[2]。

直接轉矩控制技術是利用空間矢量、定子磁場定向分析方法，直接在定子坐標系下分析雙饋異步電動機的數學模型，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式調節器（Band-Band調節器控制），把轉矩檢測值與轉矩給定值作比較，使轉矩波動在一定的容差范圍內，容差的大小是由頻率調節器來控制，并產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態進行分析控制，以獲得高動態性能的轉矩輸出[3]。它的控制效果是不取決于異步發電機的數學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩實際狀況，它不需要將交流電動機與直流電動機作比較、等效、轉化，也不需要模仿直流電動機的控制，由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦和簡化異步電動機數學模型，沒有通常的PWM脈寬調制信號發生器，所以它的控制結構比較簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態性能的交流調速控制的方式。和矢量控制方式比較，直接轉矩控制磁場定向所用是定子磁鏈，它采用離散的電壓狀態和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。只需要知道定子電阻就可以把它檢測出來。而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈需要知道電動機轉子電阻與電感。以至于直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響。直接轉矩控制強調的是轉矩的直接控制以達到所需效果。與矢量控制方法不同的是，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是被控量直接轉矩，對轉矩的直接控制或直接控制轉矩，既簡化又直接[4]。

雙饋發電機的直接轉矩控制是通過控制轉子磁鏈速度來控制電機轉矩，進而控制發電機的輸出功率。在轉子坐標系上建立它的數學模型，定子繞組直接接電網，使定子磁鏈基本上保持恒定；轉子磁鏈的幅值由饋入的三相交流電壓決定，通過磁通角θ的變化和空間電壓矢量的選擇來控制轉矩的大小[5]。

2 雙饋發電機直接轉矩控制方法的改進研究

2.1 直接轉矩控制系統的構成

直接轉矩控制系統按照功能結構可由PWM逆變器模塊，轉子磁鏈、電磁轉矩計算模塊，轉子磁鏈、轉矩滯環調節模塊，轉子磁鏈區間判定模塊，電壓矢量選擇模塊五個部分構成[6]。

作為雙饋異步發電機直接轉矩控制系統的核心部分，逆變器起著連接電源和發電機的橋梁作用，對電機的調節就可以通過對逆變器調節來實現[7]。因此，PWM逆變器控制算法對于風機的直接轉矩控制相當重要。

2.2 PWM逆變器控制算法改進

圖2.1所示為星形連接理想電壓型逆變器的主電路圖，直流電源udc被分成各為udc/2的兩部分，其中點O為零電位，Sa、 Sb、Sc表示同一橋臂上兩個開關的狀態，ua、ub、uc用來表示三相電壓，若Sa=1表示a相導通用“1”表示，否則a相關斷，就用“0”表示。b、c相同理[8]。

以a相為例，其輸出電壓與開關狀態的對應關系為：

雙饋發電機的直接轉矩控制是在兩相旋轉坐標系下進行運算的，其中所用的

基本電壓矢量ur（t）是由式（2-2）定義。

其中，ua、ub、uc分別為a、b、c三相轉子（或定子）繞組的相電壓，它們在相位上互差120°。

設逆變器輸入電壓為udc，則其輸出的三相相電壓分別為：

對電機的控制正是通過控制逆變器的開關狀態來改變電機的定子側電壓的幅值和頻率，從而使電機的輸出轉矩發生變化，達到變頻調速的目的[9]。

2.3 直接轉矩控制

電壓矢量選擇模型的開關狀態是事先確定好的，當系統采樣時間越小，開關狀態切換的頻率就越高，所得到的轉子磁鏈平均旋轉速度越均勻，因而電磁轉矩的脈動也越小[10]。當然這樣對功率器件的要求較高，開關損耗也會增加。

由直接轉矩控制的仿真框圖所測得信號電壓電流信號分別經過坐標變換，得到udc、uqr、idr、iqr，并通過磁鏈轉矩計算模塊計算出電磁轉矩Te，轉子磁鏈的幅值―Ψe―，d軸分量Ψdr，q軸分量Ψqr。磁鏈區間判斷模塊利用磁鏈的兩個分量信號判斷出轉子磁鏈所在區間信號θ，同時實際轉矩T與反饋轉矩T*進行比較后得到轉矩開關信號τ，實際磁鏈Ψr與反饋轉矩 Ψ*r進行比較，經過處理后得到磁鏈滯環比較輸出，三個變量共同作為開關電壓矢量選擇模塊的輸入量，由該模塊實現正確的電壓選擇，輸出量即為逆變器輸入端需要的空間電壓矢量，從而對雙饋發電機進行最有效的控制[11]。

3 雙饋發電機的直接轉矩控制改進方法的仿真實現

3.1 仿真數據

系統仿真參照SEC-1250KW風機數據，詳細參數見下表3.1所示，由于不牽扯變槳問題，槳距角設置為最優值β=00。

仿真中的風速模型采用了陣風為例[12]，仿真出在陣風情況下發電機轉速。其中基本風速為7m/s，陣風起始時間2.2s，周期4s，最大峰值為1m/s；

3.2 仿真結果

由圖3.1-3.4可知，在陣風條件下，風電機組各個部分的動態響應特性比較穩定，雙饋發電機轉矩控制系統的控制轉子側的控制效果比較理想。所以在風速變化時發電機基本可以穩定的發電，在提高發電的同時，對風機也得到了有效的保護。

4 結語

直接轉矩控制系統是雙饋異步發電機的一種重要的控制系統，如何使其發揮重大作用，以使雙饋異步發電機能更有效的應用，是當前研究的熱門問題。本文主要對雙饋異步發電機的直接轉矩控制系統部分進行了研究和分析。通過對雙饋異步風力發電機的直接轉矩控制方法改進，并對風電機組在不同風速下的變速恒頻動態運行特性進行分析，建立風電機組變速恒頻動態運行特性仿真模型[13]。并以陣風為例，對不同風速下的風電機組變速恒頻動態運行特性進行仿真分析，有效提高了風機的運動效率。

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