改進獨立運行雙饋感應發(fā)電機控制

宮 劍，梁青陽，李永恒，朱 兵，徐 偉

(空軍航空大學，長春130000)

0 引 言

變速恒頻發(fā)電機現(xiàn)發(fā)展迅猛，它較好得解決了恒速恒頻發(fā)電效率低下的問題。但傳統(tǒng)的變速恒頻變換器容量必須大于等于發(fā)電功率，這一不足一直制約著變速恒頻發(fā)電機的發(fā)展，DFIG 由于其結構特性，變換器僅需提供總功率的25% ～30%［1］，且轉子端和定子端都可以輸出功率，解決了傳統(tǒng)變速恒頻在這方面的約束。DFIG 在可再生能源系統(tǒng)，如風力、水利發(fā)電［2－3］和嵌入式應用，如汽車、飛機發(fā)電［4－5］等方面得到了廣泛的關注。

獨立運行的DFIG 是對該領域研究的又一個熱點，它不需要與電網連接，獨立運行向負載供電，不僅可以用于對偏遠地區(qū)供電問題，也可以為汽車飛機提供更高質量大功率電能。獨立運行DFIG 需要在直流側或交流側提供額外能量來源，現(xiàn)在采取的方法為在直流側連接一個蓄電池［6］，在DFIG 起動時提供直流母線電壓。但在分析仿真后發(fā)現(xiàn)該方法控制效果不理想，其一，蓄電池容量有限，很難滿足大功率需求;其二，如果DFIG 運行在亞同步速狀態(tài)下，發(fā)電功率降低，而所需勵磁增加，在臨界條件下會造成發(fā)電功率過低難以滿足用電設備需要，在最低轉速為同步轉速的66%，考慮損耗情況下，則DFIG 輸出功率最多為額定功率的12. 5%［7］。由此，提出改進的獨立運行DFIG。在傳動軸端，DFIG與PMG 同軸連接，PMG 通過背靠背PWM 與轉子相連，此刻PMG 相當于勵磁機，為DFIG 提供轉差功率，以此提高DFIG 在亞同步速工作時輸出功率不足的缺點，較好地解決了之前提出的問題。如圖1所示。

圖1 改進的DFIG 框圖

1 DFIG 數(shù)學模型

雙饋發(fā)電機應用Park 參考系建立［8］，為使分析結構簡單，作如下假定:

(1)忽略磁飽和及空間諧波，認為定子轉子三相繞組對稱，所產生的磁動勢沿氣隙圓周按正弦規(guī)律分布;(2)忽略鐵損和鐵磁非線性;(3)忽略繞組集膚效應，忽略溫度對定轉子繞組的影響;(4)轉子參數(shù)折算到定子側，折算后每相定轉子繞組匝數(shù)相同。

定子繞組電壓方程:

轉子繞組電壓方程:

定子磁鏈方程:

轉子磁鏈方程:

轉矩方程:

定子側有功無功功率:

轉子側有功無功功率:

式中:p 為微分算子;usd，usq，urd，urq代表定轉子電壓d，q 軸分量;idsiqs，idr，iqr代表定轉子電流d，q 分量;ψsd，ψsq，ψrd，ψrq代表定轉子磁鏈d，q 軸分量;Lm為dq 坐標下同軸定轉子間等效互感;Ls為dq 坐標下兩相定子繞組間自感;Lr為dq 坐標下兩相轉子繞組間自感。

2 DFIG 定子磁鏈定向策略

由于定子電壓頻率為50 Hz，在這種頻率下，定子電阻電壓遠小于電抗壓降和電機反動勢，通常可以忽略定子繞組電阻Rs［9］。將dq 坐標系的d 軸定向于定子磁鏈ψs方向，因定子磁鏈ψs領先于定子電壓矢量90°，則us正好落在q 軸負方向上，如圖2所示。

圖2 定子磁鏈定向策略

將式(7)、式(8)代入式(1)中得:

電壓和磁通穩(wěn)定狀態(tài)的方程可以寫成:

由式(10)得定子電流與轉子電流關系如下:

根據式(6)、式(9)、式(12)、式(13)，推導出定子有功功率及無功功率:

由此，我們可以看出，可以通過控制q 軸轉子勵磁分量ψrq調節(jié)定子有功功率，通過控制d 軸轉子勵磁分量ψrd調節(jié)定子無功功率。

定子磁鏈保持恒定，與定子電壓與同步轉速有關。

由式(3)可得出:

得到轉子q 軸電流目標值。由式(15)可以看出，定子q 軸電流與轉子q 軸電流有著一定的比例關系，這也確保在動態(tài)過程中保持定子磁場定向。

等效定子磁化電流:

由式(3)、式(4)、式(8)、式(10)、式(16)得:

由式(17)可得出通過控制ψs控制ims從而控制ψs。

3 獨立運行DFIG 控制

3.1 轉子磁鏈內環(huán)［10］

在該模式下，轉子磁通與轉子電壓有如下關系:

其中:

轉子磁通與轉子電壓間傳遞函數(shù)僅依靠轉子時間常數(shù)Tr，并可以采用PI 校正調節(jié)。被耦合項如圖3 所示。

圖3 轉子磁鏈觀測框圖

3.2 定子電壓外環(huán)

定子電壓幅值由usd，usq共同合成:

它是由一個外定子電壓向量環(huán)(如圖4 所示)進行控制，式(20)通過usd與usq的聯(lián)合控制對定子輸出電壓大小進行調節(jié)。通過式(1)、式(2)、式(4)、式(9)、式(20)，得到以下的系統(tǒng)，其中，Ad和Aq是可補償干擾項。定子電壓和轉子通量之間的傳遞函數(shù)是一個簡單的增益，因而一個簡單的積分器，可以調節(jié)它們之間的靜態(tài)誤差測量和參考定子電壓:

圖4 定子電壓外環(huán)框圖

4 仿真結果

本文采用MATLAB 對變速恒頻雙饋發(fā)電機進行了仿真實驗。雙饋發(fā)電機參數(shù)如下:p =2，Rs=0.382 Ω，Rr=0.42 Ω，Ls=1.3 mH，Lr=2.8 mH，Lm=68.2 mH，定子電壓380 V，直流側電壓給定為690 V，負載為三相對稱阻性負載，定子電壓電流頻率為50 Hz，額定功率P=30 kW。

在0 s 時刻，DFIG 帶載起動，圖5 為起動定子電壓，圖6 為起動直流母線電壓，從仿真圖中我們可以看出，定子電壓在0.1 s 左右達到穩(wěn)定，輸出恒頻50 Hz，380 V 電壓。圖7 為DFIG 在運行穩(wěn)態(tài)的定子電壓，穩(wěn)態(tài)定子電流為5 A。

圖5 DFIG 起動時定子電壓

圖6 DFIG 起動時直流母線電壓

圖7 DFIG 穩(wěn)定定子電壓及電流

DFIG 機械轉速在4 s 時由超同步轉速1.25Ns下降到亞同步轉速0.75Ns，得到轉子電流如圖8 所示。在10 s，加大負載，由圖9 可看出，直流母線電壓小幅度下降至660 V 左右，0.5 s 后調整到給定電壓。由于DFIG 為獨立運行，定子電流由負載決定，如圖10 所示，定子電流隨負載增加變大，通過控制雙PWM 使定子電壓幅值不變，則功率變大，圖11為DFIG 輸出有功功率與無功功率，在亞同步轉速0.75Ns，DFIG 可穩(wěn)定輸出功率10 kW。

圖8 轉子電流

圖9 直流母線電壓

圖10 定子電流

圖11 DFIG 有功功率和無功功率

5 結 語

本文對獨立運行的DFIG 進行研究，針對原結構的不足，提出了獨立運行DFIG 的改進方法，與DFIG 同軸加入PMG 為轉子提供勵磁，應用轉子磁鏈內環(huán)，定子電壓外環(huán)策略控制。MATLAB 仿真實驗表明，PMG 的加入不僅提高了DFIG 的發(fā)電功率，且可使直流母線電壓調整更加迅速準確，改進的獨立運行DFIG 在起動、變速、突加負載的情況下控制效果良好，可以調節(jié)定子電壓頻率，動靜態(tài)特性良好，可達到變速恒頻的目的，可滿足用電設備需求。

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