基于MATLAB的無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略研究

李 慶 陳康博 張宏俊 羅 琦

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

0 引言

現(xiàn)在能源消耗嚴(yán)重，新能源革命已經(jīng)開(kāi)始。在當(dāng)今對(duì)可再生能源的開(kāi)發(fā)利用中，風(fēng)能由于其突出的優(yōu)點(diǎn)而成為世界各國(guó)普遍重視的能源。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為世界各國(guó)學(xué)者競(jìng)相研究的熱點(diǎn)。我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)量已經(jīng)是世界第一了，足以說(shuō)明國(guó)家對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重視[1-2]。而在運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電中，無(wú)刷雙饋電機(jī)在節(jié)能調(diào)速控制上有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。無(wú)刷雙饋電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且堅(jiān)固可靠，可用于異步和同步電機(jī)，可在無(wú)刷情況下實(shí)現(xiàn)雙饋，具有功率因數(shù)可調(diào)、高效率的特點(diǎn)，適合用于變頻恒速發(fā)電系統(tǒng)中[3-5]。

本課題在此背景下主要研究把無(wú)刷雙饋電機(jī)用于風(fēng)力發(fā)電，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)它的控制，使無(wú)刷雙饋電機(jī)在風(fēng)速變化、風(fēng)速恒定和負(fù)載波動(dòng)的情況下發(fā)出頻率恒定的電能。

1 無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)數(shù)學(xué)模型分析

首先將同步旋轉(zhuǎn)的d-q 坐標(biāo)系的d 軸定向于定子磁鏈?zhǔn)噶康姆较騕6]，可推導(dǎo)得出：

定子電流方程：

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

定子側(cè)功率為：

由以上結(jié)論可知，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與有功功率與定子電流q軸分量isq是呈線性關(guān)系，而有功功率和無(wú)功功率分別得到解耦，分別與isq和isd有線性關(guān)系。通過(guò)控制isd可以控制雙饋電機(jī)定子側(cè)的無(wú)功功率，而控制isq則可以控制雙饋電機(jī)有功功率和電磁轉(zhuǎn)矩。因此通常也將isq稱(chēng)為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，而將isd稱(chēng)為定子電流的勵(lì)磁分量。

電壓耦合項(xiàng)為：

以上詳細(xì)推導(dǎo)了基于定子磁鏈定向適量控制的關(guān)系式。于穩(wěn)態(tài)情況下，一般讓定子的磁鏈保持不變，此時(shí)，雙饋電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與有功功率都和isq且與irq成正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁及無(wú)功功率則由ird決定。為了實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的完全解耦控制，需要設(shè)計(jì)d 軸和q 軸的PI 環(huán)節(jié)，再進(jìn)而利用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒?，消除電壓的兩個(gè)耦合項(xiàng)△urd和△urq，從而達(dá)到完全解耦的目的。

2 無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)電網(wǎng)側(cè)控制策略研究

2.1 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器數(shù)學(xué)模型

由網(wǎng)側(cè)PWM 變換器結(jié)構(gòu)圖[7]可以得出以下關(guān)系式：

由基爾霍夫電流理論可知，在三相且無(wú)中線的系統(tǒng)中，三相電流和等于零，穩(wěn)態(tài)時(shí)，電網(wǎng)電壓的三相對(duì)稱(chēng)，三相電壓之和也為零。從而可推到出由abc 靜止坐標(biāo)系變換到d-q 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的定子側(cè)PWM 變換器數(shù)學(xué)模型為：

式中，ud、uq分別是電網(wǎng)電壓d 軸、q 軸分量，id、iq分別是網(wǎng)側(cè)輸入電流的d 軸和q 軸分量，ω1為電網(wǎng)電壓同步角速度。

2.2 網(wǎng)側(cè)PWM 變換器的控制策略

采用以直軸電網(wǎng)電壓矢量定向的控制策略。網(wǎng)側(cè)輸入的有功功率和無(wú)功功率表達(dá)式：

由式(9)可得出出，電網(wǎng)電壓矢量幅值不變時(shí)，網(wǎng)側(cè)變換器輸入有功功率的大小可由控制網(wǎng)側(cè)變流器輸入電流的d 軸分量控制，變換器輸入的無(wú)功功率的大小可由控制網(wǎng)側(cè)變流器輸入電流q 軸分量控制。當(dāng)Pg＞0 時(shí)，表示網(wǎng)側(cè)PWM 變換器工作于整流狀態(tài)下，能量從電網(wǎng)流入網(wǎng)側(cè)PWM 變換器，當(dāng)Pg＜0 時(shí)，則表示網(wǎng)側(cè)PWM 變換器工作于逆變狀態(tài)下，能量從直流環(huán)節(jié)再經(jīng)網(wǎng)側(cè)PWM 變換器返回電網(wǎng)。當(dāng)Qg＞0時(shí)，網(wǎng)側(cè)PWM 變換器向電網(wǎng)輸入滯后的感性無(wú)功，當(dāng)Qg＜0 時(shí)，網(wǎng)側(cè)PWM 變換器從電網(wǎng)吸收滯后的感性無(wú)功。

3 仿真模型與結(jié)果分析

3.1 仿真模型建立

應(yīng)用Matlab/Simulink 建立了無(wú)刷雙饋電機(jī)控制的仿真模型真模型，如圖1 所示。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 恒定風(fēng)速仿真

圖1 simulink 仿真模型

圖2 發(fā)電機(jī)輸出有功功率

圖3 發(fā)電機(jī)無(wú)功功率

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩

圖5 發(fā)電機(jī)輸出有功功率

在無(wú)刷雙饋電機(jī)給定的風(fēng)速為10m/s，發(fā)電機(jī)輸出電能供給電阻值為25Ω 的負(fù)載，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率給定為0Var 的情況下，仿真結(jié)果如圖所示。

從圖2～3 可看出電機(jī)啟動(dòng)30s 后有功可以達(dá)到3kW，而無(wú)功維持在0Var 附近。另外，發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩（如圖4）在0.3秒內(nèi)達(dá)到平衡，電機(jī)很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

3.2.2 變風(fēng)速仿真

在t=3s 時(shí)，風(fēng)速由12m/s 降為7m/s；在10s 處，風(fēng)速又由7m/s 變回為12m/s，其他條件與恒風(fēng)速下相同。從圖5 可看出，風(fēng)速由12m/s變?yōu)?m/s，輸出有功功率由6kW 跌落到2.5kW，10s 時(shí)，風(fēng)速恢復(fù)到12m/s，輸出的有功功率增加到初始狀態(tài)。無(wú)功功率也基本維持0Var，在我的模型仿真結(jié)果還可以看到電磁、機(jī)械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子角速度電壓和電流都在40s 后逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，達(dá)到了系統(tǒng)要求的誤差控制。

3.2.3 負(fù)載波動(dòng)仿真

給定額定風(fēng)速12m/s，無(wú)功功率0Var，系統(tǒng)負(fù)載在20s 時(shí)變化，從50Ω 變?yōu)?5Ω。有功功率和轉(zhuǎn)子角速度如圖5～6。

從有功功率波形可看出，負(fù)載的變化影響了風(fēng)機(jī)的輸出有功功率。負(fù)載為50Ω 時(shí)，最大功率為5kW，負(fù)載為25Ω 時(shí)，最大功率為6kW。轉(zhuǎn)子角速度也有180rad/s 降為150rad/s，因此可知負(fù)載變小，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速也變小了。

圖6 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電在恒定風(fēng)速、變風(fēng)速和負(fù)載波動(dòng)三種情景下的仿真結(jié)果，最終仿真結(jié)果證明風(fēng)力機(jī)和無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)的功率是平衡的，因此這種控制策略能夠應(yīng)用。且他們是同軸系統(tǒng)，轉(zhuǎn)矩也實(shí)現(xiàn)了平衡，從而使扭力為0，減少了發(fā)電機(jī)的損耗。又無(wú)刷雙饋電機(jī)的無(wú)功功率給定值為0，而我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也近乎為0，兩者近似相等為0，說(shuō)明無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)不輸出無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)了功率輸出最大化的目的，發(fā)電機(jī)輸出的電壓電流波形也均為正弦波形，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)誤差控制。而負(fù)載的波動(dòng)會(huì)影響發(fā)電機(jī)的最大功率工作狀態(tài)，讓我們有效的使用調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這些都與我們提出的控制策略的初衷吻合，證明了無(wú)刷雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的優(yōu)勢(shì)。

本文僅對(duì)無(wú)刷雙饋電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中作電動(dòng)機(jī)用的幾種控制策略進(jìn)行了研究和仿真實(shí)驗(yàn)，而世界上目前對(duì)無(wú)刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)用的控制策略研究尚處于探索階段，但是參考無(wú)刷雙饋電動(dòng)機(jī)的控制策略，也可以得到一些有益的啟示。

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