基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機勵磁控制技術研究

林成武， 馬淑芳， 李 瑞

(青島濱海學院，山東 青島 266555)

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基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機勵磁控制技術研究

林成武， 馬淑芳， 李 瑞

(青島濱海學院，山東 青島 266555)

基于定子磁場定向矢量控制理論，在dq軸同步旋轉坐標系下，提出以定子側功率因數(shù)作為主要觀測和控制變量的勵磁控制策略，建立了功率因數(shù)調節(jié)方程和勵磁控制模型，分析了轉子勵磁參數(shù)變化對功率因數(shù)和輸出功率的影響。理論分析表明，所提出的勵磁控制技術對變速恒頻雙饋風力發(fā)電機控制系統(tǒng)設計和控制策略研究具有一定的參考價值。

雙饋電機； 矢量控制； 功率因數(shù)觀測； 勵磁控制

0 引 言

風能是最重要的可再生能源之一，為廣泛存在、可自由索取的綠色能源。在地球面臨“能源危機、資源危機和環(huán)境危機”的狀況下，充分利用這種可再生能源有著重大意義，因此受到世界各國的高度重視。按2013年底的風電累計裝機容量計算，我國在2001年至2013年間，年均復合增長率為57.12%[1]。當前風電機組的技術沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉換效率的方向發(fā)展。其中，變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組已成為主力機型,在2009年全球新增風電機組中，變速恒頻雙饋型機組占80%以上。目前，歐洲正在開發(fā)10MW的變速恒頻雙饋風電機組[2]。這種風電機組的優(yōu)點在于： 在額定風速以下，保持最佳葉尖速比以獲得最佳風能；在額定風速以上，通過變槳距和轉子勵磁控制相結合，調節(jié)風力發(fā)電機的轉速，儲存或釋放部分能量，提高傳動系統(tǒng)的柔性，使輸出功率保持穩(wěn)定[3- 4]。本文根據(jù)雙饋電機的技術特點，提出了基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機勵磁控制策略，推導了功率因數(shù)調節(jié)特性方程，對轉子勵磁調節(jié)過程進行矢量分析，為雙饋電機勵磁控制理論和勵磁控制系統(tǒng)設計提供了一定的理論基礎。

1 雙饋電機定子磁場定向矢量控制原理

1.1 雙饋電機在同步旋轉坐標系下的矢量圖

在現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)過程中，根據(jù)不同的研究對象選取不同的坐標系，就可以使方程中的某些變量變成零元素，從而達到解耦的目的。本文以并網(wǎng)型變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組為例，建立雙饋電機在dq同步旋轉坐標系下的矢量圖和電壓、電流方程。

并網(wǎng)型雙饋風力發(fā)電機的系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由風力機、雙饋發(fā)電機、勵磁控制系統(tǒng)和電網(wǎng)組成。

圖1 雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)框圖

由于定子電壓和頻率為常數(shù)，如果忽略定子繞組的電阻，則定子電壓矢量U1滯后于定子磁鏈90°。在dq同步旋轉坐標系中，取d軸與定子磁鏈方向一致，則q軸與定子電壓矢量方向一致，定子電壓的d軸分量為0，定子磁鏈的q軸分量為0，這樣就簡化了雙饋電機控制模型[5]。根據(jù)雙饋電機定子磁場定向的基本原理，按發(fā)電機慣例，其矢量圖如圖2所示。

圖2 雙饋電機在同步旋轉坐標系下的矢量圖

圖2直觀地展示了在dq同步旋轉坐標系中，雙饋電機定子側輸出參數(shù)和轉子側控制參數(shù)之間的相互關系，為雙饋電機電流、電壓方程和控制模型的建立打下了基礎。

1.2 電壓與電流關系方程

在abc三相靜止坐標系下的雙饋電機方程為六階微分方程[6-8]。根據(jù)坐標變換原理，轉換為dq同步旋轉坐標系的四階代數(shù)方程，即：

(1)

s——雙饋電機的轉差率。

若忽略定子電阻r1并考慮uq1=U1,ud1=0，可將雙饋電機電壓與電流關系方程簡化為

(2)

2 定子功率因數(shù)的矢量控制模型

根據(jù)圖2中的幾何關系,定子電流的直軸分量id1和交軸分量iq1的正切角即定子功率因數(shù)角φ1為

(3)

轉子勵磁電壓直軸分量ud1和交軸分量uq1為

(4)

由式(2)式得

(5)

(6)

將式(4)～式(6)代入式(3)，可得功率因數(shù)角為

(7)

(8)

由式(8)可知：

(1) 當定子電壓U1、頻率、有功功率、轉速、定轉子電壓相位φ12保持不變時，雙饋發(fā)電機的功率因數(shù)與轉子電壓的幅值有關。轉子電壓較小(欠勵)時為容性；當轉子電壓增加到某一值時，功率因數(shù)為1；繼續(xù)增加轉子電壓，功率因數(shù)變?yōu)闇蟛⒅饾u減小。其仿真結果如圖3所示。

圖3 功率因數(shù)與轉子電壓幅值的關系

(2) 當定子電壓U1、頻率、有功功率、轉速、轉子電壓幅值保持不變時，雙饋發(fā)電機的功率因數(shù)與定轉子電壓的相位角φ12有關。夾角小時，轉子電流勵磁分量小(欠勵)，功率因數(shù)為超前；隨著夾角的增大，轉子電流勵磁分量增加，功率因數(shù)角由超前變?yōu)闇螅鐖D4所示。

圖4 定轉子電壓相位角與功率因數(shù)的關系

(3) 當頻率、有功功率、定轉子電壓的相位角及幅值保持不變時，轉速變化，雙饋電機的功率因數(shù)也將發(fā)生變化。

所以通過調節(jié)轉子電壓的幅值和定轉子電壓的相位角φ12，可以控制雙饋電機的功率因數(shù)。

3 勵磁控制過程的矢量分析

并網(wǎng)型雙饋風力發(fā)電機的定子電壓和頻率為恒定值，電機氣隙磁通近似為常數(shù)，即定子電流的勵磁分量和轉子電流的勵磁分量之和是常數(shù)。

當雙饋發(fā)電機處于過勵狀態(tài)時，轉子勵磁電流較大，定子電流滯后于定子電壓，功率因數(shù)為感性，定子電流的無功分量與轉子勵磁電流的直軸分量方向相反，起去磁作用，以保持電機氣隙磁通恒定，如圖2所示。

當雙饋發(fā)電機處于欠勵狀態(tài)時，發(fā)電機定子電流超前定子電壓，功率因數(shù)為容性，定子電流的無功分量與轉子勵磁電流的直軸分量方向相同，起增磁作用，以保持定子氣隙磁通為常數(shù)。

3.1 無功功率調節(jié)過程分析

當雙饋發(fā)電機輸出有功功率恒定而進行無功功率調節(jié)時，應滿足條件：

i1cosφ1=iq1=常數(shù)

(9)

式(9)說明，若定子電流矢量在q軸上的投影保持不變，即可保持有功功率不變。所以，定子電流矢量i1端點的軌跡在雙饋發(fā)電機輸出不同的無功功率時為一條過定子電流矢量端點且垂直于q軸的直線，如圖5所示。定子電流矢量i1端點的軌跡為虛線m-m′。

其調節(jié)過程如下： 逐漸減小發(fā)電機勵磁電流i21→i22→i23,發(fā)電機定子電流由滯后電壓矢量向超前電壓矢量方向變化，即定子電流矢量的變化為i11→i12→i13，從輸出滯后無功功率改變?yōu)檩敵龀盁o功功率。定子電流的無功分量由去磁作用逐漸變?yōu)橹抛饔茫l(fā)電機氣隙磁通隨著轉子勵磁電流的減弱而得到定子電流無功分量的補充，從而使系統(tǒng)吸收超前無功功率而穩(wěn)定運行。

3.2 有功功率調節(jié)過程分析

當雙饋發(fā)電機輸出無功功率恒定而進行有功功率調節(jié)時，應滿足條件：

i1sinφ1=id1=常數(shù)

(10)

式(10)說明，定子的電流矢量i1在d軸上的投影應保持不變。所以，定子電流矢量i1端點的軌跡在雙饋發(fā)電機輸出不同的有功功率時，為一條過定子電流矢量i1端點且平行于q軸的直線，如圖6所示。在進行無功功率調節(jié)過程中，定子電流矢量i1端點的軌跡為虛線g-g′。

其控制過程如下： 逐漸增加雙饋發(fā)電機的輸出電流i11→i12→i13，其有功分量iq11→iq12→iq13。在整個調節(jié)過程中，發(fā)電機定子電流矢量i1的無功分量id1始終保持不變，從而使系統(tǒng)根據(jù)風速的變化調節(jié)雙饋發(fā)電機輸出的有功功率。

綜上所述，由于雙饋發(fā)電機的功率因數(shù)不僅反映了電機的勵磁程度，而且具有“標幺值”的特點，只反映有功功率和無功功率的分配關系和無

圖6 無功功率恒定、有功功率變化時矢量圖

功功率的性質(超前或滯后)，而與有功功率和無功功率的量值無關。

4 結 語

(1) 雙饋電機勵磁控制系統(tǒng)需要觀測和控制的諸多變量中，定子繞組功率因數(shù)對系統(tǒng)運行狀況的反映具有全局性。其不僅顯示了發(fā)電機輸出有功和無功功率的分配關系，還能反映電機轉速和轉子繞組勵磁電流的變化。

(2) 在dq軸同步旋轉坐標系統(tǒng)下，建立的定子側功率因數(shù)控制模型與理論分析一致，直觀地反映了轉子勵磁參數(shù)變化對功率因數(shù)和輸出功率的影響。

(3) 功率因數(shù)具有“標幺值”的特點，以定子側功率因數(shù)作為主要觀測和控制變量，便于對不同容量雙饋電機勵磁控制系統(tǒng)的共性問題進行研究。

(4) 本文提出的基于定子功率因數(shù)觀測的雙饋電機勵磁模型和控制策略，對于及時了解雙饋電機系統(tǒng)總體運行狀況和采取相應的控制措施具有重要的意義。

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Study on Doubly-Fed Motor Excitation Control Technology Based on Stator Power Factor Observation

LINChengwu,MAShufang,LIRui

(Qingdao Binhai University, Qingdao 266555， China)

Based on the stator field oriented vector control theory and in the axis synchronous rotating coordinate system in thedq, proposed that using stator side power factor as the excitation control strategy of main observations and control variables, established the power factor adjustment equation and the excitation control model, and analyzed the impact of rotor excitation parameters variation on power factor and output power. Theoretical analysis indicated that the proposed excitation control technique has some reference value to the design of VSCF double fed wind generator and the study of control strategy.

double fed motor; vector control; power factor observation; excitation control

林成武(1955—)，男，博士研究生，教授，研究方向為電力電子與電機控制技術。

馬淑芳(1978—)，女，講師，研究方向為電機控制技術。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)10- 0024- 04

2016-07-08

李 瑞(1981—)，女，碩士研究生，講師，研究方向為計算機控制技術。