船舶軸帶BDFG并網控制及其鎖相環

高國章， 張 帆， 高 嵐

(武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063)

隨著節能減排成為目前航運業的重要目標之一，各大造船企業和船舶科研單位都在研究船舶節能和提高經濟性的方法。軸帶發電機利用船舶主機的冗余功率為船舶提供一部分的電力，這已成為當前船舶電站節能最重要的方式。[1]無刷雙饋發電機(Brushless Doubly-Fed Generator, BDFG)相較于傳統的有刷電機取消了電刷和滑環等裝置，使其具有結構簡單、運行安全可靠等優點,目前其主要應用于變頻調速、風力發電和船舶發電等領域中,也是現今船舶軸帶發電系統主要的研究方向之一。

針對BDFG的研究，文獻[2]對目前國內BDFG的發展歷程、定轉子結構、數學模型、控制策略及發展與應用前景進行整體概述。目前，對于BDFG的控制主要分為獨立發電控制與并網控制。BDFG作為獨立發電系統時，已有大多數學者對其控制策略進行深入研究。文獻[3]對船舶軸帶雙饋獨立發電系統的控制進行仿真分析，結果表明其獨立運行時，BDFG電機具有良好的電壓跟隨性和頻率穩定性。文獻[4]提出一種BDFG獨立發電系統的勵磁控制策略，并對其進行具體的試驗驗證，結果表明BDFG在原動機轉速變化時，仍能保持穩定的輸出電壓和頻率。

BDFG并網控制的研究多在于風力發電場合與船舶軸帶發電系統中。由于風力發電機的特殊性，發電機一般處于長期并網運行狀態，發電機輸出電壓受到電網電壓鉗制[5]，其控制目標多是以抑制電壓諧波于振蕩[6-7]，控制電機的最大輸出功率為主。文獻[8]提出一種模型預測直接功率控制的方法，該方法能夠快速地實現并網雙饋風機的有功、無功功率的控制。對于船舶軸帶發電系統而言，由于其特殊的工作環境，需經常對軸帶發電機與船舶電網進行并網操作。目前,對于傳統的同步發電機的并網控制已有較多的研究。文獻[9]針對船舶軸帶發電系統獨網與并網控制兩種控制模式提出可實現平滑切換的控制方法，并對其進行試驗驗證。文獻[10]基于船舶軸帶無刷雙饋電機獨立發電系統提出一種矢量控制與模糊比例-微分-積分(Proportional Integral Differential,PID)控制器相結合的控制方法，以此來實現對BDFG獨立運行的控制。文獻[11]提出BDFG在獨立發電和并網發電模式下的控制策略，但主要針對獨立發電模式下的控制，并未對并網進行深入研究。文獻[12]針對BDFG的優勢，提出將其運用于船舶軸帶發電系統中，并提出基于BDFG的獨立發電和并網發電兩種運行方式的控制方法。

但是，目前基于軸帶BDFG并網控制的研究較少且大多數是對于風力發電系統的研究。因此，本文根據船舶軸帶發電機并網的條件，采用電壓矢量控制的方法對無刷雙饋電機發電電壓與頻率進行控制以達到與電網電壓一致。同時，利用并網鎖相環對電網相位進行跟蹤進而控制發電機電壓相位與電網相位一致，實現軸帶BDFG并網控制。并用MATLAB/Simulink進行建模仿真，試驗結果表明該控制方法的可行性，具有一定的理論意義。

1 BDFG的運行原理與數學模型

1.1 BDFG運行原理

隨著BDFG研究不斷發展和完善，BDFG在傳統交流發電機的基礎上取消電刷和滑環等裝置，同時在結構上定子繞組采用兩對極對數不同的定子繞組，即控制繞組與功率繞組。控制繞組通過可雙向流動的脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation, PWM)變頻器與電網連接，并輸入頻率為fc的控制電流，功率繞組直接與電網連接并向電網輸送頻率fp的電流。根據文獻 [13]可得，BDFG的轉速計算式為

(1)

式(1)中：fp、fc分別為功率繞組與控制繞組的電流頻率；pp、pc為功率繞組與控制繞組的極對數。當無刷雙饋發電機處于超同步速時取“+”，處于亞同步速時取“-”。

在船舶運行中，由于海況及航線的變化，船舶主機的轉速也會發生變化,從而導致無刷雙饋發電機的轉速nr改變引起發電頻率發生改變。但是，在無刷雙饋發電機發電并網過程中需保持功率繞組電流fp不變。功率繞組電流頻率的公式可由式(1)推導為

(2)

式(2)中:由于功率繞組需要與電網相連，需保持頻率恒定且與電網一致。當主機轉速變化時，可通過改變控制繞組電流頻率fc來保持fp的穩定，以達到變速恒頻發電的目的。

1.2 BDFG數學模型

由于BDFG復雜的內部結構和電磁關系，其數學模型相比于同步發電機更為復雜。以采用轉子速d-q坐標系下的BDFG數學模型[14]為

(3)

磁鏈方程為

(4)

電磁轉矩方程為

Tem=ppLsp(iqpidr-idpiqr)+

pcLsc(iqcidr-idciqr)

(5)

式(3)～式(5)中：下標d和q分別為在Odq坐標系下的d軸與q軸的分量；下標s和r分別為定子側與轉子側；下標p和c為定子控制繞組與功率繞組；p為微分算子；pp、pc為功率繞組與控制繞組的極對數；udsp、uqsp、udsc、uqsc、udr、uqr分別為BDFG在旋轉坐標系下定轉子繞組對應的相電壓值；idp、iqp、idc、iqc、idr、iqr為電流值；Rsp、Rsc、Rr分別為定轉子各繞組的電阻值；Lsp、Lsc、Lr分別為定轉子各繞組的自感；Mpr、Mcr分別為功率繞組、控制繞組與轉子繞組之間的互感；Ψ為電壓磁鏈。

2 軸帶BDFG并網控制

2.1 BDFG并網發電系統組成

船舶軸帶無刷雙饋發電機并網發電系統主要分為船舶主機、軸帶無刷雙饋發電機及船舶負載等3個部分，其拓撲結構見圖1。

圖1 并網系統拓撲結構

船舶主機穩定運行后通過齒輪箱帶動軸帶BDFG轉動，BDFG定子繞組中功率繞組末端直接與船舶電網通過一個合閘開關相連，控制繞組一端通過一個雙向流動的雙PWM變頻器及濾波器與船舶電網相連。軸帶BDFG啟動時，由雙PWM之間的交流輸入經不可控整流提供啟動時所需的勵磁電流以保證BDFG正常啟動，待BDFG穩定運行且功率繞組端向電網供電后，控制繞組端的勵磁電流便由電網端經過雙PWM變頻器整流逆變后提供，以保證軸帶BDFG正常運行。

使用軸帶BDFG的最終目的是與船舶電網并網運行以節省柴油發電機的消耗。但是，軸帶BDFG并入電網將會對船舶電網產生沖擊使得電力系統的穩定性降低。因此，并網過程中必須控制BDFG功率繞組輸出電壓的幅值、頻率及相位與電網一致。根據BDFG的特點，分別對其電壓的幅頻及相位進行控制。

2.2 BDFG電壓幅頻控制

BDFG發電并網前是空載運行的，對其控制也可看作是對獨立運行時變速恒頻發電的控制。根據BDFG的原理，結合定子電壓矢量控制的方法，以電網電壓的頻率與幅值為基準，通過對控制繞組的勵磁電流的控制即可控制功率繞組輸出電壓的頻率與幅值，得到控制原理框圖見圖2。

根據文獻[15]可知BDFG功率繞組輸出的瞬時有功功率與無功功率的表達式為

圖2 控制原理框圖

(6)

在BDFG的旋轉Odq坐標系下，定義功率繞組磁鏈與d軸同方向，d軸落后于q軸90°，根據控制目標令功率繞組的目標值與電網電壓一致，則控制繞組電壓的矢量值為us，則存在的電壓關系為

(7)

(8)

則式(6)可化簡為

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

上述只是對BDFG功率繞組輸出電壓的幅值與頻率進行控制，但是由于發電機并網時還需要求電壓相位與電網一致，才能夠使BDFG順利并入船舶電網，因此，還需對BDFG功率繞組輸出電壓的相位進行控制。

2.3 BDFG電壓相位控制

在并網過程中，鎖相環就是通過監測電網電壓來保證逆變器輸出的電壓的相位及頻率與電網保持一致的閉環控制系統。[16]對于電壓的相位控制引入一個鎖相環來監測船舶電網電壓以保證BDFG功率繞組輸出電壓相位與其一致。

鎖相環的基本工作原理矢量圖見圖3，將三相電壓ua、ub、uc轉換到靜止Oαβ坐標系下，再由靜止的αβ坐標系轉換到同步旋轉的Odq坐標系下。其中α軸與a軸重合，電壓矢量u與α軸的夾角為θ，靜止的Oαβ坐標系以一定的速度旋轉后便形成旋轉Odq坐標系，Oαβ坐標系與旋轉Odq坐標系的夾角為θ*。其鎖相環控制框圖見圖4。

圖3 坐標變換矢量圖

鎖相環將監測到的船舶電網三相電壓ua、ub、uc通過坐標變換后得到同步旋轉Odq坐標系下的電壓值ud、uq如圖4所示。然后由PI控制器對uq進行調節使其迅速達到零。ω0的給定值為電網電壓的標準值50 Hz，再經過一個積分環節得到電網電壓的相位θ*。根據電網電壓相位對BDFG控制繞組電流進行控制，使其迅速地靠近電網電壓相位，達到并網條件。根據電機轉速、控制繞組與功率繞組的關系式

圖4 鎖相環控制框圖

(14)

得到相位控制框圖見圖5。由圖5可知

ussin(Δθ)=usΔθ=uq

(15)

(16)

圖5 相位控制框圖

3 仿真分析

為驗證本文針對BDFG并網所提出的控制方法的可行性，根據所建立的BDFG數學模型及控制方法，在MATLAB/Simulink仿真環境中搭建船舶軸帶BDFG并網控制的仿真模型。其中電機采用2/4極對數64 kW的BDFG，其轉動慣量為0.03 kg/m2。所選取的BDFG主要仿真參數設定見表1。然后對傳統標量控制和所提出的定子電壓矢量控制分別進

表1 BDFG仿真參數設定

行仿真試驗，并在轉速突變的條件下進行試驗驗證，最后對軸帶BDFG進行并網試驗。

3.1 BDFG發電仿真分析

3.1.1標量控制仿真

為驗證控制方法的優勢，首先在Simulink搭建標量控制的仿真模型并進行仿真試驗，所得到的BDFG輸出電壓曲線見圖6。

a)BDFG功率繞組輸出電壓曲線

b)BDFG電壓頻率曲線圖6 標量控制仿真結果

由圖6可知：圖6a中BDFG功率繞組輸出的電壓從建立起一直在280～320 V內波動，且不穩定；圖6b中所示的由鎖相環所檢測到的電壓頻率也一直在50 Hz上下波動且波動范圍較大，不能滿足船用電的要求，且不能滿足與船舶電網并網的要求。

3.1.2定子電壓矢量控制仿真

根據上述分析，在MATLAB/Simulink中建立BDFG鎖相環的仿真模型和定子電壓矢量控制仿真模型。首先對電網電壓平衡時進行監測，電網線電壓的有效值為311 V，頻率為50 Hz。仿真結果見圖7，圖7a、7c、7e分別為電網電壓的幅值相位和頻率，圖7b、7d、7f分別對應為矢量控制下BDFG輸出的電壓的幅值相位以及頻率。由圖7可知:在電網穩定的情況下，鎖相環能夠準確地監測到電網電壓頻率與相位，并且定子電壓矢量控制方法穩定。

a)電網電壓曲線

b)BDFG電壓曲線

c)電網電壓頻率曲線

d)BDFG電壓頻率曲線

e)電網電壓相位

f)BDFG電壓相位曲線圖7 矢量控制電網電壓仿真結果

3.2 BDFG轉速突變仿真

由于軸帶BDFG的轉速受船舶主機轉速的變化影響，所以,BDFG在發電穩定后需在主機轉速變化時能夠迅速穩定功率繞組的輸出電壓。因此，仿真設置在功率繞組的有效線電壓和頻率分別為311 V和 50 Hz，設定其初始穩定轉速為300 r/min。BDFG穩定后的功率繞組輸出電壓曲線見圖8。

BDFG轉速在2.0 s時由300 r/min突變至400 r/min。功率繞組輸出的A相電壓幅值和電壓頻率的仿真結果見圖9。DBFG在約0.5 s電壓的幅值與頻率趨于穩定并一直保持。在2.0 s轉速突變時，由9a和9b可知，BDFG功率繞組輸出電壓出現約5 V的小幅度波動；由9c可知，電壓的頻率也出現小幅度的波動，但波動在允許的范圍內，經過約0.1 s后又恢復為穩定值。并且相位基本保持不變，由此說明對于BDFG的控制比較穩定。從圖9e所示的控制繞組電流信號的幅值可看出在轉速突變時，電流幅值基本保持穩定，但其頻率迅速變化以此來保持功率繞組輸出電壓的頻率迅速保持穩定，其變化也滿足式(1)中的函數關系式。

3.3 BDFG并網仿真分析

根據上述分析，BDFG在穩定發電狀態下和轉速突變的情況下，功率繞組輸出電壓的幅值頻率與相位都能夠與電網保持同步，在其達到并網的條件后，進行軸帶BDFG與船舶電網并網的仿真試驗。

BDFG并網仿真曲線見圖10，虛線為BDFG A相電壓，實線為船舶電網A相電壓。當BDFG功率繞組電壓頻率和幅值與電網一致時，相位不斷接近電網相位。在1.5 s時發出并網信號，電機電壓相位不斷接近電網相位。在約2.0 s電壓相位實現同步，軸帶無刷雙饋成功并入船舶電網，且能夠迅速穩定。由此可知所提出的BDFG幅頻以及相位控制方法具有可行性。

a)功率繞組輸出電壓

b)功率繞組輸出電壓局部放大

圖8 BDFG功率繞組輸出電壓仿真結果

a)功率繞組輸出三相電壓

b)功率繞組輸出A相電壓

c)功率繞組輸出電壓頻率

d)功率繞組輸出電壓相位

e)控制繞組電流值圖9 轉速突變仿真結果

圖10 BDFG并網仿真曲線

4 結束語

基于BDFG的優點，將其運用于船舶軸帶發電系統，并與船舶電網并網為船舶提供電能。根據軸帶發電機并網所需的條件，提出定子繞組矢量控制來控制BDFG功率繞組輸出電壓的幅值與頻率；利用并網鎖相環的優點實時監測電網相位，并對發電機的相位進行控制以達到與電網同步。在Simulink環境中進行仿真試驗來驗證該控制方法的可行性。仿真結果表明：該方法可完成軸帶BDFG的發電和與船舶并網運行的控制。