改進(jìn)獨(dú)立運(yùn)行雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)控制

宮 劍，梁青陽(yáng)，李永恒，朱 兵，徐 偉

(空軍航空大學(xué)，長(zhǎng)春130000)

0 引 言

變速恒頻發(fā)電機(jī)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(wèn)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(jī)的發(fā)展，DFIG 由于其結(jié)構(gòu)特性，變換器僅需提供總功率的25% ～30%［1］，且轉(zhuǎn)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(fēng)力、水利發(fā)電［2－3］和嵌入式應(yīng)用，如汽車、飛機(jī)發(fā)電［4－5］等方面得到了廣泛的關(guān)注。

獨(dú)立運(yùn)行的DFIG 是對(duì)該領(lǐng)域研究的又一個(gè)熱點(diǎn)，它不需要與電網(wǎng)連接，獨(dú)立運(yùn)行向負(fù)載供電，不僅可以用于對(duì)偏遠(yuǎn)地區(qū)供電問(wèn)題，也可以為汽車飛機(jī)提供更高質(zhì)量大功率電能。獨(dú)立運(yùn)行DFIG 需要在直流側(cè)或交流側(cè)提供額外能量來(lái)源，現(xiàn)在采取的方法為在直流側(cè)連接一個(gè)蓄電池［6］，在DFIG 起動(dòng)時(shí)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(yùn)行在亞同步速狀態(tài)下，發(fā)電功率降低，而所需勵(lì)磁增加，在臨界條件下會(huì)造成發(fā)電功率過(guò)低難以滿足用電設(shè)備需要，在最低轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)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(jìn)的獨(dú)立運(yùn)行DFIG。在傳動(dòng)軸端，DFIG與PMG 同軸連接，PMG 通過(guò)背靠背PWM 與轉(zhuǎn)子相連，此刻PMG 相當(dāng)于勵(lì)磁機(jī)，為DFIG 提供轉(zhuǎn)差功率，以此提高DFIG 在亞同步速工作時(shí)輸出功率不足的缺點(diǎn)，較好地解決了之前提出的問(wèn)題。如圖1所示。

圖1 改進(jìn)的DFIG 框圖

1 DFIG 數(shù)學(xué)模型

雙饋發(fā)電機(jī)應(yīng)用Park 參考系建立［8］，為使分析結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作如下假定:

(1)忽略磁飽和及空間諧波，認(rèn)為定子轉(zhuǎn)子三相繞組對(duì)稱，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)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(yīng)，忽略溫度對(duì)定轉(zhuǎn)子繞組的影響;(4)轉(zhuǎn)子參數(shù)折算到定子側(cè)，折算后每相定轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相同。

定子繞組電壓方程:

轉(zhuǎn)子繞組電壓方程:

定子磁鏈方程:

轉(zhuǎn)子磁鏈方程:

轉(zhuǎn)矩方程:

定子側(cè)有功無(wú)功功率:

轉(zhuǎn)子側(cè)有功無(wú)功功率:

式中:p 為微分算子;usd，usq，urd，urq代表定轉(zhuǎn)子電壓d，q 軸分量;idsiqs，idr，iqr代表定轉(zhuǎn)子電流d，q 分量;ψsd，ψsq，ψrd，ψrq代表定轉(zhuǎn)子磁鏈d，q 軸分量;Lm為dq 坐標(biāo)下同軸定轉(zhuǎn)子間等效互感;Ls為dq 坐標(biāo)下兩相定子繞組間自感;Lr為dq 坐標(biāo)下兩相轉(zhuǎn)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(yuǎn)小于電抗壓降和電機(jī)反動(dòng)勢(shì)，通?？梢院雎远ㄗ永@組電阻Rs［9］。將dq 坐標(biāo)系的d 軸定向于定子磁鏈ψs方向，因定子磁鏈ψs領(lǐng)先于定子電壓矢量90°，則us正好落在q 軸負(fù)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(zhuǎn)子電流關(guān)系如下:

根據(jù)式(6)、式(9)、式(12)、式(13)，推導(dǎo)出定子有功功率及無(wú)功功率:

由此，我們可以看出，可以通過(guò)控制q 軸轉(zhuǎn)子勵(lì)磁分量ψrq調(diào)節(jié)定子有功功率，通過(guò)控制d 軸轉(zhuǎn)子勵(lì)磁分量ψrd調(diào)節(jié)定子無(wú)功功率。

定子磁鏈保持恒定，與定子電壓與同步轉(zhuǎn)速有關(guān)。

由式(3)可得出:

得到轉(zhuǎn)子q 軸電流目標(biāo)值。由式(15)可以看出，定子q 軸電流與轉(zhuǎn)子q 軸電流有著一定的比例關(guān)系，這也確保在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保持定子磁場(chǎng)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(guò)控制ψs控制ims從而控制ψs。

3 獨(dú)立運(yùn)行DFIG 控制

3.1 轉(zhuǎn)子磁鏈內(nèi)環(huán)［10］

在該模式下，轉(zhuǎn)子磁通與轉(zhuǎn)子電壓有如下關(guān)系:

其中:

轉(zhuǎn)子磁通與轉(zhuǎn)子電壓間傳遞函數(shù)僅依靠轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr，并可以采用PI 校正調(diào)節(jié)。被耦合項(xiàng)如圖3 所示。

圖3 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)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(gè)外定子電壓向量環(huán)(如圖4 所示)進(jìn)行控制，式(20)通過(guò)usd與usq的聯(lián)合控制對(duì)定子輸出電壓大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)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(bǔ)償干擾項(xiàng)。定子電壓和轉(zhuǎn)子通量之間的傳遞函數(shù)是一個(gè)簡(jiǎn)單的增益，因而一個(gè)簡(jiǎn)單的積分器，可以調(diào)節(jié)它們之間的靜態(tài)誤差測(cè)量和參考定子電壓:

圖4 定子電壓外環(huán)框圖

4 仿真結(jié)果

本文采用MATLAB 對(duì)變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。雙饋發(fā)電機(jī)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(cè)電壓給定為690 V，負(fù)載為三相對(duì)稱阻性負(fù)載，定子電壓電流頻率為50 Hz，額定功率P=30 kW。

在0 s 時(shí)刻，DFIG 帶載起動(dòng)，圖5 為起動(dòng)定子電壓，圖6 為起動(dòng)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(dá)到穩(wěn)定，輸出恒頻50 Hz，380 V 電壓。圖7 為DFIG 在運(yùn)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(dòng)時(shí)定子電壓

圖6 DFIG 起動(dòng)時(shí)直流母線電壓

圖7 DFIG 穩(wěn)定定子電壓及電流

DFIG 機(jī)械轉(zhuǎn)速在4 s 時(shí)由超同步轉(zhuǎn)速1.25Ns下降到亞同步轉(zhuǎn)速0.75Ns，得到轉(zhuǎn)子電流如圖8 所示。在10 s，加大負(fù)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(diào)整到給定電壓。由于DFIG 為獨(dú)立運(yùn)行，定子電流由負(fù)載決定，如圖10 所示，定子電流隨負(fù)載增加變大，通過(guò)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(wú)功功率，在亞同步轉(zhuǎn)速0.75Ns，DFIG 可穩(wěn)定輸出功率10 kW。

圖8 轉(zhuǎn)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(wú)功功率

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)獨(dú)立運(yùn)行的DFIG 進(jìn)行研究，針對(duì)原結(jié)構(gòu)的不足，提出了獨(dú)立運(yùn)行DFIG 的改進(jìn)方法，與DFIG 同軸加入PMG 為轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁，應(yīng)用轉(zhuǎn)子磁鏈內(nèi)環(huán)，定子電壓外環(huán)策略控制。MATLAB 仿真實(shí)驗(yàn)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(diào)整更加迅速準(zhǔn)確，改進(jìn)的獨(dú)立運(yùn)行DFIG 在起動(dòng)、變速、突加負(fù)載的情況下控制效果良好，可以調(diào)節(jié)定子電壓頻率，動(dòng)靜態(tài)特性良好，可達(dá)到變速恒頻的目的，可滿足用電設(shè)備需求。

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