五相雙繞組感應發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)硬件設計與實現

潘子昊， 王思齊, 蔣志鵬, 張喆軒, 卜飛飛

(南京航空航天大學，江蘇 南京 211106)

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五相雙繞組感應發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)硬件設計與實現

潘子昊， 王思齊, 蔣志鵬, 張喆軒, 卜飛飛

(南京航空航天大學，江蘇 南京 211106)

本文研究了一種五相雙繞組感應發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的硬件設計與實現方法。該發(fā)電機的轉子為籠型，其定子上有兩套五相繞組：一套是控制繞組，接有勵磁變換器；另一套是功率繞組，經整流輸出直流電能。勵磁變換器由以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊為基礎的主電路、驅動電路、數學信號處理電路、采樣調理電路、保護電路等部分組成。勵磁控制器向發(fā)電機提供所需的可變勵磁無功，控制發(fā)電機勵磁，從而實現對輸出電壓的控制。

雙繞組感應發(fā)電機；五相；勵磁控制；硬件設計

0 引言

風能分布廣泛，是一種儲量豐富、清潔的可再生能源，開發(fā)風能對改善能源結構和保護生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。為促進風力發(fā)電的發(fā)展，世界各國政府都出臺了相應的優(yōu)惠政策[1]。我國風能資源豐富，大力發(fā)展風力發(fā)電是緩解我國電力資源緊張的有效途徑之一[2]。由于風所攜帶的能量與風速的三次方成正比，風速的變化會引起風能的較大變化[3,4]，故對風力發(fā)電系統(tǒng)的要求有：轉速變化范圍大；整流后輸出直流電壓；無刷化，帶有開關功率元件的變換器的容量小，以降低造價、減小體積及重量，規(guī)避大功率變換器設計的難題[5]。在現有的技術條件下，雙饋感應發(fā)電機[6]和籠型感應發(fā)電動機能適應這樣的需求。

籠型感應電機因其簡單堅固、可靠性高、制造技術成熟等優(yōu)點，在國民經濟中占有重要的地位[7]。在普通單繞組籠型感應發(fā)電機構成的直流發(fā)電系統(tǒng)中，常采用籠型感應電機、電力電子變換器和負載三者并聯的拓撲結構[8]。在這樣的拓撲結構中，負載與電力電子變換器直接連接，發(fā)電機輸出的電能會受到電力電子變換器高頻開關信號的影響導致供電品質下降，從而限制了普通單繞組籠型感應電機在直流發(fā)電系統(tǒng)中的應用[9]。

1998年美國田納西理工大學的專家首次提出了雙繞組感應發(fā)電機的結構，該結構既繼承普通單繞組籠型感應發(fā)電機的優(yōu)點，又克服了其不足，引起廣泛關注[10,11]。2003年至2009年海軍工程大學的馬偉明院士及其研究團隊以艦船電源為應用背景對雙繞組感應電機發(fā)電系統(tǒng)進行了卓有成效的研究[12-14]。2004年以來南京航空航天大學的研究人員對采用雙繞組感應電機的寬風速運行風力發(fā)電技術進行了一系列的研究[15-18]。為進一步提高雙繞組感應發(fā)電機系統(tǒng)的性能和功率密度，南京航空航天大學的研究人員將雙繞組感應發(fā)電機和多相感應電機相結合，提出了一種雙繞組五相感應電機發(fā)電系統(tǒng)，并對其優(yōu)化設計、高性能控制進行了初步的探索[19]。眾所周知，多相電機具有高可靠性和高功率密度的優(yōu)點，尤其是與非正弦勵磁技術相結合，可以充分利用鐵心。本文以風力發(fā)電為背景，研究了一種五相雙繞組感應電機勵磁控制系統(tǒng)的硬件設計方法，該發(fā)電機系統(tǒng)具有高動靜態(tài)性能和良好的供電品質，開發(fā)了一臺5 kW實驗樣機，并通過實驗對該勵磁控制系統(tǒng)的性能進行了檢測。

1 五相雙繞組感應發(fā)電機系統(tǒng)介紹

該感應發(fā)電機采用籠型轉子，定子上有兩套五相繞組：一套是五相整距集中控制繞組，接有五相勵磁變換器以調節(jié)勵磁無功，保證負載變化時輸出電壓穩(wěn)定；另一套為五相整距集中功率繞組，接有五相不控整流橋，輸出直流電能。該發(fā)電系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 五相雙繞組感應電機結構Fig.1 Schematic diagram of five phase double winding induction motor

雙繞組感應發(fā)電機的優(yōu)點在于控制繞組和功率繞組之間僅通過電機內的磁場耦合，在電氣上沒有直接的連接,兩套繞組將有功和無功分開，工作相對獨立，克服了單繞組發(fā)電機輸出電能受到開關信號影響而下降的缺點，供電品質顯著提高。另外，感應發(fā)電機的相數由三相擴大到五相后，可以通過非正弦勵磁和容錯控制進一步提高發(fā)電機的功率密度和可靠性。

2 勵磁控制系統(tǒng)硬件設計

勵磁控制器為發(fā)電機提供不同工作狀態(tài)下所需的勵磁無功。而要實現對勵磁的控制，就需要知道發(fā)電系統(tǒng)中的狀態(tài)信息，比如相電流、母線電壓等。為此，設計一套完成勵磁控制器軟件和硬件，包括以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為基礎的五相橋主電路、采樣調理電路、驅動電路、故障保護電路、控制電路等部分。該勵磁控制系統(tǒng)的結構如圖2所示。

圖2 勵磁控制系統(tǒng)結構Fig.2 Schematic diagram of excitation control system

2.1 五相IGBT橋

五相IGBT橋中的每個橋臂都可以工作在導通與截止狀態(tài)。在合適的控制策略下，通過控制這兩種工作狀態(tài)的快速切換可以改變控制繞組中的勵磁電流實現發(fā)電機的勵磁控制。該系統(tǒng)包含2個型號為PM100PLA060的三相IGBT智能功率模塊(IPM)，另有輔助勵磁電容，輔助電源等。該部分結構如圖3所示。

圖3 IGBT模塊結構Fig.3 Schematic diagram of IGBT modular structure

由于電機采用五相繞組，故在硬件設計中采用了2個三相模塊相結合的方式，利用其中的五相連接控制側繞組，剩余一相作為備用，一方面是為了故障運行做準備，提高系統(tǒng)容錯能力，另一方面也是因為三相IGBT模塊應用較為廣泛，技術也比較成熟。

2.2 采樣調理電路

該控制系統(tǒng)采用反饋控制的方式，故需要檢測母線電壓、母線電流、四相電流(五相電流對稱，檢測四相即可)，通過這些物理量的變化來實現反饋控制。其中采樣調理電路如圖4所示。

圖4 采樣調理電路Fig.4 Sampling conditioning circuit

為了提高采樣的精確度，該系統(tǒng)采用霍爾元件進行采樣。調理電路將霍爾元件的副邊電壓轉化到數字信號處理器所能處理的電壓信號。

母線電壓采樣使用VSM025A的電壓霍爾,該型號原邊輸入電流約10 mA，母線電壓為270 V，故采用30 kΩ標稱電阻。相電流采用CSM100LT電流霍爾采樣,其最大副邊電流為50 mA，相電流采樣電路中R1取標稱值82,通過R1將副邊電流信號變成5 V以下的電壓信號。VSM025A的最大副邊電流為25 mA,則母線電壓采樣電路中R1取200 Ω。

霍爾傳感器的副邊電流信號iin通過采樣電阻R1轉換成電壓信號uin，通過由TL084構成的電壓跟隨器輸送至A/D調理電路。由于數字信號處理器(DSP)的A/D輸入端只能接受0到3 V的電壓信號，因此傳感器輸出的交流信號需經過電平抬升。通過MC33172構成的運放電路，取參考電壓uref=5 V,則送入DSP的A/D輸入端的電壓信號uo為:

(1)

R6與C1組成低通濾波電路用于消除高于采樣頻率的高頻噪聲，提高采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度。其他電阻的阻值根據式(1)計算得到。

2.3 驅動電路

控制信號經過驅動電路的放大才能實現控制IGBT模塊工作狀態(tài)的功能。該電路由HCPL4504光電耦合器、2N3904三極管和相關電阻電容等組成，實現了脈寬調制技術(PWM)弱電信號與IGBT功率電路的電氣隔離，以保證DSP控制系統(tǒng)的安全性。該驅動電路如圖5所示。

圖5 IPM驅動電路Fig.5 IPM drive circuit

當輸入PWM端為高電平時，三極管Q1導通，光電耦合器初級截止，次級輸出15 V加到IGBT門極，IGBT導通；當PWM端為低電平時，三極管Q1關斷，光電耦合器初級導通，次級輸出0 V，IGBT截止。其中Fo是IPM故障保護信號。

2.4 故障保護電路

為保證勵磁變換器及整個發(fā)電系統(tǒng)可靠工作，勵磁控制系統(tǒng)中需要設計故障保護電路，以免過大的電流或電壓損壞試驗平臺。該系統(tǒng)的故障保護電路如圖6所示。

圖6 故障保護電路Fig.6 Protection circuit

保護電路由絕對值電路和比較電路構成，電壓跟隨器輸出的電壓信號經過由TL084運算放大器和2個1N4148二極管構成的絕對值電路進行整流，整流后的電壓信號送入LM293構成的比較器，通過比較采樣電壓或者電流轉化得到的信號電平與閾值電壓比較來實現過壓和過流信號檢測。檢測后得到的故障保護信號經過光電耦合器PC817產生作用。光電耦合器件使得信號電流和功率電流之間沒有直接的電氣連接，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。R5與C1構成低通濾波器，用于消除高頻信號干擾。

2.5 突加/突卸負載控制電路

為探究該勵磁控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，實驗中有突加/突卸負載的動態(tài)特性測試。由于實驗所用發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓較高(270 V)，若采用機械開關進行負載的硬切換，在開關閉合或導通瞬間可能產生較大電流甚至電火花，存在安全隱患，故設計了突加/突卸負載的軟開關，結構如圖7所示。該部分電路也用到了IGBT模塊,工作方式與五相IGBT橋類似。

圖7 加卸負載控制電路Fig.7 Load/offload control circuit

3 實驗

為驗證該勵磁控制器硬件系統(tǒng)的可行性與可靠性，在搭建的實驗平臺上進行了驗證。實際電路如圖8所示。

圖8 勵磁變換器實物Fig.8 Physical map of excitation converter

雙五相繞組感應發(fā)電機的參數如下：額定轉速1500 r/min，額定功率為5 kW，極對數為2，功率繞組與控制繞組的匝數比為2∶1，控制繞組電阻為0.19 Ω，功率繞組電阻為0.45 Ω，激磁電感為10.05 mH，直流母線電壓為270 V。該發(fā)電系統(tǒng)采用控制繞組磁鏈定向的控制策略：功率側整流輸出電壓和控制側直流母線電壓分別與各自參考電壓進行比較，其誤差信號經調節(jié)后得到控制繞組的等效d軸與q軸給定電流，再經坐標變換后得到控制繞組的各相給定電流。通過給定電流與實際電流的比較得到開關控制信號來改變控制繞組的勵磁無功。

實驗過程中先打開原動機拖動發(fā)電機，轉速穩(wěn)定后觸發(fā)DSP，使系統(tǒng)進入閉環(huán)控制的工作狀態(tài)完成建壓過程。建壓過程中的系統(tǒng)各參數波形如圖9所示。

圖9 建壓過程Fig.9 Establishing voltage process

實驗數據表明在該勵磁系統(tǒng)的控制下，發(fā)電機建壓平穩(wěn)迅速，超調量小。穩(wěn)態(tài)實驗結果如圖10所示。

圖10 穩(wěn)態(tài)運行Fig.10 Stable condition

當電機帶額定5 kW負載時，電機控制繞組相電壓波形為正弦波，輸出電流約為21 A，直流母線電壓穩(wěn)定在270 V左右。實驗結果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

4 結語

本文對應用于五相雙繞組感應發(fā)電機的勵磁控制系統(tǒng)的硬件設計與實現進行了研究，包括主電路、驅動電路、數學信號處理電路、采樣調理電路、保護電路等。該勵磁控制系統(tǒng)基于母線電壓、相電流等狀態(tài)參數，按照控制繞組磁鏈定向的控制策略來調節(jié)控制繞組中的勵磁電流，實現發(fā)電機的勵磁調節(jié)。通過樣機實驗結果證明了該勵磁控制系統(tǒng)能夠使感應發(fā)電機平穩(wěn)起動，并具有良好的穩(wěn)態(tài)運行特性，能夠滿足五相雙繞組感應發(fā)電機勵磁控制的需要。

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潘子昊

潘子昊(1996 —)，男，江蘇蘇州人，本科，電氣工程及其自動化專業(yè)；

王思齊(1996 —)，男，山東青島人，本科，電氣工程及其自動化專業(yè)；

蔣志鵬(1996 —)，男，江蘇蘇州人，本科，電氣工程及其自動化專業(yè)；

張喆軒(1997 —)，男，江蘇蘇州人，本科，電氣工程及其自動化專業(yè)；

卜飛飛(1984 —)，男，博士，副教授，研究方向為航空電源、風力發(fā)電、電力電子與電力傳動。

(編輯 劉曉燕)

Hardware Design and Realization of Excitation Control System forFive-phase Dual Stator Winding Induction Generator

PAN Zihao，WANG Siqi，JIANG Zhipeng，ZHANG Zhexuan，BU Feifei

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106, China)

This paper mainly studies the hardware design and realization of excitation control system on the five-phase dual stator winding induction generator. This generator has basket winding and there are two types of five-phase winding on its stator: one type is control winding that is connected with excitation converter; the other is power winding which can provide direct electrical power after rectification. Excitation converter consists main circuit based on IGBT modular, drive circuit, digital signal calculation circuit, sampling conditioning circuit, protection circuit and so on. Excitation controller provides generator with changeable excitation reactive power to control the excitation of generator, realizing the control of output voltage.

dual winding induction generator; five-phase; excitation control; hardware design

2016-12-29；

2017-03-01

國家自然科學基金青年基金項目(51507079)；中國博士后科學基金特別資助項目(2016T90454)；2016國家級大學生創(chuàng)新訓練項目(2016CX00303)

TM346.2

A

2096-3203(2017)03-0017-05