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    無刷雙饋發(fā)電機不依賴參數(shù)的矢量控制策略

    2018-05-16 07:43:52段琦瑋
    自動化儀表 2018年5期
    關鍵詞:雙饋磁鏈繞組

    段琦瑋,劉 石,龍 騰

    (1.華北電力大學能源動力與機械工程學院,北京 102206;2.劍橋大學工程系,劍橋 CB21TN)

    0 引言

    無刷雙饋電機(brushless doubly fed machine,BDFM)具有兩套獨立、極對數(shù)不相同的定子繞組:功率繞組(power windings,PW)直接與電網(wǎng)連接,控制繞組(control windings,CW)接雙向變流器,既可以作為變頻調(diào)速電動機又可以作為風力發(fā)電機[1-4]。

    Poza等首次提出了基于功率繞組磁鏈定向的矢量控制策略,但是需要采用電機的電阻參數(shù)來計算磁鏈位置角[5-10]。Kostyantyn等人簡化了控制系統(tǒng),但是需依賴電機參數(shù)進行準確計算。Farhad提出了電壓定向的矢量控制策略,實現(xiàn)了無刷雙饋發(fā)電機(brushless doubly-fed generator,BDFM)的轉速控制,但缺少無功功率的控制同時存在交叉耦合。

    本文通過對BDFM的統(tǒng)一矢量模型的研究,提出了一種不依賴電機參數(shù)的矢量控制策略。該控制策略首次提出了通過控制控制繞組的d軸和q軸電壓分量來分別控制無刷雙饋發(fā)電機的有功功率和無功功率。

    1 統(tǒng)一矢量模型方程

    BDFM功率繞組電壓定向的統(tǒng)一矢量模型的電壓、磁鏈、轉矩方程如下:

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    根據(jù)定子電壓定向坐標系的原理可知:

    (5)

    (6)

    由BDFM的磁鏈方程(2)得到的電流矢量表達式如下:

    (7)

    根據(jù)式(2)、式(6)和式(7),得:

    (8)

    2 功率控制器設計

    2.1 功率控制原理

    BDFG的功率表達式如下式所示:

    (9)

    將式(5)代入式(9),得式(10):

    (10)

    由式(10)可知,BDFG的有功功率和無功功率可由功率繞組的d軸和q軸電流分別來控制。

    2.2 控制繞組電流矢量表達式

    由式(5)、式(7)和式(8)可得:

    (11)

    由式(11)可得:

    (12)

    2.3 控制繞組電壓矢量表達式

    2.4 功率控制系統(tǒng)

    由式(10)、式(12)可得:

    (13)

    圖1 矢量功率控制系統(tǒng)圖Fig.1 Power windings voltage directional vector control system

    3 試驗研究

    3.1 轉速變化試驗

    當有功功率給定值為-6 kW、無功功率給定值為0、給定轉矩為120 N·m時,轉速給定值在720 r/min(超同步運行)和480 r/min(亞同步運行)變化時的試驗波形如圖2所示。

    圖2 轉速變化時的試驗波形Fig.2 Experimental waves of the speed variation

    3.2 功率變化試驗

    電機拖動轉速為超同步速為650 r/min、給定轉矩為150 N.m時,有功功率和無功功率階躍變化時的試驗波形如圖3所示。有功功率參考值設定:1.5~1.8 s為-8 000 W,1.8~2.5 s為-2 000 W,2.5~4.5 s為-8 000 W。無功功率參考值設定:1.5~3 s為-2 000 var,3~4 s為500 var,4~4.5s為2 000 var。

    如圖3(b)和圖3(d)所示,控制策略可以控制有功功率和無功功率快速跟隨給定值的變化,同時可以控制功率繞組吸收或輸出無功功率。由此可以看出,有功功率控制環(huán)和無功功率控制環(huán)之間的交叉耦合影響由于加入了補償模塊而減小,但并未完全消除。其原因是統(tǒng)一矢量模型沒有考慮電機鐵芯飽和,并且忽略了兩定子之間實際會存在的直接耦合作用。為了使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定,試驗中的補償系數(shù)取值較小。

    圖3 功率變化時的試驗波形Fig.3 Experimental waves of the power variation

    4 結束語

    本文在無刷雙饋發(fā)電機的統(tǒng)一矢量模型的基礎上,提出了具有有功功率控制環(huán)和無功功率控制環(huán)的、不依賴電機參數(shù)的矢量控制系統(tǒng),并給出了詳細的理論推導??刂撇呗栽跓o刷雙饋發(fā)電試驗平臺上進行了試驗研究。試驗結果表明了所提出的功率控制策略在不需要電機參數(shù)的前提下,依然可以達到良好的控制效果和解耦效果。

    參考文獻:

    [1] WANG X,LIN H.DC-link current estimation for load-side converter of brushless doubly-fed generator in the current feed-forward control[J].IET Power Electronics,2016,9(8):1703-1710.

    [2] MCMAHON R A,ROBERTS P C,WANG X.Performance of BDFM as generator and motor[J].Electric Power Applications,IEEE Proceedings,2006,153(2):289-299.

    [3] SHAO S,ABDI E,BARATI F.Stator-flux-oriented vector control for brushless doubly fed induction generator[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(10):4220-4228.

    [4] POZA J,OYARBIDE E,ROYE D.Unified reference frame dq model of the brushless doubly fed machine[J].Electric Power Applications in Proceedings,2006,153(5):726-734.

    [5] POZA J,OYARBIDE E,SARASOLA I.Vector control design and experimental evaluation for the brushless doubly fed machine[J].Iet Electric Power Applications,2009,3(4):247-256.

    [6] Kostyantyn P,XU D,Modeling and control of brushless doubly-fed induction generators in wind energy applications[J] IEEE Transactions on Power Electronics,2008,23(3):529-535.

    [7] BARATI F,MCMAHON R,SHAO S.Generalized vector control for brushless doubly fed machines with nested-loop rotor[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(6):2477 - 2485.

    [8] BARATI F,SHAO S,ABDI E.Generalized vector model for the brushless doubly-fed machine with a nested-loop rotor[J].IEEE Transactions on,Industrial Electronics,2011,58(6):2313-2321.

    [9] 段琦瑋,劉石,龍騰.統(tǒng)一矢量模型的無刷雙饋電機的轉速控制[J].自動化儀表,2017,38(6):1-5.

    [10]ADEMI S,JOVANOVIC M G.Vector control methods for brushless doubly fed reluctance machines[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(1):96-104.

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