船舶軸帶BDFG并網(wǎng)控制及其鎖相環(huán)

高國章， 張 帆， 高 嵐

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 武漢 430063)

隨著節(jié)能減排成為目前航運業(yè)的重要目標(biāo)之一，各大造船企業(yè)和船舶科研單位都在研究船舶節(jié)能和提高經(jīng)濟性的方法。軸帶發(fā)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(dāng)前船舶電站節(jié)能最重要的方式。[1]無刷雙饋發(fā)電機(Brushless Doubly-Fed Generator, BDFG)相較于傳統(tǒng)的有刷電機取消了電刷和滑環(huán)等裝置，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠等優(yōu)點,目前其主要應(yīng)用于變頻調(diào)速、風(fēng)力發(fā)電和船舶發(fā)電等領(lǐng)域中,也是現(xiàn)今船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)主要的研究方向之一。

針對BDFG的研究，文獻[2]對目前國內(nèi)BDFG的發(fā)展歷程、定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、控制策略及發(fā)展與應(yīng)用前景進行整體概述。目前，對于BDFG的控制主要分為獨立發(fā)電控制與并網(wǎng)控制。BDFG作為獨立發(fā)電系統(tǒng)時，已有大多數(shù)學(xué)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(fā)電系統(tǒng)的控制進行仿真分析，結(jié)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(wěn)定性。文獻[4]提出一種BDFG獨立發(fā)電系統(tǒng)的勵磁控制策略，并對其進行具體的試驗驗證，結(jié)果表明BDFG在原動機轉(zhuǎn)速變化時，仍能保持穩(wěn)定的輸出電壓和頻率。

BDFG并網(wǎng)控制的研究多在于風(fēng)力發(fā)電場合與船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)中。由于風(fēng)力發(fā)電機的特殊性，發(fā)電機一般處于長期并網(wǎng)運行狀態(tài)，發(fā)電機輸出電壓受到電網(wǎng)電壓鉗制[5]，其控制目標(biāo)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(yù)測直接功率控制的方法，該方法能夠快速地實現(xiàn)并網(wǎng)雙饋風(fēng)機的有功、無功功率的控制。對于船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)而言，由于其特殊的工作環(huán)境，需經(jīng)常對軸帶發(fā)電機與船舶電網(wǎng)進行并網(wǎng)操作。目前,對于傳統(tǒng)的同步發(fā)電機的并網(wǎng)控制已有較多的研究。文獻[9]針對船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)獨網(wǎng)與并網(wǎng)控制兩種控制模式提出可實現(xiàn)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(fā)電系統(tǒng)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(jié)合的控制方法，以此來實現(xiàn)對BDFG獨立運行的控制。文獻[11]提出BDFG在獨立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電模式下的控制策略，但主要針對獨立發(fā)電模式下的控制，并未對并網(wǎng)進行深入研究。文獻[12]針對BDFG的優(yōu)勢，提出將其運用于船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)中，并提出基于BDFG的獨立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電兩種運行方式的控制方法。

但是，目前基于軸帶BDFG并網(wǎng)控制的研究較少且大多數(shù)是對于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。因此，本文根據(jù)船舶軸帶發(fā)電機并網(wǎng)的條件，采用電壓矢量控制的方法對無刷雙饋電機發(fā)電電壓與頻率進行控制以達到與電網(wǎng)電壓一致。同時，利用并網(wǎng)鎖相環(huán)對電網(wǎng)相位進行跟蹤進而控制發(fā)電機電壓相位與電網(wǎng)相位一致，實現(xiàn)軸帶BDFG并網(wǎng)控制。并用MATLAB/Simulink進行建模仿真，試驗結(jié)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(shù)學(xué)模型

1.1 BDFG運行原理

隨著BDFG研究不斷發(fā)展和完善，BDFG在傳統(tǒng)交流發(fā)電機的基礎(chǔ)上取消電刷和滑環(huán)等裝置，同時在結(jié)構(gòu)上定子繞組采用兩對極對數(shù)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(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)變頻器與電網(wǎng)連接，并輸入頻率為fc的控制電流，功率繞組直接與電網(wǎng)連接并向電網(wǎng)輸送頻率fp的電流。根據(jù)文獻 [13]可得，BDFG的轉(zhuǎn)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(shù)。當(dāng)無刷雙饋發(fā)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(zhuǎn)速也會發(fā)生變化,從而導(dǎo)致無刷雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速nr改變引起發(fā)電頻率發(fā)生改變。但是，在無刷雙饋發(fā)電機發(fā)電并網(wǎng)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(dǎo)為

(2)

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

1.2 BDFG數(shù)學(xué)模型

由于BDFG復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電磁關(guān)系，其數(shù)學(xué)模型相比于同步發(fā)電機更為復(fù)雜。以采用轉(zhuǎn)子速d-q坐標(biāo)系下的BDFG數(shù)學(xué)模型[14]為

(3)

磁鏈方程為

(4)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Tem=ppLsp(iqpidr-idpiqr)+

pcLsc(iqcidr-idciqr)

(5)

式(3)～式(5)中：下標(biāo)d和q分別為在Odq坐標(biāo)系下的d軸與q軸的分量；下標(biāo)s和r分別為定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)；下標(biāo)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(shù)；udsp、uqsp、udsc、uqsc、udr、uqr分別為BDFG在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下定轉(zhuǎn)子繞組對應(yīng)的相電壓值；idp、iqp、idc、iqc、idr、iqr為電流值；Rsp、Rsc、Rr分別為定轉(zhuǎn)子各繞組的電阻值；Lsp、Lsc、Lr分別為定轉(zhuǎn)子各繞組的自感；Mpr、Mcr分別為功率繞組、控制繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的互感；Ψ為電壓磁鏈。

2 軸帶BDFG并網(wǎng)控制

2.1 BDFG并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

船舶軸帶無刷雙饋發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要分為船舶主機、軸帶無刷雙饋發(fā)電機及船舶負載等3個部分，其拓撲結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 并網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

船舶主機穩(wěn)定運行后通過齒輪箱帶動軸帶BDFG轉(zhuǎn)動，BDFG定子繞組中功率繞組末端直接與船舶電網(wǎng)通過一個合閘開關(guān)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(wǎng)相連。軸帶BDFG啟動時，由雙PWM之間的交流輸入經(jīng)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(wěn)定運行且功率繞組端向電網(wǎng)供電后，控制繞組端的勵磁電流便由電網(wǎng)端經(jīng)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(wǎng)并網(wǎng)運行以節(jié)省柴油發(fā)電機的消耗。但是，軸帶BDFG并入電網(wǎng)將會對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊使得電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。因此，并網(wǎng)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(wǎng)一致。根據(jù)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(fā)電并網(wǎng)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(fā)電的控制。根據(jù)BDFG的原理，結(jié)合定子電壓矢量控制的方法，以電網(wǎng)電壓的頻率與幅值為基準(zhǔn)，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(jù)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(zhuǎn)Odq坐標(biāo)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(jù)控制目標(biāo)令功率繞組的目標(biāo)值與電網(wǎng)電壓一致，則控制繞組電壓的矢量值為us，則存在的電壓關(guān)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(fā)電機并網(wǎng)時還需要求電壓相位與電網(wǎng)一致，才能夠使BDFG順利并入船舶電網(wǎng)，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(wǎng)過程中，鎖相環(huán)就是通過監(jiān)測電網(wǎng)電壓來保證逆變器輸出的電壓的相位及頻率與電網(wǎng)保持一致的閉環(huán)控制系統(tǒng)。[16]對于電壓的相位控制引入一個鎖相環(huán)來監(jiān)測船舶電網(wǎng)電壓以保證BDFG功率繞組輸出電壓相位與其一致。

鎖相環(huán)的基本工作原理矢量圖見圖3，將三相電壓ua、ub、uc轉(zhuǎn)換到靜止Oαβ坐標(biāo)系下，再由靜止的αβ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)的Odq坐標(biāo)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(biāo)系以一定的速度旋轉(zhuǎn)后便形成旋轉(zhuǎn)Odq坐標(biāo)系，Oαβ坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)Odq坐標(biāo)系的夾角為θ*。其鎖相環(huán)控制框圖見圖4。

圖3 坐標(biāo)變換矢量圖

鎖相環(huán)將監(jiān)測到的船舶電網(wǎng)三相電壓ua、ub、uc通過坐標(biāo)變換后得到同步旋轉(zhuǎn)Odq坐標(biāo)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(diào)節(jié)使其迅速達到零。ω0的給定值為電網(wǎng)電壓的標(biāo)準(zhǔn)值50 Hz，再經(jīng)過一個積分環(huán)節(jié)得到電網(wǎng)電壓的相位θ*。根據(jù)電網(wǎng)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(wǎng)電壓相位，達到并網(wǎng)條件。根據(jù)電機轉(zhuǎn)速、控制繞組與功率繞組的關(guān)系式

圖4 鎖相環(huán)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(wǎng)所提出的控制方法的可行性，根據(jù)所建立的BDFG數(shù)學(xué)模型及控制方法，在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中搭建船舶軸帶BDFG并網(wǎng)控制的仿真模型。其中電機采用2/4極對數(shù)64 kW的BDFG，其轉(zhuǎn)動慣量為0.03 kg/m2。所選取的BDFG主要仿真參數(shù)設(shè)定見表1。然后對傳統(tǒng)標(biāo)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(shù)設(shè)定

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

3.1 BDFG發(fā)電仿真分析

3.1.1標(biāo)量控制仿真

為驗證控制方法的優(yōu)勢，首先在Simulink搭建標(biāo)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(biāo)量控制仿真結(jié)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(nèi)波動，且不穩(wěn)定；圖6b中所示的由鎖相環(huán)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(wǎng)并網(wǎng)的要求。

3.1.2定子電壓矢量控制仿真

根據(jù)上述分析，在MATLAB/Simulink中建立BDFG鎖相環(huán)的仿真模型和定子電壓矢量控制仿真模型。首先對電網(wǎng)電壓平衡時進行監(jiān)測，電網(wǎng)線電壓的有效值為311 V，頻率為50 Hz。仿真結(jié)果見圖7，圖7a、7c、7e分別為電網(wǎng)電壓的幅值相位和頻率，圖7b、7d、7f分別對應(yīng)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(wǎng)穩(wěn)定的情況下，鎖相環(huán)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測到電網(wǎng)電壓頻率與相位，并且定子電壓矢量控制方法穩(wěn)定。

a)電網(wǎng)電壓曲線

b)BDFG電壓曲線

c)電網(wǎng)電壓頻率曲線

d)BDFG電壓頻率曲線

e)電網(wǎng)電壓相位

f)BDFG電壓相位曲線圖7 矢量控制電網(wǎng)電壓仿真結(jié)果

3.2 BDFG轉(zhuǎn)速突變仿真

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

BDFG轉(zhuǎn)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(jié)果見圖9。DBFG在約0.5 s電壓的幅值與頻率趨于穩(wěn)定并一直保持。在2.0 s轉(zhuǎn)速突變時，由9a和9b可知，BDFG功率繞組輸出電壓出現(xiàn)約5 V的小幅度波動；由9c可知，電壓的頻率也出現(xiàn)小幅度的波動，但波動在允許的范圍內(nèi)，經(jīng)過約0.1 s后又恢復(fù)為穩(wěn)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(wěn)定。從圖9e所示的控制繞組電流信號的幅值可看出在轉(zhuǎn)速突變時，電流幅值基本保持穩(wěn)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(wěn)定，其變化也滿足式(1)中的函數(shù)關(guān)系式。

3.3 BDFG并網(wǎng)仿真分析

根據(jù)上述分析，BDFG在穩(wěn)定發(fā)電狀態(tài)下和轉(zhuǎn)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(wǎng)保持同步，在其達到并網(wǎng)的條件后，進行軸帶BDFG與船舶電網(wǎng)并網(wǎng)的仿真試驗。

BDFG并網(wǎng)仿真曲線見圖10，虛線為BDFG A相電壓，實線為船舶電網(wǎng)A相電壓。當(dāng)BDFG功率繞組電壓頻率和幅值與電網(wǎng)一致時，相位不斷接近電網(wǎng)相位。在1.5 s時發(fā)出并網(wǎng)信號，電機電壓相位不斷接近電網(wǎng)相位。在約2.0 s電壓相位實現(xiàn)同步，軸帶無刷雙饋成功并入船舶電網(wǎng)，且能夠迅速穩(wěn)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(jié)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(zhuǎn)速突變仿真結(jié)果

圖10 BDFG并網(wǎng)仿真曲線

4 結(jié)束語

基于BDFG的優(yōu)點，將其運用于船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)，并與船舶電網(wǎng)并網(wǎng)為船舶提供電能。根據(jù)軸帶發(fā)電機并網(wǎng)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(wǎng)鎖相環(huán)的優(yōu)點實時監(jiān)測電網(wǎng)相位，并對發(fā)電機的相位進行控制以達到與電網(wǎng)同步。在Simulink環(huán)境中進行仿真試驗來驗證該控制方法的可行性。仿真結(jié)果表明：該方法可完成軸帶BDFG的發(fā)電和與船舶并網(wǎng)運行的控制。