kzsny2014-0679-无刷双馈风力发电系统双空间矢量调制矩阵变换器励磁控制(退改1)(修改1)

1、无刷双馈风力发电系统双空间矢量调制矩阵变换器励磁控制陈林1，杨俊华 1，王秋晶2，冯小峰3，吴捷3（1.广东工业大学自动化学院，广东广州，510006；2.信阳供电公司，河南信阳，464000，3.华南理工大学电力学院，广东广州，510641）摘 要：矩阵变换器具有低频性能好、功率因数可调节、四象限运行等特点，以矩阵变换器为无刷双馈风力发电机的励磁控制器，可建立交流励磁变速恒频风力发电系统。采用双空间间接矢量控制策略控制矩阵变换器输出电流的幅值、频率、相位，从而调节发电机控制绕组电流的幅值、频率、相位，实现无刷双馈风力发电系统的变速恒频运行及功率因数控制。采用C语言编写数字信号处理器控制系统软

2、件程序，实现双空间间接矢量调制策略，复杂可编程逻辑器件实现四步换流和产生双向开关矩阵控制信号。通过试验室搭建的一套实际风力发电机组试验平台进行了相关试验，试验结果验证了控制方案的有效性。关键词：矩阵变换器；无刷双馈发电机；交流励磁，变速恒频；双空间矢量中图分类号：TM301.2 TP273 文献标识码：AControl of the matrix converter with double space vector modulation for brushless doubly-fed wind generator systemChen Lin 1， Yang Jun-hua 1，Wang Q

3、iu-jing2， Feng Xiao-feng3，Wu Jie3（ 1.Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006；2.Xinyang grid company，Xinyang，464000；3.South China University of Technology ）Abstract： The matrix converter（MC） can provide prefect low frequency performance， controllable input power factor， and four-quadrant

4、 operation. In order to achieve the variable-speed constant-frequency（VSCF） wind power generation system， the MC was selected as a exciting controller for a brushless doubly-fed generator（BDFG）. The amplitude， frequency and phase of current of the control windings of the BDFG were changed by regulat

5、ing the amplitude， frequency and phase of output current of the MC with double space vector modulation. Consequently， the VSCF operational mode and power factor of the generation system were controlled by the MC. The PWM drive signals were provided to the bi-direction switches of MC by DSP with doub

6、le space-vector algorithm and by CPLD with four-step commutation. Basing on a practical prototype of wind power generation experimental platform， some experimentally studies had been made. As a result， the validity of control strategy was verified with the conclusions of the experiments.Key words： m

7、atrix converter； brushless doubly-fed generator； ac-exited； variable-speed constant-frequency； double space-vector0 引言 基金资助项目: 国家自然科学基金资助项目 (51307025,51377026 5,5177050); 广东省高等学校科技创新项目(2013KJCX0059);广东省自然科学基金资助项目 (S2012040007895) ; 广东高校优秀青年创新人才培养计划项目资助 (2012LYM_0052);广东省教育厅专项重点实验室 (IDSYS200701)This

8、work is supported by the National Natural Science Found-ation of China (51377026), Key Laboratory of Education Department of Guangdong Province (IDSYS200701), the Natural Science Foundation of Guangdong Province under Grant (S20 12040007895).无刷双馈发电机（BDFG）的功率绕组与电网直接连接，而控制绕组与变换器相连接，通过改变控制绕组的励磁电源频率可调节电

9、机转速，进而对发电机机功率绕组输出电流频率进行调节1，2。相较于普通双馈电机，无刷双馈电机无滑环和电刷3，结构简单稳固，适合复杂的工作环境，且控制绕组回路的功率由转差功率决定，其功率仅约为发电机额定输出功率的1/3左右，因此提供双向励磁的功率变换器容量可大为减小，变换器所占成本大幅度降低4，5。矩阵变换器（MC）是一种直接交-交变换器，无中间储能环节，体积小，传输能量密度大，能量可双向流动，易于维护，可与风力发电机集成一体化设计6-8。因此，对在MC励磁的BDFG风力发电系统中，进行研究，综合利用两种设备的优点具有积极意义。交流励磁变速恒频发电技术是一种主流的高效发电方式9：机组可根据风速情况

10、变速运行，能量转换效率高。目前，双PWM变换器与双馈电机相结合的风力发电方式已得到长足发展7，10，11，但MC与BDFG相结合的风力发电方式仍未得到商业应用。为此，文献12建立了MC励磁的BDFG仿真运行模型，采用反向传播神经网实现BDFG的解耦控制，但该算法易出现局部极值问题，使得训练失败，且未进行试验验证研究；文献13采用CPLD、， DSP构建了矩阵变换器试验励磁系统，并将模型参考自适应控制策略用于电压闭环控制，提高系统稳定性，但该文未研究超同步运行时的控制效果；文献14搭建了MC励磁BDFG风力发电系统，仅考虑系统简化数学模型设计电流内外环控制器，复杂工况运行时稳定性不高。该本文建立

11、了以MC作为励磁电源的BDFG风力发电试验平台，采用双PWM间接矢量控制策略，通过DSP与CPLD控制MC的输出电压，实现系统变速恒频运行；当BDFG运行在亚同步状态时，电功率通过矩阵变换器从电网流入电机的控制绕组；当电机运行在同步或超同步状态时，控制绕组通过矩阵变换器向电网回馈转差功率。试验结果表明，MC的输入输出特性良好，在超同步或亚同步情况下均可有效控制BDFG输出电压。1 基于MC励磁的变速恒频风力发电系统基于MC励磁的BDFG变速恒频风力发电系统如图1所示。该系统主要由矩阵变换器、无刷双馈发电机、齿轮箱、风轮等部分构成。BDFG的功率绕组直接与电网相连，控制绕组与MC的输出端相连。B

12、DFG向电网馈送的功率由两部组成：功率绕组输出功率；通过MC输出或者输入的功率15。图1MC励磁的BDFG变速恒频风力发电系统Fig.1 BDFG VSCF wind power generation system based on MCBDFG通过齿轮箱与风叶轮相连，当风叶轮转速发生变化后，传感器将转速信号送达送至DSP+ CPLD控制平台，通过控制该平台实时控制矩阵变换器的输出的电流频率，进而改变励磁电流频率，保证功率绕组输出电压频率稳定，从而实现变速恒频发电。无论发电机运行于亚同步还是超同步工况，利用矩阵变换器各开关的双向功能，使控制绕组可进行能量的双向流动。实际的试验平台中，风叶轮和齿

13、轮箱的运行工况，由变频器ABBACS800控制三相异步电机来模拟。通过三相异步电机来驱动BDFG发电。2 BDFG理论2.1 BDFG数学模型dq旋转坐标下的BDFG状态方程为16 ： （1） （2） （3）式中，：udp，uqp，udc，uqc， idp，iqp，idc，iqc电压电流的瞬时值，下标d、q、p、c分别代表直、交轴功率、控制绕组；udp，uqp，udc，uqc， idp，iqp，idc，iqc代表电压电流的瞬时值；rp，rc，Lp，Lc分别为功率绕组和控制绕组的电阻和电感，；Lm为控制绕组和功率绕组之间的互感，；s-定子电压角频率，；p-微分算子，；J-转动惯量，；k-阻尼系数

14、，；TL-负载转矩，；pp-功率绕组极对数，；pc-控制绕组极对数，；-电机转速。2.2 BDFG变速恒频发电分析根据无刷双馈电机的基本理论13，存在： （4）fm为转子机械频率，fp为功率绕组电流频率，与电网频率相同，fc为控制绕组电流频率， pp，pc代表意义式（3）相同。整理式（4），可得到： （5）式（5）中，BDFG在亚同步运行状态，取“+”号；超同步运行时，取“”号。根据风速变化，按式（5）调节控制绕组的励磁频率fc，可保证定子输出恒频电压。3 矩阵变换器的双空间间接矢量调制控制策略常用的三相交-交MC主电路拓扑结构如图2所示。其中Sij（i=A、B、C；j=a、b、c）为双向可控

15、开关；Lf、Cf为滤波电感、电容。基于虚拟直流环节思想，可将矩阵变换器等效为由虚拟整流器和虚拟逆变器串联而成的交-直-交结构18，如图3所示。间接控制矢量调制策略就是将虚拟整流器、虚拟逆变器及矢量控制三者的结合；其中，UPN视为逆变环节的直流母线电压。图2 MC拓扑图Fig.2 Topology of MC图3 MC等效结构拓扑Fig.3 Equivalent topology of MC（图中变量含义未说明）为便于分析，可将逆变环节看作由直流电源供电的逆变器17，即UPN=Udc。采用180o导电方式，即任一时刻均保持有三个开关管导通，共有8种开关状态，其中6种可产生非零输出电压，2种产生零

16、输出电压。定义输出线电压的空间矢量UOL为： （6）式中：UAB，UBC，UCA为输出瞬时线电压瞬时值。按此定义，8种开关状态就可以在复平面上产生8个不连续的电压矢量，其中有两个零矢量。用U0，U7表示，如图4所示，称为电压开关状态矢量，其模为Udc。（语句不通顺，希望理清顺序）修改后顺序：式中：UAB，UBC，UCA为输出线电压瞬时值。如图4所示，8种开关状态分别为Um(m=0，1，7)，其中U0与U7为零矢量，其模值为Udc。 （a）输出电压空间矢量六边形 （b） 输出线电压矢量合成图4 虚拟逆变器输出线电压空间矢量调制Fig.4 Voltage space vector diagram图

17、4（a）中U1（p，n，n）表示输出矢量U1是由输出线A与正直流母线相连，B、C与负直流母线相连（即图3中开关SPA、SNB、SNC导通）。其他开关矢量以此类推。图4（b）中，sv为输出线电压矢量UOL在当前扇区中的位置。UOL可由相邻两矢量合成，开关作用时间（即占空比d、d和dov）为： （7）式中，：mv是输出线电压调制系数，0mv= （Uom）/ Udc1，Ts为采样时间。T、T为开关作用时间。整流器输入电流空间矢量调制与逆变器输出电压空间矢量调制相类似。根据设定的输入电压电流相位差i和检测到的输入相电压空间矢量UiPh，可确定期望的输入相电流空间矢量。UiPh定义为：。 （8）由此，可

18、确定期望的输入相电流空间矢量如图5所示。 （a）输入电流空间矢量六边形 （b） 输入相电流矢量合成图5 虚拟整流器输入相电流空间矢量调制Fig.5 current space vector diagram将图3中整流部分看成独立直流电源，且令ip=Idc。改变输入相位差i可调节输入功率因数。开关作用时间（即占空比d、d和doc）表示为： （9）式中，mc表示输入相电流空间矢量调制系数，0mc1。T、T、Toc分别为i、i和i0在一个采样周期中的作用时间。结合虚拟整流器和虚拟逆变器的空间矢量调制：在每个采样周期内，开关的5种状态：T、T、T、T、T0，由输出线电压矢量和输入相电流矢量合成组合而来

19、，分别由开关矢量i、i、U、U和零矢量决定。开关占空比由式（7、9）计算而来： （10）式中，：m（=mmc）为矩阵变换器空间矢量系数，0m 1。为减少开关频率附近产生的高频谐波，在一个周期内采用9段开关对称排列方法：d0。图6 MC输入电压和输入电流同相位时仿真图Fig.6 Simulation result of input voltage and current of MC in the same phase case图7 MC输出电压和输出电流仿真图Fig.7 Simulation result of output voltage and current of MC图8 MC输入电压和

20、输入电流反相位时仿真图Fig.8 Simulation result of input voltage and current of MC in the opposed phase case运用Matlab仿真工具，验证控制策略可行性。设定输出频率为40Hz。仿真结果表明在双空间矢量控制策略下，MC输入、输出电流正弦，输出电压频率稳定。同时，双空间矢量间接调制能够实现输入电流相位差的任意控制，通过改变输入功率因数角，实现输入电压、电流相位差的改变。如图6两者同相位，图8反相位。这两个仿真结果验证了MC励磁BDFG时，实现能量双向流动理论上是可行的。4 矩阵变换器控制系统软件设计矩阵变换器系统控

21、制软件如图9所示，主要包括DSP与CPLD控制软件两部分。4.1 DSP控制软件设计DSP控制系统软件采用C语言编写，实现双空间间接矢量调制策略。本着模块化设计、子程序思想，该控制系统软件部分主要包括初始化程序，周期中断子程序，循环主程序；程序流程图如图9所示。AD8364由DSP2407通用定时器控制，每周期采样输入相电压，利用采样所得相电压，从而对输入电压扇区进行判断，最后查表得到输出电压期望值的大小和扇区，计算出5路PWM脉冲、3路输入相电流扇区编码信号和3路输出线电压编码信号，送至CPLD。（a）主程序框图 （b）中断子程序框图图9 DSP控制软件框图Fig.9 Flow chart

22、control software of DSP4.2 CPLD控制软件设计CPLD主要实现译码DSP生成的扇区编码信号、双向开关四步换流和生成双向开关驱动信号。所建试验系统应用EPM7128AETC100-10 CPLD芯片，应用Altera集成电路描述语言VHDL编写程序，实现译码和双向开关四步换流控制策略。DSP送至CPLD的PWM脉冲信号设为P1、P2、P3、P4。CPLD译码得到的扇区信号为：输入扇区号：I1I6，输出扇区号：U1U6。对P1P4信号进行逻辑处理：P1 XOR P1， P= P1 XOR P2 ，P= P2 XOR P3，P= P3 XOR P4。T0=P4。其中P、P

23、、P、P分别为T、T、T、T中的1/2。将MC等效变换的双向开关对应关系、开关脉冲、输入输出扇区信号和9段开关调制顺序，可导出MC双向开关的状态逻辑运算为： （11）SAb、SBa、SBb、SCa、SCb的状态逻辑运算公式也容易推导出来。SAa、SAb通过或非运算得到SAc信号。SBa、SBb通过或非运算得到SBc信号。SCa、SCb通过或非运算得到SCc信号。SAa、SAb、SAc分别接到图10中的S1、S2和S3。其他6个双向开关同样方法接另外两个四步换流模块中的S1、S2和S3。电路如图10，可实现与一相输出线相连的三个双向开关之间的四步换流。图中S1、S2和S3分别为三个双向开关的开关

24、信号输入端，高、低电平表示开通、关断。CS代表电流方向信号的输入端，S1p代表第一个开关正向开关信号接入端，S1n代表第一个开关的负向开关信号的接入端，其它以上述方式类推。CK是决定四步换流中每一步的时间长短的时钟信号。因换流问题只存在于同一输出线相连的三个双向开关之间，因此用三个这样的电路即可对三相到三相的矩阵变换器进行四步换流。所有四步换流后的输出信号都要逻辑与上一个。信号为1表示MC正常工作，CPLD正常输出18路开关信号，反之封锁CPLD输出开关导通信号。kl7;；7；7、6、989， 图10 四步换流逻辑电路Fig. 10 Logic circuit of four steps co

25、mmutation545 试验结果为验证矩阵变换器励磁无刷双馈风力发电机的方案的可行性，利用试验室已有的风力发电机组试验平台进行试验。试验时通过ABB的ACS800控制三相异步电机转子转速模拟风叶轮特性，驱动BDFG发电，试验主要进行了亚同步和超同步的发电试验。BDFG的控制绕组与功率绕组的极对数之比为4：1。亚同步时，通过ACS800控制机组转速为540rpm；超同步时，转速为660rpm，测量稳态时各项试验量。图10（a）、图11（a）分别为亚同步发电状态和超同步状态时，MC励磁电流频率为5Hz。该结果表明MC实现了BDFG超同步亚同步交流励磁。图10（b）、图11（b）分别为无刷双馈电机

26、亚同步和超同步时，功率绕组输出电流频率同为50Hz，且输出波形正弦，实现了变速恒频发电。图10（c）为亚同步状态时，矩阵变换器的输入电压和输入电流波形，单位功率因数输入，输入电压和输入电流同相位，表明无刷双馈电机通过MC从电源吸收功率，控制绕组能量从电网传输到BDFG。图11（c）为超同步状态时，矩阵变换器的输入电压和输入电流波形。输入电压和输入电流反相，说明控制绕组通过MC向电网传输能量。图10（c）和图11（c）验证了MC能量双向流动性。（a） 控制绕组电压、电流（b） 功率绕组电流（c） 矩阵变换器输入电压、输入电流图10 亚同步发电结果图Fig.10 The consequence o

27、f sub-synchronous（a） 控制绕组电压、电流（b） 功率绕组电流（c） MC输入电压、输入电流图11 超同步发电结果图Fig.11 The consequence of super-synchronous试验结果表明：在同步速上下运行，MC与BDFG相结合的风力发电系统均能在不同工况下实现变速恒频发电，且输入输出特性较好。6 结论基于MC来构建BDFG风力发电系统，运用双空间间接矢量控制算法和四步换流策略控制MC，准确地输出期望频率的励磁电流。通过调节期望电流的频率，就可以满足BDFG励磁要求，实现不同工况下变速恒频风力发电。在已搭建的试验平台， BDFG运行于亚同步和超同步时

28、，进行了MC励磁BDFG的试验，试验结果验证了控制方案的有效性。参考文献（References）：1邓先明，姜建国.无刷双馈电机的工作原理及电磁设计J.中国电机工程学报，2003，23（11）：126-132deng Xian-ming，Jiang Jian-guo.The princinple and electromagnetic design of brushless doubly-fed machineJ.Proceedings of the CSEE，2003， 23（11）：126-1322Abdi E.， McMahon R.， Malliband P.，et al. Perfo

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