多重电枢绕组混合励磁风力发电系统

1、多重电枢绕组混合励磁风力发电系统并联运行并网控制策略Control Strategy of parallel Grid-connected inverter for Multiple Armature-winding Hybrid-excitation Generator in wind power generation system上海大学 汤燕燕，阮毅，杨勇，叶斌英 Email: tyyasami摘要：为了提高系统的可靠性和容错能力，针对多重电枢混合励磁发电机，提出了一种多重电枢直流侧电压关联运行的控制方案。详细分析了单套逆变器数学模型和控制策略，运用CAN 通讯和上位机控制，实现多重逆变

2、器并联运行并网，实验结果与理论分析结果相吻合。ABSTRACT: The paper proposes a novel control strategy that can make the DC voltage flexibly run in parallel based on the multiple armature-winding hybrid-excitation generator (MAHEG, which makes the system more reliable and more robust. The mathematical model and the control s

3、trategy for the grid-connected inverter is described and grid-connecting is realized via the CAN communication by the computer. The experimental results agree with the theoretical analyses.关键词：多重电枢绕组混合励磁发电机；并联；数学模型；控制策略KEY WORDS: MAHEG ; in parallel ; mathematical model; control strategy1 引言随着环境与发展的

4、时代问题的提出，绿色能源的研究与发展越来越收到关注，风力发电在未来的能源结构中将占有越来越重的地位。 混合励磁，也称组合励磁或复合励磁，它结合了电励磁电机和永磁电机的优点，在保持电机较高效率的提前下，改变电机的拓扑结构，由两种励磁源共同产生电机主磁场，实现电机的主磁场调节和控制，改善电机调速、驱动性能或调压特性的一类新型电机。在风力发电、电动汽车、航空航空等领域有着良好的应用前景。由于混合励磁电机研究处在研发阶段，国内外文献关于混合励磁的风力发电系统的报道相当少。混合励磁的风力发电系统的研究在起步阶段，开展对混合励磁的风力发电系统的研究，具有重要意义。 为了最大限度捕捉风能，提高风力发电系统的

5、市场竞争力，以低成本、高可靠性、高容错、高性价比为目标，上海大学提出了多重电枢绕组混合励磁风力发电系统。额定运行下，通过调节励磁电流的大小调整发电机输出合适的电压以配合电网侧逆变器的正常工作；低速运行下，多重电枢并联运行以提高风能利用率和确保系统发电量；正常运行下，可以选择单套个别运行和多套全部投入运行；故障发生时，可撤去故障电枢单元进行检修，维持发电系统持续运行。下文将具体介绍多重电枢绕组混合励磁发电系统以及风力逆变器的数学模型和控制策略，并将以实验波形验证理论分析。2 多重电枢绕组混合励磁风力发电系统多重电枢绕组混合励磁风力发电系统的结构框图，见图1。用小容量副励磁机混合励磁调节装置代替大

6、容量的主回路直流调节装置，有效地降低成本，提高系统效率；采用多重电枢的可灵活调节的单元串、并联运行方式，降低电力电子器件直接并联的难度，扩展风力发电系统的风能捕捉和低速运行范围，又提高系统的容错能力；采用多极少槽的混合励磁同步发电机直接驱动，避免使用故障率很高的减速齿轮箱，提高了系统的可靠性。多重电枢绕组混合励磁风力发电系统的控制框图，见图2。风力发电系统的控制环节主要有：1）电网侧电流控制：根据电网的电压矢量，实时控制风力发电系统输出电流的有功分量和无功分量。有功分量作为内环，实际上控制了同步发电机的转矩；而无功电流则控制系统的功率因数。将给定电流分配给图2所示各控制单元实施电流闭环控制，并

7、有效抑制电流的谐波分量。2）直流侧电压控制：根据转速的变化控制同步发电机励磁电流，以维持足够的直流电压，保证PWM 逆变器正常工作。 图1多重电枢绕组混合励磁风力发电系统Fig.1 Wind-power System with Multiple Armature-windingsand Hybrid Excitation图2风力发电系统控制策略 Fig.2 Control Strategy of Wind-power System3 并网逆变器数学模型和控制策略3.1 并网逆变器的数学模型 三相电压型的并网逆变器的拓扑结构如图3所示，其中A i 、B i 、C i 为并网逆变器输出电流，A u

8、 、B u 、C u 为并网逆变器输出电压，A e 、B e 、C e 分别为三相电网电压，L 、R 为连接并网逆变器与电网的电感和电阻。 AB C图3 三相电压型的并网逆变器Fig.3 Three-phase voltage source of grid-connected inverter设三相电网电压为：cos( cos(2/3 cos(2/3A B C e E t e E t e E t =+ （1）其中E 为相电压的峰值，为电网角频率。在三相静止坐标系abc 中有：1001010001A A A AB B B B C C C C di dt i u e di R i u e dt L

9、 L i u e di dt =+（2）坐标变换从三相静止ABC 坐标系变到两相静止坐标系（等匝数变换）如下：111cos 22sin 0A B C e e t e e t e =（3） 由（2）和（3）可得：1Ri e e Ri =（4） 通过从两相静止坐标系到两相旋转dq 坐标系变换，旋转坐标系的同步旋转频率为，则可得：cos sin sin cos d q e e t t e e t t =（5）由式（4）和式（5）得到：cos sin cos sin sin cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin cos d q e e u t t t t e

10、e u t t t t di L Ri t t t t dt Ri di t t t t L dt =（6） 1cos sin cos sin sin cos sin cos d q d d d d d q q q q q q d u t t t t d L u t t t t dt i i u i i i d R L R L i i u i i i dt =+（7）则d d d d q q q q q d u i i e i d L R L u i i e i dt =+ （8）3.2 并网逆变器的控制策略图4 空间矢量图Fig.4 Space Vectors采用电网电压矢量定向控制，将同步

11、旋转dq 坐标系的d 轴定向于电网电压合成矢量sE方向上，q 轴超前d 轴090，空间矢量图如图2所示，sE 为电网电压合成矢量，sU 为并网逆变器输出电压合成矢量，sI 为并网逆变器输出电流合成矢量，LV 为电感电压的合成矢量，为功率因数角。则dt=为s E 与轴的夹角。因此可得：d sqe Ee=（9）其中sE 为电网电压合成矢量的幅值。将式（9）代入由式（8）整理得到：dd d s qqq q ddiL Ri u E LidtdiL Ri u Lidt+=+=（10）令''d d s qq q du u E Liu u Li=+=（11）代入式（11）得：'

12、9;dd dqq qdiL Ri udtdiL Ri udt+=+=（12）实现了有功电流di 和无功电流qi 解耦控制。为了使输出电流快速跟踪给定电流，采用电流PI 调节器实现闭环控制。PI 调节器输出为：' *' *( ( (d p d d d diq p q q q qiu K i i K i i dtu K i i K i i dt=+=+（13）根据式（11）解得并网逆变器d 轴电压和q 轴电压给定：*'*'d s q dq d qu E Li uu Li u=+=+（14）并网逆变器的控制系统如图5所示，按照图1电流所标的参考方向（发电机惯例），当d

13、i 为正，q i 为零时，功率因数为15，仅向电网发送有功功率；当di 为正，qi 为负时，同时向电网发送有功功率和无功功率。改变di 和qi ，可以控制输出的能量和功率因数。 ee图5 并网逆变控制系统Fig.5 the control of the grid-connected inverter4 并联运行并网逆变实验为了验证该控制策略的可行性和并网逆变器的性能，研制了基于英飞凌公司DSP 芯片(XC167CI的实验平台，整个系统由两块XC167CI 芯片来实现，分别控制上、下套并网逆变器，两块DSP 通过CAN 与电脑进行通讯，由上位机软件统一控制。并网逆变实验分两部分：第一步为单套逆变

14、运行，第二步为并联逆变运行。 图6 多重电枢风力发电系统结构图Fig.6 Diagram of the System 图7 上位机界面Fig.7 Interface of the upper station4.1 单套逆变实验图8,图9分别为0q i =和0q i 两种情况下电流给定突变的系统电流响应图。可以看出系统动态响应快、波形正弦度好、系统性能良好，电流有功分量和电流无功分量能够很好的解耦控制，实现并网逆变器的能量传输和功率因数可调控制，为下一步并联逆变运行奠定了良好的基础。d 轴电流给定 图8 A相电压和电流的实验波形(PF=1Fig.8 Waveform of A phase vol

15、tage and current (PF=1图9 A相电压和电流的实验波形(PF1Fig.9 Waveform of A phase voltage and current(PF14.2 并联逆变实验图10,图11分别两套并联运行下(1两套都为有功电流给定(2一套有功电流给定一套无功电流给定情况下的系统电流响应图。可以看出波形正弦度好、系统性能良好，谐波分量较小，实现了并联并网运行。图10 两套A 相电流的实验波形(都为有功 Fig.9 Waveform of A phase currents(two passive图11 两套A 相电流的实验波形(一套有功一套无功Fig.9 Waveform

16、 of A phase currents(one passive, one negtive5 结论本文针对多重电枢混合励磁发电机，提出一种多重电枢直流侧电压关联并网的控制方案，根据并网逆变器的数学模型，采用空间矢量脉宽调制(SVPWM方式和电网电压合成矢量定向的控制策略，实现有功功率和无功功率的解耦控制。为了提高并网逆变器的可靠性和抗电网电压波动，同时进一步降低并网逆变器的成本，通过分析多种电网电压合成矢量定向的方法，正在研究并验证一种基于软件锁相环的电网电压实时检测的电网电压合成矢量定向方法和基于虚拟磁链的电网电压合成矢量定向方法。以后将会陆续给出该控制策略和实验结果。致 谢十分感谢台达电力

17、电子科教发展基金对此项目的重点支持！参 考 文 献1 Amara Y, Lucidarme J, Gabsi M. A new topology of hybrid synchronous machineJ. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(5: 1273-1281.2 Fan Ying, Chau K T, Cheng Ming. A new three-phase doubly salient permanent magnet machine for wind power generationJ. IEEE Tran

18、sactions on Industry Applications, 2006, 42(1: 53-60.3 Holtz, J. Pulsewidth modulation for electronic power conversionC. Proceeding of the IEEE.1994,82(8:1194-1214.4 Chinchilla M, Arnaltes S, Burgos J C. Control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected t

19、o the gridJ. IEEE Transactions on Energy conversion,2006,21(1:130-135.5 尹明, 李庚银, 张建成等. 直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略J. 电网技术，2007，31(15:61-65YIN Ming1,LI Geng-yin, ZHANG Jian-cheng et al. Modeling and Control Strategies of Directly Driven Wind Turbine with Permanent Magnet Synchronous GeneratorJ. Power Syste

20、m Technology，2007，30(15：61-65(in Chinese.6 黄苏融, 张琪, 谢国栋, 阮毅. 混合励磁隔离磁路径，中国发明专利，专利号：2008100323624，2008.S.Huang, Q.Zhang, W.Hong, Y.Yuan. Hybrid ExcitationMachine with Isolated Magnetic Path, ChineseInvention Patent, patent No：2008100323624, 2008(inchinese.7 Blasko, V.; Kaura, V. A new mathematical model andcontrol of a three-phase AC-DC voltage sourceconverterJ. IEEE Transactions on PowerElectronics,1997,12(1:116-123.8 Malinowski M, Kazmierkowski M P， TrzynadlowskiA M. A comparative study of contro