双馈风力发电机控制方法的分析研究

1、第25卷󰀁第4期2010年8月󰀁󰀁󰀁电力学报JOURNALOFELECTRICPOWER󰀁Vol.25No.4󰀁Aug.2010文章编号:󰀁1005-6548(2010)04-0298-05双馈风力发电机控制方法的分析研究张󰀁猛,陶彩霞,许杰田,周󰀁通(兰州交通大学自动化与电气工程学院,兰州730070)摘󰀁要:首先详细研究了风力发电系统中双馈电机的基本原理,在此基础上分析了双馈风力发电机的矢量控制和直接转矩控制两种控制方法。着重分析了

2、两种控制方法的控制原理、控制过程。并根据两种控制方法的控制原理和控制过程得出双馈风力发电系统的矢量控制和直接转矩控制的控制原理图。最后对所研究分析的两种方法的优缺点进行比较。提出了该领域目前存在的一些问题。为该领域的研究提供借鉴。关键词:双馈电机;矢量控制;直接转矩控制;风力发电系统中图分类号:TM614󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁在能源消耗日益增长、环境污染日渐严重的今天,在对可再生能源的开发利用中,风能由于其突出的优点而成为世界各国普遍重视的能源,风力发电技术也成为各国学者竟相研究的热点。本文主要对当今世界风能应用

3、技术中相对成熟的双馈发电机进行矢量控制和直接转矩控制方法的研究比较分析。或者2220-j󰀁22j(󰀁-󰀁-󰀁)2I2=e+e.Z2z2z2I2=󰀁󰀁󰀁󰀁(2)20-j󰀁2-j(󰀁+󰀁)2.se-U*2ez22;z2(3)式中:󰀁2=arccosU*2=2;E201󰀁双馈发电机的基本原理在风力发电系统中将双馈电机定子接到工频电网上,转子接到四象限变频器上,使定转子同时馈电,所以称该电机为双馈

4、电机1。根据双馈电机本身的结构,当转子采用三相对称绕组,且通三相交流电流励磁时,就相当于转子施加电压的绕线式异步电机,所以我们参照异步电机的等效电路的分析方法,将转子侧各物理量折算到定子侧进行分析。最后得到双馈风力发电机的等效电路图如1所示:Z2=R2+jsX2;󰀁z2=2+sX2.现在将式(3)展开,可以得到转子电流的有功分量I2p和无功分量I2q:I2p=I2q20*scos󰀁2-U2cos(󰀁+󰀁2);z2(4)20*=-jssin󰀁2-U2sin(󰀁+󰀁2).z2♦

5、41;󰀁由转子电流的有功分量求出双馈风力发电机的电磁转矩,得:T=CTE20I2P.(5)󰀁󰀁由式(5)可得知,双馈风力发电机的电磁转矩与转子电流的有功分量I2p成正比,同时有功功率也可以由I2p确定。而转子电流的无功分量I2q决定输入图1󰀁双馈电机等效电路到转子回路的无功功率,从而影响到定子侧的无功功率。(1)由等效电路可以得出方程式如下:E2+U2e因此转子电流为:󰀁j(󰀁-󰀁)=I2Z2.󰀁2󰀁双馈风力发电机的控制双馈风力发电机的结构类似于绕线性

6、感应电*收稿日期:2010-02-05作者简介:张󰀁猛(1986-),男,山东聊城人,硕士研究生,主要研究方向为电力电子应用及其控制技术,(E-mail)zhangmenglzjd󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张󰀁猛等:双馈风力发电机控制方法的分析研究299机,在运行范围内,调节转子侧三相励磁电压、电流的频率、幅值、相位、相序,保证定子侧恒频恒压输出2。结

7、构如下图2所示:图3󰀁d-q轴系定子磁场定向矢量图主要是实现对有功功率和无功功率的灵活控制。下面主要采用矢量控制来实现对发电机有功和无功的解耦控制。图2󰀁双馈发电机变速恒频发电方式2.1󰀁双馈风电系统的矢量控制双馈风力发电系统的矢量控制目前在国内外已经研究的相当成熟了。由双馈电机的静态数学模型可以看出双馈电机行为特性的数学模型是一组非线性,时变系统的微分方程组。为了解脱定转子间的非线性耦合关系,必须借助于坐标变换。坐标变换的过程参考文献3。一般情况下不论是工作在电动或者发电的工况下电机始终在工频50Hz下运行,所以采用定子绕组磁链定向,矢量控制系

8、统变得更简单些。根据双馈风力发电机的动态方程和磁场定向矢量控制的约束条件:󰀁1d=󰀁1;󰀁1q=0.其中󰀁1为定子综合磁链。假如忽略定子绕组电阻压降,可得:1=-L1i1d+Lmi2d;󰀁发电机定子侧的有功功率P和无功功率Q以d-q轴系变量表示为:P=u1di1d+u1qi1q;Q=u1qi1d+u1di1q.将(8)代入式(10)可得:P=u1qi1q=-U1i1q;Q=u1qi1d=-U1i1d.(11)(10)由式(11)可知,如果对风力发电机的功率进行控制只需对i1q、i1d进行调节就可以。而由公式(7)可

9、知,i2d=(12)1i2q=i1q.Lm所以由上式可知,根据定子电流的有功分量和无功分量来计算出转子电流的有功分量和无功分量,通过其来实现对风力发电机的功率的控制。由上面的分析可以得出基于定子磁场定向的矢量控制框图如图4所示。整个控制系统包含了两个PI闭环。内环是在11i1d-;Lm1m(6)0=-L1i1q+Lmi2q;u1d=p󰀁1;u1q=󰀁1󰀁1.(7)得到转子电流命令后,对转子电流做闭环控制。外环对给定的有功无功命令做闭环控制,是实现有功无功控制和坐标变换的部分。通过两个闭环的电压和电流反馈作用,这样既可以计算出双馈风力发电机的有功功

10、率和无功功率,而且还可以判断出定子磁通方向。通过大量仿真实验表明:该种控制策略可以将有功功率和无功功率分别独立的控制,而且还可以完全的解耦,功率因数可调,响应快。式中L1,Lm为定子自感、定转子间互感;p为微分算子;󰀁1为电机同步角速度。在忽略定子电阻的情况下,在d-q坐标系下,有下列关系:u1d=0;u1q=-U1.由(7)和(8)可以得到p󰀁1=0;󰀁1=1=const.󰀁1Lm(9)(8)2󰀁2󰀁双馈风电系统的直接转矩控制自从1985年德国鲁尔大学的Depen-brock教授提出直接转矩控制理

11、论以来。直接转矩控制以其本身独特的优点在电机中的应用有了迅速的发展,20世纪90年代国外的学者开始研究变速恒频风电系统的直接转矩控制。在国内,沈阳工业大学风能技术研究所也开始做变速恒频风电系统的直接转矩控制研究,目前还处于试验阶段。根据双馈电机的动态数学模型可以得出电机转4在电网频率󰀁1恒定的条件下,保持电压U1为恒定值即可实现发电机的定子磁场定向控制。定子磁场定向矢量控制矢量图如图3。在风力发电系统中功率的控制是是很重要的,300矩的基本方程式为:mT=p(󰀁s󰀁󰀁r)=2LsLr-Lmmps|󰀁r|sin

12、83041;,|󰀁2LsLr-Lm电力学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第25卷󰀁T󰀁|󰀁s|󰀁r|sin󰀁.L󰀁2(12)图4󰀁基于定子磁场定向的矢量控制框图其中:Ls=L1l

13、+L1m;Lr=L2l+L2m;Lm=L1m+L2m=212󰀁LsLr-Lm;󰀁为转子磁链与定子磁链之2M;L=Lm󰀁r为例当转子电压与圆弧切线顺时针大致相同时,转子磁链延S5顺时针运动,这时󰀁r,󰀁s的夹角变大,双馈电机的转矩变大,反之则转子磁链延S5逆时针运动,转矩变小。不过在这个过程中转子电压变化频率比较高,控制相对复杂。但与六边形磁链控制相比效果比较好,可以减少转矩脉动等优点。间的夹角,即磁通角。将所测得的转子电压和转子电流经过3/2坐标变换可以求得:T=(󰀁r󰀁irb

14、3041;-󰀁r󰀁ir󰀁).L22(13)由上面可知直接转矩控制就是通过控制定子磁链、转子磁链来控制电机转矩的,由式(12)可知在定子磁链和转子磁链都保持不变的情况下,只需改变两者之间的夹角即磁通角,就可以改变电机的转矩。在双馈电机直接转矩控制中转子磁链的模型一般采用u-i模型,i-n模型和u-n模型5,在这里我们利用的是u-n型,它的表达式为:0=Rri+p󰀁r-j󰀁r󰀁r;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图5󰀁转子电压与磁

15、链空间矢量关系在上图5中,我们假设双馈电机沿着逆时针方向旋转,当所在风比较大的环境下时,桨叶将产生比较大的转矩,此时转子所产生的电磁转矩也相应的增大,通过改变相应的电压矢量使转子磁链沿着顺时针方向旋转,这样󰀁r,󰀁s的夹角变大,双馈电机的转矩变大,当处于风小的环境时,作用在双馈电机上的转矩变小,转子所产生的电磁转矩也随之变小,根据上图可施加相应的电压矢量,使转子磁链沿着逆时针方向旋转,这样󰀁r,󰀁s的夹角变小,电磁转矩也󰀁s=Li+Lmir;󰀁r=Li+Li.由上式可得u-n模型的数学表达式为:&#

16、983041;󰀁mrp󰀁r=s-󰀁󰀁(LsLr-Lm)󰀁srr+j󰀁󰀁r;󰀁󰀁󰀁(LsLr-Lm)󰀁ms󰀁rr󰀁ss󰀁(14)(15)随之变小。本文所讨论的双馈电机的直接转矩控制技术采用的磁链轨迹近似圆形的控制方案6,该方案通过实时计算电机转矩和磁链的误差,结合电机转子磁链的空间位置来对相应的开关电压矢量进行选择的。具体的直接转矩控制的原理框图如下图6所示。󰀁

17、;r(t)=󰀁(ur(t)-Rrir(t)dt.转子电压与转子矢量关系如下图5所示。由图5可见,(100)(101)为6个非零转子电压矢量均匀分布于d-q平面,相差60󰀁,把d-q平面均匀的划分为S1S6六个扇区,而且幅值相等。而(000)(111)为2个0电压矢量。位于圆形磁链的中心。以3󰀁小结󰀁第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁张♦

18、41;猛等:双馈风力发电机控制方法的分析研究301上面两部分分别对双馈风力发电机的最常用的矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC)进行了分析可以看出两者都采用对矩(转速)和磁链分别控制。但两者在控制性能上各有千秋,VC系统强调Te和󰀁r的解耦,有利于分别设计转速和磁链调节器;实行连续控制,这样可以获得较宽的调速范围,但此时的󰀁r定向受双馈电机转子参数的影响,降低了系统的鲁棒性。而DTC系统则采用的是砰-砰控制,避开了旋转坐标换,控制结构简单,但是不可避免的产生转矩脉动等。所以目前该领域有待解决的问题是:󰀁如何提高矢量控制的鲁棒性问题;♦

19、41;如何提高直接转矩控制的低速性能问题等。所以,双馈风力发电系统更优越的控制性能的研究是个很有意义的研究方向。图6󰀁双馈电机直接转矩控制系统原理图󰀁󰀁参考文献:1󰀁姚兴佳,井艳军,王文卓,等.双馈风力发电机直接转矩控制的研究J.沈阳工业大学学报,2006,28(6):671-674.2󰀁RICHARDSONRD,MCNEMEYGM.WindEnergySystemsJ.IEEE,1993,8l(3):378-389.3󰀁田铭兴,励庆孚,王曙鸿.交流电机坐标变换理论的研究J.西安交通大学学报,200

20、2,36(6):568-572.4󰀁李夙.异步电动机直接转矩控制M.北京:机械工业出版社,2001.5󰀁ARNALTES,BURGOSJC,RODRIGUEZAJL.DirectTorqueControlofaDoublyFedInductionGeneratorforVariableSpeedWindTurbinesJ.ElectricPowerComponentsandSystems,2002,30(2):199-217.6󰀁DOMENICOC,GIOVANNIS,ANGELOT,ImplementationofaDirectTorqueCo

21、ntrolAlgorithmforInductionMotorsBasedonDiscreteSpaceVectorModulationJ.IEEETransactionsOnPowerElectronics,2000,15(4):769-777.302电力学报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁第25卷

22、83041;ResearchofControlMethodsforDoubly-fedWindGeneratorZHANGMeng,TAOCa-ixia,XUJie-tian,ZHOUTong(SchoolofAutomationandElectricalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)Abstract:Inthispaper,thebasicprincipleofdouble-fedmotorinthewindpowergenerationsystemhasbeenstudied.Inthisbased,tw

23、okindsofcontrolmethodsofdouble-fedwindgeneratorvectorcontrolanddirecttorquecontrolhavebeenanalysised.Focusedonanalysisofcontroltheo-ryandprocessofthistwokindsofcontrolmethods.Thenaccordingtocontroltheoryandprocess,wecouldgetthecontrolprincipledrawingsofdouble-fedwindgeneratorvectorcontrolanddirectto

24、rquecontrol.Finally,wecomparetheadvantagesanddisadvantagesofthetwometh-ods.Atthesametimeweputforwardtheexistingproblemsinthisarea,itcanlaythefoundationforthefutureresearchinthisarea.Keywords:double-fedmotor;vectorcontrol;DirectTorqueControl;windenergygenerationsystem责任编辑:张勇强(上接第297页)APEXHighPowerOperationalAmplifierRealizedbyControlledReactorXIONGYuan-xin,XUDong-hui,WANGYun(Dept.ofElectricalEnginee