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(廣西大學(xué),電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)
隨著傳統(tǒng)化石燃料的耗盡和環(huán)境污染問題日益突出,人們將目光投向可再生的新能源發(fā)電機(jī)技術(shù)。在眾多的可再生能源發(fā)電技術(shù)中,風(fēng)力發(fā)電因其技術(shù)成熟、成本較低和大規(guī)模開發(fā)利用的優(yōu)勢成為新能源發(fā)展最快、最具有競爭力的發(fā)電技術(shù)[1]。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也經(jīng)歷了三個時期的改變,在早期使用最多的是定速型鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng),其定子繞組直接和電網(wǎng)連接對電網(wǎng)干擾較大且發(fā)電效率較低;目前,市場安裝最多風(fēng)力發(fā)電機(jī)為變速的雙饋異步發(fā)電機(jī),其調(diào)速范圍有限且定子繞組和電網(wǎng)直接相連不利于低電壓穿越控制;為了改進(jìn)以上兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的不足,新一代全變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生,有效提高了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率和低電壓穿越性能[2]。在全變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,主要使用永磁同步發(fā)電機(jī)和鼠籠異步發(fā)電機(jī),相比于永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī),鼠籠異步發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單牢固、體積小、維護(hù)及運(yùn)行成本低、無永磁體退磁的隱患等特點,在數(shù)千千瓦功率等級的風(fēng)力發(fā)電運(yùn)用中,使用鼠籠異步發(fā)電機(jī)是一個值得考慮的方案[2-4]。已有文獻(xiàn)[3-6]對鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[5-6]針對鼠籠異步發(fā)電機(jī)雙PWM變流器系統(tǒng)采用矢量控制進(jìn)行了實驗研究,但矢量控制需要較多的電機(jī)參數(shù)且電機(jī)參數(shù)容易發(fā)生變化,降低了系統(tǒng)的魯棒性。文獻(xiàn)[3]針對鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)三電平變流器系統(tǒng)提出了直接轉(zhuǎn)矩控制,但只進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[4]提出一種鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制策略,此算法結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且需要較多的電機(jī)參數(shù)。
針對上述問題,本文對全變速鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雙PWM變流系統(tǒng),提出發(fā)電機(jī)側(cè)變流器基于SVPWM的直接轉(zhuǎn)矩控制策略,降低控制算法對發(fā)電機(jī)參數(shù)的過度依賴,提高發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的響應(yīng)速度;電網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向的控制策略,將發(fā)電輸出電能并入電網(wǎng)。最后,通過實驗驗證了所提控制策略的正確性與有效性。
圖1 全變速鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
全變速鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,風(fēng)力機(jī)通過齒輪箱變速后連接鼠籠異步發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)的定子端口經(jīng)過兩個電壓型PWM變流器連接至電網(wǎng)。在由兩個電壓型的PWM變流器構(gòu)成的“背靠背”結(jié)構(gòu),發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間固有隔離,使得整個系統(tǒng)控制具有很好的靈活性。由于鼠籠異步發(fā)電機(jī)沒有勵磁裝置,不能獨立建壓發(fā)電機(jī),機(jī)側(cè)變流器的主要功能是為發(fā)電機(jī)提供勵磁控制以及調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其追蹤最大的風(fēng)能;電網(wǎng)側(cè)逆變器主要作用是穩(wěn)定中間直流電容兩端的電壓,并將發(fā)電輸出電能并入大電網(wǎng)。
按電動機(jī)慣例建立鼠籠異步發(fā)電機(jī)在αβ坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型為[9]:
(1)
(2)
(3)
上式中urα,urβ表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓在α,β軸上的分量;usα,usβ表示發(fā)電機(jī)定子電壓在α,β軸上的分量。isα,isβ表示電機(jī)定子電流在α,β軸上的分量,irα,irβ表示發(fā)電機(jī)定子電流在α,β軸上的分量。ψrα,ψrβ表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈在α,β軸上的分量,ψsα,ψsβ表示發(fā)電機(jī)定子磁鏈在α,β軸上的分量。ωr表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度,示電磁轉(zhuǎn)矩。
齒輪箱的作用,風(fēng)輪機(jī)和鼠籠異步發(fā)電機(jī)的動態(tài)關(guān)系可由下面的表達(dá)式反映:
(4)
式中J表示發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量;Tmech表示風(fēng)力機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩。
基于SVPWM的鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略框圖如圖2所示,直接對發(fā)電機(jī)定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制,不涉及電流內(nèi)環(huán)控制加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。相比與傳統(tǒng)基于滯環(huán)比較器和開關(guān)表的直接轉(zhuǎn)矩控制,本文采用基于SVPWM的控制策略能夠有效降低轉(zhuǎn)矩和磁鏈的脈動。
圖2 發(fā)電側(cè)變流器控制框圖
由機(jī)側(cè)變流器控制占空比信號da、db、dc和直流側(cè)電壓計算出發(fā)電機(jī)定子電壓如下:
(5)
定子電壓和定子電流經(jīng)過3/2變換后可得得到usα、usβ、isα、isβ,從而計算出定子磁鏈:
(6)
進(jìn)一步可得發(fā)電機(jī)定子磁鏈的幅值和角度:
(7)
在由(6)式計算發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈時,需要對反電勢交流信號進(jìn)行積分運(yùn)算,工程上通常采用一階低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié),其截止頻率通常固定不變而發(fā)電機(jī)發(fā)電勢信號是頻率變化的交變信號,采用階低通濾波器將造成發(fā)電機(jī)低速時磁鏈的幅值和相位偏移。為此,本采用工程化變頻自適應(yīng)磁鏈觀測器器其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 變頻自適應(yīng)定子磁鏈觀測器
圖3中,k變頻濾波增益,根據(jù)工程經(jīng)驗本文取0.1。其中發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩指令可由可由最大功率追蹤原理求得[4]:
(8)
發(fā)電機(jī)側(cè)變流器的主要為鼠籠異步發(fā)電機(jī)提供勵磁和控制發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使其滿足“最佳轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩曲線”使其捕獲最大的風(fēng)能。網(wǎng)側(cè)逆變主要控制直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定,并將發(fā)電機(jī)輸出電能并入電網(wǎng),并根據(jù)電網(wǎng)的調(diào)度指令調(diào)節(jié)功率因數(shù)。并網(wǎng)逆變器的性能也決定著全變速鼠籠異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的性能。網(wǎng)側(cè)變流器通常采用電網(wǎng)電壓定向控制策略,以下從逆變數(shù)學(xué)模型分析其原理。
dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型為:
(9)
式中igd、igq為三相逆變器電流在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的分量,ugd、ugq為電網(wǎng)電源在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的分量,sd、sq為開關(guān)信號在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系的分量,ωg為同步旋轉(zhuǎn)角速度,udo、uqo表示逆變器端口電壓在dq坐標(biāo)系的分量。
將并網(wǎng)逆變器電流在dq坐標(biāo)系的d軸和電網(wǎng)電壓矢量重合,q軸電流將滯后于d軸90°。定義電網(wǎng)電壓矢量方向為有功方向,則在d軸分量igd為純有功分量,q軸電流分量igd為純有功分量。并有如下約束條件:
(10)
并網(wǎng)逆變器dq坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型(9)進(jìn)一步可寫成:
(11)
由瞬時功率理論得逆變器的瞬時有功、無功功率為:
(12)
將(10)代入上式,進(jìn)一步可得瞬時功率的表達(dá)式為:
(13)
圖4 網(wǎng)側(cè)逆變控制框圖
為驗證控制策略的正確性與有效性在實驗室搭建鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)實驗平臺,用一臺2.2kW的永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動變頻器系統(tǒng)模擬風(fēng)力機(jī)拖動2.2kW的鼠籠異步發(fā)電機(jī),由兩臺7.5kW的電壓型變流器構(gòu)成“背靠背”變流系統(tǒng)連接發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)。其中兩臺變流器的控制器采用德國dSPACE公司生產(chǎn)的單板dSPACE1104快速原型控制器。并通過其D/A口將要觀察的信號輸出,用Textronix示波器記錄波形。網(wǎng)側(cè)逆變器直流側(cè)電容取2000μF,并網(wǎng)逆變器的濾波電感取3mH。實驗用鼠籠異步發(fā)電機(jī)參數(shù)如表1所示。
表1 籠異步發(fā)電機(jī)實驗
調(diào)節(jié)模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速為550r/min,發(fā)電機(jī)定子磁鏈給定值設(shè)為0.65Wb,逆變器直流側(cè)電壓指令設(shè)置為100V。為了實驗安全,并網(wǎng)逆變的輸出經(jīng)過隔離變壓器和自耦調(diào)壓器連接至電網(wǎng),調(diào)節(jié)逆變器的端口線電壓幅值為50V。并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果如圖5所示,圖5(a)發(fā)電機(jī)定子磁鏈幅值和發(fā)電機(jī)定子a相電流的實驗波形,可知穩(wěn)態(tài)時發(fā)電機(jī)定子磁鏈穩(wěn)定在給定值0.65Wb,且定子電流波形的正弦度較好。圖5(b)為電網(wǎng)側(cè)逆變器穩(wěn)態(tài)時的直流側(cè)電壓、相電壓、相電流的實驗波形,由可知穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值100V。由于網(wǎng)側(cè)變流器電流傳感器按整流器方向整定,即電流流進(jìn)變流器為正方向,由圖可知相電壓與相電流方向,說明變流器工作于逆變狀態(tài),且處于單位功率因數(shù)狀態(tài)。
圖5 并網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)實驗波形
為進(jìn)一步驗證所提控制策略的動態(tài)響應(yīng)性能,調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速觀察系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。圖6(a)電機(jī)轉(zhuǎn)速由550r/min調(diào)節(jié)至630r/min,并保持發(fā)電機(jī)定子磁鏈給定值為0.65Wb時,發(fā)電機(jī)定子a相電流和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值波形,由圖可知增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時,發(fā)電機(jī)定子磁鏈穩(wěn)定在給定值,由于轉(zhuǎn)速增加使得發(fā)電機(jī)輸出電能增加,由圖可知發(fā)電機(jī)定子電流也隨之增加。圖6(b)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時,電網(wǎng)側(cè)逆變器的實驗直流電壓和相電流的實驗波形,由圖可知增加發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速時,直流側(cè)電壓出現(xiàn)短暫的泵升之后穩(wěn)定在給定值100V,逆變器的并網(wǎng)電流也隨之增大,說明發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送的電能增大。圖6(c)和6(d)為將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由630r/min調(diào)節(jié)至550r/min時發(fā)電機(jī)側(cè)變流器實驗波形,可知減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時,發(fā)電機(jī)定子電流和并網(wǎng)逆變器電流也隨之減小,發(fā)電機(jī)系統(tǒng)并網(wǎng)功率減小,而發(fā)電機(jī)的定子磁鏈幅值和直流側(cè)電壓都穩(wěn)定在給定值。通過發(fā)電機(jī)加減速實驗,進(jìn)一步驗證了本文所提控制策略有較好的動態(tài)性能。
圖6 并網(wǎng)運(yùn)行動態(tài)實驗波形
本文針對全變鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),提出了發(fā)電機(jī)側(cè)變流器基于SVPWM的鼠籠異步發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制策略,此控制方法相比與傳統(tǒng)矢量控制減小控制對于發(fā)電機(jī)參數(shù)的依賴性,直接轉(zhuǎn)矩控制策略僅需發(fā)電機(jī)定子電阻參數(shù),增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性;相比于基于開關(guān)表和滯環(huán)比較器的直接轉(zhuǎn)矩控制,本文采用SVPWM技術(shù)減小發(fā)電磁鏈和轉(zhuǎn)矩的脈動。并詳細(xì)分析了網(wǎng)側(cè)逆變基于電網(wǎng)電壓矢量定向控制原理。最后,在實驗搭建實驗平臺,驗證本文所提控制策略,分別針對全變鼠籠異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實驗和改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的動態(tài)實驗驗證了所提控制策略的正確性與有效性。