微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)啟發(fā)一體過(guò)程的控制技術(shù)及仿真分析

王新寓

(哈爾濱廣瀚燃?xì)廨啓C(jī)有限公司,哈爾濱 150078)

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電技術(shù)具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、電能質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)?？紤]到微型燃?xì)廨啓C(jī)需配備獨(dú)立的高速異步電機(jī)拖動(dòng)啟動(dòng),增加了發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行成本,由此提出一種采用高速、高頻永磁電機(jī)拖動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)技術(shù)。永磁電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)使用,向外釋放電能,從而達(dá)到啟動(dòng)、發(fā)電一體運(yùn)行的效果。

1 啟動(dòng)過(guò)程的控制技術(shù)

1.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制技術(shù)

微型燃?xì)廨啓C(jī)無(wú)法完成自啟動(dòng),必須依靠永磁同步電機(jī)從外界吸收電能,再驅(qū)動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),直到達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后開(kāi)始發(fā)電。在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中變流器的作用至關(guān)重要,它能夠?qū)㈦娋W(wǎng)提供的交流電變?yōu)橹绷麟?在整流、穩(wěn)壓的基礎(chǔ)上保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。本研究在設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)變流器電路時(shí),采用了“雙閉環(huán)”控制策略[1]。外環(huán)結(jié)合微型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行需要,以直流母線電壓作為控制目標(biāo),內(nèi)環(huán)使用電流控制跟隨外環(huán)的指令,保證良好的穩(wěn)壓效果。網(wǎng)側(cè)變流器的整流穩(wěn)壓控制實(shí)現(xiàn)方式如下:根據(jù)微型燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行需求,確定母線電壓的參考值Uref,將Uref與母線電壓的實(shí)際測(cè)量值Udc做比較,將兩者相減后得到的壓差Udref作為PI控制器的輸入信號(hào)。經(jīng)過(guò)PI控制器的處理后,將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成直軸電流的參考分量idref,令交軸電流的參考分量iqref為0,經(jīng)過(guò)三相PWM整流器的坐標(biāo)變換處理后,得到直、交軸電流分量id與iq。在內(nèi)環(huán)對(duì)電流采取解耦控制策略,令id與iq跟隨電壓環(huán)的控制指令作出相應(yīng)的變化。內(nèi)環(huán)PI控制器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)Park逆變換處理后,作為SVPWM調(diào)制器的輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)調(diào)制后輸出一個(gè)通斷信號(hào),該信號(hào)可通過(guò)控制變流器開(kāi)關(guān)管的通斷,使母線電壓保持恒定。

1.2 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

在微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)階段,機(jī)側(cè)變流器處于逆變狀態(tài),其作用是將整流得到的直流電逆變成為三相高頻交流電[2]。此時(shí),永磁同步電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)電動(dòng)機(jī),拖動(dòng)微型燃?xì)廨啓C(jī)不斷加速,直到實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速(點(diǎn)火脫機(jī)速度),機(jī)側(cè)變流器的逆變控制實(shí)現(xiàn)方式如下:前端的速度傳感器實(shí)時(shí)采集永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速V,并將其與參考轉(zhuǎn)速Vref做對(duì)比,兩者相減后得到的速度差Vdref作為輸入信號(hào),輸入到PI控制器中。經(jīng)過(guò)PI控制器處理后輸出iq的參考值iqref。給定d軸電流參考分量idref,依次經(jīng)過(guò)內(nèi)環(huán)PI控制器及Park逆變換處理后,得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓分量Uαref與Uβref,將兩者作為SVPWM的輸入信號(hào),產(chǎn)生的脈沖控制PWM逆變器開(kāi)關(guān)管的通關(guān)順序,以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。

1.3 啟動(dòng)過(guò)程中機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器的聯(lián)合仿真

使用Matlab軟件,構(gòu)建了網(wǎng)側(cè)變流器整流穩(wěn)壓與機(jī)側(cè)變流器逆變控制的聯(lián)合模型,利用該模型進(jìn)行了微型燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)過(guò)程的仿真模擬。網(wǎng)側(cè)變流器可將交流電轉(zhuǎn)化為直流電,使母線電壓恒定。機(jī)側(cè)變流器將直流電逆變?yōu)榻涣麟?驅(qū)動(dòng)電機(jī)達(dá)到并維持在額定轉(zhuǎn)速。利用直流母線將網(wǎng)側(cè)與機(jī)側(cè)變流器連接起來(lái),仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 啟動(dòng)過(guò)程電機(jī)轉(zhuǎn)速

在仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的電網(wǎng)電壓為50 Hz、400 V的交流電,在網(wǎng)側(cè)變流器的整流與穩(wěn)壓作用下,母線電壓穩(wěn)定在700 V左右,上下波動(dòng)范圍不超過(guò)5 V。結(jié)合圖1可知,在機(jī)側(cè)變流器的拖動(dòng)下,永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠跟隨參考指令保持線性增長(zhǎng)趨勢(shì),且在3 s內(nèi)轉(zhuǎn)速?gòu)?增至3000 r/min,之后保持轉(zhuǎn)速恒定。這一仿真結(jié)果表明設(shè)計(jì)的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)控制策略是有效的。

2 發(fā)電過(guò)程的控制技術(shù)

2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)整流穩(wěn)壓控制技術(shù)

微型燃?xì)廨啓C(jī)正常啟動(dòng)后,需將其切換至發(fā)電狀態(tài)。在發(fā)電模式下,永磁同步電機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī),在三相PWM變流器的作用下,將產(chǎn)生的高頻交流電轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的直流電。為防止并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生明顯的沖擊影響,轉(zhuǎn)化后的直流電要利用機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行整流穩(wěn)壓控制,實(shí)現(xiàn)方式如下:根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況,確定微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)中母線電壓的參考值Uref,將Uref與電網(wǎng)運(yùn)行中的實(shí)時(shí)電壓值Udc做比較,兩者相減后得到的電壓差值Udref作為輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)PI控制器的處理后,得到交軸電流的參考分量iqref,令直軸電流的參考分量idref為0,在內(nèi)環(huán)完成對(duì)電流的解耦控制,使id與iq能夠跟隨idref及iqref變化。對(duì)內(nèi)環(huán)PI控制器的輸出信號(hào)做Prak逆變換處理,處理結(jié)果作為SVPWM調(diào)制器的輸入信號(hào),經(jīng)過(guò)調(diào)制后輸出通斷信號(hào),該信號(hào)能改變機(jī)側(cè)變流器開(kāi)關(guān)管的通斷狀態(tài),令母線電壓維持恒定。

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器逆變運(yùn)行控制技術(shù)

當(dāng)微型燃?xì)廨啓C(jī)開(kāi)始發(fā)電后,因?yàn)檗D(zhuǎn)速可達(dá)到3000 r/min甚至更高,產(chǎn)生的高頻交流電無(wú)法直接為電網(wǎng)中的電力設(shè)備供電,必須借助機(jī)側(cè)的整流器將其轉(zhuǎn)化為相對(duì)穩(wěn)定的直流電,再通過(guò)網(wǎng)側(cè)變流器的逆變處理,使穩(wěn)定的直流電變成工頻交流電,從而滿足并網(wǎng)需求或?yàn)殡娏υO(shè)備供電。為了達(dá)到恒壓恒頻控制目標(biāo),采取以下控制策略:微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的電壓分別做Clark變換與Park變換,得到直軸電壓Udref和交軸電壓Uqref,仍然采用電流、電壓的“雙閉環(huán)”控制模式。電壓外環(huán)的功能是調(diào)節(jié)逆變器,使其能夠輸出恒定的電壓,電流內(nèi)環(huán)的控制器參考值由外環(huán)控制器決定,以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。利用PWM變流器對(duì)d軸與q軸解耦,設(shè)定頻率為50 Hz,即可達(dá)到網(wǎng)側(cè)變流器恒壓恒頻的控制效果[3]。

2.3 發(fā)電過(guò)程中機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器的聯(lián)合仿真

使用Matlab軟件,構(gòu)建了微型燃?xì)廨啓C(jī)的機(jī)側(cè)整流穩(wěn)壓與網(wǎng)側(cè)恒頻恒壓聯(lián)合控制模型。利用機(jī)側(cè)變流器,將微型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的高頻、不穩(wěn)定的交電流進(jìn)行整流處理,得到相對(duì)穩(wěn)定的直流電。利用網(wǎng)側(cè)變流器,將穩(wěn)定的直流電逆變成為工頻交流電,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并網(wǎng)及可靠供電。用直流母線將機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)的兩部變流器結(jié)合起來(lái),仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 直流母線電壓

微型燃?xì)廨啓C(jī)正常發(fā)電后,在第4 s時(shí)切換一次網(wǎng)側(cè)變流器的狀態(tài),使其從孤網(wǎng)運(yùn)行調(diào)整為并網(wǎng)運(yùn)行,觀察狀態(tài)切換前后并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、頻率、相位等參數(shù)與電網(wǎng)是否相同。結(jié)合圖2可知,受到電容初始電壓的影響,在0 s時(shí)直流母線的電壓為580 V。發(fā)電后,電壓迅速升高并在1 s后達(dá)到700 V。在第4 s從孤網(wǎng)運(yùn)行切換至并網(wǎng)運(yùn)行后,雖然電壓有小幅度的下降,但是在機(jī)側(cè)變流器的作用下,母線電壓能夠快速恢復(fù)至700 V,之后在并網(wǎng)狀態(tài)下母線電壓一直保持恒定。直流母線的有功功率在并網(wǎng)前始終為0,從第4 s開(kāi)始切換為并網(wǎng)狀態(tài)后,有功功率迅速升高至3 W,之后維持功率穩(wěn)定。從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,設(shè)計(jì)的機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器聯(lián)合控制策略,可使微型燃?xì)廨啓C(jī)在發(fā)電過(guò)程中輸出恒定幅值及恒定頻率的交流電,控制效果良好。

3 啟發(fā)一體運(yùn)行的平滑切換控制技術(shù)

3.1 啟動(dòng)/發(fā)電自動(dòng)切換方案的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)可在永磁同步電機(jī)的拖動(dòng)下完成啟動(dòng),并對(duì)外發(fā)電。為了從啟動(dòng)狀態(tài)平滑切換到發(fā)電狀態(tài),實(shí)現(xiàn)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)啟發(fā)一體運(yùn)行,設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速反饋方案,選定微型燃?xì)廨啓C(jī)的額定轉(zhuǎn)速作為參考值,以前端傳感器采集到的微型燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速作為對(duì)照值。計(jì)算機(jī)自動(dòng)對(duì)比兩者的差值,并將轉(zhuǎn)速差反饋給邏輯判斷單元,判斷此時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)及是否需要進(jìn)行狀態(tài)切換[4]。邏輯判斷流程如圖3所示。

圖3 啟動(dòng)/發(fā)電模式自動(dòng)切換流程

設(shè)定微型燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行后的額定轉(zhuǎn)速為n*,傳感器檢測(cè)到的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n,兩者的轉(zhuǎn)速差為Δn。若Δn>0,此時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速?zèng)]有達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,需要一直提升轉(zhuǎn)速,可判斷微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電系統(tǒng)處于啟動(dòng)狀態(tài)。若Δn≤0,此時(shí)微型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,不需要借助永磁同步電機(jī)的帶動(dòng)即可自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn),可判斷微型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電系統(tǒng)處于發(fā)電狀態(tài)。給定了Δn的閾值范圍,在啟動(dòng)模式下,若Δn≥15 r/min,則進(jìn)入電動(dòng)機(jī)模式,若Δn<15 r/min,則保持當(dāng)前模式。經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的處理后,判斷當(dāng)前頻率ω是否達(dá)到了設(shè)定頻率ωr,如果未達(dá)到則返回程序繼續(xù)調(diào)整Δn的閾值范圍,直到頻率相等,結(jié)束控制程序,實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)與發(fā)電模式的平滑切換[5]。

3.2 啟發(fā)一體平滑切換的建模與仿真

使用Matlab軟件,構(gòu)建了微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)、發(fā)電一體控制模型,按照啟動(dòng)/發(fā)電控制策略與切換方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明,微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)3 s的加速后,速度從0提升至3000 r/min,之后用1 s的時(shí)間令轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,并在第4 s后成功從啟動(dòng)狀態(tài)切換為發(fā)電狀態(tài)。觀察微型燃?xì)廨啓C(jī)啟發(fā)一體的電機(jī)轉(zhuǎn)矩發(fā)現(xiàn),在第4 s時(shí)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩從正值變?yōu)樨?fù)值,驗(yàn)證了此時(shí)發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生了切換。在第4～6 s,網(wǎng)側(cè)變流器處于孤網(wǎng)運(yùn)行模式,第6～7 s為并網(wǎng)運(yùn)行模。在第4 s從啟動(dòng)狀態(tài)切換為發(fā)電狀態(tài)切換,在第6 s從孤網(wǎng)運(yùn)行變?yōu)椴⒕W(wǎng)運(yùn)行時(shí),直流母線電壓有小幅度波動(dòng),除此之外,整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的直流母線電壓一致穩(wěn)定在700 V,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)需要在啟動(dòng)及發(fā)電兩個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行切換,由此提出以轉(zhuǎn)速作為反饋信號(hào),通過(guò)對(duì)比轉(zhuǎn)速差值來(lái)判斷并調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)的啟發(fā)運(yùn)行切換方案。仿真實(shí)驗(yàn)表明,此模型可自動(dòng)完成從啟動(dòng)到發(fā)電狀態(tài)的切換,只有切換時(shí)電壓有小幅度波動(dòng),但很快恢復(fù)至正常電壓并保持恒壓運(yùn)行。