双馈异步发电机转矩控制方法改进研究

双馈异步发电机转矩控制方法改进研究　实验研究・　康朋飞　党幼云　方　露（西安工程大学，陕西西安７１００４８）　摘　要：随着风力发电机组容量的不断增大，提高风能利用率和风电机组运行效率已经成为风力发电技术研究的重要内容之一。为了提高风　能利用效率、保证功率输出的稳定，针对风波动变化较快的特点，本文基于双馈风电系统对变速恒频技术进行分析研究，采用直接转矩控制　技术，并以阵风为例，通过ＭＡＴＬＡＢ仿真软件对不同风速下的风电机组变速恒频动态运行特性进行控制、仿真分析，对有效提高风机的运行　效率有明显作用。　关键词：变速恒频；直接转矩；利用效率；波动　随着能源问题的日益严峻，世界各国竞相发展可再生能　又直接　。　源。风能凭借其绿色环保、容易开发、性价比高等优势得到了世　双馈发电机的直接转矩控制是通过控制转子磁链速度来　界各国的认可，是目前世界上发展得最快的可再生能源…。风速　控制电机转矩，进而控制发电机的输出功率。在转子坐标系上　的随机性，不确定性特点导致风电场的输出功率不断波动和震　建立它的数学模型，定子绕组直接接电网，使定子磁链基本上　荡，如果接入电网势必会对电网产生一系列不良影响，所以在　保持恒定；转子磁链的幅值由馈入的三相交流电压决定，通过　风电穿透功率较大的电网中，风电机组的运行特性显得极为重　磁通角０的变化和空间电压矢量的选择来控制转矩的大小　。　要，尤其是其动态响应特性和直接转矩的控制方法。本文针对　２双馈发电机直接转矩控制方法的改进研究　风力发电机组的控制问题展开研究，通过对双馈发电机的直接　２．１直接转矩控制系统的构成　转矩控制方法进行改进，并对不同风速下的风电机组变速叵频　直接转矩控制系统按照功能结构可由ＰＷＭ逆变器模块，转　动态运行特性进行仿真分析，以提高风机的运行效率。　子磁链、电磁转矩计算模块，转子磁链、转矩滞环调节模块，　１直接转矩控制概述　直接转矩控制也称之为“直接自控制”，“直接自控制”的　转子磁链区间判定模块，电压矢量选择模块五个部分构成　。　作为双馈异步发电机直接转矩控制系统的核心部分，逆变　思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控　器起着连接电源和发电机的桥梁作用，对电机的调节就可以通　制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存　过对逆变器调节来实现”　。因此，ＰＷＭ逆变器控制算法对于风机　在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助　的直接转矩控制相当重要。　瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比　２．２　ＰＷＭ逆变器控制算法改进　较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制　。　图２．１所示为星形连接理想电压型逆变器的主电路图，直　直接转矩控制技术是利用空间矢量、定子磁场定向分析方　流电源ｕｄｃ被分成各为ｕｄｃ／２的两部分，其中点０为零电位，Ｓａ、　法，直接在定子坐标系下分析双馈异步电动机的数学模型，计　ｓｂ、ｓｃ表示同一桥臂上两个开关的状态，ｕａ、ｕｂ、ＵＣ用来表示　算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器　三相电压，若Ｓａ＝ｌ表示ａ相导通用“１”表示，否则ａ相关断，就用　（Ｂａｎｄ—Ｂａｎｄ调节器控制），把转矩检测值与转矩给定值作比　较，使转矩波动在一定的容差范围内，容差的大小是由频率调　节器来控制，并产生ＰＷＭ脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状　“０”表示。ｂ、ｃ相同理　。　以ａ相为例，其输出电压与开关状态的对应关系为：　“如　＋一．　１　０＝　态进行分析控制，以获得高动态性能的转矩输出　。它的控制　效果是不取决于异步发电机的数学模型是否能够简化，而是取　决于转矩实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比　较、等效、转化，也不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉　１（　＝０）　Ｕｄｃ一　＾　＝０（、　丽＝１），　（２－ｉ）　，　双馈发电机的直接转矩控制是在两相旋转坐标系下进行　了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦和简化异步电动　运算的，其中所用的　机数学模型，没有通常的ＰＷＭ脉宽调制信号发生器，所以它的控　制结构比较简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩　响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控　基本电压矢量ｕ，ｆｃＪ是由式（２—２）定义。　制的方式。和矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用　是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似　圆形磁链轨迹的概念。只需要知道定子电阻就可以把它检测出　来。而矢量控制磁场定向所甩的是转子磁链，观测转子磁链需　要知道电动机转子电阻与电感。以至于直接转矩控制大大减少　了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响。直接转矩控制　强调的是转矩的直接控制以达到所需效果。与矢量控制方法不　“ｒ（　）＝　（“ｎ＋“　Ｐ　；　＋“ｃｇ　；　］　一——＿　ｃｚ—ｚ　其中，ｕａ、ｕｂ、　Ｈ｜、　４　ｓａ　ｌ、Ｓｂ＿、Ｓｃ　＿ｄ　０　…１　ｕ相转子（ｃ分别为ａ或定子）、ｂ、ｃ三　　ｂⅥ０　Ａ　　。Ｃ　Ａｊ　＼＼。绕组的相电压，它　ｕ　ＬＨ　４　ｕ　’ｕ　　一　。们在相位上互差　ｓａ　＼Ｓｂｌ　ｌ　、Ｓｃ　图２．１　理想电压型逆变器模型　１２０。。　同的是，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是　被控量直接转矩，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既简化　设逆变器输入　电压为ｕｄｃ则其　，・买验饼冤　输出的三相相电压分别为：　风力发电机的　直接转矩控　制方法改进，　（２—３）　匠　厂一等（２一曲一）　等（　…ｃ）　一并对风电机组　Ｌ“　＝－（－Ｓａ－Ｓｂ＋２＆）　对电机的控制正是通过控制逆变器的开关状态来改变电　机的定子侧电压的幅值和频率，从而使电机的输出转矩发生变　在不同风速下　的变速恒频动　态运行特性　进行分析，建　图３．１　阵风　立风电机组变　速恒频动态运　化，达到变频调速的目的　。　２．３直接转矩控制　电压矢量选择模型的开关状态是事先确定好的，当系统采　样时间越小，开关状态切换的频率就越高，所得到的转子磁链　行特性仿真模　型　。并以阵　平均旋转速度越均匀，因而电磁转矩的脉动也越小　。当然这　样对功率器件的要求较高，开关损耗也会增加。　由直接转矩控制的仿真框图所测得信号电压电流信号分　别经过坐标变换，得￣ＪＪｕｄｃ、ｕｑｒ、ｉｄｒ、ｉｑｒ，并通过磁链转矩计　算模块计算出电磁转矩　，转子磁链的幅值Ｉ　ｅ　ｌ，ｄ轴分量　ｄｒ，ｑ轴分量　ｑｆ。磁链区间判断模块利用磁链的两个分量信　号判断出转子磁链所在区间信号０，同时实际转矩Ｔ与反馈转矩　Ｔ木进行比较后得到转矩开关信号　，实际磁链　ｒ与反馈转矩　ｒ进行比较，经过处理后得到磁链滞环比较输出，三个变量　共同作为开关电压矢量选择模块的输入量，由该模块实现正确　的电压选择，输出量即为逆变器输入端需要的空间电压矢量，　从而对双馈发电机进行最有效的控制…　。　３双馈发电机的直接转矩控制改进方法的仿真实现　３．１仿真数据　系统仿真参照ＳＥＣ—ｌ２５０Ｋｗ风机数据，详细参数见下表３．１所　示，由于不牵扯变桨问题，桨距角设置为最优值Ｂ＝０。。　仿真中的风速模型采用了阵风为例　，仿真出在阵风情况　下发电机转速。其中基本风速为７ｍ／ｓ，阵风起始时间２．２ｓ，周期　４ｓ，最大峰值为ｌｍ／ｓ；　表３．１　为ＳＥＣ－１　２５０ＫＷ风力电机机组仿真参数　参数名称　取值　参数名称　取值　风轮直径　６４．３ｍ　额定风速　１２．３ｍ　叶尖速比　６．０３　齿轮箱增速比　５３．１　额定功率　１２５０ｗ　额定转速　１１ＯＯｒｐｍ　风轮转速范围　１３．２－２４．５ｒｐｍ　发电机转速范围　７００．１３００ｒｐｍ　额定定子电压　６９０±１０％　切出风速　２３．５ｍ　切入风速　２．８ｍ　频率　５ＯＨＺ　３．２仿真结果　由图３．卜３．４可知，在阵风条件下，风电机组各个部分的动　态响应特性比较稳定，双馈发电机转矩控制系统的控制转子侧　的控制效果比较理想。所以在风速变化时发电机基本可以稳定　的发电，在提高发电的同时，对风机也得到了有效的保护。　４结语　直接转矩控制系统是双馈异步发电机的一种重要的控制　系统，如何使其发挥重大作用，以使双馈异步发电机能更有效　的应用，是当前研究的热门问题。本文主要对双馈异步发电机　的直接转矩控制系统部分进行了研究和分析。通过对双馈异步　风为例，对不　同风速下的风　电机组变速恒　频动态运行特　性进行仿真分　析，有效提高　了风机的运动　效率。　［参考文献］　［１］李勇东，等．中　国风力发电的　发展现状和前　ｌ时ｌＩ；Ｉ：Ｉ　ｒ　Ｂ）　图３．３阵风下机械转矩曲线　景［Ｊ］．电气时　代．２００６，（０３）：　ｌ６—２Ｏ．　［２］付海涛．变速　恒频风力发电系　统的建模与仿真　研究．华中科技　大学．２００５．　［３］叶杭冶．风力　发电机组的控制　技术第２版［Ｍ］．　图３．４阵风下双馈发电机总的有功功率曲线图北京：机械工业　出版社．２００６．　［４］潘后荣．双馈式变速恒频风力发电系统的建模与仿真．南京师范大　学．２００９．　［５］秦生升风力发电系统的变桨距控制策略研究．南京理工大学．２００９　［６］马小亮，刘志强．双馈电动机直接转矩控制技术的研究．电工技术学　报．２０１３，（０５）：６３—６８．　［７］王炎，等．无传感器双馈异步风力发电机直接转矩控制．计算机测量与　控制．２０１１，１９（４）：８４５—８５０．　［８］张亮风．风力发电系统中双馈电机控制的研究．华中科技大学．２００６　［９］华斌．多采样率直接转矩控制系统研究．西南交通大学，２００７．　［１Ｏ］宋文华．变速恒频双馈发电机直接转矩控制的研究．沈阳工业大　学．２００５．　［１１］王荣熙．变速恒频双馈异步电机的控制研究．北京交通大学．２００８．　［ｉ　２］刘晓光．风力发电系统风力机输出特性的模拟与控制．青岛大　学．２００９．　［１３］李晶．变速恒频双馈风电机组动态模型及并网控制策略的研究．华北　电力大学．２００４．