无刷双馈风力发电机并网运行的策略及仿真

李 娜

摘 要:论述在分析级联式无刷双馈电机原理的基础上,根据玠[CD*2]q轴数学模型,通过转子和功率绕组、控制绕组之间的坐标变换,得到同步数学模型,并在此基础上推导出无刷双馈电机数学模型。根据次模型进行仿真,仿真结果表明:并网过程中,通过改变励磁电流的大小可调节功率侧输出电压的幅值,从而可实现变速恒频

关键词:无刷双馈电机;并网运行控制策略;变速恒频;数学模型

中图分类号:TM343

近来,风力发电行业一直在快速发展,而且在电网中的比重也越来越大。无刷双馈电机由于其省略了滑环和碳刷,使其使用寿命大大增加,而且性能更可靠,被广泛使用。

1 结构及工作原理

级联式无刷双馈电机‐[1[CD*2]3](CBDFM)可看作是两台极对数为玃璸和P璫的绕线式异步电机级联而成,即将两台绕线式异步电机同轴相连,转子绕组相互连接, CBDFM有两套定子绕组和两套转子绕组,这两套转子绕组机械上同轴,并且反相序连接和定子绕组分别向外输出电能和控制磁场内部的变化。

2 数学模型的建立

模型是在网络电路的电压方程式的基础上发展起来的,有利于控制系统的设计。但该数学模型转子电流不仅受功率绕组的影响还受到控制绕组的影响,这如果仅通过控制控制绕组的电源不易于实现解耦控制。若把转子电流分成由功率绕组和控制绕组的电磁耦合作用产生的,则可以把BDFM解耦成两台异步电机,然后再参考三相异步电机的矢量解耦控制,就可以实现矢量解耦控制。

转子坐标系和同步坐标系的关系如┩2所示[5]。其中:上标pe代表功率绕组同步坐标系;ヽe代表控制绕组同步坐标系;r0代表转子坐标系。通过转子和功率绕组、控制绕组坐标系之间的转换,可以得到同步数学模型。И

将功率绕组及控制绕组定子坐标系变换到同步坐标系并取各自磁场玠轴方向与其总磁场方向重合有

如果功率绕组的定子总磁链与玃璸对极同步坐标系直轴(d轴)相重合,功率绕组可以描述为

式中:V为电压;I为电流;L为电感;M为互感;P为极对数;ω为角速度;q为q轴;d为d轴;下标p为功率绕组;c为控制绕组;下标r为转子;s为自感;│泉﹑e=ω璸t-P璸θ璻,θヽe=-∫瑃0ω璫玠玹-P璫θ璻。式(1)、式(2)为功率绕组,┦(3)~式(5)为控制绕组,式(6)为电磁转矩。[JP]

经过上述变换,将两个子系统的电流与磁链变量由正弦量变成直流量,可极大简化控制器的设计。对于功率子系统,磁场定向后,简化了运算。由式(1)式(2)可见,该子系统不受控制绕组的影响,转子电流I﹑e﹒rp,I﹑eヾrp可以由式(1)、式(2)求得。控制子系统经过转子磁场定向后,将电流方程简化为式(3)~(5)的形式,由式(4)、式(5)可知,转子磁链ψヽeヾrc仅受控制绕组电流Iヽeヾc控制,如果保持电流Iヽeヾc为常数,则可以保持转子磁链为常数。由式(3)可知,ψヽeヾrc确定后,ω由Iヽe﹒c确定。又功率绕组子系统转子电流可由式(1),式(2)求得,所以经磁场定向后,电磁转矩完全受Iヽe﹒c控制。这样分别控制Iヽeヾc,Iヽe﹒c就可以相应地控制磁通与转矩,从而实现解耦控制。И

3 运行控制策略

将电动机惯例的玀T轴系数学模型改写为发电机惯例的MT轴系数学模型,并假定定子功率绕组的电流正方向为反方向,重写电压、磁链方程可得:[FL)]

式中:l﹑s为功率侧定子全自感;l﹑m为功率侧定转子互感;lヽs为控制侧定子全自感;lヽm侧为控制定转子互感;l﹑r为功率侧转子全自感;lヽr为控制侧转子全自感。И

仍然采用定子功率绕组磁链定向控制策略[7],将轴取在定子功率绕组的磁链方向上,忽略定子功率绕组的电阻,则有:

式(11)～(15)构成无刷双馈电机做发电机并网运行时,定子功率绕组磁场定向的控制依据。

4 并网过程仿真

以Matlab的Simulink及Power System Block为工具,构建无刷双馈变速恒频风力发电系统的负载仿真模型,如图3所示。

无刷双馈电机在350 r/min稳态运行,当定子输出的空载电压与电网在波形、幅值、相位完全一致时实施并网。并网前,定子功率绕组输出电压波形如图4~┩8所示。

[XC<58t4.tif>]

5 结 语

放大各仿真时间段的波形可以看出,图5、图6中从亚同步到同步再到超同步速的过程中,玣璸一直为50 Hz。狢BDFG运行在同步速时,负载电阻由20 Ω变为1 kΩ,从图7、图8中可以看出玼璸的幅值有所抬高,而i璸的幅值下降明显,0.9 s时CBDFG变为超同步运行,玼璸的幅值有所下降;1.2 s时通过补偿玦璵使得u璸的幅值又变回到下降前的数值附近,这说明改变励磁电流的大小可以调节功率侧输出电压的幅值。

参 考 文 献

[1]黄守道,王耀南,王毅.无刷双馈电机有功和无功功率控制的研究[J].中国电机工程学报,2005,25(4):87[CD*2]93.

[JP2][2]Jovanovic M G,Betz R,Jian Yu.The Use of Double Fed Reluctance Machines for Large Pumps and Wind Turbines[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2002,38(6):1 508[CD*2]1 516.[JP]

[3]Betz R,Jovanovic M G.The Brushless Doubly Fed Reluctance Machine and the Synchronous Reluctance Machine:A Comparison[J].IEEE Trans.on Industry Applications,2000,36(4):1 103[CD*2]1 110.

[4]潘再平,章玮.无刷双馈风力发电机的理论分析[J].新能源,2000,22(7):1[CD*2]4.