双馈风力发电系统无速度传感器控制

黄晟,廖武,黄科元

(湖南大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082)

1 引言

随着矿物燃料的日益枯竭和全球环境的日益恶化,很多国家都在认真探索能源多样化的途径,积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。而在可再生能源中,风能始终保持最快的增长态势,并成为继石油燃料、化工燃料之后的核心能源。

相对于全功率变换的直驱式发电系统[1],双馈感应风力发电机(DFIG)定子绕组接电网,转子绕组则由变频器提供频率、相位、幅值都可调节的电源,实现恒频输出,还通过改变励磁电流的幅值和相位实现发电机有功、无功功率的独立调节。由于变频器只需供给转差功率,大大减少了容量的需求,使得双馈风力发电机成为变速恒频中的优化方案。双馈发电机通常采用定子磁场定向控制实现功率的解耦控制[2,3],但是双馈感应电机的

本文在分析变速恒频双馈风力发电控制原理的基础上,将双馈发电机转子位置估计方法运用到矢量控制中,利用TI公司的电机控制用DSP芯片搭建了DFIG无速度传感器控制实验系统,实验结果表明了所提出方法的可行性。

2 双馈风力发电机控制原理

采用电动机惯性,写出双馈发电机数学方程[4]:

双馈发电机定子接于电网时,可以忽略定子绕组电阻压降[5],发电机定子电压矢量Us近似等于感应电动势es,采用定子磁场定向控制后,正好落在超前d轴90°的q轴上,因此有:

在d-q坐标系中,双馈发电机定子侧的瞬时有功功率和无功功率方程表示为

考虑上述磁场定向约束条件式(3),方程式(4)可简化为

这表明电机有功功率和电磁转矩与定子电流有功分量iqs成正比,无功功率和定子电流无功分量ids成正比,只要分别控制定子电流分量iqs和ids,即可实现发电机有功和无功功率的独立调节。

由于定子电流各分量的调节都是通过调节转子绕组供电电压udr,uqr来实现的,转化得到转子电压控制方程:

根据上述分析,可以得到如图1所示的双馈风力发电控制系统框图[5]。功率外环实现对双馈风力发电的有功功率和无功功率的有效控制,并且通过检测的电压电流信号实现转子位置估计;利用转子位置角度θr对转子坐标系下的转子电流进行坐标变换,得到定子磁场定向下的转子电流d,q轴分量idr,iqr,分别与参考值比较,经PI调节后输出电压控制量 u′dr,u′qr再分别叠加上电压补偿量Δ udr,Δuqr,通过旋转至静止的坐标变换,便可获得用于控制变频器输出的转子电压uαr,uβr。

图1 控制系统框图Fig.1 Diagram of the control system

3 转子位置检测原理

分析DFIG时,通常采用图 2所示的矢量图[5]。图2中转子电流与同步坐标系d轴的夹角为γ1,它同时与转子 αr轴的夹角为 γ2,转子位置角度θr=γ2-γ1,所以对转子位置角度 θr的估计问题可以转化为计算角度γ1和γ2。

图2 矢量图Fig.2 Vecter diag ram of DFIG

利用定转子之间的线性比例关系可以得到同步坐标系中的转子电流[5]:

那么转子电流与同步坐标d轴的夹角:

转 子三 相电 流经 过 C3s/2s变换 得 iαr,iβr,由K/P变换得到转子电流在转子静止坐标系中的位置:

于是可以估算得到转子位置:

4 实验结果及分析

对1台双馈感应电机进行了实验室研究,实验系统如图3所示,主要由直流调速系统、双馈发电机、双PWM变流器及其控制系统构成,采用的功率模块为FS450R17KE3。DFIG参数为额定功率7.5 kW;极对数 2;定子额定电压 380 V,频率50 Hz;定子电阻、漏感分别为 0.47 Ω,2.1 mH;转子电阻、漏感分别为 0.414 Ω,3.1 mH;互感62.1 mH;转动惯量0.578 kg◦m2。

图3 实验研究系统简图Fig.3 Diagram of experimental system

图4为电机实测和估计的转子位置角度曲线。电机1200 r/min稳定运行是估计和实测转子位置很好的吻合,然后转子速度以斜坡方式增加,平稳地达到超同步速,动态过渡到1800 r/min。在穿越同步速过程中,该控制方式仍然能够较准确地估计转子位置。

图4 实际和估计的转子位置角度Fig.4 Actual and estimated rotor position angle

图5是穿越同步速过程中转子两相电流波形。从图5中可以看出,转子电流相位在过渡过程中发生改变,ia由滞后ib变为超前ib,该过程没有产生很大的冲击,过程比较平缓。

图6为双馈发电机稳态运行时的定子电压和电流,通过调节转子励磁可以实现定子侧单位功率因数运行。

图5 穿越同步速时转子电流Fig.5 Rotor currents during transition through synchronous speed

图6 稳态定子电压和电流Fig.6 Stator voltage and current in steady state

5 结论

将磁场定向的矢量控制技术应用于双馈风力发电系统,可以更好地实现发电机功率的解耦控制,并且采用速度估计方式减少容易故障的速度传感器的使用。实验结果证明了该方法的有效性,具有一定的实际应用价值。

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