改进独立运行双馈感应发电机控制

宫 剑，梁青阳，李永恒，朱 兵，徐 伟

(空军航空大学，长春130000)

0 引 言

变速恒频发电机现发展迅猛，它较好得解决了恒速恒频发电效率低下的问题。但传统的变速恒频变换器容量必须大于等于发电功率，这一不足一直制约着变速恒频发电机的发展，DFIG 由于其结构特性，变换器仅需提供总功率的25% ～30%［1］，且转子端和定子端都可以输出功率，解决了传统变速恒频在这方面的约束。DFIG 在可再生能源系统，如风力、水利发电［2－3］和嵌入式应用，如汽车、飞机发电［4－5］等方面得到了广泛的关注。

独立运行的DFIG 是对该领域研究的又一个热点，它不需要与电网连接，独立运行向负载供电，不仅可以用于对偏远地区供电问题，也可以为汽车飞机提供更高质量大功率电能。独立运行DFIG 需要在直流侧或交流侧提供额外能量来源，现在采取的方法为在直流侧连接一个蓄电池［6］，在DFIG 起动时提供直流母线电压。但在分析仿真后发现该方法控制效果不理想，其一，蓄电池容量有限，很难满足大功率需求;其二，如果DFIG 运行在亚同步速状态下，发电功率降低，而所需励磁增加，在临界条件下会造成发电功率过低难以满足用电设备需要，在最低转速为同步转速的66%，考虑损耗情况下，则DFIG 输出功率最多为额定功率的12. 5%［7］。由此，提出改进的独立运行DFIG。在传动轴端，DFIG与PMG 同轴连接，PMG 通过背靠背PWM 与转子相连，此刻PMG 相当于励磁机，为DFIG 提供转差功率，以此提高DFIG 在亚同步速工作时输出功率不足的缺点，较好地解决了之前提出的问题。如图1所示。

图1 改进的DFIG 框图

1 DFIG 数学模型

双馈发电机应用Park 参考系建立［8］，为使分析结构简单，作如下假定:

(1)忽略磁饱和及空间谐波，认为定子转子三相绕组对称，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布;(2)忽略铁损和铁磁非线性;(3)忽略绕组集肤效应，忽略温度对定转子绕组的影响;(4)转子参数折算到定子侧，折算后每相定转子绕组匝数相同。

定子绕组电压方程:

转子绕组电压方程:

定子磁链方程:

转子磁链方程:

转矩方程:

定子侧有功无功功率:

转子侧有功无功功率:

式中:p 为微分算子;usd，usq，urd，urq代表定转子电压d，q 轴分量;idsiqs，idr，iqr代表定转子电流d，q 分量;ψsd，ψsq，ψrd，ψrq代表定转子磁链d，q 轴分量;Lm为dq 坐标下同轴定转子间等效互感;Ls为dq 坐标下两相定子绕组间自感;Lr为dq 坐标下两相转子绕组间自感。

2 DFIG 定子磁链定向策略

由于定子电压频率为50 Hz，在这种频率下，定子电阻电压远小于电抗压降和电机反动势，通常可以忽略定子绕组电阻Rs［9］。将dq 坐标系的d 轴定向于定子磁链ψs方向，因定子磁链ψs领先于定子电压矢量90°，则us正好落在q 轴负方向上，如图2所示。

图2 定子磁链定向策略

将式(7)、式(8)代入式(1)中得:

电压和磁通稳定状态的方程可以写成:

由式(10)得定子电流与转子电流关系如下:

根据式(6)、式(9)、式(12)、式(13)，推导出定子有功功率及无功功率:

由此，我们可以看出，可以通过控制q 轴转子励磁分量ψrq调节定子有功功率，通过控制d 轴转子励磁分量ψrd调节定子无功功率。

定子磁链保持恒定，与定子电压与同步转速有关。

由式(3)可得出:

得到转子q 轴电流目标值。由式(15)可以看出，定子q 轴电流与转子q 轴电流有着一定的比例关系，这也确保在动态过程中保持定子磁场定向。

等效定子磁化电流:

由式(3)、式(4)、式(8)、式(10)、式(16)得:

由式(17)可得出通过控制ψs控制ims从而控制ψs。

3 独立运行DFIG 控制

3.1 转子磁链内环［10］

在该模式下，转子磁通与转子电压有如下关系:

其中:

转子磁通与转子电压间传递函数仅依靠转子时间常数Tr，并可以采用PI 校正调节。被耦合项如图3 所示。

图3 转子磁链观测框图

3.2 定子电压外环

定子电压幅值由usd，usq共同合成:

它是由一个外定子电压向量环(如图4 所示)进行控制，式(20)通过usd与usq的联合控制对定子输出电压大小进行调节。通过式(1)、式(2)、式(4)、式(9)、式(20)，得到以下的系统，其中，Ad和Aq是可补偿干扰项。定子电压和转子通量之间的传递函数是一个简单的增益，因而一个简单的积分器，可以调节它们之间的静态误差测量和参考定子电压:

图4 定子电压外环框图

4 仿真结果

本文采用MATLAB 对变速恒频双馈发电机进行了仿真实验。双馈发电机参数如下:p =2，Rs=0.382 Ω，Rr=0.42 Ω，Ls=1.3 mH，Lr=2.8 mH，Lm=68.2 mH，定子电压380 V，直流侧电压给定为690 V，负载为三相对称阻性负载，定子电压电流频率为50 Hz，额定功率P=30 kW。

在0 s 时刻，DFIG 带载起动，图5 为起动定子电压，图6 为起动直流母线电压，从仿真图中我们可以看出，定子电压在0.1 s 左右达到稳定，输出恒频50 Hz，380 V 电压。图7 为DFIG 在运行稳态的定子电压，稳态定子电流为5 A。

图5 DFIG 起动时定子电压

图6 DFIG 起动时直流母线电压

图7 DFIG 稳定定子电压及电流

DFIG 机械转速在4 s 时由超同步转速1.25Ns下降到亚同步转速0.75Ns，得到转子电流如图8 所示。在10 s，加大负载，由图9 可看出，直流母线电压小幅度下降至660 V 左右，0.5 s 后调整到给定电压。由于DFIG 为独立运行，定子电流由负载决定，如图10 所示，定子电流随负载增加变大，通过控制双PWM 使定子电压幅值不变，则功率变大，图11为DFIG 输出有功功率与无功功率，在亚同步转速0.75Ns，DFIG 可稳定输出功率10 kW。

图8 转子电流

图9 直流母线电压

图10 定子电流

图11 DFIG 有功功率和无功功率

5 结 语

本文对独立运行的DFIG 进行研究，针对原结构的不足，提出了独立运行DFIG 的改进方法，与DFIG 同轴加入PMG 为转子提供励磁，应用转子磁链内环，定子电压外环策略控制。MATLAB 仿真实验表明，PMG 的加入不仅提高了DFIG 的发电功率，且可使直流母线电压调整更加迅速准确，改进的独立运行DFIG 在起动、变速、突加负载的情况下控制效果良好，可以调节定子电压频率，动静态特性良好，可达到变速恒频的目的，可满足用电设备需求。

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