无刷双馈发电机的并网控制研究仿真

2016-01-16刘利黎,万山明,高举明

现代电力 2015年5期

文献标志码：A

无刷双馈发电机的并网控制研究仿真

刘利黎，万山明，高举明

(华中科技大学电气与电子工程学院, 湖北武汉430074)

A Simulation Study on Grid-Connected Control of Brushless Doubly Fed Induction GenerationLIU Lili, WAN Shanming, GAO Juming

(School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China)

摘要：为更好高效利用风能，无刷双馈电机须与大电网进行并网运行，为减小对并网过程中对电网的冲击，须有效控制发电机的频率、幅值和相位，本文基于对无刷双馈电机数学模型的分析与简化，提出了一种简单的并网控制策略，并在SIMULINK环境下进行建模与仿真，结果验证了本文所提策略的正确性与可行性，为无刷双馈电机并网控制的进一步研究提供参考。

关键词：无刷双馈电机；并网控制；风力发电；SIMULINK

文章编号：1007-2322(2015)05-0084-05

中图分类号：TM614

基金项目：国家自然科学基金(51377064)

收稿日期：2014-09-27

作者简介：

Abstract：To efficiently make good use of wind power, the generator must operate at the status of connecting to power grid. And the controlling of frequency, amplitude and phase of generator efficiently is also needed to reduce their impact on the power grid. In this paper, a simple and practical grid-connected control strategy is proposed based on the analysis and simplification of the mathematical model. And through modeling and simulation under the environment of SIMULINK, the validity and feasibility of control theory is verified, which provides certain theoretical basises for further studying grid-connected control of BDFIGs.

Keywords：brushless doubly fed induction generators; grid connected control; wind power; SIMULINK

0引言

随着能源危机的加深及环境保护意识的加强，风能等可再生能源具有广阔的发展前景。传统的风力发电机由于风速不稳定，产生的能量大小亦不稳定。而无刷双馈发电机(BDFIG)由于具有变速恒频特性，很好地符合了风力发电的特点，同时BDFIG相比于双馈电机由于省去电刷和滑环结构，使其运行的稳定性更高，维护也更加简单。因此，BDFIG在风力发电领域具有广阔的应用前景。

目前，BDFIG作为一种新型电机，对其控制算法的研究主要集中于其作为电动机运行[1-2]的控制算法和作为发电机[3-4]并网运行的运行算法，对于BDFIG的并网控制算法少见。本文基于BDFIG的数学模型的分析与简化，提出了一种基于无刷双馈电机模型的标量并网控制算法，以及基于电流控制的恒流源有功功率控制的并网运行策略。

1BDFIG的电机结构和数学模型

1.1BDFIG的电机结构

BDFIG的定子由两套绕组组成，一套绕组称为功率绕组，向外发出频率为fp的电流连接电网，另一套绕组称为控制绕组，输入频率为fc的控制电流，通过变频器与电网相连。转子绕组通过特殊设计，转子电流将调制产生两种旋转方向相反的，极对数分别为Pc、Pp的磁场，故可以将转子绕组看成是两套转子绕组反向并联[5-7]，结构原理如图1。

其中转速和频率之间存在如下关系：

(1)

图1　无刷双馈发电机结构原理图

由式(1)可以得出，当维持功率绕组频率保持50Hz 不变时，只要控制绕组侧施加的频率跟随转速的变化即可以实现变速恒频发电。

1.2BDFIG的数学模型

根据异步电机电压方程和结构原理图(图1)，可以推导出BDFIG的数学模型[3, 8]。功率侧参考坐标取逆时针为正，控制侧参考坐标取顺时针为正，其中控制侧的转子绕组和功率侧的定子绕组取发电机惯例，其余取电动机惯例。电压和磁链的发电机惯例方程如下。

功率绕组侧的电压磁链方程：

(2)

(3)

(4)

(5)

控制绕组侧的电压磁链方程:

(6)

(7)

(8)

(9)

功率侧和控制侧的参考坐标如图2。

图2　BDFIG功率和控制侧的参考坐标系

由上图可以获得如下方程：

(10)

(11)

由于方程组维数高，定转子之间的电磁耦合复杂，基于上式的方程很难清楚地获得BDFIG的控制策略，同时也不便于分析，所以目前对于BDFIG高性能的快速动态响应的矢量控制算法尚未成熟，还属于探索阶段。故采用简单的标量控制算法，其对系统的动态响应要求不高，同时考虑到Lsp=Lmrp+Lsσp，其中Lmrp远远大于Lsσp，故忽略定子漏电感及其对于动态响应的影响，取Lsp=Lmrp，同理忽略定子控制侧漏电感，转子的电阻和漏电感简化模型。联立(2)~(11)式可以获得如下关系：

(12)

电机稳态运行状态时，内部磁场基本保持恒定，式(12)可近似简化为

(13)

根据式(13)，由此可以获得电机控制的简化数学模型如图3。

图3　BDFIG简化模型

2并网控制算法

当发电机需要和电网并网运行时，在并网过程中为了减少对电网及设备的冲击，必须让发电机电压的幅值、相位和频率与电网电压保持一致。本文在控制BDFIG风力发电机与电网进行并网控制时，为对BDFIG发电机电压的频率、幅值和相位进行有效控制，分为两部分来实现：幅频控制(也即独立发电模式)和相位控制。

2.1BDFIG的幅频控制

由图3可知，控制侧折算过的电流和功率侧的电压存在一定的对应关系，改变控制侧的输入电流的幅值和频率将会影响到功率侧电压的幅值和频率。但由于控制侧和功率侧的电磁耦合过于复杂，对于BDFIG高性能的快速动态响应的矢量控制算法尚未成熟，还属于探索阶段。同时由于本文的控制思路及分析都是基于一个简化的控制数学模型(图3)，已经弱化了其动态响应，故本文选取一种简单的标量算法实现电压的幅频控制较为恰当，也即独立发电模式。

当BDFIG功率侧所接负载一定时，基于图3简化数学模型存在在如下关系：

(14)

式中：a复常数；b为与功率侧电流有关的一个常量，故可以得到如下控制关系：

(15)

同理可知，当BDFIG功率侧所接负载一定时，控制侧变量存在如下关系：

(16)

式中：c为复常数；d为与功率侧电流有关的一个常量。故可得如下控制关系：

(17)

通过实验仿真对比可知，当对Isc进行dq轴分解时，取d轴电流为0时整个控制系统的稳定性，动态性都比较好，故取d轴控制侧电流为0。

综上所述，故整个系统的控制框图如图4，其中K1、K2在并网前，即独立发电模式分别连接至A、C两个端点处，并网后，K1、K2分别连接至端点B、D两个端点处。

图4　BDFIG幅频控制

2.2BDFIG的相位控制

同理由图3可知，当改变控制侧电流相位时，功率侧相位也会跟随变化，因此，可以通过移相的办法而使功率侧电压不断逼近电网电压，而最终满足并网条件。

若电网电压矢量U*超前于BDFIG电压矢量U，须增加电压矢量U的旋转速度以追赶U*，故由式(1)可知须将控制侧频率fc减小以增大fp，反之增加控制侧频率。其中，当BDFIG处于亚同步状态时fc取“-”，超同步状态时fc取“+”。

图5　BDFIG移相控制

图中K4取(Pp+Pc)/60，并网前K5取1/Um，K3取端点E，并网后K5取1/Im，K3取端点F，Ubase为电网电压矢量，Up为BDFIG功率侧发出电压矢量，Ip为功率侧输出电流。

当电网电压矢量U*和BDFIG电压矢量U相差比较小时，存在如下关系：

(18)

故控制侧的位置给定如下式：

(19)

其中取电网电压矢量为参考D轴，Uq为BDFIG电压U在参考坐标系Q轴上的投影，Um为电网电压幅值，θc为稳态位置角，Uq/Um为位置补偿角，θ*为控制侧位置给定角。同时为了避免补偿角过大而导致控制系统的振荡，对补偿角度进行限幅处理。

2.3BDFIG的并网运行策略

并网后，发电机电压为电网电压，只须对电流进行控制即可实现功率控制。但由于BDFIG复杂的电磁耦合关系，目前针对于BDFIG的有功功率和无功功率的解耦控制算法尚未成熟。为简化问题，本文采用当BDFIG发电机并网运行时，发电机只发出有功功率的运行策略，即基于电流控制的恒流源有功功率控制的并网运行策略。故并网后将独立发电时的电压幅频控制改为电流的幅频控制，其控制框图如图4，其中K1、K2分别连接在B、D两处，同时在幅频控制的基础上，叠加上相位控制，此时其中K3连接至端点F，K5取1/Im，使得电流、电压一直锁定为同相位，即可通过控制电流幅值的给定从而来实现对有功功率的控制。

3SIMULINK仿真

利用上述控制算法，对一台64kW的BDFIG发电机的并网控制系统搭建图如图6，其中BDFIG发电机参数参照参考文献[5]。其中电容取4.7×10-3μF，整流桥电阻取0.15Ω，整流桥电感取5×10-3mH，启动时所带负载取16kW。在0.8s左右BDFIG发电机转速由450r/min上升至550r/min。并网控制时电流初始给定指令为30A。并网后进行基于电流控制的恒流源的有功功率的调节。

先建立直流母线电压650V，在0.6s处，启动控制侧变频器，BDFIG实行电压幅频控制，建立起50Hz、380V电压，启动瞬间各部分电气变量波形如图7。

图6　BDFIG并网控制系统

图7　直流侧电压

图8　启动时功率侧电压与控制侧电流

由图7、8可知，母线电压在突然启动发电机时，存在一定的跌落和过调。BDFIG发电机功率侧电压与控制侧电流波形存在一定的对应关系，符合上文简化的数学模型如图3所对应的一个关系。

BDFIG并网控制过程中相关变量的波形如图9~图10。

由上文理论推导知，并网前是一个电压的幅频控制，使得BDFIG发电机的电压幅值和频率与电网电压的相同，输出电流由负载决定。在并网后控制器将切换至电流的幅频控制，输出电流的大小等于给定的电流大小，本文取例30A。故存在一个电流的突变，图9很好地反映了这一点。由图10可以看出，并网瞬间，母线电压Uq、Iq出现了扰动，这是由于控制算法的切换，相当于突减负载，导致了直流母线电压和相位的一个偏移，其中Uq、Iq分别反应了并网前BDFIG电压与电网电压、并网后输出电流与BDFIG电压的相位差，图10中电流Iq经过一个扰动后，Iq逐渐回复到0，这个过程正好对应了这个相位控制这一调节过程。

图9　并网瞬间功率侧电流和控制侧电流

图10　并网瞬间的直流母线电压和相位关系

BDFIG功率侧给定电流突变至80A的波形如图11。BDFIG转速由亚同步上升到超同步时，即由450n/min上升至550n/min的波形如图12。

图11　功率侧电流突变时功率侧电流和控制侧电流

图12　转速变化时功率侧电流和控制侧电流

由图11知，当功率侧电流增大时，控制侧电流跟着增大，符合上文的简化模型图3，励磁基本恒定时，输出电流增大时，由图3知控制侧电流也要随着增大，才能维持系统的平衡。由图12知，当BDFIG发电机转速从亚同步速上升到超同步速时，功率侧电流频率和相位没有发生变化，而控制侧电流的频率发生了变化，同时，由亚同步时的负序频率慢慢转换为超同步速时的正序频率，与公式(1)相吻合。

综上所述，整个并网控制的波形完整、准确地反映和验证了上文控制算法的正确性。

4结论

本文借助于对异步电机的基本方程和坐标变化的基本理论，对BDFIG发电机电机数学模型进行了分析和简化，并依据简化后的数学模型，提出了一种简单的适用于BDFIG的并网控制算法和基于电流控制的恒流源的有功功率控制，仿真并验证了该并网控制算法和并网运行策略的可行性与正确性，为BDFIG并网运行控制的进一步研究提供了参考。

参考文献

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