双馈发电机空载并网仿真建模及实验

李　滨,李　岚,贺惟明

(太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024)



双馈发电机空载并网仿真建模及实验

李滨,李岚,贺惟明

(太原理工大学 电气与动力工程学院,太原 030024)

摘要:针对在MATLAB/SIMULINK中没有给出能够空载运行的双馈电机模型的问题,推导了双馈发电机的空载数学模型,并在MATLAB/SIMULINK中搭建出来,用以实现双馈发电机空载并网仿真研究。经过仿真与实验验证了此方法的正确性。

关键词:双馈发电机;空载模型;并网;电网电压定向

双馈发电机的空载并网控制技术各国学者也做了很多研究,在研究的初级阶段主要依靠MATLAB/SIMULINK提供的仿真平台完成。其中给出的异步电机可做双馈电机运行,但是不能实现空载运行,导致无法完成DFIG的空载并网仿真的研究。本文基于电网电压定向推导了DFIG在同步速旋转d-q坐标系下的的空载数学模型,再通过坐标反变换将发电机的各个量转变为三相静止坐标系下的量。在MATLAB/SIMULINK中将此模型搭建出来,用以实现双馈发电机空载并网仿真研究,最终经过仿真与实验验证了这种发电机建模的正确性。

1双馈发电机的数学模型

1.1数学模型推导

本文中双馈电机采用电动机惯例,即定转子侧电流流入为正。采用电网电压定向,其同步速旋转d-q坐标系下的定、转子电压、磁链方程为:

(1)

式中:Uds,Uqs,Udr,Uqr分别为定、转子在d,q轴的电压分量;ids,iqs，idr，iqr分别为定、转子在d,q轴的电流分量;ψds，ψqs，ψdr，ψqr分别为定、转子在d,q轴上的磁链分量;Rs、Rr分别为定、转子电阻;p为微分算子;ω1为同步速;ωslip为转差电角速度。

(2)

式中:Lm为互感;Ls=Lm+L1s，Lr=Lm+L1r,L1s，L1r分别为定、转子漏感。

电磁转矩方程为:

(3)

式中:Te为双馈电机的电磁转矩;np为极对数。

运动方程为:

(4)

式中:TL为双馈电机的负载转矩;J为双馈电机的转动惯量。

为了得到三相静止坐标系下的电机模型,还需要对d-q坐标系下的各个量进行坐标反变换,即可得到基于d-q坐标系的各相表达式。三相静止ABC、定、转子两相静止α-β、同步角速度ω1两相旋转d-q坐标系位置关系如图1。

图1　坐标系位置关系Fig.1　Position relation of coordinate system

两相旋转d-q坐标系到两相静止α-β坐标系变换为:

(5)

式中:定子侧变换时θ=θs为d轴与α轴夹角;转子侧变换时θ=θs-θr,θr为转子位置角。

两相静止α-β坐标系到三相静止坐标系变换为:

(6)

基于d-q坐标系的定、转子各相电压方程为:

(7)

(8)

式中:Uas,Ubs,Ucs分别为定子ABC三相电压。Uar,Ubr,Ucr分别为转子ABC三相电压。

基于d-q坐标系的转子各相电流方程为:

(9)

式中:Iar、Ibr、Icr分别为转子ABC三相电流。

1.2空载数学模型

双馈电机空载运行时,定子侧断路,电流为零,即ids=0,iqs=0。定子侧根据转子侧转速与电流产生感应电压。此时其输入量只有电网电压同步角速度ω1,转子励磁电压,以及转子转速,输出量为定子电压。则DFIG的空载数学模型可以简化为:

空载时定、转子电压方程为:

(10)

空载时定、转子磁链方程为:

(11)

空载运行时,不进行转矩控制,只采集转速信号作为输入量,故运动方程可以省去。再根据式(5)～式(9)可将定、转子各相电压及转子各相电流求解出来。

2双馈发电机空载并网前仿真模型搭建

双馈电机并网前后控制策略不同,并网前空载运行,控制目的是将定子输出电压与电网电压的频率、相位、幅值调节为一致状态,定子电压为输出量。并网后采用最大功率跟踪控制策略,定子电压受控于电网电压,变为输入量。并网前后的状态切换文献[1]已进行研究,本文主要工作为搭建并网前模型及定子电压控制的仿真实验研究。搭建DFIG的模型可采用S函数与直接采用模块搭建两种方法,本文采用模块直接搭建的方法,此方法简单有效。

根据式(5) 、式(6)可得空载运行时DFIG在两相同步旋转d-q坐标系下的仿真模型如图2。

图2　d-q坐标系下DFIG空载仿真模型Fig.2　No-load simulation model of DFIGin the d-q coordinate system

图3　三相静止坐标系下DFIG空载仿真模型Fig.3　No-load simulation model of DFIG in the threephase static coordinate system

根据式(5)—式(9)可得到三相静止坐标系下的DFIG空载仿真模型如图3所示。因为本文采用的矢量解耦控制策略,其转子电压输入仍为d-q坐标系下的Udr,Uqr.如果需要转子侧电压为ABC三相输入,可将其由三相静止坐标系变换到d-q坐标系下,本文不在赘述。

空载并网控制策略采用矢量解耦控制方法,其并网前控制模型如图4。

仿真及实验采用的双馈发电机参数如表1。

表1　双馈发电机参数

3仿真及实验

3.1空载仿真研究

图4　并网前仿真模型Fig.4　Simulation model before connected with power grid

在空载并网前,对DFIG的控制目的为在一定转速下,控制发电机定子侧电压与电网电压一致。给定转速波形,如图5所示,开始为一段渐变转速,为了验证在转速变化时可以实现定子电压控制。之后为一个阶跃风速,为了验证在任何转速下都可以启动并网控制程序。

图5　转速波形Fig.5　Waveform of rotational speed

在上述转速下,图6为电网电压A相与定子输出电压A相对比图,根据红色标志线可以看出在任何转速下两者电压相位、频率、幅值均完全一致。图7为电网相角与定子输出相角对比图,两者在任意转速下保持一致。图8为电网电压d轴分量、定子电压d,q轴分量图,图9为转子电压d,q轴分量图,均符合电网电压定向的结果。

图6　电网、定子电压对比图Fig.6　Comparison chart of power grid and stator voltage

图7　电网相角与定子输出相角对比图Fig.7　Comparison chart of power grid and stator phase angle

图8　电网d轴、定子d,q轴电压分量图Fig.8　Voltage component diagram of power gridd axis and stator d,q axis

图9　转子d,q轴电压分量图Fig.9　Voltage component diagram of rotor d,q axis

图10为转速一直上升过程中转子电压A相与转子电流A相波形图。说明此DFIG模型在亚同步、同步、超同步速时均与实际相符。

图10　转速、转子电压、电流波形Fig.10　Waveform of rotational speed 、rotor voltage and rotor current

3.2空载并网实验研究

为了验证此模型的正确性,以其为基础编写控制程序,在实验室建立了以TMS320F2812为控制核心,直流机带动双馈发电机的实验平台。

图11　实验波形Fig.11　Experimental waveform

图11为在一定转速下,电网、定子、转子A相电压波形,可以看出并网前电网电压与定子电压完全一致,且并网瞬间过渡平滑,验证了此模型的正确性。

4结论

分析了双馈发电机在空载运行时的特性,根据其d-q轴坐标系下的数学模型,推导了双馈发电机在d-q轴坐标系下的空载运行数学模型,为了得到三相静止坐标系下的电机模型,并对其做了坐标反变换。并在MATLAB/SIMULINK中搭建了空载并网控制模型,进行仿真验证,进而在实验室样机上进行了实验验证,证明了本文思路的正确有效性。此模型为其他先进的并网控制策略研究奠定了基础。

参考文献：

[1]任永峰,李含善,李建林,等.并网型双馈电机风力发电系统建模与仿真[J].电力系统及其自动化学报,2009,21(5):24-29.

[2]刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空载并网控制[J].中国电机工程学报,2004,24(3):6-11.

[3]贺益康,胡家兵,徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京：中国电力出版社,2012:33-35.

[4]李岚,杨一雄.双馈风力发电机空载并网控制[J].微特电机,2009,37(2):50-52.

[5]LIU X,CHEN T,WANG A.The study on an adaptive terminal sliding mode excitation control of the grid-connected doubly-fed wind generator[C]∥2013 International Conference on IEEE，Advanced Mechatronic Systems (ICAMechS)，Luoyang：2013:74-78.

(编辑：刘笑达)

Simulation Modeling and Experiment of the No-load Grid-connection of Doubly-fed generator

LI Bin,LI Lan,HE Weiming

(CollegeofElectricalandPowerEngineering,TaiyuanUniversityofTechnoloy,Taiyuan030024,China)

Abstract:In the sorts of grid-connection control strategy of doubly-fed generator, the no-load grid-connection has been widely used with the advantages of smooth transition and low impulse current at the moment of grid connection.Simulation research is needed in the theoretical research stage, however, in MATLAB/SIMULINK is not given the doubly-fed induction generator(DFIG) model of no-load operation.This paper deduced the no-load mathematical model of DFIG, and built up in MATLAB/SIMULINK,which is used to realize the double-fed grid-connection simulation research. The correctness of this method is verified by simulation and experiment.

Key words:doubly-fed induction generator;no-load model;grid connection;power grid voltage orientation

中图分类号:TM315;TM34

文献标识码:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.01.012

作者简介：李滨(1989-),男,河北冀州人，硕士生,主要从事新能源发电研究，(E-mail)762600637@qq.com通讯作者：李岚,教授,主要从事新能源发电、电力传动研究,(E-mail)lilan030@sina.com

基金项目：山西省科技攻关项目：柴油发电机并机系统控制研究(20140322-22)

收稿日期：2015-09-02

文章编号:1007-9432(2016)01-0057-05