基于功率误差比较的开绕组无刷双馈发电机直接功率控制

金　石　王中正　王代睿，2　朱连成，3

(1.沈阳工业大学电气工程学院　沈阳　110870　2.深圳华为技术有限公司　深圳　518129

3.辽宁科技大学电子与信息工程学院　鞍山　114051)



基于功率误差比较的开绕组无刷双馈发电机直接功率控制

金石1王中正1王代睿1，2朱连成1，3

(1.沈阳工业大学电气工程学院沈阳1108702.深圳华为技术有限公司深圳518129

3.辽宁科技大学电子与信息工程学院鞍山114051)

摘要提出一种具有开绕组结构的无刷双馈风力发电机及其控制系统，开绕组无刷双馈发电机(OW-BDFG)是将控制绕组全部打开，在其两端各接一个变频器对OW-BDFG进行控制。该种拓扑结构可独立控制各相控制绕组电流，大大加强了控制的灵活性和系统的故障冗余能力，且所需变频器容量更小，开关频率较低。针对OW-BDFG特殊结构，提出一种基于功率误差比较的直接功率控制(PEC-DPC)方法对OW-BDFG的有功和无功功率进行解耦控制，以实现功率跟踪。该种控制方法结构简单，易实现，计算量小，动态响应快，且无需观测磁链大小，实时性好。最后，通过仿真比较和实验研究，验证了所提出OW-BDFG及其PEC-DPC系统的可行性和优越性。

关键词：无刷双馈风力发电机功率跟踪开绕组直接功率控制误差比较

0引言

风能作为一种清洁的可再生能源，受到了越来越广泛的关注，尤其是风力发电的应用[1，2]。在众多风力发电方案中，变速恒频无刷双馈风力发电系统[3]因其无刷可靠、所需变频器容量小以及功率因数可调等优点，逐渐成为最具竞争力的风力发电形式，特别适用于大型风电系统，这就需要进一步大幅提高无刷双馈发电机(Brushless Doubly-Fed Generator，BDFG)的功率等级，并提出针对性和灵活性更强的控制方法，这对于推进BDFG在大型风电系统中的实用化和产业化具有重要意义。

开绕组无刷双馈发电机(Open-Winding BDFG，OW-BDFG)是指将常规BDFG的控制绕组连接端全部打开，在控制绕组两端各引出3个端子，并在其两端各接一个变频器对BDFG进行控制。这样，OW-BDFG不但具有常规BDFG的所有优点，还可以独立控制各相绕组电流，大大加强了控制的灵活性和系统的故障冗余能力，具有更广阔的应用前景。文献[4]首次对开绕组电机进行了研究，它将一台感应电动机改装成开绕组结构，绕组两端分别连接一套逆变器，通过协调控制两套逆变器，提高了感应电动机的转矩响应速度和频带范围，使得开绕组交流电机结构开始获得人们的认可。文献[5]将高效开绕组永磁同步发电机用于分布式发电系统中，省去了一个变流器，提高了系统效率。文献[6]针对变流器容量对现代风力发电系统中单机容量越来越大的趋势造成制约这一问题，将开绕组结构运用到永磁同步风力发电机中，采用两个小容量变流器与开绕组永磁同步发电机(OW-PMSG)级联，构成了OW-PMSG风电系统。目前，国内外还没有针对OW-BDFG的研究。

本文针对OW-BDFG的特殊结构，采用两个双向变频器与控制绕组两端连接对OW-BDFG进行励磁。由于OW-BDFG的内部电磁关系极为复杂，而且还需要对双两电平逆变器进行协调控制，因此，传统的控制方法已不再适用于该种特殊发电机。本文提出一种适用于OW-BDFG的直接功率控制(Direct Power Control，DPC)方法，并加入功率误差比较环节，使其能够更加精确的控制OW-BDFG的有功功率和无功功率。DPC方法源于直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)，与目前研究较多的用于BDFG最大功率跟踪控制的DTC[7-9]相比，DPC方法也无需旋转坐标变换和电流内环，不依赖于发电机参数，结构简单，鲁棒性强，此外还无需观测磁链大小，很好地解决了磁链观测器对参数敏感导致控制系统实时性差的问题，可直接对OW-BDFG的有功功率和无功功率进行独立控制，更适用于对输出功率要求严格的风力发电场合。

1OW-BDFG系统结构及模型建立

OW-BDFG的定子上嵌有不同极数的两套绕组，即功率绕组和控制绕组，功率绕组(也称主绕组)与电网直接相连，用于发出电能，控制绕组(也称次绕组)为开绕组结构，两端与两个双向变频器连接，用于励磁，其系统结构示意图如图1所示。OW-BDFG的转子结构主要有特殊笼型转子和磁阻式转子[10]两种基本类型，本文所提的OW-BDFG采用磁阻式转子结构。

图1　OW-BDFG系统结构示意图Fig.1　Structural diagram of OW-BDFG system

在转子速d-q坐标系下，OW-BDFG的电压和磁链方程分别为

(1)

(2)

式中，u为电压；i为电流；Ψ为磁链；pp和pc分别为功率绕组和控制绕组的极对数；R为电阻；Lp和Lc分别为功率绕组和控制绕组自感；Lm为功率绕组与控制绕组之间的互感；Ωr为转子机械角速度；下标p表示功率绕组；下标c表示控制绕组；下标r表示转子绕组；下标d表示d轴分量；下标q表示q轴分量；p为微分算子。

对于OW-BDFG，其控制绕组电压ucq和ucd分别为两个双向变频器输出电压的差值，即

(3)

根据瞬时功率理论可知，OW-BDFG功率绕组输出的瞬时有功功率P和无功功率Q表达式分别为

(4)

根据OW-BDFG的数学模型，使定子功率绕组磁链Ψp与功率绕组同步速d-q坐标系的d轴重合，则功率绕组磁链Ψp=Ψpd，Ψpq=0，并忽略定子绕组电阻，可得到OW-BDFG矢量图如图2所示。

图2　OW-BDFG矢量图Fig.2　Vector diagram of OW-BDFG

2OW-BDFG的PEC-DPC思想

2.1PEC-DPC原理

DPC的控制思想源于直接转矩控制(Direct Torque Control，DTC)，并结合了瞬时功率理论[12，13]。它是根据功率绕组有功功率和无功功率的误差信号以及控制绕组磁链所在扇区的信息来重新制定开关电压矢量选择表，通过适当选择开关电压矢量来直接独立控制OW-BDFG的有功功率和无功功率，进而实现最大功率跟踪控制。虽然DPC方法可将有功功率和无功功率控制在给定的范围内，但其控制效果还有待改善，因此，本文将对其进行改进，提出一种基于功率误差比较的直接功率控制(Power Error Comparison DPC，PEC-DPC)方法。

对于OW-BDFG系统，因其采用双两电平逆变器馈电，所以产生了更多的开关电压矢量。在开关电压矢量数量增加的情况下，有必要细分扇区来更精确地选择合适的电压矢量，因此，本文将整个空间平面平均分为12个扇区，每个扇区30°。开关电压矢量与扇区划分如图3所示，其中Umn表示逆变器1产生的电压矢量Um与逆变器2产生的电压矢量Un的合成。根据矢量的幅值不同，开关电压矢量可分为6个长矢量、6个中矢量、6个短矢量和零矢量。

由于采用双两电平变频器对OW-BDFG进行控制，可选择的开关电压矢量较多，因此，当功率出现偏差时，可选用的电压矢量往往不只一个。例如图3中，当Ψc位于第Ⅱ扇区，且需要减小有功功率P和无功功率Q时，开关电压矢量U13和U14都符合要求，但它们对有功功率和无功功率的影响程度不同，电压矢量U13更有利于减小Ψc与Ψpc之间的夹角δ，即对有功功率P的影响更加明显，而U14对Ψc的幅值影响较大，

对δ改变较小，即对无功功率Q的调节效果更好。综上所述，可以在每次选择开关电压矢量之前计算有功功率和无功功率的偏差ΔP和ΔQ，选择偏差量较大的一个进行重点调节，可得到更好的控制效果，这就是PEC-DPC的控制思想，其控制原理框图如图4所示。

图3　开关电压矢量的选择Fig.3　Selection of switching voltage vectors

图4　OW-BDFG的PEC-DPC原理框图Fig.4　PEC-DPC principle diagram of OW-BDFG

OW-BDFG的电磁转矩Te可由功率绕组与控制绕组的交互磁链Ψpc和控制绕组磁链Ψc表示为

(5)

1)对于有功功率P的控制

在大功率OW-BDFG中，往往可忽略定子绕组电阻，因此在忽略铜耗的情况下，瞬时电磁功率与输出功率大致相等，即Pe≈Po。又因为功率绕组与电网直接相连，功率绕组磁链幅值Ψp约为常数，功率绕组与控制绕组的交互磁链Ψpc也约为常数，有功功率P的变化趋势与电磁转矩Te相同，因此，可参考DTC方法，通过改变磁链间夹角δ来控制有功功率P的变化。

2)对于无功功率Q的控制

由于定子磁场是由两套绕组共同建立的，那么，如果一套绕组提供的无功功率大些，则另一套绕组提供的无功功率就会相对小些，因此，对无功功率Q的控制可转换成对控制绕组磁链Ψc幅值的控制。

2.2开关电压矢量的选择

在OW-BDFG的控制绕组侧施加不同的开关电压矢量(Umn)，会引起有功功率P和无功功率Q发生不同的变化。选择开关电压矢量的方法主要有3种，即长矢量(双两电平逆变器均只输出长矢量，且方向相反)、中矢量(双两电平逆变器均只输出中等幅值矢量，方向为其相邻两个长矢量的角平分线方向)和混合矢量(双两电平逆变器均既输出长矢量，又输出中矢量)。长矢量DPC和中矢量DPC均只使用6个开关电压矢量，缺乏控制灵活性，无法发挥BDFG采用开绕组结构的优势。而混合矢量DPC输出的开关电压矢量数量较多(共12个)，因此控制效果更为精确，且开关切换频率较低。这里采用混合矢量DPC方法，再根据EPC-DPC控制思想，重新制定开关电压矢量选择表如表1所示。

表1　PEC-DPC开关电压矢量选择表

3仿真分析与比较

基于OW-BDFG直接功率控制系统框图，在Simulink中构建系统模型进行仿真分析和比较。OW-BDFG样机的主要参数如下：额定功率为15 kW，额定频率为50 Hz，额定电压为380 V，pp=3，Rp=1.2 Ω，Lp=54 mH，pc=1，Rc=0.9 Ω，Lc=27 mH，Lm=35.8 mH。

分别对采用传统DPC方法的非开绕组BDFG系统和采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系统工作在亚同步速、同步速和超同步速时的有功功率调节情况进行仿真分析和比较，令无功功率保持为零，即使BDFG运行在单位功率因数下。在仿真过程中，BDFG首先运行在亚同步速，转子转速nr=675 r/min(亚同步运行)，在0.5 s和1 s时分别将转速调节到750 r/min(同步运行)和825 r/min(超同步运行)；初始给定有功功率为5 kW，在0.3 s和0.7 s时分别将给定的有功功率调节为10 kW和15 kW。图5和图6分别给出了采用传统DPC方法的BDFG系统和采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系统仿真结果。

图5　采用传统DPC方法的BDFG系统仿真Fig.5　Simulation of BDFG system adopting conventional DPC method

图6　采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系统仿真Fig.6　Simulation of OW-BDFG system adopting PEC-DPC method

由图5和图6的仿真结果比较可看出，采用PEC-DPC方法的双两电平变频器OW-BDFG系统的控制效果有显著提高。由图6a和图6b可看出，该系统功率绕组输出电流的谐波含量更小，而且在整个仿真过程中，控制绕组的频率根据OW-BDFG的转速不同而自动调节，保证了功率绕组输出电流的频率始终为50 Hz，可实现变速恒频发电。由图6c和图6d可看出，有功功率P和无功功率Q被稳定控制在滞环宽度范围内，只有在转速发生跃变时产生较小超调，并能在很短时间内重新回到给定值。

4实验研究

在实验室搭建了开绕组无刷双馈风力发电机及其控制系统的实验平台(见图7)，并进行了实验研究。图8为转子转速分别为675 r/min(亚同步运行)和825 r/min(超同步运行)时的功率绕组三相电流波形。当转子转速为825 r/min，有功功率给定为10 kW，无功功率给定为零时，OW-BDFG输出有功功率和无功功率波形如图9所示。由实验结果可看出，OW-BDFG功率绕组输出的三相电流频率为50 Hz，可实现变速恒频运行，所采用的PEC-DPC方法可控制OW-BDFG输出功率平稳快速地跟踪上功率给定值，验证了所提方法的有效性。

图7　系统实验平台Fig.7　Experimental platform of system

图8　功率绕组三相电流波形Fig.8　Three-phase current waveforms of power winding

图9　OW-BDFG输出有功功率和无功功率波形Fig.9　Active and reactive power waveforms of OW-BDFG

5结论

本文针对BDFG复杂的内部电磁关系及其应用于风力发电机组的功率跟踪问题，提出了一种具有开绕组结构的无刷双馈风力发电机及其PEC-DPC系统，并采用双两电平逆变器对OW-BDFG进行励磁。该种拓扑结构可有效改善风力发电系统的控制灵活性和故障冗余能力，且所需变频器容量更小，开关频率较低。此外，分别对采用传统DPC方法的非开绕组BDFG系统和采用改进PEC-DPC方法的OW-BDFG系统进行了仿真分析和比较，并对采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系统进行了实验研究，结果表明，所提出的PEC-DPC方法能够更加精确地将OW-BDFG的有功和无功功率稳定在给定值上，更好地实现了功率跟踪控制。

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金石女，1981年生，博士，副教授，研究方向为风力发电、特种电机及其控制技术。

E-mail：wby-js@163.com(通信作者)

王中正男，1992年生，硕士研究生，研究方向为风力发电机及其控制系统。

E-mail：645170278@qq.com

Direct Power Control for Open-Winding Brushless Doubly-Fed Generator Based on Power Error Comparison

JinShi1WangZhongzheng1WangDairui1，2ZhuLiancheng1，3

(1.School of Electrical EngineeringShenyang University of TechnologyShenyang110870China 2.Huawei Technologies Co.LtdShenzhen518129China 3.School of Electronic and Information EngineeringUniversity of Science and Technology Liaoning Anshan114051China)

AbstractA brushless doubly-fed wind power generator with open-winding structure and its control system are proposed. The open-winding brushless doubly-fed generator (OW-BDFG) means that the control winding is opened completely and its two ends are respectively connected to an inverter to control the OW-BDFG. This topology structure, which has smaller inverter capacity and lower switching frequency, can independently control each phase current of the control winding to enhance the control flexibility and fault redundancy ability of the wind power system. Moreover, for the special structure of the OW-BDFG, a power error comparison direct power control (PEC-DPC) method is proposed to implement the power tracking through the decoupling control of the active and reactive powers of the OW-BDFG. This control method has the properties of simple structure, easy realization, small computational amount, fast dynamic response, as well as good real-time performance without observing the flux amplitude. Finally, the feasibility and superiority of the proposed OW-BDFG and its PEC-DPC system are verified through the simulation comparison and the experimental study.

Keywords：Brushless doubly-fed wind power generator, power tracking, open-winding, direct power control, error comparison

作者简介

中图分类号：TM614

收稿日期2015-09-10改稿日期2015-10-20

国家自然科学基金(51277124，51537007)、欧盟国际合作项目(318925)和高等学校博士学科点专项科研基金(20122102110004)资助。