基于定子功率因数观测的双馈电机励磁控制技术研究

林成武， 马淑芳， 李 瑞

(青岛滨海学院，山东 青岛 266555)



基于定子功率因数观测的双馈电机励磁控制技术研究

林成武， 马淑芳， 李 瑞

(青岛滨海学院，山东 青岛 266555)

基于定子磁场定向矢量控制理论，在dq轴同步旋转坐标系下，提出以定子侧功率因数作为主要观测和控制变量的励磁控制策略，建立了功率因数调节方程和励磁控制模型，分析了转子励磁参数变化对功率因数和输出功率的影响。理论分析表明，所提出的励磁控制技术对变速恒频双馈风力发电机控制系统设计和控制策略研究具有一定的参考价值。

双馈电机； 矢量控制； 功率因数观测； 励磁控制

0 引 言

风能是最重要的可再生能源之一，为广泛存在、可自由索取的绿色能源。在地球面临“能源危机、资源危机和环境危机”的状况下，充分利用这种可再生能源有着重大意义，因此受到世界各国的高度重视。按2013年底的风电累计装机容量计算，我国在2001年至2013年间，年均复合增长率为57.12%[1]。当前风电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方向发展。其中，变速恒频双馈风力发电机组已成为主力机型,在2009年全球新增风电机组中，变速恒频双馈型机组占80%以上。目前，欧洲正在开发10MW的变速恒频双馈风电机组[2]。这种风电机组的优点在于： 在额定风速以下，保持最佳叶尖速比以获得最佳风能；在额定风速以上，通过变桨距和转子励磁控制相结合，调节风力发电机的转速，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使输出功率保持稳定[3- 4]。本文根据双馈电机的技术特点，提出了基于定子功率因数观测的双馈电机励磁控制策略，推导了功率因数调节特性方程，对转子励磁调节过程进行矢量分析，为双馈电机励磁控制理论和励磁控制系统设计提供了一定的理论基础。

1 双馈电机定子磁场定向矢量控制原理

1.1 双馈电机在同步旋转坐标系下的矢量图

在现代电机控制系统过程中，根据不同的研究对象选取不同的坐标系，就可以使方程中的某些变量变成零元素，从而达到解耦的目的。本文以并网型变速恒频双馈风力发电机组为例，建立双馈电机在dq同步旋转坐标系下的矢量图和电压、电流方程。

并网型双馈风力发电机的系统框图如图1所示，主要由风力机、双馈发电机、励磁控制系统和电网组成。

图1 双馈风力发电机系统框图

由于定子电压和频率为常数，如果忽略定子绕组的电阻，则定子电压矢量U1滞后于定子磁链90°。在dq同步旋转坐标系中，取d轴与定子磁链方向一致，则q轴与定子电压矢量方向一致，定子电压的d轴分量为0，定子磁链的q轴分量为0，这样就简化了双馈电机控制模型[5]。根据双馈电机定子磁场定向的基本原理，按发电机惯例，其矢量图如图2所示。

图2 双馈电机在同步旋转坐标系下的矢量图

图2直观地展示了在dq同步旋转坐标系中，双馈电机定子侧输出参数和转子侧控制参数之间的相互关系，为双馈电机电流、电压方程和控制模型的建立打下了基础。

1.2 电压与电流关系方程

在abc三相静止坐标系下的双馈电机方程为六阶微分方程[6-8]。根据坐标变换原理，转换为dq同步旋转坐标系的四阶代数方程，即：

(1)

s——双馈电机的转差率。

若忽略定子电阻r1并考虑uq1=U1,ud1=0，可将双馈电机电压与电流关系方程简化为

(2)

2 定子功率因数的矢量控制模型

根据图2中的几何关系,定子电流的直轴分量id1和交轴分量iq1的正切角即定子功率因数角φ1为

(3)

转子励磁电压直轴分量ud1和交轴分量uq1为

(4)

由式(2)式得

(5)

(6)

将式(4)～式(6)代入式(3)，可得功率因数角为

(7)

(8)

由式(8)可知：

(1) 当定子电压U1、频率、有功功率、转速、定转子电压相位φ12保持不变时，双馈发电机的功率因数与转子电压的幅值有关。转子电压较小(欠励)时为容性；当转子电压增加到某一值时，功率因数为1；继续增加转子电压，功率因数变为滞后并逐渐减小。其仿真结果如图3所示。

图3 功率因数与转子电压幅值的关系

(2) 当定子电压U1、频率、有功功率、转速、转子电压幅值保持不变时，双馈发电机的功率因数与定转子电压的相位角φ12有关。夹角小时，转子电流励磁分量小(欠励)，功率因数为超前；随着夹角的增大，转子电流励磁分量增加，功率因数角由超前变为滞后，如图4所示。

图4 定转子电压相位角与功率因数的关系

(3) 当频率、有功功率、定转子电压的相位角及幅值保持不变时，转速变化，双馈电机的功率因数也将发生变化。

所以通过调节转子电压的幅值和定转子电压的相位角φ12，可以控制双馈电机的功率因数。

3 励磁控制过程的矢量分析

并网型双馈风力发电机的定子电压和频率为恒定值，电机气隙磁通近似为常数，即定子电流的励磁分量和转子电流的励磁分量之和是常数。

当双馈发电机处于过励状态时，转子励磁电流较大，定子电流滞后于定子电压，功率因数为感性，定子电流的无功分量与转子励磁电流的直轴分量方向相反，起去磁作用，以保持电机气隙磁通恒定，如图2所示。

当双馈发电机处于欠励状态时，发电机定子电流超前定子电压，功率因数为容性，定子电流的无功分量与转子励磁电流的直轴分量方向相同，起增磁作用，以保持定子气隙磁通为常数。

3.1 无功功率调节过程分析

当双馈发电机输出有功功率恒定而进行无功功率调节时，应满足条件：

i1cosφ1=iq1=常数

(9)

式(9)说明，若定子电流矢量在q轴上的投影保持不变，即可保持有功功率不变。所以，定子电流矢量i1端点的轨迹在双馈发电机输出不同的无功功率时为一条过定子电流矢量端点且垂直于q轴的直线，如图5所示。定子电流矢量i1端点的轨迹为虚线m-m′。

其调节过程如下： 逐渐减小发电机励磁电流i21→i22→i23,发电机定子电流由滞后电压矢量向超前电压矢量方向变化，即定子电流矢量的变化为i11→i12→i13，从输出滞后无功功率改变为输出超前无功功率。定子电流的无功分量由去磁作用逐渐变为助磁作用，发电机气隙磁通随着转子励磁电流的减弱而得到定子电流无功分量的补充，从而使系统吸收超前无功功率而稳定运行。

3.2 有功功率调节过程分析

当双馈发电机输出无功功率恒定而进行有功功率调节时，应满足条件：

i1sinφ1=id1=常数

(10)

式(10)说明，定子的电流矢量i1在d轴上的投影应保持不变。所以，定子电流矢量i1端点的轨迹在双馈发电机输出不同的有功功率时，为一条过定子电流矢量i1端点且平行于q轴的直线，如图6所示。在进行无功功率调节过程中，定子电流矢量i1端点的轨迹为虚线g-g′。

其控制过程如下： 逐渐增加双馈发电机的输出电流i11→i12→i13，其有功分量iq11→iq12→iq13。在整个调节过程中，发电机定子电流矢量i1的无功分量id1始终保持不变，从而使系统根据风速的变化调节双馈发电机输出的有功功率。

综上所述，由于双馈发电机的功率因数不仅反映了电机的励磁程度，而且具有“标幺值”的特点，只反映有功功率和无功功率的分配关系和无

图6 无功功率恒定、有功功率变化时矢量图

功功率的性质(超前或滞后)，而与有功功率和无功功率的量值无关。

4 结 语

(1) 双馈电机励磁控制系统需要观测和控制的诸多变量中，定子绕组功率因数对系统运行状况的反映具有全局性。其不仅显示了发电机输出有功和无功功率的分配关系，还能反映电机转速和转子绕组励磁电流的变化。

(2) 在dq轴同步旋转坐标系统下，建立的定子侧功率因数控制模型与理论分析一致，直观地反映了转子励磁参数变化对功率因数和输出功率的影响。

(3) 功率因数具有“标幺值”的特点，以定子侧功率因数作为主要观测和控制变量，便于对不同容量双馈电机励磁控制系统的共性问题进行研究。

(4) 本文提出的基于定子功率因数观测的双馈电机励磁模型和控制策略，对于及时了解双馈电机系统总体运行状况和采取相应的控制措施具有重要的意义。

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Study on Doubly-Fed Motor Excitation Control Technology Based on Stator Power Factor Observation

LINChengwu,MAShufang,LIRui

(Qingdao Binhai University, Qingdao 266555， China)

Based on the stator field oriented vector control theory and in the axis synchronous rotating coordinate system in thedq, proposed that using stator side power factor as the excitation control strategy of main observations and control variables, established the power factor adjustment equation and the excitation control model, and analyzed the impact of rotor excitation parameters variation on power factor and output power. Theoretical analysis indicated that the proposed excitation control technique has some reference value to the design of VSCF double fed wind generator and the study of control strategy.

double fed motor; vector control; power factor observation; excitation control

林成武(1955—)，男，博士研究生，教授，研究方向为电力电子与电机控制技术。

马淑芳(1978—)，女，讲师，研究方向为电机控制技术。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)10- 0024- 04

2016-07-08

李 瑞(1981—)，女，硕士研究生，讲师，研究方向为计算机控制技术。