第45卷第8期8月电力电子技术POWETELECTRONICSVO1．45，NO．8AUGUST无刷双馈风力发电机变速恒频控制研究王峰，何凤有，王斌，张杰中国矿业大学。江苏徐州221008摘要根据无刷双馈风力发电机BDFG的结构与运行原理，分析了其在转子速D，Q坐标系下的数学模型。采用恒压频比控制策略，在MATLAB／SIMULINK下完成BDFG变速恒频VSCF发电的开环仿真研究，并基于双三电平变流器结构，以DSPTMS320F2812为主控制器建立实验平台．完成BDFG带独立电阻负载的VSCF开环控制实验。仿真与实验结果验证了BDFGVSCF控制技术的正确性与有效性。关键词风力发电机；无刷双馈发电机；变速恒频中图分类号TM315文献标识码A文章编号1000100X加1108006802VARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYCONTROLOFBRUSHLESSDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATORWANGFENG，HEFENGYOU，WANGBIN，ZHANGJIECHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，XUZHOU221008，CHINAABSTRACTBASEDONTHESTRUCTURECHARACTERISTICSANDOPERATIONPRINCIPLEOFBRUSHLESSDOUBLYFEDGENERATORBDFGINWINDPOWERGENERATIONSYSTEM，THEROTORSPEEDD，QMATHEMATICALMODELOFBDFGISANALYZED．UNDEROPENLOOPTHEDYNAMICSIMULATIONOFBDFGISREALIZEDINMATLAB／SIMULINKBYUSINGV／FCONTROLSTRATEGY，THEVARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYVSCFEXPERIMENTOFBDFGWITHINDEPENDENTRESISTANCELOADISCONDUCTEDBASEDONDSPTMS320F2812CONTROLLERANDDUALTHREELEVELINVERTER．SIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSVERIFYTHECORRECTNESSANDEFFECTIVENESSOFVSCFCONTROLTECHNOLOGYOFBDFG．KEYWORDSWINDPOWERGENERATOR；BMSHLESSDOUBLYFEDGENERATOR；VARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYL引言近年来．BDFG以其独特的优势逐渐成为风力发电机的主要选择。采用VSCF技术可提高风力发电机组在低风速下的出力水平，能够最大限度地实现风电能量转换，且维护费用低，运行可靠性高．在VSCF风力发电系统中具有良好的应用前景【N。结合风力发电的特点，在分析BDFG结构原理与数学模型的基础上。在开环状态下对BDFG的VSCF控制技术进行了仿真与实验。2BDFG及其VSCF发电系统BDFG定子绕组由极对数为P。的功率绕组和极对数为P的控制绕组构成；转子采用鼠笼式或磁阻式结构；两套定予绕组在电路和磁路方面是解耦的，并通过转子实现耦合当转子极对数取PP时，不同极对数的两套定子绕组中产生的速度电动势与通入该绕组的电流具有相同频率．从而进行电机能量转换。在VSCF风力发电系统中．定稿日期20L10616作者简介王峰1983一，男，江苏徐州人，硕士研究生．研究方向为电力电子与电力传动。68BDFG的控制绕组连接双向可逆变频器，用作交流励磁绕组；功率绕组用于并网发电【21。无刷双馈风力发电系统结构如图1所示。UVW电网工频5OHZ图L无刷双馈VSCF风力发电系统在发电运行模式下．BDFG功率绕组电流频率控制绕组电流频率．与发电机转速／／,关系为FON，P十P。／6O1式1中，前取‘’号表示功率绕组与控制绕组电流反相序取‘一’号表示功率绕组与控制绕组电流同相序。当风速引起珥发生变化时，通过变流器调节，可使．保持不变，从而实现BDFG的VSCF发电控制【3】3BDFG数学模型从BDFG基本方程出发，利用坐标变换理论，可推导出其转子速，Q数学模型4】。由于BDFG转无刷双馈风力发电机变速恒频控制研究子采用自行闭合的环路结构，转子D，Q轴电压均为零，从而进一步简化其转子速D，Q模型为UQPU如U0C“040一B00OC00一DPM0PM0】L0P肼0P0GJL击2式中ARPPL，RP，L分别为功率绕组的电阻、自感，P为微分算子；BPOTOL，为电机机械角速度；CRPL，FC，L分别为控制绕组的电阻、自感；DPGOL；EPCO,M，为功率绕组与转子的互感；FPGOFLL，为控制绕组与转子的互感；GRRIPL，／'RL分别为转子电阻、自感；，，Ⅱ，，，均表示瞬态值。电磁转矩方程为TEP女一I击P。IQCI也3机械运动方程为JO,／DT一TOKTO4式中_，为转子机械惯量；为负载转矩；K为转动阻尼系数。功率绕组的有功、无功功率方程为3P“中／2，Q3U一“／254仿真结果根据上述BDFG转子速的数学模型，在MATLAB／SIMULINK环境下建立BDFGVSCF开环系统仿真模型【5。该系统为独立运行的发电系统，由信号源输入模块、坐标变换计算模块、BDFG模块和信号输出模块等组成。采用V／F控制，根据发电机给定转速的变化，调节控制绕组电流的相应频率，从而使发电机功率绕组输出电压和电流频率保持恒定，5OHZ。主要仿真参数选取算法ODE23TB，选取可变步长．最大步长为0．001。BDFG主要参数为P3，RP10．5IL，L0．326H，0．315H，P。L，RC1．362Q，L0．395H，0．33H，RR4．2I2，L0．623H，JO．02KGIN，KDO。仿真中，通过不同时刻改变电机的给定转速使BDFG运行在超同步、自然同步、亚同步状态。仿真给定BDFG转速为900RMIN一，825RMIN一，750RMIN一，675RMIN一，600RMIN～，控制绕组电流频率也随之变化，10HZ，5HZ，0，一5HZ，一LOHZ，从而实现发电机功率绕组输出电压和电流频率恒定。0～4S为BDFG超同步状态运行．即转速为900825RMIN；46S为BDFG自然同步状态运行，即转速为750RMIN；6～10S为BDFG亚步状态运行，转速为675600RMIN～。图2为仿真波形。因采用开环控制，在转速过渡期间，转矩、电流、频率等会产生短时较大振荡。55O549448．447C功率绕组频率O24，，S68LOD功率绕订功厄功功率图2仿真波形仿真证实，BDFG在不同转速下，通过调节，即可保证功率绕组电压与电流的频率恒定，5OHZ，完全符合式1中频率与转速关系。5实验结果通过搭建硬件实验平台验证BDFGVSCF的发电特性【6】。实验样机主要参数如表1所示。表1实验样机主要电磁参数嚣功率绕组3380373．54．778．34控制绕组L380L438．828．533．6图3示出简化硬件电路。实验直流母线电压为320V，载波频率为1KHZ，采用恒V／F控制。直一在此给出BDFG在亚同步状态发电运行的相关实验波形。实验过程中，直流电动机拖动BDFG转速变化为600～525RMIN～，转速曲线如图4A所示；根据转速变化，按式1关系调节控制绕组的频率变化为一L0～15HZ；转速与频率过渡期间，控制绕组线电压与相电流I波形如图4B所示，功率绕组相电压M与相电流波形如图4C所示。可见，实验与仿真结果相似。当转速变化时，按式1关系通过变流器调节控制绕组的励磁电流频率．可使BDFG功率绕组电压与电流的频率保持恒定。由于选用双三电平变流器结构，控制绕组侧可获得良好的电流与电压波形，谐波含量小，有利于BDFGVSCF发电控制与实现。下转第80页69EF尥0F3FGRR0ODC0第45卷第8期8月电力电子技术POWERELECTRONICSVO1．45．NO．8AUGUSTT／】0MS／格L／10MS／}吾A商流电话和并电流B并州电流和电删电雁图4实验波形图5为发电机转速为400RMIN，电网电压为50V时，指令电流由5A突变至7A时，I与“波形。可见，该控制可在电流受到扰动后经过两个电网周期跟踪给定电流．超调约为10％，且保持电压电流基本同相位。分析其运行特性．提出了一种简单易行的闭环动态控制策略来控制并网电流的波形和幅值，在理论上对该控制策略进行了详细分析，并通过实验进行了验证。结果表明，在直流电流波动较大的情况下，该控制策略能使逆变器输出电流THD较低。同时其幅值能准确地跟踪指令。参考文献【1】WHALEYDM，GERTASGIN，WLSOONG，ETA1．INVESTIGATIONOFALOW．．COSTGRID．．CONNECTEDINVERTERFORSMAL1．．SCALEWINDTURBINESBASEDONACONSTANT．CURRENTSOURCEPMGENERATORA．IEEE32ND．ANNUALCONFERENCEONINDUSTRIALELECTRONICSC．FRANCE，42974302．2LWHALEYDM．INVESTIGATIONOFSWITCHEDMODERECTIFIERFORCONTROLOFSMALLSCALEWINDTURBINESA】．FORTIETHIASANNUALMEETINGONINDUSTAPPLICATIONSCONFERENCEC．HONGKONG，28492856．【3】HIRACHI，KYOSHITSUGU，JGAMAGE，ETA1．IMPROVEDCONTMLSTRATEGYONSINGLEPHASEPWMCURRENTSOURCEINVERTERWITHPULSEAREAMODULATIONA1．POWERELECTRONICSANDDRIVESYSTEMSINTERNATIONALCONFERENCEC．1997508512．【4】陈伯时．电力拖动自动控制系统第3版【M】．北京机械工业出版社．．【5MAOMEIQIN，LAIJIDONG．AREALTIMEPREDICTIVEDYNAMICCONTROLSTRATEGYFORTHESMALLWINDTURBINESYSTEMBASEDONCSIA．2NDINTERNATIONALCONFERENCEONMECHANICALANDELECTRONICSENGINEERING【C】．103106．上接第69页SAMNIETIINEARD步发屯状冬转速霎三蓦JT／200MS／格T／100MS／格B控制绕组线电J}I与棚I乜流C功率绕组相}J相电流图4实验波形6结论此处在分析BDFG结构原理以及数学模型的基础上，在开环状态下对其变速恒频的发电控制进行了仿真与实验研究。通过调节发电机的控制绕组进行交流励磁，实现变速恒频控制技术。同时，实验结果证实了基于双三电平变流器BDFG80VSCF控制的有效性．为其在VSCF风力发电领域的开发应用提供了参考依据。参考文献【1】张小兰，廖勇．无刷双馈变速恒频风力发电机控制技术J．武汉大学学报，，432257260．2王琦，陈小虎，纪延超，等．基于双同步坐标的无刷双馈风力发电系统的最大风能追踪控制【J】．电网技术，，3138287．3】张凤阁，王惠军，佟宁泽，等．新型无刷双馈变速恒频风力发电系统的建模和数字仿真J．太阳能学报，，105660664．F4】JPOZA，EOYARBIDE，DROYE，ETA1．UNIFIEDREFERENCEFRAMEDQMODELOFTHEBRUSHLESSDOUBLYFEDMACHINE【HI．ELECTRICPOWERAPPLICATIONSIEEPROCEEDINGS【C．，1535726734．【5张贞飞，何凤有，邓园，等．变速恒频无刷双馈发电机开环动态仿真J．微特电机，，83638．6】邓先明．无刷双馈电机的电磁分析与设计应用【M】．北京机械工业出版社．．
展开阅读全文
