雙饋風力發電系統無速度傳感器控制

黃晟,廖武,黃科元

(湖南大學 電氣與信息工程學院,湖南 長沙 410082)

1 引言

隨著礦物燃料的日益枯竭和全球環境的日益惡化,很多國家都在認真探索能源多樣化的途徑,積極開展新能源和可再生能源的研究開發工作。而在可再生能源中,風能始終保持最快的增長態勢,并成為繼石油燃料、化工燃料之后的核心能源。

相對于全功率變換的直驅式發電系統[1],雙饋感應風力發電機(DFIG)定子繞組接電網,轉子繞組則由變頻器提供頻率、相位、幅值都可調節的電源,實現恒頻輸出,還通過改變勵磁電流的幅值和相位實現發電機有功、無功功率的獨立調節。由于變頻器只需供給轉差功率,大大減少了容量的需求,使得雙饋風力發電機成為變速恒頻中的優化方案。雙饋發電機通常采用定子磁場定向控制實現功率的解耦控制[2,3],但是雙饋感應電機的

本文在分析變速恒頻雙饋風力發電控制原理的基礎上,將雙饋發電機轉子位置估計方法運用到矢量控制中,利用TI公司的電機控制用DSP芯片搭建了DFIG無速度傳感器控制實驗系統,實驗結果表明了所提出方法的可行性。

2 雙饋風力發電機控制原理

采用電動機慣性,寫出雙饋發電機數學方程[4]:

雙饋發電機定子接于電網時,可以忽略定子繞組電阻壓降[5],發電機定子電壓矢量Us近似等于感應電動勢es,采用定子磁場定向控制后,正好落在超前d軸90°的q軸上,因此有:

在d-q坐標系中,雙饋發電機定子側的瞬時有功功率和無功功率方程表示為

考慮上述磁場定向約束條件式(3),方程式(4)可簡化為

這表明電機有功功率和電磁轉矩與定子電流有功分量iqs成正比,無功功率和定子電流無功分量ids成正比,只要分別控制定子電流分量iqs和ids,即可實現發電機有功和無功功率的獨立調節。

由于定子電流各分量的調節都是通過調節轉子繞組供電電壓udr,uqr來實現的,轉化得到轉子電壓控制方程:

根據上述分析,可以得到如圖1所示的雙饋風力發電控制系統框圖[5]。功率外環實現對雙饋風力發電的有功功率和無功功率的有效控制,并且通過檢測的電壓電流信號實現轉子位置估計;利用轉子位置角度θr對轉子坐標系下的轉子電流進行坐標變換,得到定子磁場定向下的轉子電流d,q軸分量idr,iqr,分別與參考值比較,經PI調節后輸出電壓控制量 u′dr,u′qr再分別疊加上電壓補償量Δ udr,Δuqr,通過旋轉至靜止的坐標變換,便可獲得用于控制變頻器輸出的轉子電壓uαr,uβr。

圖1 控制系統框圖Fig.1 Diagram of the control system

3 轉子位置檢測原理

分析DFIG時,通常采用圖 2所示的矢量圖[5]。圖2中轉子電流與同步坐標系d軸的夾角為γ1,它同時與轉子 αr軸的夾角為 γ2,轉子位置角度θr=γ2-γ1,所以對轉子位置角度 θr的估計問題可以轉化為計算角度γ1和γ2。

圖2 矢量圖Fig.2 Vecter diag ram of DFIG

利用定轉子之間的線性比例關系可以得到同步坐標系中的轉子電流[5]:

那么轉子電流與同步坐標d軸的夾角:

轉 子三 相電 流經 過 C3s/2s變換 得 iαr,iβr,由K/P變換得到轉子電流在轉子靜止坐標系中的位置:

于是可以估算得到轉子位置:

4 實驗結果及分析

對1臺雙饋感應電機進行了實驗室研究,實驗系統如圖3所示,主要由直流調速系統、雙饋發電機、雙PWM變流器及其控制系統構成,采用的功率模塊為FS450R17KE3。DFIG參數為額定功率7.5 kW;極對數 2;定子額定電壓 380 V,頻率50 Hz;定子電阻、漏感分別為 0.47 Ω,2.1 mH;轉子電阻、漏感分別為 0.414 Ω,3.1 mH;互感62.1 mH;轉動慣量0.578 kg?m2。

圖3 實驗研究系統簡圖Fig.3 Diagram of experimental system

圖4為電機實測和估計的轉子位置角度曲線。電機1200 r/min穩定運行是估計和實測轉子位置很好的吻合,然后轉子速度以斜坡方式增加,平穩地達到超同步速,動態過渡到1800 r/min。在穿越同步速過程中,該控制方式仍然能夠較準確地估計轉子位置。

圖4 實際和估計的轉子位置角度Fig.4 Actual and estimated rotor position angle

圖5是穿越同步速過程中轉子兩相電流波形。從圖5中可以看出,轉子電流相位在過渡過程中發生改變,ia由滯后ib變為超前ib,該過程沒有產生很大的沖擊,過程比較平緩。

圖6為雙饋發電機穩態運行時的定子電壓和電流,通過調節轉子勵磁可以實現定子側單位功率因數運行。

圖5 穿越同步速時轉子電流Fig.5 Rotor currents during transition through synchronous speed

圖6 穩態定子電壓和電流Fig.6 Stator voltage and current in steady state

5 結論

將磁場定向的矢量控制技術應用于雙饋風力發電系統,可以更好地實現發電機功率的解耦控制,并且采用速度估計方式減少容易故障的速度傳感器的使用。實驗結果證明了該方法的有效性,具有一定的實際應用價值。

[1]Henk Polinder,Frank F A,van der Pijl,et al.Comparison of Direct-drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines[J].IEEE T ransactions on Energy Conversion,2006,21(3):725-733.

[2]劉其輝,賀益康,張建華.并網型交流勵磁變速恒頻風力發電系統控制研究[J].電機工程學報,2006,26(23):109-114.

[3]趙陽,鄒旭東,劉新民,等.變速恒頻雙饋風力發電系統實驗研究[J].武漢大學學報(工學版),2007,40(6):88-93.

[4]高景德,王祥珩,李發海.交流電機及其系統分析[M].北京:清華大學出版社,1993.

[5]Hopfensperger B,Atkinson D J,Lakin R A.Stator-flux-oriented Control of a Doubly-fed Induction Machine with and Without Position Encoder[J].IEE Proc.-Electr.Power Appl.,2000,147(4):241-250.