電勵磁風力發電系統機側控制策略研究

霍現旭， 胡書舉， 許洪華

(1.中國科學院電工研究所，北京 100190;2.中國科學院研究生院，北京 100049)

0 引言

電勵磁同步電機具有功率因數高且可調、過載能力強、轉動慣量小等優點，在水電、火電中得到了廣泛應用。德國Enercon等公司已經將電勵磁同步發電機應用于風電系統中，國內湘電等一些公司也在進行電勵磁風力發電系統的研制。目前國內的主流機型為使用雙饋感應發電機(Double-Fed Induction Generator，DFIG)的雙饋型風電系統和使用永磁同步發電機(Permanent Magnet Syndronous Generator，PMSG)的直驅型風電系統［1］。相比于DFIG，電勵磁同步發電機具有功率因數高、弱磁區轉矩特性好等優點;相比于PMSG，電勵磁同步發電機具有無需永磁材料、無失磁風險、可調勵磁磁通、造價相對便宜等優點，顯示了一定的優越性能。

同步電機的矢量控制系統可分為轉子磁場定向控制、定子磁場定向控制、氣隙磁場定向控制等方式［2］。轉子磁場定向控制系統結構簡單，定向容易，只需檢測轉子軸線位置即可實現定向，一般用于永磁同步電機控制中。文獻［3］等采用了定子磁鏈定向控制，文獻［4-5］等采用氣隙磁鏈定向控制。在不同的控制目標和控制方式下，定子磁場定向控制和氣隙磁鏈定向控制對于轉子激磁電流、功率因數、系統穩定性等方面影響不同，各有優劣。本文采取氣隙磁鏈定向矢量控制系統。

氣隙磁場定向控制能夠得以有效實現的關鍵，在于電機磁鏈信息的準確獲取。對電勵磁同步電機磁鏈觀測常用的方法有電流模型、電壓模型和混合模型。電流模型在低轉速時能夠快速跟隨給定，缺點是對電機參數敏感，電機參數受外界影響變化時，模型不能很好的工作。傳統的電壓模型是對反電動勢直接積分，為開環模型，積分累積誤差和直流偏移誤差較大。為了消除這些誤差，部分文獻采用了低通濾波器代替積分環［6］、飽和雙反饋積分器［7］、MT軸系感應電勢辨識［8］等策略加以改進。

本文以電勵磁同步發電機為研究對象，針對其在風力發電系統中的應用，對氣隙磁場定向矢量控制進行了研究，對氣隙磁場定向中的磁鏈觀測和控制方案進行詳細闡述，并給出了仿真結果。

1 氣隙磁場定向下的同步發電機數學模型

為了實現電機轉矩和磁場的解耦控制，通過坐標變換將同步發電機的abc坐標系等效變換到同步旋轉MT軸坐標系中，其中，同步旋轉軸線M軸與氣隙磁鏈矢量ψδ重合。將定子電流is沿MT軸分解為激磁分量ism和轉矩分量ist，分別控制便可實現解耦，簡化同步電機的控制。不同軸系的相對位置關系及矢量關系圖如圖1所示。

圖1 電勵磁同步電機矢量圖

在氣隙磁鏈定向控制中，采用電動機慣例，坐標變換采用恒幅值變化，可得到氣隙磁鏈表達式如下:

式中:ψδm、ψδt——M、T軸磁鏈分量;

Lmd、Lmq——d、q坐標系下的d、q軸互感;

ist、ism——M、T軸定子電流分量;

if——勵磁電流;

iDd、iDq——d、q軸阻尼電流分量;

δ——功角，即轉子與氣隙磁鏈之間的夾角。

根據氣隙磁鏈定向原理可知 ψδt=0。從式(1)可看到，阻尼繞組只在動態時對氣隙磁鏈產生影響，且凸極效應對磁鏈幅值的影響很弱，定子電流磁場分量ism和轉子激磁電流if是氣隙磁鏈的主要作用量。因此，在穩態時，可以忽略凸極效應影響和阻尼繞組的影響，氣隙磁鏈的表達式簡化為

MT軸系下電勵磁同步電機的電壓方程為

其中:ust、usm——M、T軸定子端電壓分量;

Rs、Lsl——定子繞組電阻和漏電感;

ω——同步坐標系旋轉角速度。

轉矩方程為

2 同步發電機氣隙磁鏈觀測

傳統的電壓模型面臨著積分零點漂移的問題。文獻［3］提出了一種采用MT軸系感應電勢辨識磁鏈的方法，有效解決了傳統電壓模型中存在的問題。這種方案的控制框圖如圖2所示。

圖2 基于MT軸系的氣隙磁鏈觀測

在MT軸系坐標系下，假設氣隙磁鏈產生的感應電勢與T軸不重合，定子感應電勢矢量在MT軸上分解為轉矩分量est和磁場分量esm，則感應電勢方程為

根據式(5)，可以得到:

基于MT軸系感應電勢觀測氣隙磁鏈的積分器處于閉環中，漂移能夠被抑制，可以直接輸出氣隙磁鏈的幅值和相位，也為電勵磁同步電機無速度傳感器控制提供了轉速和角度值。

3 矢量控制策略

風力發電系統中，變流器接收的主控命令為轉矩命令，依據式(4)可得到轉矩參考電流。根據所設定的發電機功率因數，輸入氣隙磁鏈幅值和發電機的轉矩參考電流，可得到定子勵磁參考電流。本文中，設定電機內功率因數為1，即定子電流與氣隙磁鏈垂直。根據式(3)，定子的MT軸系電流經過PI調節器，再加上前饋補償項，就可以得到MT軸的參考電壓矢量ust和usm。再經過坐標變換得到三相參考電壓usa、usb和usc，最后進過SVPWM算法得到發電機的控制信號。

在電勵磁同步電機的氣隙磁鏈矢量控制中，須保持氣隙磁鏈幅值的恒定，即保持激磁電流iμ恒定。根據式(2)，穩態時氣隙磁鏈主要與定子M軸電流ism和轉子激磁電流if有關，動態時還與阻尼繞組電流iD有關。由于控制中定子電流與氣隙磁鏈垂直，故有ism=0。穩態時，阻尼繞組電流為0，由式(2)可看到此時氣隙磁鏈僅與勵磁電流和功角有關。氣隙磁鏈參考值與磁鏈觀測器所得到的氣隙磁鏈幅值的差值送入PI調節器，得到所需要的激磁電流參考值。由于定子M軸電流ism已確定，轉子激磁電流參考值也可以唯一確定。

根據上述原理可得到機側變流器的整體控制框圖，如圖3所示。

圖3 電機側變流器控制原理圖

4 仿真驗證

基于上述工作原理，在MATLAB/Simulink 7.11中搭建了電勵磁同步發電機與電機側變流器的仿真系統。為模擬風速變化對電流跟隨能力的影響，轉速給定由初始的100 rad/s在0.3 s時斜坡給定至150 rad/s。為了驗證實際工況中主控給定的轉矩變化對電流變化的影響，轉矩給定由初始值時的 －135 N·m在 0.6 s時變為－225 N·m。磁鏈參考幅值設定為1.5 Wb。仿真中電機的參數如下:額定功率31.3 kW、定子電阻0.214 Ω、定 子 漏 感 1.025 mH、直 軸 電 感24.36 mH、交軸電感 11.67 mH、極對數2。

圖4為磁鏈觀測器模型得到的磁鏈幅值和相位的變化曲線。由圖可看出，初始經過短暫的暫態后，相位和幅值很快收斂至穩定;在速度發生變化后，磁鏈觀測模型能很快進行跟蹤，并且轉矩突變對其影響不大，顯示了磁鏈觀測器良好的動態性能和魯棒性。該磁鏈觀測器在系統的整個運行范圍內能夠保持幅值恒定，消除了由于直流偏置和積分累積導致的誤差。

圖4 磁鏈幅值和相位觀測值

圖5和圖6分別為電機轉速和轉矩的變化曲線，圖6給出了參考轉矩和實際轉矩的對比曲線。圖7是定子轉矩電流ist和激磁電流ism在轉速和轉矩突變情況下的變化曲線，圖8為相應的定子三相電流波形。由圖5可看出，在參考轉矩突變時，系統的實際電磁轉矩能夠很好地進行跟蹤，并且脈動很小。從圖6中可看出在0.3 s轉速發生變化時，定子轉矩電流和激磁電流脈動很小;在轉矩發生突變時，定子的轉矩電流ist也發生突變，驗證了在磁鏈幅值不變的情況下，電磁轉矩與轉矩電流成正比的關系;整個過程中，定子的激磁電流ism基本為0，即定子電流與氣隙磁鏈基本保持垂直，維持內功率因數為1不變。

圖5 電機轉速曲線

圖6 參考電磁轉矩和實際電磁轉矩曲線

圖7 MT軸電流波形

圖8 定子三相電流

5 結語

本文針對電勵磁同步發電機在風力發電中的應用，提出了機側的控制策略，并對控制中的磁鏈觀測和控制策略進行了詳細分析，通過仿真驗證了控制策略的有效性。由仿真可知，在風速和轉矩突變時，磁鏈觀測器能準確觀測氣隙磁鏈的幅值和相位，發電機能夠穩定運行，控制效果良好。

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