基于無速度傳感器異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬研究

易文杰，袁曉玲

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210024)

基于無速度傳感器異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬研究

易文杰，袁曉玲

(河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210024)

風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)使在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的各項(xiàng)研究成為可能。分析了風(fēng)力機(jī)特性，建立了風(fēng)力機(jī)模型。通過對(duì)異步電機(jī)間接磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)的研究，考慮到安裝速度傳感器具有諸多缺陷，提出基于模型參考自適應(yīng)(MRAS)轉(zhuǎn)速辨識(shí)理論的無速度傳感器異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬控制方法，并且考慮到轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)對(duì)矢量控制系統(tǒng)的影響，采用同時(shí)辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，使系統(tǒng)辨識(shí)轉(zhuǎn)速同時(shí)，對(duì)電機(jī)參數(shù)變化具有較強(qiáng)的魯棒性。利用MATLAB/SIMULINK搭建了基于無速度傳感器異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)，通過對(duì)風(fēng)力機(jī)特性，最大風(fēng)能捕獲和電機(jī)參數(shù)對(duì)矢量控制系統(tǒng)影響的仿真，證明了系統(tǒng)的可行性。

異步電機(jī)；風(fēng)力機(jī)；模擬；無速度傳感器；轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；模型參考自適應(yīng)

0 引言

作為一種清潔可再生能源，風(fēng)力發(fā)電受到了廣泛的關(guān)注。實(shí)驗(yàn)室的前期研究對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。但由于條件的限制，大部分實(shí)驗(yàn)室并不具備風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，不利于不同工況下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。因此，研究風(fēng)力機(jī)模擬技術(shù)是非常必要的[1]。風(fēng)力機(jī)的模擬是指模擬系統(tǒng)模擬風(fēng)力機(jī)在風(fēng)能驅(qū)動(dòng)下輸出機(jī)械功率的特性[2]。目前，主要采用直流電機(jī)或異步電機(jī)來模擬。直流電機(jī)由于其本身固有的缺點(diǎn)，不適于構(gòu)建兆瓦級(jí)大功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。近年來，隨著異步電機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使基于異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬成為新的研究熱點(diǎn)[3-4]。

在基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)中，必須獲得轉(zhuǎn)子的速度和位置的信息，才能實(shí)現(xiàn)定子電流的解耦。目前，電機(jī)控制可以采用安裝光電編碼器等傳感器進(jìn)行速度檢測(cè)，但安裝在電機(jī)端的速度傳感器增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，采用無速度傳感器控制技術(shù)是解決這個(gè)問題一個(gè)很好的方法[5]。模型參考自適應(yīng)(MRAS)理論是近年來發(fā)展起來并在異步電機(jī)矢量控制中得到較好應(yīng)用的一種速度辨識(shí)技術(shù)，它能保證參數(shù)估計(jì)的漸進(jìn)穩(wěn)定性的同時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化和外界擾動(dòng)具有較好的魯棒性，因而MRAS辨識(shí)技術(shù)在無速度傳感器交流調(diào)速控制領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景[5-6]。

在分析研究風(fēng)力機(jī)特性和異步電機(jī)矢量控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，將模型參考自適應(yīng)辨識(shí)理論(MRAS)引入到基于異步電機(jī)矢量控制的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)中，通過對(duì)模擬電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)同時(shí)進(jìn)行辨識(shí)，減小電機(jī)參數(shù)變化對(duì)模擬系統(tǒng)的影響，以獲得風(fēng)力機(jī)模擬的良好效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所用方法的可行性。

1 風(fēng)力機(jī)特性

根據(jù)Betz理論，風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能為[7]：

(1)

式中：P為風(fēng)力機(jī)輸出功率;ρ為空氣密度；AT為風(fēng)輪掃掠面積；vwind為風(fēng)速；Cp(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù)；λ為葉尖速比；β為槳葉節(jié)距角；ωb為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；R為風(fēng)輪半徑。

根據(jù)風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的功率P=TTωb，可得到風(fēng)力機(jī)的輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩為：

(2)

式中：TT為風(fēng)力機(jī)機(jī)械輸出轉(zhuǎn)矩；

CT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，CT=CP(λ,β)/λ。

根據(jù)資料的記載和研究[7]，風(fēng)能利用系數(shù)可近似表示為：

(3)

(4)

式中：c1=0.5176;c2=116;c3=0.4;c4=5;c5=21;

c6=0.0068

在實(shí)驗(yàn)室中采用異步電機(jī)代替實(shí)際風(fēng)力機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)，進(jìn)行模擬風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2 無速度傳感器異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)特性模擬

異步電機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)解決了異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制問題，應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對(duì)異步電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩獨(dú)立控制的目的，從而獲得近似直流電機(jī)的控制性能[7]。

選取旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d方向與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希瑒t可得到異步電機(jī)模型如下：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

根據(jù)式(7)可知，通過調(diào)節(jié)磁鏈電流isd可保證轉(zhuǎn)子磁鏈為常數(shù)。根據(jù)式(9)，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈為恒定時(shí)，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)矩電流isq控制。故利用轉(zhuǎn)矩電流可方便控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)的模擬。

從式(5)-式(9)可知，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制，關(guān)鍵在于獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆岛臀恢?。根?jù)式(8)可知，要準(zhǔn)確獲得轉(zhuǎn)子磁鏈位置，就需獲得轉(zhuǎn)速值，目前，電機(jī)控制可以采用安裝光電編碼器等傳感器進(jìn)行速度檢測(cè)，但安裝在電機(jī)端的速度傳感器增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，而采用無速度傳感器控制技術(shù)能較好的解決這個(gè)問題。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制需要轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，從式(7)可以看出，如果認(rèn)為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr不變，則轉(zhuǎn)子磁鏈幅值只與勵(lì)磁電流有關(guān)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流就可保持轉(zhuǎn)子磁鏈恒定。然而電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子電阻會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)行溫度升高而發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)不再是恒定的，如此，電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子磁鏈會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的變化而發(fā)生變化，如果不對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)實(shí)時(shí)辨識(shí)與調(diào)整，將影響到矢量算法的解耦運(yùn)算，從而影響到轉(zhuǎn)速辨識(shí)與控制效果。因而，為獲得良好的矢量控制效果，對(duì)于轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的實(shí)時(shí)辨識(shí)是有必要的。

綜上分析，采用模型參考自適應(yīng)法(MRAS)對(duì)風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)同時(shí)進(jìn)行辨識(shí)，以獲得良好的模擬效果，其控制框圖如圖2所示。

圖2 無速度傳感器異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬結(jié)構(gòu)圖

3 MRAS轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)

首先檢測(cè)出三相異步電機(jī)的定子電流和電壓isa、isb、isc，usa、usb、usc,然后通過3S/2S變換求出靜止坐標(biāo)系中的兩相電流isα、isβ及兩相電壓usα、usβ。由定子軸系α-β中的兩相電壓、兩相電流，利用電流模型法和電壓模型法分別估算出轉(zhuǎn)子磁鏈，基于MRAS估算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。

ψrα*=∫[τr(Lmisα-ψrα)-ωψrβ]dt

(10)

ψrβ*=∫[τr(Lmisβ-ψrβ)+ωψrα]dt

(11)

兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓模型為:

(12)

(13)

(14)

(Lmisβ-ψrβ*)]dτ+kp[(ψrα＾-ψrα*)(Lmisα-ψrα*)+

(15)

由于原始電壓模型中包含純積分項(xiàng)，積分初值和累計(jì)誤差都會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，為避免這一情況，可以采用低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)，而改進(jìn)的電壓模型相當(dāng)于在原始電壓模型加上一個(gè)高通濾波環(huán)節(jié)，為平衡同時(shí)帶來的磁鏈估計(jì)的相位誤差，在電流模型中引入高通濾波環(huán)節(jié)，改進(jìn)后的模型參考自適應(yīng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的模型參考自適應(yīng)結(jié)構(gòu)圖

4 仿真研究結(jié)果

用于模擬的風(fēng)力機(jī)參數(shù)為：額定功率為15kW，葉輪半徑為R=4.3m,最大風(fēng)能利用系數(shù)為Cp=0.48，最佳葉尖速比為λ=8.1，空氣密度為ρ=1.25kg/m3，定切入風(fēng)速為3m/s,切出風(fēng)速為20m/s，額定風(fēng)速為11m/s，齒輪箱變速比N=7.846。異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：額定功率P=22kW，額定電壓為U=380V,額定頻率為f=50Hz,轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.322Ω，定子電阻Rs=1.253Ω，轉(zhuǎn)子自感Lr=0.1776H,定子自感Ls=0.1744H，互感Lm=0.1697H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.02kg·m2,極對(duì)數(shù)n=2，摩擦系數(shù)為0.0058，給定參考磁鏈為Φ=1Wb。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定為：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器Kp=540，Ki=110；磁鏈調(diào)節(jié)器Kp=0.1575，Ki=30。

根據(jù)圖2控制框圖，在Matlab/Simulink平臺(tái)上，通過建立風(fēng)能模型、風(fēng)力機(jī)模型、異步電機(jī)模型、異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)模型、基于MRAS辨識(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)數(shù)學(xué)模型、等效發(fā)電機(jī)模型，構(gòu)建基于無速度傳感器異步電機(jī)的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)的仿真模型。

4.1 風(fēng)力機(jī)特性模擬

分別在風(fēng)速為5m/s和6m/s測(cè)得風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線、含速度傳感器的異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線、無速度傳感器異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線分別如圖5、圖6、圖7所示。從3幅圖可以看出在無速度傳感器情況下，基于MRAS辨識(shí)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系，和風(fēng)力機(jī)在高速軸上輸出的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩關(guān)系一致，可知采用基于無速度傳感器異步電機(jī)矢量控制能較好地模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性。

圖5 風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速曲線圖

圖6 含速度傳感器的電機(jī)模擬的轉(zhuǎn)距與轉(zhuǎn)速曲線圖

圖7 無速度傳感器的電機(jī)模擬的轉(zhuǎn)距與轉(zhuǎn)速曲線圖

為使基于無速度傳感器異步電機(jī)模擬系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與實(shí)際風(fēng)力機(jī)一致，并驗(yàn)證風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的穩(wěn)定性，利用搭建的仿真模型對(duì)模擬系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真。本文對(duì)異步電機(jī)施加可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)最大功率捕獲的負(fù)載，圖8、圖9、圖10反映最大功率點(diǎn)跟蹤下，風(fēng)能利用系數(shù)、含速度傳感器的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速、無速度傳感器情況下基于MRAS辨識(shí)的轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果，2s前風(fēng)速為7m/s，2s時(shí)風(fēng)速變?yōu)?m/s。圖8反映是在無速度傳感器情況下通過0辨識(shí)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬的風(fēng)能利用系數(shù)曲線，風(fēng)能利用系數(shù)一開始是增加，很快達(dá)到最大值0.48并保持穩(wěn)定，在2s時(shí)風(fēng)速突變，風(fēng)能利用系數(shù)短暫調(diào)整后穩(wěn)定在0.48，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，基于MRAS辨識(shí)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速一致。結(jié)果表明無速度傳感器異步電機(jī)模擬系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)際風(fēng)力機(jī)最大功率跟蹤運(yùn)行特性的模擬。

圖8 風(fēng)能利用系數(shù)響應(yīng)

圖9 異步電機(jī)模擬系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速

圖10 基于MRAS的模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)速辨識(shí)值

4.2 轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)同時(shí)辨識(shí)的風(fēng)力機(jī)特性模擬

圖11、圖12、圖13反映的是風(fēng)速為5m/s，轉(zhuǎn)子電阻在2s時(shí)增大50%即電機(jī)參數(shù)發(fā)生變化，模擬系統(tǒng)的仿真結(jié)果。圖11在2s前基于MRAS辨識(shí)的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr已穩(wěn)定在0.1343，在2s時(shí)轉(zhuǎn)子電阻增大50%，轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)很快穩(wěn)定在0.08953符合理論值。圖12實(shí)線反映的是基于MRAS同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)辨識(shí)下，模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速辨識(shí)值；虛線表示的是未對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)實(shí)時(shí)辨識(shí)情況下，轉(zhuǎn)速辨識(shí)值?？梢钥闯鲇捎谕瑫r(shí)辨識(shí)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，因此電機(jī)參數(shù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速仍然能穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)跟蹤下風(fēng)力機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)未實(shí)時(shí)辨識(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)速則不能穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)下轉(zhuǎn)速即在這種情況下模擬的轉(zhuǎn)速就不是實(shí)際風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，如此可知實(shí)際運(yùn)行過程中電機(jī)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的辨識(shí)是非常重要的。圖13是模擬系統(tǒng)模擬的實(shí)際風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩，可知轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)在2s變化時(shí)，系統(tǒng)模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩在一段時(shí)間調(diào)整后仍然能穩(wěn)定在實(shí)際風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。

圖11 基于MRAS的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)辨識(shí)值

圖12 基于MRAS的模擬系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速辨識(shí)值

圖13 基于MRAS的異步電機(jī)模擬風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩

5 結(jié)論

在分析風(fēng)力機(jī)特性和異步電機(jī)矢量控制基礎(chǔ)上，通過將模型參考自適應(yīng)理論引入到基于無速度傳感器異步電機(jī)矢量控制的風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)中，提出了模擬系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方案，并通過對(duì)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的辨識(shí)，解決在電機(jī)參數(shù)變化時(shí)對(duì)模擬系統(tǒng)產(chǎn)生影響的問題。仿真結(jié)果表明方案能夠較好的辨識(shí)出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際風(fēng)力機(jī)特性，證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

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Simulation of Wind Turbine Based on Speed-sensorless Control Strategy of Induction Motor

YI Wen-jie，YUAN Xiao-ling

(College of Power and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210024，China)

Wind turbine simulator(WTS) is an important device for developing wind energy conversion systems. Its use makes the evaluation and improvement of wind power generation technology in laboratory possible. A wind turbine model is built up through the research of the wind turbine characteristics. Then the indirect flux field oriented vector control strategy is studied. Because many defects exist in fixing speed sensor on induction motor, a speed-sensorless vector control scheme based on model reference adaptive system(MRAS) for wind turbine simulation of induction motor is proposed. Taking into account the impact of the rotor time constant on the vector control system, the paper simultaneously adopts identification rotor speed and time constant. The speed can be estimated accurately by the system, which system shows strong robustness to variation of motor parameters. At last, In MATLAB environment, the simulation system for wind turbine emulation based on speed-senseless control strategy of induction motor is designed. Through the simulation of wind turbine properties, maximal wind energy capture and the influence of parameter variation on vector control system,in indicates that the system is feasible.

induction motor;wind turbine simulation; speed-sensorless; rotor time constant; MRAS

易文杰(1987-)，男，湖北荊門人，碩士研究生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)。

TM315

A

1671-5276(2014)02-0060-05

2013-02-24