雙饋風力發電機無速度傳感器控制研究

李金杰，張繼勇，柏龍青，郭 鑫

(1.南京中人能源科技有限公司，南京211102;2.揚州大學，揚州225127;3.南通大學，南通226019;4.南京廣播電視集團，南京210001)

0 引 言

目前，雙饋風力發電系統均采用有速度傳感器的矢量控制技術［1-3］。速度傳感器的安裝不僅給系統的維護帶來了困難，還增加了風力發電系統的成本，降低了系統的可靠性，所以無速度傳感器控制技術的研究具有重要意義，成為近年來的研究熱點［4-5］。

雙饋風力發電機無速度傳感器控制的關鍵是轉子位置和轉速的精確辨識，本文結合雙饋風力發電機定子電壓定向矢量控制的基本原理，通過容易檢測到的定子電壓、電流和轉子電流以及雙饋電機數學模型的分析，提出一種新的基于MRAS 雙饋風力發電機無速度傳感器矢量控制方案，并在理論分析、Simulink 仿真的基礎上和雙饋風力發電機組實驗平臺上進行了亞同步和超同步以及在低轉速下的不同工作方式的實驗，實現了對轉子速度和轉子位置的精確辨識，實驗結果表明了本文提出的雙饋風力發電機組無速度傳感器矢量控制方案的可行性和正確性。

1 數學模型［6］

采用電動機慣例，假定定、轉子三相繞組對稱且不考慮零軸分量，則DFIG 在d -q 兩相同步旋轉坐標系下的數學模型:

磁鏈方程:

電壓方程:

電磁轉矩方程:

式中:Ψsd，Ψsq，Ψrd，Ψrq，usd，usq，urd，urq，isd，isq，ird，irq分別為定、轉子磁鏈和電壓以及電流在d，q 軸的分量;Lm，Ls，Lr分別為定子和轉子同軸等效互感、定子等效自感、轉子等效自感;Rs，Rr分別為定、轉子電阻;p 為微分算子;Te為電磁轉矩;ω，ωr分別為同步電角速度、轉子電角速度。

傳統的定子磁鏈定向矢量控制中要對定子磁鏈進行觀測，在一定程度上增加了系統的控制性，并且定子電壓定向矢量控制中，當機組并網時，定子電壓就是電網電壓且電網電壓不受電機參數影響，可以直接測量，更具有準確性［7-8］。

當同步旋轉坐標系的d 軸定向于定子電壓矢量Us上時，有:

式中:Us為電壓矢量的幅值。

在定子電壓定向條件下，DFIG 定子輸出有功、無功功率與轉子d，q 軸電流的關系:

由上述可知，控制轉子電流d、q 軸分量就可以控制有功功率和無功功率。

2 轉速辨識

在定子電壓矢量控制同步轉速旋轉坐標系下，由式(1)和式(5)得轉子磁鏈模型:

式中:iα，iβ是靜止坐標系下的轉子電流，可以直接測量得到。

實際測得的磁鏈模型不含有θr項，而估測模型含有θr項，因此，選取Ψr作為參考模型，Ψ'r 作為自適應模型，其控制系統如圖1 所示。

在MRAS 辨識系統中，系統的全局穩定性必須要考慮，由于電氣實際常數比電機時間常數小得多，式(8)中的θr可看作常數，則自適應模型可視作為一個線性狀態方程，因此，本設計系統穩定［9-10］。而且，由于轉子磁鏈角出現偏差時，同步旋轉坐標系下的轉子磁鏈的實際值與估測值也會存在一定的誤差，其基本原理如圖2 所示。本文的關鍵就是消除這兩個轉子磁鏈角度差。

圖1 基于定子電壓定向矢量控制框圖

圖2 轉子磁鏈角度偏差與定子電壓的關系

假設同步坐標系下轉子磁鏈的實際值:

由于轉子磁鏈角度的偏差，同步坐標系下轉子磁鏈的測量值:

式中:Δθ 為轉子磁鏈位置角誤差。

經三角函數和化積差得:

通過PI 自適應控制器將不斷的調節θr，使轉子磁鏈位置角誤差Δθ 越來越小，且Ψr和Ψ'r 基本保持一致，相對誤差ε 趨近于零。

3 仿真實驗

為了驗證上述原理和新的控制方案的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺上進行了DFIG 風力發電系統的仿真［11-12］。系統仿真參數:雙饋電機額定功率為7.5 kW，額定線電壓380 V，額定電流20 A，額定轉速750 r/min，轉動慣量Jm=0.2 kg·m2，定子電阻Rs=1.25 Ω，轉子電阻Rr=0.035 49 Ω，轉子電感Llr=0.009 745 66 H，定子電感Lls=0.092 733 21 H，互感Lm=0.067 751 33 H。網側進線電感L=0.001 H，電阻R=0.1 Ω。直流母線電壓Udc=650 V，母線電容C =4 000 μF，網側額定線電壓380 V，頻率50 Hz。

圖3 所示給出了雙饋電機在無速度傳感器矢量控制下的電機轉速從亞同步變換到超同步情況下的仿真圖形。由圖3 可知，在此方案下，雙饋電機不但在動態時能夠較好較快地跟蹤實際轉速，而且在穩態情況下電機轉速誤差趨近于零，因此，本文提出的無速度傳感器控制方案具有可行性。圖4 是實際轉子角度和估測轉子角度實驗波形。

圖3 電機實際轉速與估測轉速仿真波形

圖4 實際轉子角度與估測轉子角度仿真波形

4 系統實驗

為了更進一步驗證此方案的理論和方法，利用實驗室的雙饋風力發電實驗平臺，進行了實驗與研究。該實驗平臺采用雙PWM 變換器，以及以TMS320F28335 為核心的DSP 控制芯片，配備EPIC12Q240I8 型FPGA 作為輔助控制器。雙饋風力發電機的系統實驗參數與仿真系統參數相同。

由圖5、圖6、圖7 可知，當原動機使轉子速度處于亞同步向超同步變化以及電機低速運行時，電機的實際轉速由光電編碼器測得，轉速變化很快［13］。而估測轉速的跟蹤具有一定時間的延時，但是也能較快、較準地跟隨實際轉速。當轉速處于穩定時，估測轉速趨近于實際轉速，系統動態性能良好，靜差小，所以此方案可以準確地實現雙饋風力發電機無速度傳感器的矢量控制。

圖5 電機實際轉速與估測轉速實驗波形

圖6 實際轉子角度與估測轉子角度實驗波形

圖7 實際轉子與估測轉子低速時實驗波形

5 結 語

常規的模型參考方法中引入了積分環節，因而存在了積分漂移的問題，雖然可以利用高通濾波器抑制積分漂移，但是其低速性能受到很大的影響［14-15］。針對這一問題，本文結合模型參考自適應法(MRAS)和定子電壓定向矢量控制的特點，以及通過對雙饋風力發電機的數學模型推導，提出了一種新的基于MRAS 雙饋風力發電機無速度傳感器矢量控制方案。此方案經過了系統的理論分析，Simulink 仿真和系統實驗，結果證明了此方案的正確性和有效性，在不同的工作方式下系統響應快速且平穩，不僅具有超調量小、響應速度快，且在低速和高速時也能夠滿足雙饋風力發電無速度矢量控制要求，具有廣闊的發展前景。

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