基于功率前饋補償控制的BDFG勵磁變換器控制策略研究

郭 鵬，姜忠山，王 賽

（1. 海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺 264001；2. 91206部隊，山東青島 266000）

基于功率前饋補償控制的BDFG勵磁變換器控制策略研究

郭 鵬1，姜忠山1，王 賽2

（1. 海軍航空工程學(xué)院控制工程系，山東煙臺 264001；2. 91206部隊，山東青島 266000）

雙PWM交直交型變換器適應(yīng)于無刷雙饋變速恒頻電源系統(tǒng)，可以實現(xiàn)能量的雙向流動。然而，隨著發(fā)電機運行狀態(tài)的改變，變換器功率流動方向會發(fā)生變化，這將會引起直流側(cè)電壓的波動，不利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。結(jié)合無刷雙饋發(fā)電機的運行特點，在對網(wǎng)側(cè)變換器傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，提出了基于無刷雙饋電機機側(cè)變換器功率補償?shù)目刂撇呗裕岣吡酥绷鱾?cè)電壓的穩(wěn)定性，并通過仿真進行驗證。

無刷雙饋發(fā)電機 雙PWM變換器 直流側(cè)電壓 功率前饋補償

0 引言

無刷雙饋發(fā)電機采用交流電勵磁，可以通過對勵磁頻率的調(diào)節(jié)來改變輸出電壓的頻率，從而實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，因為其本身為無刷結(jié)構(gòu)，高速運行的情況下可靠性較高[1]。

將雙PWM交直交變換器應(yīng)用到無刷雙饋發(fā)電機變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，有諸多優(yōu)勢：1）在無刷雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子速度發(fā)生變化的情況下實現(xiàn)能量雙向流動，可以較為靈活地實現(xiàn)變換器的四象限運行；2）功率因數(shù)可調(diào)，能夠運行于高功率因數(shù)甚至單位功率因數(shù)；3）能夠保證其電壓的穩(wěn)定；4）能夠保證輸入、輸出電流的正弦特性，諧波含量少[3,4]。

1 雙PWM變換器基本原理

如圖1所示，雙PWM變換器由結(jié)構(gòu)完全對稱的兩個PWM變換器組成，通過直流母線連接而成，能夠分別實現(xiàn)整流和逆變的功能，進而實現(xiàn)功率不同方向的流動。

將此變換器應(yīng)用于無刷雙饋變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中時，當(dāng)電機轉(zhuǎn)子運行于亞同步速時，轉(zhuǎn)差功率由勵磁繞組流向轉(zhuǎn)子繞組，此時網(wǎng)側(cè)變換器進行整流工作，機側(cè)變換器進行逆變工作；當(dāng)電機轉(zhuǎn)子運行于超同步速時，轉(zhuǎn)差功率的能量流向是從電機轉(zhuǎn)子繞組回饋到勵磁繞組，此時網(wǎng)側(cè)PWM變換器工作于逆變狀態(tài)，而機側(cè)PWM變換器工作于整流狀態(tài)。

由于網(wǎng)側(cè)、機側(cè)PWM變換器結(jié)構(gòu)對稱，運行過程以及原理具有相似性，本文將重點對網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制策略進行分析。

圖1 雙PWM電壓型變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略

2.1 電流解耦環(huán)節(jié)

定義開關(guān)函數(shù)Sk

其中1代表各相上橋臂的導(dǎo)通，0代表各相下橋臂的導(dǎo)通。

可得網(wǎng)側(cè)變換器的三相abc軸數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)側(cè)同步速dq軸數(shù)學(xué)模型分別為式(2)、(3)

通過分析，可看出看出d、q軸電流存在耦合項，需引入電流前饋補償，對igd、igq進行解耦，消除耦合項，并對網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制，假設(shè)us為電網(wǎng)電壓，令ugd= us，可得

2.2 功率前饋補償環(huán)節(jié)

將機側(cè)變換器以及無刷雙饋電機的定子側(cè)勵磁繞組等效為網(wǎng)側(cè)變換器的負載，在網(wǎng)側(cè)變換器輸出的瞬時功率突然變化時，忽略IGBT的損耗，可認為網(wǎng)側(cè)變換側(cè)的輸入功率Pg等于負載功率Pl與電容功率Pc之和。

式(6)中ugd為常數(shù)，由此可看出電容電壓的變化與網(wǎng)側(cè)變換器的igd以及網(wǎng)側(cè)變換器輸出的負載功率Pl有關(guān)。

當(dāng)能量由機側(cè)變換器向發(fā)電機定子側(cè)勵磁繞組輸出并且電機運行狀態(tài)突變時，由于網(wǎng)側(cè)變換器電壓環(huán)的調(diào)節(jié)速度較慢，因此網(wǎng)側(cè)變換器輸入的瞬時功率將無法及時跟蹤機側(cè)變換器輸出瞬時功率的動態(tài)變化，此時只能由直流側(cè)電容向機側(cè)變換器輸出能量，從而導(dǎo)致直流電容電壓變化。

根據(jù)（6）式，可將Pl/ ugd作為id的補償量，這樣在網(wǎng)側(cè)變換器負載的瞬時功率發(fā)生變化時，電流環(huán)能夠迅速跟蹤，平衡輸入功率與輸出功率，而不會影響到直流側(cè)電壓。

圖2 基于功率前饋補償?shù)目刂圃?/p>

圖3未引入功率前饋補償控制策略的波形

圖4 引入功率前饋補償控制策略的波形

3 仿真研究

將上文所述控制策略在matlab/simulink中進行仿真。在仿真中設(shè)置給定電網(wǎng)電壓為220 V/50 Hz，給定直流側(cè)電壓udc=650 V，網(wǎng)側(cè)電感L=2.2 mH，直流側(cè)電容C=2200 μF，在0.2 s時突加網(wǎng)側(cè)變換器的負載功率。對網(wǎng)側(cè)PWM變換器分別采用引入功率前饋補償和未加入功率前饋補償?shù)目刂品椒ǎ瑢⑵浞抡娌ㄐ芜M行比較。

通過圖3圖4仿真波形可看到，當(dāng)無功功率給定為0時，網(wǎng)側(cè)變換器可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)的運行，直流側(cè)電壓基本保持穩(wěn)定，在0.2 s時突然改變負載有功功率時，未引入功率前饋補償控制策略的直流側(cè)電壓波形有一些波動，而引入功率前饋補償控制策略的直流側(cè)電壓波形一直保持穩(wěn)定，證明了該方案是可行的。

4 結(jié)語

本文結(jié)合無刷雙饋發(fā)電機的運行特性，對直流側(cè)電壓波動的原因進行分析，提出了基于機側(cè)變換器功率前饋補償控制策略。仿真結(jié)果證明，該方案除能實現(xiàn)輸入功率因數(shù)的可調(diào)性、保持輸入端的正弦化之外，還可以在無刷雙饋發(fā)電機突然改變運行狀態(tài)時能夠使得直流側(cè)電壓持續(xù)保持穩(wěn)定，提高了整個系統(tǒng)的動態(tài)特性。

[1] 鄧先明, 姜建國. 無刷雙饋電機的工作原理及電磁設(shè)計[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2003, 23(11)∶ 126-132. [2] 高志剛, 冬雷, 廖曉鐘. 一種新型四象限多電平變流器[J]. 電力自動化設(shè)備, 2013, 33(6)∶ 52-57.

[3] 周求寬, 廖勇, 姚駿. 雙 PWM 變換器勵磁的交流勵磁發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計.電力系統(tǒng)自動化, 2007, 31(6)∶ 77-81.

[4] 李瑩. 雙 PWM 變流器的建模與控制[D]. 長春∶東北電力大學(xué), 2008.

[5] 劉其輝, 賀益康, 卞松江. 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)控制.中國電機工程學(xué)報, 2004, 24(3)∶ 6-11.

Control Strategy of the Converter Used in Brushless Doubly Fed Generator System with the Power of Feed-forward Compensation

Guo Peng1, Jiang Zhongshan1, Wang Sai2
(1. Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, Shandong, China; 2. Unit 91206 of PLA, Qingdao 266000, Shandong, China)

Dual PWM AC-DC-AC converter is applied to a brushless doubly fed generator(BDFG) system torealize the two-way flow of energy. However, with the change of the operation status of theBDFG, the converter power flow direction is changed, which causes the fluctuation of DC side voltage, andis not conducive to the stable operation of the whole system. Combined with the operating characteristics ofBDFG, and based on the traditional voltage and current double closed loop control of grid side converter,the control strategy of BDFG stator winding transformer based on power compensation is proposedto improve the stability of the DC side voltage, and is verified by simulation.

brushless doubly fed generator; dual PWM converter; DC side voltage; power of feed-forwardcompensation

TM464

A

1003-4862（2015）08-0036-04

2015-04-10

郭鵬（1990-），男，碩士生。研究方向：電力電子與電力傳動。