基于功率誤差比較的開繞組無刷雙饋發電機直接功率控制

金　石　王中正　王代睿，2　朱連成，3

(1.沈陽工業大學電氣工程學院　沈陽　110870　2.深圳華為技術有限公司　深圳　518129

3.遼寧科技大學電子與信息工程學院　鞍山　114051)

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基于功率誤差比較的開繞組無刷雙饋發電機直接功率控制

金石1王中正1王代睿1，2朱連成1，3

(1.沈陽工業大學電氣工程學院沈陽1108702.深圳華為技術有限公司深圳518129

3.遼寧科技大學電子與信息工程學院鞍山114051)

摘要提出一種具有開繞組結構的無刷雙饋風力發電機及其控制系統，開繞組無刷雙饋發電機(OW-BDFG)是將控制繞組全部打開，在其兩端各接一個變頻器對OW-BDFG進行控制。該種拓撲結構可獨立控制各相控制繞組電流，大大加強了控制的靈活性和系統的故障冗余能力，且所需變頻器容量更小，開關頻率較低。針對OW-BDFG特殊結構，提出一種基于功率誤差比較的直接功率控制(PEC-DPC)方法對OW-BDFG的有功和無功功率進行解耦控制，以實現功率跟蹤。該種控制方法結構簡單，易實現，計算量小，動態響應快，且無需觀測磁鏈大小，實時性好。最后，通過仿真比較和實驗研究，驗證了所提出OW-BDFG及其PEC-DPC系統的可行性和優越性。

關鍵詞：無刷雙饋風力發電機功率跟蹤開繞組直接功率控制誤差比較

0引言

風能作為一種清潔的可再生能源，受到了越來越廣泛的關注，尤其是風力發電的應用[1，2]。在眾多風力發電方案中，變速恒頻無刷雙饋風力發電系統[3]因其無刷可靠、所需變頻器容量小以及功率因數可調等優點，逐漸成為最具競爭力的風力發電形式，特別適用于大型風電系統，這就需要進一步大幅提高無刷雙饋發電機(Brushless Doubly-Fed Generator，BDFG)的功率等級，并提出針對性和靈活性更強的控制方法，這對于推進BDFG在大型風電系統中的實用化和產業化具有重要意義。

開繞組無刷雙饋發電機(Open-Winding BDFG，OW-BDFG)是指將常規BDFG的控制繞組連接端全部打開，在控制繞組兩端各引出3個端子，并在其兩端各接一個變頻器對BDFG進行控制。這樣，OW-BDFG不但具有常規BDFG的所有優點，還可以獨立控制各相繞組電流，大大加強了控制的靈活性和系統的故障冗余能力，具有更廣闊的應用前景。文獻[4]首次對開繞組電機進行了研究，它將一臺感應電動機改裝成開繞組結構，繞組兩端分別連接一套逆變器，通過協調控制兩套逆變器，提高了感應電動機的轉矩響應速度和頻帶范圍，使得開繞組交流電機結構開始獲得人們的認可。文獻[5]將高效開繞組永磁同步發電機用于分布式發電系統中，省去了一個變流器，提高了系統效率。文獻[6]針對變流器容量對現代風力發電系統中單機容量越來越大的趨勢造成制約這一問題，將開繞組結構運用到永磁同步風力發電機中，采用兩個小容量變流器與開繞組永磁同步發電機(OW-PMSG)級聯，構成了OW-PMSG風電系統。目前，國內外還沒有針對OW-BDFG的研究。

本文針對OW-BDFG的特殊結構，采用兩個雙向變頻器與控制繞組兩端連接對OW-BDFG進行勵磁。由于OW-BDFG的內部電磁關系極為復雜，而且還需要對雙兩電平逆變器進行協調控制，因此，傳統的控制方法已不再適用于該種特殊發電機。本文提出一種適用于OW-BDFG的直接功率控制(Direct Power Control，DPC)方法，并加入功率誤差比較環節，使其能夠更加精確的控制OW-BDFG的有功功率和無功功率。DPC方法源于直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)，與目前研究較多的用于BDFG最大功率跟蹤控制的DTC[7-9]相比，DPC方法也無需旋轉坐標變換和電流內環，不依賴于發電機參數，結構簡單，魯棒性強，此外還無需觀測磁鏈大小，很好地解決了磁鏈觀測器對參數敏感導致控制系統實時性差的問題，可直接對OW-BDFG的有功功率和無功功率進行獨立控制，更適用于對輸出功率要求嚴格的風力發電場合。

1OW-BDFG系統結構及模型建立

OW-BDFG的定子上嵌有不同極數的兩套繞組，即功率繞組和控制繞組，功率繞組(也稱主繞組)與電網直接相連，用于發出電能，控制繞組(也稱次繞組)為開繞組結構，兩端與兩個雙向變頻器連接，用于勵磁，其系統結構示意圖如圖1所示。OW-BDFG的轉子結構主要有特殊籠型轉子和磁阻式轉子[10]兩種基本類型，本文所提的OW-BDFG采用磁阻式轉子結構。

圖1　OW-BDFG系統結構示意圖Fig.1　Structural diagram of OW-BDFG system

在轉子速d-q坐標系下，OW-BDFG的電壓和磁鏈方程分別為

(1)

(2)

式中，u為電壓；i為電流；Ψ為磁鏈；pp和pc分別為功率繞組和控制繞組的極對數；R為電阻；Lp和Lc分別為功率繞組和控制繞組自感；Lm為功率繞組與控制繞組之間的互感；Ωr為轉子機械角速度；下標p表示功率繞組；下標c表示控制繞組；下標r表示轉子繞組；下標d表示d軸分量；下標q表示q軸分量；p為微分算子。

對于OW-BDFG，其控制繞組電壓ucq和ucd分別為兩個雙向變頻器輸出電壓的差值，即

(3)

根據瞬時功率理論可知，OW-BDFG功率繞組輸出的瞬時有功功率P和無功功率Q表達式分別為

(4)

根據OW-BDFG的數學模型，使定子功率繞組磁鏈Ψp與功率繞組同步速d-q坐標系的d軸重合，則功率繞組磁鏈Ψp=Ψpd，Ψpq=0，并忽略定子繞組電阻，可得到OW-BDFG矢量圖如圖2所示。

圖2　OW-BDFG矢量圖Fig.2　Vector diagram of OW-BDFG

2OW-BDFG的PEC-DPC思想

2.1PEC-DPC原理

DPC的控制思想源于直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)，并結合了瞬時功率理論[12，13]。它是根據功率繞組有功功率和無功功率的誤差信號以及控制繞組磁鏈所在扇區的信息來重新制定開關電壓矢量選擇表，通過適當選擇開關電壓矢量來直接獨立控制OW-BDFG的有功功率和無功功率，進而實現最大功率跟蹤控制。雖然DPC方法可將有功功率和無功功率控制在給定的范圍內，但其控制效果還有待改善，因此，本文將對其進行改進，提出一種基于功率誤差比較的直接功率控制(Power Error Comparison DPC，PEC-DPC)方法。

對于OW-BDFG系統，因其采用雙兩電平逆變器饋電，所以產生了更多的開關電壓矢量。在開關電壓矢量數量增加的情況下，有必要細分扇區來更精確地選擇合適的電壓矢量，因此，本文將整個空間平面平均分為12個扇區，每個扇區30°。開關電壓矢量與扇區劃分如圖3所示，其中Umn表示逆變器1產生的電壓矢量Um與逆變器2產生的電壓矢量Un的合成。根據矢量的幅值不同，開關電壓矢量可分為6個長矢量、6個中矢量、6個短矢量和零矢量。

由于采用雙兩電平變頻器對OW-BDFG進行控制，可選擇的開關電壓矢量較多，因此，當功率出現偏差時，可選用的電壓矢量往往不只一個。例如圖3中，當Ψc位于第Ⅱ扇區，且需要減小有功功率P和無功功率Q時，開關電壓矢量U13和U14都符合要求，但它們對有功功率和無功功率的影響程度不同，電壓矢量U13更有利于減小Ψc與Ψpc之間的夾角δ，即對有功功率P的影響更加明顯，而U14對Ψc的幅值影響較大，

對δ改變較小，即對無功功率Q的調節效果更好。綜上所述，可以在每次選擇開關電壓矢量之前計算有功功率和無功功率的偏差ΔP和ΔQ，選擇偏差量較大的一個進行重點調節，可得到更好的控制效果，這就是PEC-DPC的控制思想，其控制原理框圖如圖4所示。

圖3　開關電壓矢量的選擇Fig.3　Selection of switching voltage vectors

圖4　OW-BDFG的PEC-DPC原理框圖Fig.4　PEC-DPC principle diagram of OW-BDFG

OW-BDFG的電磁轉矩Te可由功率繞組與控制繞組的交互磁鏈Ψpc和控制繞組磁鏈Ψc表示為

(5)

1)對于有功功率P的控制

在大功率OW-BDFG中，往往可忽略定子繞組電阻，因此在忽略銅耗的情況下，瞬時電磁功率與輸出功率大致相等，即Pe≈Po。又因為功率繞組與電網直接相連，功率繞組磁鏈幅值Ψp約為常數，功率繞組與控制繞組的交互磁鏈Ψpc也約為常數，有功功率P的變化趨勢與電磁轉矩Te相同，因此，可參考DTC方法，通過改變磁鏈間夾角δ來控制有功功率P的變化。

2)對于無功功率Q的控制

由于定子磁場是由兩套繞組共同建立的，那么，如果一套繞組提供的無功功率大些，則另一套繞組提供的無功功率就會相對小些，因此，對無功功率Q的控制可轉換成對控制繞組磁鏈Ψc幅值的控制。

2.2開關電壓矢量的選擇

在OW-BDFG的控制繞組側施加不同的開關電壓矢量(Umn)，會引起有功功率P和無功功率Q發生不同的變化。選擇開關電壓矢量的方法主要有3種，即長矢量(雙兩電平逆變器均只輸出長矢量，且方向相反)、中矢量(雙兩電平逆變器均只輸出中等幅值矢量，方向為其相鄰兩個長矢量的角平分線方向)和混合矢量(雙兩電平逆變器均既輸出長矢量，又輸出中矢量)。長矢量DPC和中矢量DPC均只使用6個開關電壓矢量，缺乏控制靈活性，無法發揮BDFG采用開繞組結構的優勢。而混合矢量DPC輸出的開關電壓矢量數量較多(共12個)，因此控制效果更為精確，且開關切換頻率較低。這里采用混合矢量DPC方法，再根據EPC-DPC控制思想，重新制定開關電壓矢量選擇表如表1所示。

表1　PEC-DPC開關電壓矢量選擇表

3仿真分析與比較

基于OW-BDFG直接功率控制系統框圖，在Simulink中構建系統模型進行仿真分析和比較。OW-BDFG樣機的主要參數如下：額定功率為15 kW，額定頻率為50 Hz，額定電壓為380 V，pp=3，Rp=1.2 Ω，Lp=54 mH，pc=1，Rc=0.9 Ω，Lc=27 mH，Lm=35.8 mH。

分別對采用傳統DPC方法的非開繞組BDFG系統和采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統工作在亞同步速、同步速和超同步速時的有功功率調節情況進行仿真分析和比較，令無功功率保持為零，即使BDFG運行在單位功率因數下。在仿真過程中，BDFG首先運行在亞同步速，轉子轉速nr=675 r/min(亞同步運行)，在0.5 s和1 s時分別將轉速調節到750 r/min(同步運行)和825 r/min(超同步運行)；初始給定有功功率為5 kW，在0.3 s和0.7 s時分別將給定的有功功率調節為10 kW和15 kW。圖5和圖6分別給出了采用傳統DPC方法的BDFG系統和采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統仿真結果。

圖5　采用傳統DPC方法的BDFG系統仿真Fig.5　Simulation of BDFG system adopting conventional DPC method

圖6　采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統仿真Fig.6　Simulation of OW-BDFG system adopting PEC-DPC method

由圖5和圖6的仿真結果比較可看出，采用PEC-DPC方法的雙兩電平變頻器OW-BDFG系統的控制效果有顯著提高。由圖6a和圖6b可看出，該系統功率繞組輸出電流的諧波含量更小，而且在整個仿真過程中，控制繞組的頻率根據OW-BDFG的轉速不同而自動調節，保證了功率繞組輸出電流的頻率始終為50 Hz，可實現變速恒頻發電。由圖6c和圖6d可看出，有功功率P和無功功率Q被穩定控制在滯環寬度范圍內，只有在轉速發生躍變時產生較小超調，并能在很短時間內重新回到給定值。

4實驗研究

在實驗室搭建了開繞組無刷雙饋風力發電機及其控制系統的實驗平臺(見圖7)，并進行了實驗研究。圖8為轉子轉速分別為675 r/min(亞同步運行)和825 r/min(超同步運行)時的功率繞組三相電流波形。當轉子轉速為825 r/min，有功功率給定為10 kW，無功功率給定為零時，OW-BDFG輸出有功功率和無功功率波形如圖9所示。由實驗結果可看出，OW-BDFG功率繞組輸出的三相電流頻率為50 Hz，可實現變速恒頻運行，所采用的PEC-DPC方法可控制OW-BDFG輸出功率平穩快速地跟蹤上功率給定值，驗證了所提方法的有效性。

圖7　系統實驗平臺Fig.7　Experimental platform of system

圖8　功率繞組三相電流波形Fig.8　Three-phase current waveforms of power winding

圖9　OW-BDFG輸出有功功率和無功功率波形Fig.9　Active and reactive power waveforms of OW-BDFG

5結論

本文針對BDFG復雜的內部電磁關系及其應用于風力發電機組的功率跟蹤問題，提出了一種具有開繞組結構的無刷雙饋風力發電機及其PEC-DPC系統，并采用雙兩電平逆變器對OW-BDFG進行勵磁。該種拓撲結構可有效改善風力發電系統的控制靈活性和故障冗余能力，且所需變頻器容量更小，開關頻率較低。此外，分別對采用傳統DPC方法的非開繞組BDFG系統和采用改進PEC-DPC方法的OW-BDFG系統進行了仿真分析和比較，并對采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統進行了實驗研究，結果表明，所提出的PEC-DPC方法能夠更加精確地將OW-BDFG的有功和無功功率穩定在給定值上，更好地實現了功率跟蹤控制。

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金石女，1981年生，博士，副教授，研究方向為風力發電、特種電機及其控制技術。

E-mail：wby-js@163.com(通信作者)

王中正男，1992年生，碩士研究生，研究方向為風力發電機及其控制系統。

E-mail：645170278@qq.com

Direct Power Control for Open-Winding Brushless Doubly-Fed Generator Based on Power Error Comparison

JinShi1WangZhongzheng1WangDairui1，2ZhuLiancheng1，3

(1.School of Electrical EngineeringShenyang University of TechnologyShenyang110870China 2.Huawei Technologies Co.LtdShenzhen518129China 3.School of Electronic and Information EngineeringUniversity of Science and Technology Liaoning Anshan114051China)

AbstractA brushless doubly-fed wind power generator with open-winding structure and its control system are proposed. The open-winding brushless doubly-fed generator (OW-BDFG) means that the control winding is opened completely and its two ends are respectively connected to an inverter to control the OW-BDFG. This topology structure, which has smaller inverter capacity and lower switching frequency, can independently control each phase current of the control winding to enhance the control flexibility and fault redundancy ability of the wind power system. Moreover, for the special structure of the OW-BDFG, a power error comparison direct power control (PEC-DPC) method is proposed to implement the power tracking through the decoupling control of the active and reactive powers of the OW-BDFG. This control method has the properties of simple structure, easy realization, small computational amount, fast dynamic response, as well as good real-time performance without observing the flux amplitude. Finally, the feasibility and superiority of the proposed OW-BDFG and its PEC-DPC system are verified through the simulation comparison and the experimental study.

Keywords：Brushless doubly-fed wind power generator, power tracking, open-winding, direct power control, error comparison

作者簡介

中圖分類號：TM614

收稿日期2015-09-10改稿日期2015-10-20

國家自然科學基金(51277124，51537007)、歐盟國際合作項目(318925)和高等學校博士學科點專項科研基金(20122102110004)資助。