大功率煤電裝備雙繞組WFSMs系統容錯運行方法

牛兵，張昊，郭榕明，伍小杰

(1.國家電網遼寧省電力有限公司，遼寧 大連　116001；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州　221116)

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大功率煤電裝備雙繞組WFSMs系統容錯運行方法

牛兵1，張昊1，郭榕明1，伍小杰2

(1.國家電網遼寧省電力有限公司，遼寧 大連116001；2.中國礦業大學 信息與電氣工程學院，江蘇 徐州221116)

為了保證大功率礦山裝備故障狀態下的安全、可靠運行，提出一種大功率煤電裝備雙繞組電勵磁同步電動機系統容錯運行方法。首先，建立兩相旋轉坐標系下的雙繞組WFSMs數學模型，選取氣隙磁鏈為矢量控制主磁場，建立自切換電壓、電流模型的混合氣隙磁鏈觀測器；在此基礎上，基于主、從并聯驅動機制完成雙WFSMs矢量控制系統設計，并指出故障狀態下WFSMs系統模型之間的變化關系，進而引入主動電流修正機制實現雙繞組WFSMs容錯運行。最后，2.5 MW雙繞組WFSMs礦井提升機工業現場測試結果表明，所提方法在保證WFSMs驅動系統動、穩態性能的同時，可實現系統在故障狀態下的容錯運行。

礦山裝備；雙繞組；電勵磁同步電動機；容錯運行

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1018.018.html

0　引言

現代礦山正朝著超大規模、超深井方向不斷發展[1-2]，電勵磁同步電動機(Wound Field Synchronous Machines，WFSM)由于具有過載能力強、效率高、功率因數可調等優點，將成為MW級大功率礦山應用的核心裝備[3]。雙定子繞組式結構可以提升WFSM的極限容量和運行品質，同時雙繞組結構可互為冗余備用單元，從而確保礦山關鍵設備不斷電運行[4-5]?，F有關于WFSM驅動系統的研究成果多集中在單繞組式。參考文獻[6-8]從磁場定向、模型觀測、PWM調制等多角度對單繞組WFSM矢量控制系統進行了推導分析，得出矢量控制方案適用于WFSM驅動系統的結論。參考文獻[9-10]進一步針對WFSM中存在的動態激磁問題，完善了定、轉子自適應激磁電流分配機制，從而有限地提升了系統動態模型的穩定性。然而，現有文獻中關于雙繞組WFSMs高性能驅動的研究很少，僅參考文獻[11]對雙繞組系統等效單繞組模型進行了可行性推導，但并未對該模型在矢量控制系統中的適用性進行進一步分析與驗證。

為了保證大功率礦山裝備故障狀態下的安全、可靠運行，本文提出一種雙繞組WFSMs系統容錯運行方法。

1　雙繞組WFSMs系統建模

1.1系統等效圖

雙繞組WFSMs系統等效示意如圖1所示，圖中雙繞組WFSMs定子上有2套錯開30°電角度的三相繞組ABC和RST，其可等效為不對稱六相系統，使得定、轉子之間隨位置變化的互感數目加倍，而且2套繞組本身的耦合關系也非常復雜，得到其工程適用的數學模型很難。

圖1　雙繞組WFSMs系統等效示意

采用傳統三相ABC和RST系統分析方法得出三相ABC和RST靜止坐標系下雙繞組WFSMs系統模型，如式(1)—式(3)所示。

電壓方程：

(1)

磁鏈方程：

(2)

轉矩方程：

(3)

式中：u,i,R，L，ψ分別為電壓、電流、電阻、電抗及磁鏈分量；下標s和r分別表示定、轉子分量；下標S1和S2分別表示ABC和RST繞組；下標eDQ表示壓力磁繞組；p為微分算子；np為電動機極對數；λ為轉子位置角。

1.2旋轉dq坐標系下建模

式(1)—式(3)描述了雙繞組WFSMs的動態特性，但其中電感分量是一個隨轉子位置角λ和時間t暫態變化的分量，因此,上述方程表現為強非線性態。旋轉坐標變換可以一定程度上降低上述非線性特性，然而考慮到雙繞組WFSMs中2套繞組錯相30°電角度，對應的ABC和RST繞組的變換矩陣分別如下。

(4)

RST繞組變換矩陣P2：

(5)

考慮到轉子激磁繞組物理特性即為dq軸分量，故其無需進行旋轉坐標變換，將P1，P2代入式(1)—式(3)中，可得雙繞組WFSMs在轉子旋轉dq坐標系下的數學模型，如式(6)—式(8)所示。

電壓方程：

(6)

磁鏈方程：

(7)

轉矩方程：

(8)

式中：i,Ψ分別為定子電流和磁鏈復數域矢量，上標S1,S2分別表示ABC和RST繞組；上標e表示勵磁繞組分量；ω為轉子旋轉角速度；Lmd為定、轉子互感。

旋轉dq坐標系下雙繞組WFSMs等效電路如圖2所示，圖中下標σ表示漏感量，上標g表示氣隙磁鏈量。

2　混合氣隙磁鏈觀測器

對于高性能雙繞組WFSMs矢量控制系統，如何準確獲得WFSMs磁鏈信息尤為重要。現有磁鏈檢測方式主要有直接檢測和間接檢測2種。直接檢測法工藝、精度、成本均無法滿足現階段大功率礦山驅動系統濕熱、多變的現場環境。因此，間接檢測法成為雙繞組WFSMs矢量控制系統的主流工程手段，間接檢測法即利用雙繞組WFSMs可測量電壓、電流、轉速信息進行磁鏈計算。參考文獻[12]指出，選擇氣隙磁鏈作為WFSMs矢量控制定向磁鏈，可實現式(6)—式(8)中dq軸數學模型的最優解耦。從圖2可以看出，雙繞組WFSMs磁鏈信息可通過電壓積分和電流計算2種方式獲得，電壓、電流方式下的磁鏈觀測模型分別為

(a) d軸等效電路

(b) q軸等效電路

(9)

(10)

式中：上標u,i分別表示對應電壓、電流模型變量。

雙繞組WFSMs空間矢量關系如圖3所示。

圖3　雙繞組WFSMs空間矢量關系

(11)

式中：傳遞函數Gu(s),Gi(s)為電壓、電流模型系數，滿足以下關系式：

(12)

設Gi(s)具有低通濾波器特性，Gu(s)具有高通濾波器特性，只需要合理選擇傳函系數，即可通過改變Gi(s)，Gu(s)的幅頻特性來實現電壓模型和電流模型的平穩切換。選取傳函系數的基本原則：低速時電流模型起主要作用，高速時電壓模型占主導地位；設λ1，λ2為Gi(s)，Gu(s)的2個極點，若電動機額定頻率為50 Hz，一般λ1取為5 rad/s，λ2取為25 rad/s。雙WFSMs電壓、電流模型的切換點頻率頻域分析結果如圖4所示，圖中觀測器模型在25 Hz附近完成模型平滑切換。

圖4　雙WFSMs電壓、電流模型的切換點頻率頻域分析結果

3　雙繞組WFSMs系統容錯運行方法

3.1矢量控制原理

基于氣隙磁鏈定向的矢量控制系統可實現WFSMs定子電流的獨立調節，從而實現對高階、耦合WFSMs的解耦控制。令雙繞組WFSMs中定子電流取值一致，即

(13)

將式(13)代入式(6)可得定子磁鏈和電磁轉矩方程：

(14)

(15)

從式(15)可以看出，簡化后的WFSMs輸出電磁轉矩方程與三相電動機系統一致。在MT(磁場-轉矩)坐標系下，由于ΨT=0，ΨM=|Ψm|，可將轉矩方程進一步簡化描述為

(16)

式中：isT為轉矩軸電流。

綜上可知，將流過雙繞組WFSMs的2套繞組的MT軸電流均分，可實現雙繞組WFSMs矢量控制模型的歸一化處理。雙繞組WFSMs矢量控制系統如圖5所示，圖中雙繞組電流內環運行機制保持一致，均由PI調節器實現轉矩、激磁電流調節，并以PWM脈沖輸出形式分別作用于雙繞組WFSMs的2套繞組中。大功率驅動系統多采用恒定磁場控制模式，因此，其對應定子端口電壓隨電動機轉速呈正比例關系。當雙繞組WFSMs運行于額定轉速下時，雙繞組分別承擔一半的電動機定子端電壓，即雙繞組驅動系統在額定電流保持不變的前提下，通過串聯增壓實現了系統容量的擴充。

圖5　雙繞組WFSMs矢量控制系統

3.2容錯運行方法

容錯運行即在雙繞組WFSMs驅動系統某主回路出現故障停機時，主動切除該故障回路，并通過調整控制手段使WFSMs驅動系統運行于滿負載、半轉速的容錯工況。

假設雙繞組WFSMs系統故障點出現在RST回路中的R相中，由于R相電流缺失將造成WFSMs轉矩脈動增加，將式(3)的轉矩方程在故障狀態下展開可得

(17)

可以看出，由于雙繞組WFSMs電流的不對稱性，圖5中均分電流的矢量控制方法將不再適用。此時，若將R相缺失的電流分配到其他5相繞組中，保證電流矢量相位、幅值不變，可實現系統容錯運行。故障狀態下雙繞組WFSMs電流矢量關系如圖6所示。其中，將R相繞組電流分別沿A，B，C，S，T方向進行分解，得出修正后的5相繞組電流給定值為

(18)

圖6　故障狀態下雙繞組WFSMs電流矢量關系

分析圖6可知，修正后的電流矢量給定值與修正前一致，即WFSMs輸出電磁轉矩等同于無故障狀態，同時避免了由于R相電流矢量缺失造成的電磁轉矩問題。具備容錯運行機制的WFSMs矢量控制系統如圖7所示。

圖7　具備容錯運行機制的WFSMs矢量控制系統

4　工程應用與結果分析

為了驗證大功率礦山裝備雙繞組WFSMs系統容錯運行方法的可行性，基于2.5 MW雙繞組WFSMs主井絞車平臺進行現場調試。絞車雙繞組WFSMs額定功率為2 600 kW，主井提升高度為513.2 m，最大提升速度為10 m/s(屬于高速提升裝備)。驅動系統采取雙三電平式拓撲結構，最大輸出電壓為1 192 V，最大輸出電流為1 527 A。

(b) 動態測試結果

故障狀態下WFSMs容錯運行前后對比結果如圖9所示，對比測試均在R相繞組故障的情況下完成?？梢钥闯?，圖9(a)中，均流控制方法已無法維持WFSMs的圓形磁場狀態，低頻特征次諧波的注入不可避免地破壞了WFSMs的運行品質。反觀容錯運行機制下的磁鏈測量結果，其氣隙磁鏈仍呈標準圓形狀態，保證了故障狀態下的WFSMs系統容錯運行；圖9(b)中，轉矩頻譜分析結果進一步佐證了上述觀點；圖9(c)中進一步對比系統電氣狀態，容錯機制修正后的A，B，C三相電流不再呈三相對稱狀態，A相電流增加300 A，B相和C相電流對應減少300 A，測試結果與式(18)中修正量一致。考慮到A相電流增加量的存在，結合驅動裝置最大電流限制，雙繞組WFSMs系統要降容約30%運行，與直接切除RST相繞組時要降容50%相比，系統故障狀態下的運行容量得到大幅提升。同時，由圖9(c)中氣隙磁鏈定向角θm對比可知，容錯機制下磁場穩定度更高，且無低頻特征次諧波出現，與圖9(b)中轉矩頻譜分析結果一致。

圖9　故障狀態下WFSMs容錯運行前后對比結果

5　結語

為了保證大功率礦山裝備故障狀態下的安全、可靠運行，研究了一種雙繞組WFSMs容錯運行方法，通過理論分析和工程實驗得出：基于混合磁鏈模型和平均電流控制的雙繞組WFSMs矢量控制系統均流效果良好，且具有轉矩脈動小、磁場正弦度高等優點；電流修正機制的引入保證了故障狀態下

WFSMs輸出電流幅值、相位的統一，同時圓形磁場避免了電動機輸出品質惡化。

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Fault tolerant operation method of double winding WFSMs system in high power mine equipment

NIU Bing1，ZHANG Hao1，GUO Rongming1，WU Xiaojie2

(1.National Grid Liaoning Province Power Company,Dalian 116001,China; 2.School of Information and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to ensure safe and reliable operation of high power mine equipment in fault condition,a fault tolerant operation method of double winding WFSMs system in high power mine equipment was proposed.First,double winding WFSMs mathematical model under two phase rotating coordinate system was set up,and air gap flux was selected as main magnetic field of vector control.Then,mixture gap flux observer of self-switching voltage and current model were built.On this basis,double WFSMs vector control system was designed based on primary and slave parallel drive mechanism,and changing relationship of the WFSMs system models in fault condition was pointed out,then active current correction mechanism was introduced to realize tolerant operation of double winding WFSMs.Finally,2.5 MW mine hoist industrial field test results show that the proposed method can realize tolerant operation of the system in fault condition,and meanwhile guarantee dynamic and steady state performance of the WFSMs drive system.

mine equipment; double winding; wound field synchronous machines; fault tolerant operation

1671-251X(2016)10-0016-06DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.004

牛兵，張昊，郭榕明,等.大功率煤電裝備雙繞組WFSMs系統容錯運行方法[J].工礦自動化，2016,42(10)：16-21.

2016-06-16；

2016-08-18；責任編輯：胡嫻。

國家自然科學基金項目(51504253)。

牛兵(1981-)，男，遼寧大連人，高級工程師，主要研究方向為電力電子新技術在供電系統中的應用，E-mail:lndl_swf@163.com。通信作者：伍小杰(1960-)，男，湖南衡陽人，教授，博士研究生導師，主要研究方向為電力電子與電力傳動，E-mail:cumt_wxj@126.com。

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A網絡出版時間：2016-09-30 10:18