變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的勵磁電源研究

1、第38卷 第23期 電力系統(tǒng)保護與控制 Vol.38 No.23 2010年12月1日 Power System Protection and Control Dec. 1, 2010變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的勵磁電源研究王 琦1,2，陳小虎3，袁 越2，紀(jì)延超4(1.南京師范大學(xué)電氣與自動化學(xué)院, 江蘇 南京 210042； 2. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3.金陵科技學(xué)院機電工程系,江蘇 南京 211169; 4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱 150001摘要：基于同步坐標(biāo)下的無刷雙饋電機的數(shù)學(xué)模型，研究變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的矩陣變換器式交流勵磁

2、電源，提出了矩陣變換器的SPWM 調(diào)制策略，并驗證了矩陣變換器可以滿足無刷雙饋風(fēng)電機組的運行條件。將矩陣變換器與電壓型雙PWM 控制交-直-交變頻器從響應(yīng)速度和諧波含量方面，進行了詳細的分析比較。在相同情況下，采用矩陣變換器勵磁時，響應(yīng)速度優(yōu)于電壓型雙PWM 交-直-交變換器。對矩陣變換器交流勵磁變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組進行仿真分析，發(fā)電機組輸出電流的諧波含量少。關(guān)鍵詞: 風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；無刷雙饋電機；矩陣變換器；諧波Study on excitation source of variable-speed constant-frequency brushlessdouble-fed win

3、d power generatorsWANG Qi 1,2, CHEN Xiao-hu 3, YUAN Yue2, JI Yan-chao4（1. School of Electrical & Automation, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, China； 2. College of Energy and Electrical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. Department of Electromechanical Engineering,

4、 Jinling Institute of Technology, Nanjing 211169, China;4. Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, ChinaAbstract: According to the mathematical model of the VSCF brushless doubly-fed generator in synchronous coordinates, the paper studies matrix converter

5、 AC excited power of variable speed constant frequency brushless double-fed wind generators, puts forward SPWM controlling strategies of matrix converters, and verifies the operational conditions of matrix converters that can meet the demands of brushless double-fed wind generator; then makes a thor

6、ough comparison between matrix converters and voltage dual PWM AC-DC-AC converters from the aspects of response speed and harmonic content. Under the same circumstances, when matrix converter is adopted to be the excitation, the response speed is faster than that of dual PWM AC-DC-AC converter. In a

7、ddition, through the simulation analysis of matrix converter AC excited variable speed constant frequency brushless double-fed wind generators, the study finds that the harmonic content of the output current is small.Key words: wind power generation; variable-speed constant-frequency; brushless doub

8、le-fed machine; matrix converter; harmonic中圖分類號： TM761 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： 1674-3415(201023-0026-060 引言風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電時，要求輸出頻率和電網(wǎng)頻率一致。采用變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency ，VSCF 方式可以提高風(fēng)能的獲取和轉(zhuǎn)換效率，是很適合風(fēng)力發(fā)電的運行方式。變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組中，無刷雙饋發(fā)電 基金項目：江蘇省普通高校自然科學(xué)研究計劃資助項目(09KJB470004機控制繞組勵磁電壓的控制是由變頻器來實施的。它承擔(dān)著產(chǎn)生發(fā)電機控制繞組勵磁電壓相量，

9、傳輸系統(tǒng)與發(fā)電機控制繞組部分有功功率、調(diào)解無功功率等重要任務(wù)。因此，應(yīng)該根據(jù)變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的控制目標(biāo)設(shè)計變頻器的控制部分1-2。當(dāng)前的無刷雙饋電機的交流勵磁電源多采用電壓型雙PWM 控制的交直交變頻器，由于這種變頻器內(nèi)部有個大直流電容存在，對于風(fēng)力發(fā)電機組的維護提出了更高的要求，而矩陣變換器(Matrix王 琦，等 變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的勵磁電源研究 - 27 -Converter ，MC 作為一種新型的“綠色”功率變換器，與傳統(tǒng)的電壓型雙PWM 控制的交直交變頻器相比，不存在直流電容、結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、輸出波形質(zhì)量好。對于矩陣變換器的研究，多見于對拓?fù)潆娐氛{(diào)制方法的研究3-

10、4，也有資料對矩陣變換器式雙饋風(fēng)電機組的控制方面進行研究5-6，但針對無刷雙饋風(fēng)電機組的勵磁電源研究的文獻還不多見。本文研究矩陣變換式變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的交流勵磁電源，并將其與電壓型雙PWM 控制交-直-交變頻器從響應(yīng)速度和諧波含量方面進行比較。1 變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的數(shù)學(xué)模型本文所研究的變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組如圖1所示，圖中的雙向變頻器就是下面將要研究比較的矩陣變換器和電壓型雙PWM 控制的交直交變頻器。電網(wǎng) 圖1無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行圖Fig.1 Structure of brushless doubly-fed machine滿足如下情況：BDFM 處于穩(wěn)態(tài)，且有s p

11、p r c c r P P =+，忽略電機磁鏈暫態(tài)變化，將定子功率繞組的電流正方向假定為相反方向，可以得到基于同步坐標(biāo)系下7-8，功率繞組（發(fā)電機慣例），控制繞組（電動機慣例），寫出的數(shù)學(xué)模型為： pe pe pe pe dp dp qp qr p p p p p pe pe pe pe qp qp dp dr u i i i R L M u i i i =+（1） pe pe pe dp dp dr p p pe pe pe qr qp qp i i L M i i = （2） ce ce ce pe dc dc qc qr c c c c c ce ce ce pe qc qc dc dr

12、 u i i i R L M u i i i =+ （3） ce ce pedc dc dr c c ce ce pe qc qc qr i i L M i i =+（4）pe pe ce pe qp dr qc qr r p s c s r s pe pe ce peqr dp dc dr 0i i i i R M M L i i i i =+（5）式中：s p p r c c r P P =+，pe pe pe pe ce pe ce pe e p p qp dr dp qr c c qc dr dc qr 3( ( 2T P M i i i i P M i i i i =+ 。 電機的運

13、動方程為：r e m d r d( d T T K J t= （6） 式中：J 、K d 為轉(zhuǎn)子機械慣量、轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)；T e 、T m 分別為電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩。公式(1(6構(gòu)成了無刷雙饋發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)然這個模型由于忽略了電機磁鏈暫態(tài)變化，適用于并網(wǎng)風(fēng)電機組動態(tài)特性的仿真研究。在某些情況也有不太正確的情況，比如，電機本體的電磁特性研究，就不太適合用本模型9。2 矩陣變換器交流勵磁無刷雙饋風(fēng)電機組廣義地講，矩陣變換器可以將頻率為f 1的n 相系統(tǒng)變換為頻率為f 2的m 相系統(tǒng)。除了必要的為消除開關(guān)紋波的高頻濾波器以外，無中間儲能環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)輸入到輸出的能量直接傳遞。矩陣變換器的調(diào)制策略

14、可用開關(guān)函數(shù)矩陣來描述，開關(guān)函數(shù)矩陣的確定有直接變換法和間接變換法兩種。直接變換法是通過對輸入電壓連續(xù)斬波來合成輸出電壓，包括坐標(biāo)變換式、諧波注入式、輸入電壓瞬時值控制式。本文采用間接控制法又稱交-直-交等效法，它將矩陣變換器等效成為虛擬整流部分和虛擬逆變部分，其電路如圖2所示，圖中左半部分為虛擬整流器(IRE，右半部分為虛擬逆變器(IIN。顯然，各雙向開關(guān)必須滿足一定的約束條件，以保證輸入側(cè)不能短路，而輸出側(cè)因帶感性負(fù)載又不能開路。對應(yīng)于IRE 部分要求同一輸入母線p 或n 上的開關(guān)必有且只有一個導(dǎo)通，而IIN 部分同一輸出線A 、B 、C 上必有且只有一個開關(guān)導(dǎo)通。圖2 矩陣變換器等效交-

15、直-交電路 Fig.2 AC-DC -AC equivalent circuit of MC- 28 - 電力系統(tǒng)保護與控制2.1虛擬整流過程由矩陣變換器的交-直-交等效電路，在虛擬整流器變換過程中，根據(jù)三相橋式全控整流電路的整流電壓平均值計算公式：d cos U = 可知，如果取整流控制角0，則可獲得最大整流輸出電壓，在輸入電源電壓的一個周期內(nèi)，U d 共有六種狀態(tài)，即U ab 、U ac 、U bc 、U ba 、U ca 、U cb 。利用矩陣變換器電壓變換過程中的這一特點，可以把矩陣變換器看成分別由U ab 、U ac 、U bc 、U ba 、U ca 、U cb 依次供電的傳統(tǒng)六開

16、關(guān)逆變器。其中在U d =U ab 時等效的六開關(guān)g 1、g 2、g 3、g 4、g 5和g 6所對應(yīng)的矩陣變換器開關(guān)分別為S 11、S 23、S 12、S 21、S 13和S 22，其他開關(guān)對應(yīng)關(guān)系如表1所示。基于以上對虛擬逆變器的分析，矩陣變換器的變換過程可以看成是由六組不同的六開關(guān)逆變器輪流運行的過程。表1 矩陣變換器等效逆變器開關(guān)對應(yīng)表Tab. 1 Switches correspondence table of equivalent inverterof MCG /U d U ab U ac U bc U ba U ca U cb G 1 S 11 S 11 S 21 S 21 S

17、31 S 31 G 2 S 23 S 33 S 33 S 13 S 13 S 23 G 3 S 12 S 12 S 22 S 22 S 32 S 32 G 4 S 21 S 31 S 31 S 11 S 11 S 21 G 5 S 13 S 13 S 23 S 23 S 33 S 33 G 6S 22S 32S 32S 12S 12S 222.2虛擬逆變過程采用三角波比較方式的電流跟蹤型PWM 逆變電路，這里把指令電流*a i 、*bi 、*c i 和逆變電流實際輸出電流i a 、i b 、i c 進行比較，求出偏差電流，然后通過放大器A 放大后，再去與三角波進行比較，產(chǎn)生PWM 波，加到逆變

18、電路上。 通過對矩陣變換器虛擬逆變和虛擬整流過程的分析，其SPWM 控制策略的實現(xiàn)過程可概括如下：首先檢測輸入電壓源U ab 、U ac 、U bc 、U ba 、U ca 、U cb 此時所處的狀態(tài)，由它判斷其中的哪一個作為等效逆變器的輸入源，同時選擇與之對應(yīng)開關(guān)組成的等效逆變器(IIN 作為此時MC 的調(diào)制對象，然后生成對應(yīng)的SPWM 控制指令來控制IIN 六個開關(guān)的通斷。根據(jù)指令電流*a i 、*b i 、*c i 和逆變電流實際輸出電流i a 、i b 、i c 進行比較，求出偏差電流，然后通過放大器A 放大后，再去與三角波進行比較，產(chǎn)生PWM 波信號來分別控制等效逆變器的六個開關(guān)的通

19、斷，對矩陣變換器剩下的其他三個開關(guān)不進行控制，使之處于斷開狀態(tài)。本文通過把傳統(tǒng)的交-直-交變換器的SPWM 控制策略應(yīng)用到矩陣變換器的控制中，提出了一種簡單的控制策略，即矩陣變換器的SPWM 控制策略。它具有主電路回路結(jié)構(gòu)簡單，控制方案簡單、控制開關(guān)傳遞函數(shù)無須復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與計算，輸出電壓頻率、相位、幅值大范圍可調(diào)等優(yōu)點。以矩陣變換器器作為勵磁裝置，采用文中所闡述的控制策略，對交流勵磁無刷雙饋風(fēng)電機組的穩(wěn)態(tài)運行進行了軟件仿真。系統(tǒng)仿真采用Matlab 的Simulink 仿真軟件，主要仿真參數(shù)選取算法為ode45，選取可變步長，最大步長為0.001 s，現(xiàn)以一臺樣機為例（樣機定子繞組采用6/

20、2變極單繞組，3/3接法），對其進行仿真，發(fā)電機參數(shù)如下：功率繞組： p p =3、L p =71.38 mH、M p =69.31 mH、R p =0.435 ；控制繞組：p c =1、L c =65.33 mH、M c =60.21 mH 、R c =0.435 ；轉(zhuǎn)子：L r =142.8 mH、R r =1.63 ；轉(zhuǎn)動慣量、轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)：J =0.03 kg·m 2、K d =0。風(fēng)力機參數(shù)如下：C p 0.38；風(fēng)力機額定功率：5 kW；起動風(fēng)速：4 m/s；額定風(fēng)速：9 m/s；風(fēng)輪直徑：7 m；風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速：223 r/min；傳動部分的時間常數(shù)：0.1 s。仿真算例

21、：BDFM 在400 r/min空載運行1 s后并網(wǎng)，此時風(fēng)速給定為8 m/s，2 s時風(fēng)速變?yōu)?0 m/s，4 s時仿真結(jié)束，期間保持無功功率不變。無刷雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)速如圖3所示。矩陣變換器輸出相電流和相電壓曲線如圖4所示。從圖3和圖4中可以看出，當(dāng)風(fēng)速改變時，矩陣變換器調(diào)節(jié)輸出電流的相序，使無刷雙饋發(fā)電機可以工作在亞同步速(600 r/min和超同步速(900 r/min工作方式。矩陣變換器作為無刷雙饋變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的勵磁變頻器，將功率繞組與電網(wǎng)相連，可以滿足無刷雙饋風(fēng)電機組運行方式。n /(r /m i n t /s圖3 無刷雙饋發(fā)電機的轉(zhuǎn)速曲線Fig.3 Rotor speed cu

22、rve of blushless double-fed generator王 琦，等 變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組的勵磁電源研究 - 29 - -10203040i a /A -i b /A t /s-i c /A(a 輸出相電流 圖4 矩陣變換器輸出曲線 Fig.4 Output curve of matrix converter3 交流勵磁電源的分析比較變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電機的控制是通過 對控制繞組交流勵磁用變換器的控制實現(xiàn)的，從電力電子技術(shù)角度看，有不少可實現(xiàn)頻率變換的變換電路可用，但必須滿足變速恒頻無刷雙饋風(fēng)力發(fā)電的特殊要求，故其選型至關(guān)重要。 3.1 響應(yīng)速度分析比較考慮電壓型雙PW

23、M 控制的交-直-交變頻器和矩陣變換器分別作為本文研究的變速恒頻無刷雙饋風(fēng)電機組交流勵磁電源，分別將兩種系統(tǒng)在開始啟動和穩(wěn)態(tài)運行時的響應(yīng)速度進行對比研究。電壓型雙PWM 控制的交-直-交變頻器如圖5所示，其整流輸出端所并聯(lián)的電容在初始建立負(fù)載電壓和穩(wěn)態(tài)中負(fù)載發(fā)生突變時穩(wěn)壓起著重要作用。在圖5中，當(dāng)給定電壓與實際電壓相減經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)產(chǎn)生給定電流，給定電流通過負(fù)載電容和電抗得到反饋電壓，可以得到系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)圖如圖6所示。由系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)圖，可得：ref dc 00ref( 1( i i U U p sU i sc z =+=+（7）圖5 電壓型雙PWM 變換器拓?fù)銯ig.5 Topolog

24、y of double PWM converter withvoltage type圖6 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)圖 Fig.6 System transfer function其中：dc U 為給定電壓；0U 為負(fù)載實際電壓；p ，i 為PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)；c 為負(fù)載電容；z 為負(fù)載阻抗。由式（7），可得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：0dc 2p s U U s s c c=+（8） 由閉環(huán)系統(tǒng)零極點對時間響應(yīng)性能的影響，可以歸納為以下幾點：(1 S 左半平面，所以系統(tǒng)一定是穩(wěn)定的。(2 系統(tǒng)的=，所以超調(diào)量主要取決于閉環(huán)主導(dǎo)極的衰減率2，容易看出與成正比，所以若負(fù)載電容值越大，則超調(diào)量- 30 - 電力系統(tǒng)

25、保護與控制越小，則系統(tǒng)在負(fù)載突變下越穩(wěn)定。系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間主要取決于閉環(huán)復(fù)數(shù)極點的實部絕對值czn 21=，若實數(shù)極點越接近坐標(biāo)原點，也就是負(fù)載電容值c 越大，濾波器的時間常數(shù)越大，系統(tǒng)的反應(yīng)時間越大，若負(fù)載電容值c 越小，濾波器的時間常數(shù)越小，系統(tǒng)的反應(yīng)時間越小?？梢?，電容值取得比較大時系統(tǒng)穩(wěn)定性好而動態(tài)性能差，電容值取得比較小時系統(tǒng)動態(tài)性能好而穩(wěn)定性差，所以電容的大小選擇應(yīng)對不同要求的系統(tǒng)進行不同的討論與選擇。這里分析電解電容的值從c =0.001 F調(diào)節(jié)到c =0.005 F時，電壓型雙PWM 交-直-交變換器勵磁裝置動作時間和電容容量的對應(yīng)關(guān)系如表2所示，表中給出了電壓型雙PWM 變換器交流勵磁的風(fēng)電機組輸出有功功率動態(tài)響應(yīng)時間隨濾波電容變化關(guān)系，上升時間是指實際功率第一次達到給定功率的時間，穩(wěn)定時間是指有功功率經(jīng)過功率PI 環(huán)調(diào)節(jié)最終穩(wěn)定在給定功率的時間。表2 電壓型雙PWM 變換器交流勵磁的風(fēng)電機組動態(tài)響應(yīng)表Tab.2 Win