第45卷第8期2011年8月電力電子技術POWETELECTRONICSVO1．45，NO．8AUGUST2011無刷雙饋風力發電機變速恒頻控制研究王峰，何鳳有，王斌，張杰中國礦業大學。江蘇徐州221008摘要根據無刷雙饋風力發電機BDFG的結構與運行原理，分析了其在轉子速D，Q坐標系下的數學模型。采用恒壓頻比控制策略，在MATLAB／SIMULINK下完成BDFG變速恒頻VSCF發電的開環仿真研究，并基于雙三電平變流器結構，以DSPTMS320F2812為主控制器建立實驗平臺．完成BDFG帶獨立電阻負載的VSCF開環控制實驗。仿真與實驗結果驗證了BDFGVSCF控制技術的正確性與有效性。關鍵詞風力發電機；無刷雙饋發電機；變速恒頻中圖分類號TM315文獻標識碼A文章編號1000100X加1108006802VARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYCONTROLOFBRUSHLESSDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATORWANGFENG，HEFENGYOU，WANGBIN，ZHANGJIECHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，XUZHOU221008，CHINAABSTRACTBASEDONTHESTRUCTURECHARACTERISTICSANDOPERATIONPRINCIPLEOFBRUSHLESSDOUBLYFEDGENERATORBDFGINWINDPOWERGENERATIONSYSTEM，THEROTORSPEEDD，QMATHEMATICALMODELOFBDFGISANALYZED．UNDEROPENLOOPTHEDYNAMICSIMULATIONOFBDFGISREALIZEDINMATLAB／SIMULINKBYUSINGV／FCONTROLSTRATEGY，THEVARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYVSCFEXPERIMENTOFBDFGWITHINDEPENDENTRESISTANCELOADISCONDUCTEDBASEDONDSPTMS320F2812CONTROLLERANDDUALTHREELEVELINVERTER．SIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSVERIFYTHECORRECTNESSANDEFFECTIVENESSOFVSCFCONTROLTECHNOLOGYOFBDFG．KEYWORDSWINDPOWERGENERATOR；BMSHLESSDOUBLYFEDGENERATOR；VARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYL引言近年來．BDFG以其獨特的優勢逐漸成為風力發電機的主要選擇。采用VSCF技術可提高風力發電機組在低風速下的出力水平，能夠最大限度地實現風電能量轉換，且維護費用低，運行可靠性高．在VSCF風力發電系統中具有良好的應用前景【N。結合風力發電的特點，在分析BDFG結構原理與數學模型的基礎上。在開環狀態下對BDFG的VSCF控制技術進行了仿真與實驗。2BDFG及其VSCF發電系統BDFG定子繞組由極對數為P。的功率繞組和極對數為P的控制繞組構成；轉子采用鼠籠式或磁阻式結構；兩套定予繞組在電路和磁路方面是解耦的，并通過轉子實現耦合當轉子極對數取PP時，不同極對數的兩套定子繞組中產生的速度電動勢與通入該繞組的電流具有相同頻率．從而進行電機能量轉換。在VSCF風力發電系統中．定稿日期20L10616作者簡介王峰1983一，男，江蘇徐州人，碩士研究生．研究方向為電力電子與電力傳動。68BDFG的控制繞組連接雙向可逆變頻器，用作交流勵磁繞組；功率繞組用于并網發電【21。無刷雙饋風力發電系統結構如圖1所示。UVW電網工頻5OHZ圖L無刷雙饋VSCF風力發電系統在發電運行模式下．BDFG功率繞組電流頻率控制繞組電流頻率．與發電機轉速／／,關系為FON，P十P。／6O1式1中，前取‘’號表示功率繞組與控制繞組電流反相序取‘一’號表示功率繞組與控制繞組電流同相序。當風速引起珥發生變化時，通過變流器調節，可使．保持不變，從而實現BDFG的VSCF發電控制【3】3BDFG數學模型從BDFG基本方程出發，利用坐標變換理論，可推導出其轉子速，Q數學模型4】。由于BDFG轉無刷雙饋風力發電機變速恒頻控制研究子采用自行閉合的環路結構，轉子D，Q軸電壓均為零，從而進一步簡化其轉子速D，Q模型為UQPU如U0C“040一B00OC00一DPM0PM0】L0P肼0P0GJL擊2式中ARPPL，RP，L分別為功率繞組的電阻、自感，P為微分算子；BPOTOL，為電機機械角速度；CRPL，FC，L分別為控制繞組的電阻、自感；DPGOL；EPCO,M，為功率繞組與轉子的互感；FPGOFLL，為控制繞組與轉子的互感；GRRIPL，／'RL分別為轉子電阻、自感；，，Ⅱ，，，均表示瞬態值。電磁轉矩方程為TEP女一I擊P。IQCI也3機械運動方程為JO,／DT一TOKTO4式中_，為轉子機械慣量；為負載轉矩；K為轉動阻尼系數。功率繞組的有功、無功功率方程為3P“中／2，Q3U一“／254仿真結果根據上述BDFG轉子速的數學模型，在MATLAB／SIMULINK環境下建立BDFGVSCF開環系統仿真模型【5。該系統為獨立運行的發電系統，由信號源輸入模塊、坐標變換計算模塊、BDFG模塊和信號輸出模塊等組成。采用V／F控制，根據發電機給定轉速的變化，調節控制繞組電流的相應頻率，從而使發電機功率繞組輸出電壓和電流頻率保持恒定，5OHZ。主要仿真參數選取算法ODE23TB，選取可變步長．最大步長為0．001。BDFG主要參數為P3，RP10．5IL，L0．326H，0．315H，P。L，RC1．362Q，L0．395H，0．33H，RR4．2I2，L0．623H，JO．02KGIN，KDO。仿真中，通過不同時刻改變電機的給定轉速使BDFG運行在超同步、自然同步、亞同步狀態。仿真給定BDFG轉速為900RMIN一，825RMIN一，750RMIN一，675RMIN一，600RMIN～，控制繞組電流頻率也隨之變化，10HZ，5HZ，0，一5HZ，一LOHZ，從而實現發電機功率繞組輸出電壓和電流頻率恒定。0～4S為BDFG超同步狀態運行．即轉速為900825RMIN；46S為BDFG自然同步狀態運行，即轉速為750RMIN；6～10S為BDFG亞步狀態運行，轉速為675600RMIN～。圖2為仿真波形。因采用開環控制，在轉速過渡期間，轉矩、電流、頻率等會產生短時較大振蕩。55O549448．447C功率繞組頻率O24，，S68LOD功率繞訂功厄功功率圖2仿真波形仿真證實，BDFG在不同轉速下，通過調節，即可保證功率繞組電壓與電流的頻率恒定，5OHZ，完全符合式1中頻率與轉速關系。5實驗結果通過搭建硬件實驗平臺驗證BDFGVSCF的發電特性【6】。實驗樣機主要參數如表1所示。表1實驗樣機主要電磁參數囂功率繞組3380373．54．778．34控制繞組L380L438．828．533．6圖3示出簡化硬件電路。實驗直流母線電壓為320V，載波頻率為1KHZ，采用恒V／F控制。直一在此給出BDFG在亞同步狀態發電運行的相關實驗波形。實驗過程中，直流電動機拖動BDFG轉速變化為600～525RMIN～，轉速曲線如圖4A所示；根據轉速變化，按式1關系調節控制繞組的頻率變化為一L0～15HZ；轉速與頻率過渡期間，控制繞組線電壓與相電流I波形如圖4B所示，功率繞組相電壓M與相電流波形如圖4C所示。可見，實驗與仿真結果相似。當轉速變化時，按式1關系通過變流器調節控制繞組的勵磁電流頻率．可使BDFG功率繞組電壓與電流的頻率保持恒定。由于選用雙三電平變流器結構，控制繞組側可獲得良好的電流與電壓波形，諧波含量小，有利于BDFGVSCF發電控制與實現。下轉第80頁69EF尥0F3FGRR0ODC0第45卷第8期2011年8月電力電子技術POWERELECTRONICSVO1．45．NO．8AUGUST2011T／】0MS／格L／10MS／}吾A商流電話和并電流B并州電流和電刪電雁圖4實驗波形圖5為發電機轉速為400RMIN，電網電壓為50V時，指令電流由5A突變至7A時，I與“波形。可見，該控制可在電流受到擾動后經過兩個電網周期跟蹤給定電流．超調約為10％，且保持電壓電流基本同相位。分析其運行特性．提出了一種簡單易行的閉環動態控制策略來控制并網電流的波形和幅值，在理論上對該控制策略進行了詳細分析，并通過實驗進行了驗證。結果表明，在直流電流波動較大的情況下，該控制策略能使逆變器輸出電流THD較低。同時其幅值能準確地跟蹤指令。參考文獻【1】WHALEYDM，GERTASGIN，WLSOONG，ETA1．INVESTIGATIONOFALOW．．COSTGRID．．CONNECTEDINVERTERFORSMAL1．．SCALEWINDTURBINESBASEDONACONSTANT．CURRENTSOURCEPMGENERATORA．IEEE32ND．ANNUALCONFERENCEONINDUSTRIALELECTRONICSC．FRANCE，200642974302．2LWHALEYDM．INVESTIGATIONOFSWITCHEDMODERECTIFIERFORCONTROLOFSMALLSCALEWINDTURBINESA】．FORTIETHIASANNUALMEETINGONINDUSTAPPLICATIONSCONFERENCEC．HONGKONG，200528492856．【3】HIRACHI，KYOSHITSUGU，JGAMAGE，ETA1．IMPROVEDCONTMLSTRATEGYONSINGLEPHASEPWMCURRENTSOURCEINVERTERWITHPULSEAREAMODULATIONA1．POWERELECTRONICSANDDRIVESYSTEMSINTERNATIONALCONFERENCEC．1997508512．【4】陳伯時．電力拖動自動控制系統第3版【M】．北京機械工業出版社．2003．【5MAOMEIQIN，LAIJIDONG．AREALTIMEPREDICTIVEDYNAMICCONTROLSTRATEGYFORTHESMALLWINDTURBINESYSTEMBASEDONCSIA．2NDINTERNATIONALCONFERENCEONMECHANICALANDELECTRONICSENGINEERING【C】．2010103106．上接第69頁SAMNIETIINEARD步發屯狀冬轉速霎三驀JT／200MS／格T／100MS／格B控制繞組線電J}I與棚I乜流C功率繞組相}J相電流圖4實驗波形6結論此處在分析BDFG結構原理以及數學模型的基礎上，在開環狀態下對其變速恒頻的發電控制進行了仿真與實驗研究。通過調節發電機的控制繞組進行交流勵磁，實現變速恒頻控制技術。同時，實驗結果證實了基于雙三電平變流器BDFG80VSCF控制的有效性．為其在VSCF風力發電領域的開發應用提供了參考依據。參考文獻【1】張小蘭，廖勇．無刷雙饋變速恒頻風力發電機控制技術J．武漢大學學報，2010，432257260．2王琦，陳小虎，紀延超，等．基于雙同步坐標的無刷雙饋風力發電系統的最大風能追蹤控制【J】．電網技術，2007，3138287．3】張鳳閣，王惠軍，佟寧澤，等．新型無刷雙饋變速恒頻風力發電系統的建模和數字仿真J．太陽能學報，2005，105660664．F4】JPOZA，EOYARBIDE，DROYE，ETA1．UNIFIEDREFERENCEFRAMEDQMODELOFTHEBRUSHLESSDOUBLYFEDMACHINE【HI．ELECTRICPOWERAPPLICATIONSIEEPROCEEDINGS【C．2006，1535726734．【5張貞飛，何鳳有，鄧園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總結

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