笼式无刷双馈风力发电机的设计及仿真分析.pdf

2008, 35 (3) 研究与设计 EM CA 笼式无刷双馈风力发电机的设计及仿真分析 李 旭, 李伟力, 程 鹏 (哈尔滨理工大学 电气与电子工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040) 摘 要:无刷双馈电机是一种新型的变频调速电机,在风力发电方面有着广阔的应用前景。在传统异步 电机设计的基础上提出了笼式无刷双馈电机定、 转子结构的设计方法。通过使用MATLAB仿真分析软件,对 无刷双馈电机在单馈、 双馈状态发电情况下的动、 静态特性进行了分析,验证了无刷双馈电机设计参数及仿真 模型的正确性。 关键词:无刷双馈电机;风力发电;设计;仿真 中图分类号: T M302T M315 文献标识码:A 文章编号: 167326540(2008) 0320009206 Design and Si mulation Analysis of Cage BrushlessDoubly2fedW i nd Generator L I Xu, L IW ei2li, CHENG Peng ( Institute of Electrical Engineering, Harbing University of Technology, Harbing 150040, China) Abstract: BrushlessDoubly2fedMachine (BDFM) is a new inverter2driven induction motor, and it has broad prospects in wind power generation. A new method in designing the stator and rotor ofBDFM based on the traditional induction motor; the MATLAB si mulation analysis software to analyze the dynamic, static characteristics of BDFM single2fed, doubly2fed generation state are presented. According to these results, the correct of parameters and si mu2 lation model forBDFM is proved. Key words: brushless doubly2fed machine; wind power generation; design; si mulation 0 引 言 随着人类的发展,常规能源不断减少,可再生 能源的利用与开发已成为世界各国关注的焦点。 风能作为一种清洁的能源已经在所有新能源中异 军突起。我国风能资源丰富,风力发电的研究和 应用将会是我国电力发展的一个重要部分。 未来的风力发电系统将以变速恒频风力发电 作为主要的发展方向。通过对几种变速恒频风力 发电方案的对比可知 1 ,无刷双馈风力发电系统 具有较多优势。它成本低、 可靠性强,必将成为今 后风力发电的主流。但是,目前对笼式无刷双馈 发电机应用于风力发电系统中的基本工作原理及 运行状态分析较少。本文以1台(3 + 1)对极、 6 kW的无刷双馈电机为例,详细介绍了无刷双馈 电机的基本工作原理、 变速恒频发电原理以及电 机的定、 转子结构设计方法。最后通过MATLAB 软件对该电机在不同发电状态下进行仿真,详细 分析了笼式无刷双馈电机的运行原理。 1 无刷双馈电机的基本结构 无刷双馈电机是由串级异步电机组发展而来 的。以Broadway为代表的研究者们在Hunt发明 电机结构的基础上对其进行了较大的改进 2。 20世纪70年代以来,无刷双馈电机已经得到了 逐步完善。无刷双馈电机根据转子结构形式的不 同分为磁阻式无刷双馈电机和笼式无刷双馈电 机,且笼式无刷双馈电机有向大功率容量发展的 趋势。笼式无刷双馈电机用于风力发电系统的结 构如图1所示。 由图1可知,无刷双馈电机定子上有两套绕 组:一套为承担电机的大部分功率的功率绕组,极 对数为pp,直接接三相工频电网;另一套为控制 绕组,又叫励磁绕组,极对数为pc,经双向变频器 后接入工频电网。因为控制绕组只承担电机的少 部分功率,所以接在该绕组上的双向变频器只需 要很小的容量。这样的设计不仅取消了电机本身 的滑环和电刷,还降低了风力发电系统的成本,提 9 研究与设计 EM CA2008,35(3) 高了风力发电系统的可靠性。 图1 无刷双馈风力发电系统框图 2 无刷双馈电机变速恒频发电的基 本工作原理 无刷双馈电机正常运行时,设工频电网的频 率为fp,则功率绕组的频率即为fp,功率绕组产生 的旋转磁场转速为np;控制绕组通入的频率为fc, 这套绕组产生的旋转磁场转速为nc。则 nc= 60fc pc (1) 控制绕组在转子侧感应出频率为fcr的三相电流。 fcr的表达式如下: fcr= (n rnc ) p c 60 (2) 式(2)中,当nc与np旋转方向相反时,取“+” 号, 反之取“-” 号。由于无刷双馈电机共用转子,因 此两套定子绕组在转子侧感应的频率相等。即: fpr= fcr(3) 则功率绕组产生一个旋转磁场,其相对于转子的 转速为: npr= 60fpr pp = (nrnc) pc pp (4) 该旋转磁场相对于功率绕组的转速为: np= nr+ npr(5) 根据式(1)、(4)、(5 ) , 可得出功率绕组的频率为: fp= ppnp 60 = (p p pc ) n r 60 fc(6) 由式(6)可知,当转速nr变化时,只要适当调 节控制绕组的输入电流频率fc,即可使功率绕组 输出电流频率fp维持不变,从而实现变速恒频发 电。 3 无刷双馈电机的设计 无刷双馈电机的设计主要包括定子和转子结 构的设计 3 。 3. 1 定子两套绕组极对数的确定 无刷双馈电机在定子中有两套不同极数的绕 组。通常将极数较多的绕组(功率绕组)作为主 绕组,以承担电机的大部分功率;而极数较少的绕 组(控制绕组)作为副绕组,并作为电机的励磁绕 组,承担电机的小部分功率。在具体确定功率绕 组极对数(pp)和控制绕组极对数 ( p c)时还应注 意以下几个方面 4。 (1)为了消除两个定子绕组间的电磁作用, 极对数应满足不等的条件,即: pppc(7) 在满足式(7)条件下,两套定子绕组产生的基波 磁场在空间分布的周期不同,因此相互作用的结 果为零。 (2)由于不同极数的定、 转子磁场相互作用 会产生径向拉力和脉动电磁转矩,电机的振动和 噪声较大。极对数pp和pc相差越大,越能降低 振动和噪声。因此,在选择pp和pc时,使它们尽 可能相差大些。 (3)由电机工作原理可知,转子电流产生的 磁场需要转换成不同极对数 ( p p和 pc)的磁场。 它们是依靠产生谐波磁场来实现的。为了产生较 强的对应谐波磁场,极对数pp和pc最好满足3倍 关系。即: pp=3pc(8) 综合以上,本电机主绕组极对数选取为3对极,副 绕组选取为1对极。 无刷双馈电机的定子绕组通常有两种形式: 一种是单绕组结构;一种是双绕组结构。单绕组 结构,即:一套绕组有两个端口、 六个出线端,分别 作为工频和变频电源的接入口,经其供电产生不 同极对数的旋转磁场。这种方法可以提高定子槽 的利用率,但必须满足极对数绕组各自对称的原 则,所以连接起来比较困难。双绕组方案,即:定 子内有两套不同极对数的绕组,这两套绕组分别 为独立的三相对称绕组。该方案比较灵活,虽然 槽的利用率稍低一些,但是能够比较好地满足主、 副绕组之间较理想的耦合关系。本文介绍的无刷 01 2008, 35 (3) 研究与设计 EM CA 双馈电机即采用了双绕组方案,定子槽数的选取 满足一般异步电机的设计原则,且设计的电机采 用了固定的Y系列机座Y132M26;定子槽固定为 36个,而转子的特殊结构需要重新设计。 另外,两套绕组均采用双层叠绕组结构。其 中:功率绕组的节距yp= 5;控制绕组的节距为 yc=15。 3. 2 转子绕组的设计 当定子主、 副绕组极数选取为pp、pc时,无刷 双馈电机的转子无论采用什么结构,电机转子的 极对数一般都选取为pr=pp+pc。这时的无刷双 馈电机等效于一台2 ( p p +pc)极的交流异步电 机。 转子槽数的确定满足无刷双馈电机运行时转 子电流磁势对定子磁场调制的原理 5 ,因此转子 槽数的选择满足下述公式: Z2=(2k+1 ) (p p+pc) k=1, 2,3, 因此,本文根据公式选取转子槽数Z2= 28 ( k = 3)。 笼式无刷双馈电机的转子结构跟普通笼式异 步电机不同:为了能够将定子两套绕组产生的旋 转磁场进行耦合,转子起到了一个“ 极数转换器 ” 的作用。为了能够发挥这个作用,需要对笼式转 子的导条连接方式进行一些处理,如图2所示。 其中,在转子导条连接方式中,从左向右的第1、 8、14、20根导条为公共导条。 图2 笼式无刷双馈电机的转子导条连接图 无刷双馈电机的物理模型如图3所示。应用 绕组函数法,在建立电机模型的基础上,采用有限 元法求得电机的参数如下: Rp=0. 45,Rc=0. 38,Rr=1. 52; Lsp=0. 390 3 H,Lsc=0. 408 H,Lr=0. 65 H; Mp=0. 305 H,Mc=0. 36 H,J=0. 05。 图3 无刷双馈电机的物理模型 4 无刷双馈电机转子机械速d2q轴 系数学模型 6 为了得到无刷双馈电机的数学模型,需要作 如下假设: (1)磁路线性,不考虑饱和; (2)除了pp、pc次谐波外,忽略其他谐波; (3)不考虑2pp极和2pc极定子绕组间的直 接耦合; (4)绕组三相对称。 假定转子以顺时针方向旋转,无刷双馈电机 两个子系统中旋转磁场的转向一般不同。为了得 到一个统一的转子速d2q坐标系,在pp对极子系 统中,选择转子q轴绕组轴线与定子q轴绕组轴 线重合, d轴绕组在旋转方向上超前其90;在pc 对极子系统中,选择转子q轴绕组轴线与定子q 轴绕组轴线重合, d轴绕组在旋转方向上落后其 90 。由于这两个坐标系以同一个转子速度旋转, 这两个d2q轴坐标系可以合并为同一个转子速d2 q轴坐标系。 (1)电机电压方程为: uqp udp uqc udc uqr udr = rp+LsppppLspr00MppppMpr - ppLsprrp+Lspp00- ppMprMpp 00rc+LscppcLscrMcp- pcMcr 00- pcLscrrc+Lscp- pcMcr- Mcp Mpp0Mcp0rr+Lrp0 0Mpp0- Mcp0rr+Lrp iqp idp iqc idc iqr idr 11 研究与设计 EM CA2008,35(3) 式中:p 微分算子; pp, pc 功率绕组和控制绕组的极对数; uqp, udp, iqp, idp 功率绕组电压和电流的d、 q分量; uqc, udc, iqc, idc 控制绕组电压和电流的d、 q分量; uqr, udr, iqr, idr 转子绕组电压和电流的d、 q分量; rp, rc, rr 功率绕组、 控制绕组和转子绕组 电阻; Lsp, Lsc, Lr 功率绕组、 控制绕组和转子绕 组全电感; Mp,Mc 功率绕组、 控制绕组与转子绕组 之间的互感; r 转子机械角速度。 (2)电机转矩方程为: Te= Tep+ Tec= ppMp ( i qpidr - idpiqr ) + pcMc ( i qcidr - idciqr) 式中: Tep, Tec 分别为功率绕组和控制绕组产 生的电磁转矩。 (3)电机机械运动方程为: Te- TL- Kdr= J dr dt 式中: TL 负载转矩; J, Kd 转子转动惯量和转动阻尼系数。 在MATLAB中建立的无刷双馈电机的模型 如图4所示。 图4 无刷双馈电机MATLAB模型 5 仿真结果分析 5. 1 单馈异步运行状态 将设计好的电机参数输入到仿真模型中,控 制绕组端开路,空载情况下,即Usc=0时,得到电 机在03 s内的仿真曲线如图5、6所示。 如果将负载转矩从0突变到10 Nm,且仿 真时间为36 s,则仿真曲线如图7、8所示。 由图58可知, 03 s内无刷双馈电机空载 异步起动时,转矩和转速波形与传统异步电机相 似,但起动时有一个较复杂的变化过程;进入稳态 后,电机稳定在750 r/min自然同步速附近,电磁 转矩恒定在0。 在36 s内,无刷双馈电机的负 载转矩从0变化到10 Nm时,电机转速下降,转 子电流从0变化为三相正弦波形。因此,无刷双 馈电机异步运行时具有典型的交流异步电机的 运行特性。 开环运行时其转速将随负载的变化而 图5 电机转矩随时间变化曲线 21 2008, 35 (3) 研究与设计 EM CA 图6 转速随时间变化曲线 图7 转子电流随负载及时间变化曲线 图8 转速随负载及时间变化曲线 改变,且无刷双馈电机在异步运行时具有较好的 自起动性能。 5. 2 双馈发电运行状态 定子控制绕组交流励磁时,电机定转子都馈 入交流电。此种运行情况称为双馈同步运行。无 刷双馈电机在双馈同步运行模式下,定子6极绕 组由工频电源供电, 2极绕组接至变频电源后与 电网相连。 当变频电源频率接为5 Hz (选压频比为定 值 ) , 负载恒定,这时无刷双馈电机为亚同步运行 状态,其仿真曲线如图911所示。 由图9、10、11可以看出,当无刷双馈电机运 行在亚同步状态下,电机转速从同步速750 r/min 下降到675 r/min,定子电流恒定,且从6极绕组 向电网输出电压,从定子2极侧绕组向电网吸收 图9 转速随时间变化曲线 图10 定子6极绕组电流随时间变化曲线 图11 定子6极绕组侧一相输出电压曲线 电能。 当变频电源频率反向接入5 Hz(压频比为一 定值 ) , 负载恒定时,无刷双馈电机为超同步运行 状态,其仿真曲线如图1216所示。 图12 转速随时间变化曲线 由图12、13、14、15、16可知,当无刷双馈电机 运行在超同步速时,转速上升为825 r/min,定子 侧两套绕组均向电网输出电能,电机运行稳定。 31 研究与设计 EM CA2008,35(3) 图13 定子6极绕组电流变化曲线 图14 定子2极绕组电流变化曲线 图15 定子6极绕组侧一相输出电压曲线 6 结 语 通过对无刷双馈电机的设计与仿真,校验了 仿真模型及参数的正确性;并在其基础上对无刷 图16 定子2极绕组的一相电压 双馈电机的各种发电运行模式进行了仿真研究, 证明了无刷双馈电机作为一种新型的电机非常适 合应用于风力发电系统中;并且进一步揭示了在 单馈、 双馈运行状态下笼式无刷双馈电机的动、 静 态运行特性。这些工作为以后进一步研究无刷双 馈电机在风力发电系统中的应用奠定了基础。 【 参 考 文 献 】 1 伍小杰,柴建云,王祥珩.变速恒频双馈风力发电 系