风力发电系统中双馈电机控制的研究

风力发电系统中双馈电机控制的研究

0恒频风力发电系统近年来，风力发电取得了迅速的发展。风力发电作为可再生能源能否替代不可再生能源或者能否在能源领域占一席之地,关键问题是风电成本的降低。所以增加风力发电机的利用效率和降低设备成本包括运营成本是风力发电技术发展的方向。目前广泛使用的失速型风力发电机采用异步鼠笼电机,转速基本恒定,控制简单,可靠性高。但是,他不能够随着风速变化跟踪最大出力点;而且在风速变化的时候会出现转距脉动和能量脉动,过大的转距脉动是风轮机和发电机相连接的增速箱损坏的主要原因,而增速箱的成本和维护费用在整个系统成本中占有可观的比重。变速恒频风力发电系统可以有效地解决这些问题,而基于双馈电机的变速恒频风力发电系统,是目前一种适合于风力发电,可以有效提高风力发电机的使用效率,减少发电机的维护费用,降低风力发电机的运营成本,具有较高实际效益的方案。其优点有:1、在欠同步速和超同步速下都可以处于发电状态,随风速的变化跟踪最大出力点(MPPT),有效增加风力机的输出能量。2、降低转距脉动,可以将脉动能量转化为叶片的动能,形成一个具有弹性的能量转化系统。3、降低变流器成本(相对于同步风力发电机定子侧交一直一交系统)变流器只需要处理发电机的转差功率即可对电机进行有效控制。4、有效降低滤波电路的成本,滤波电路的容量通常占25%的视在功率,本方案里他只针对转差能量。5、以较低的成本实现对发电机无功能量的控制,因为双馈电机本质上也可以看作一个同步电机,可以通过调节励磁来调节无功。目前,国外的双馈调速风力发电机大多采用带位置传感器的定子电压定向的矢量控制技术。位置传感器的维护工作量较大,而且信号线要在风力发电机和逆变器之间传递50m左右的距离,无位置传感器的控制技术将会提高风力发电机的可靠性。有文献提出从转子侧定向气隙磁通对双馈电机进行无位置传感器的控制,但是在同步速附近,无法准确定位磁通该控制方法无法实施。本文针对双馈电机提出一种新的无位置传感器矢量控制技术,从瞬时功率的角度出发,分析了瞬时功率理论和电机电磁转距和励磁之间的统一关系,以瞬时有功功率的控制来实现对力矩的控制,对转子侧瞬时无功功率的控制实现定子侧励磁电流的控制,可以实现所谓同步发电机的调相作用。控制算法的关键是转子感应电势定向,在瞬时功率理论中感应电势的定向实际上就是电机当中空间磁链定向,瞬时有功功率的计算不需要积分器来计算磁通,也就没有积累误差,瞬时的干扰对以后的控制不产生影响。所以,该方法较其他的无速度传感器的矢量控制算法简单且有较高的抗扰动性,在本系统中可以结合主电路的特点很方便地实现,而且在控制中只需要检测转子侧电压电流,降低了系统造价。其在同步速附近的不准确可以在实际应用中采取有效措施回避。1发电机转速的测量双馈调速发电机为绕线式感应电机。将绕线式感应电机的定子绕组接工频电网,转子绕组接到一个变频器,变频器经过一个直流环节和脉冲整流器与电网进行能量传递。脉冲整流器的主要任务是:(1)稳定直流环节电压;(2)实现与电网高功率因数的双向能量流动。感应电机在超同步速和欠同步速下都可以工作在发电状态,这一点正是提高风力发电机效率的关键。在超同步速发电的时候,通过定子和转子两个通道同时向电网馈送能量。这时脉冲整流器相当于逆变器。在欠同步速发电的时候,通过定子向电网馈送能量,转子吸收能量产生制动力矩使电机工作在发电状态。这时脉冲整流器相当于整流器。转子侧总是传递转差功率。在稳态运行的时候,气隙磁场以同步速度ω0旋转,当转子以速度ωr旋转的时候,转子绕组以转差频率ωs切割气隙磁场,转子绕组感应出频率为ωs的感应电势,所以总是存在关系ωr=ω0−ωs(1)ωr=ω0-ωs(1)如果知道转子感应电势的频率,可以通过该公式求得电机转速。有公式(2),表示双馈电机的能量关系pr=ps−pm(2)pr=ps-pm(2)pr为电机从转子侧吸收的功率,ps为电机定子向电网输出的功率,pm为电机吸收的机械功率。由公式(1),结合公式(2)可得转子侧功率为转差功率(3)。pr=T(ω0ωr)=Tωs(3)pr=Τ(ω0ωr)=Τωs(3)2转子侧等效于电机和无功电流对于三相电机来说,空间磁动势矢量、磁通矢量、磁链矢量是确实存在的,而电流矢量和电压矢量并不存在。但是磁动势与电流密切相关,电压与磁链密切相关,所以可以定义电流空间矢量和电压空间矢量,它们分别表示三相电流的合成作用和三相电压的合成作用在坐标系中所处的位置。这就是电机α-β变换的依据。在此可以将三相电路的相电压和相电流的瞬时值变换到α-β两相正交的坐标系上。三相电路瞬时功率理论的定义当中,也将三相电路的相电压和相电流的瞬时值变换到α-β两相正交的坐标系上,这种变换与电机理论中的α-β变换一致,并且定义瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为两相坐标系上的电流矢量在电压矢量及其法线上的投影。三相瞬时有功功率和无功功率分别为电压矢量的模与相应电流的乘积。双馈调速电机可以看做一个旋转的变压器。原边接电网,副边输出接变流器,原副边的电压不仅正比于绕组匝数,而且跟原副边绕组切割空间磁场的相对速度成正比,这样,这个模型可以表示转子侧传递的转差功率。如公式(4)。urmusm=nrωsnsω0=kωsω0(4)urmusm=nrωsnsω0=kωsω0(4)公式中,nr,ns分别为转子和定子绕组匝数,ωo,ωs分别为同步转速和转差速率。现在只考虑转子侧的等效电路,urm为转子侧的感应电势,在瞬时功率理论中,经过3/2变换以后,与u—rmu—rm的矢量方向一致的电流为有功电流i—di—d,与urm垂直的电流为无功电流i—qi—q。结合电机的实际物理意义,如果电网电压幅值恒定,忽略双馈电机定子漏感影响,则电机内部磁通的幅值也恒定,旋转磁场切割磁力线时,最大的瞬时电压出现在磁极中心距离绕组中心90°电角度的空间位置,所以在空间矢量当中磁通的矢量垂直于绕组感应电势矢量,有功电流i—di—d与感应电势方向一致也垂直于电机磁通矢量,在电机的矢量变换当中等效于力矩电流;那么无功电流i—qi—q与磁通方向一致,等效于电机矢量变换当中的励磁电流。转子侧传递的功率为转差功率,所以由公式(3)可以推得公式(5)。|u—rm||i—d|=Tωs(5)|u—rm||i—d|=Τωs(5)由公式(4)可知urm的模正比于转差频率ωs,所以id的大小正比于电机的力矩。可见,调节双馈电机转子侧的瞬时有功电流和无功电流就实现了对电机力矩和转子侧励磁电流的调节。控制方法双馈电机无位置传感器控制框图如图2。3转子应力电势矢量的计算实现控制方法的关键问题是确定转子感应电势在转子静止坐标轴上的位置。感应电势的矢量是转子端电压与转子漏感电压的矢量和,如公式(6)。u—m=ldi—dt+u—r(6)u—m=ldi—dt+u—r(6)um,ur分别为转子端电压和转子感应电势。在转子侧静止坐标轴上进行3/2变换求得转子侧端电压的矢量,然后对三相转子漏感电压进行3/2变换,得到转子漏感的电压矢量,两矢量相加后得到感应电势的矢量。矢量关系如图3。转子感应电势的位置由公式(7)确定。um=u2mα+u2mβ−−−−−−−−−√(7)sinθ=umβumum=umα2+umβ2(7)sinθ=umβumcosθ=umαumcosθ=umαum4双向滤波ctd测量在本文中可以使用转子感应电势定向,而不需要进一步积分求磁通是因为有方法检测转子漏感电压。双馈电机侧驱动器是四象限变流器。在大容量场合变流器的开关管开关频率较低,为了减少电机转子内的脉动电流,四象限变流器的输出分别串联滤波电感接电机转子的三相绕组。可以通过测量四象限变流器的输出电感电压,然后按相应比例求出转子漏感的电压,进而求出在两相坐标轴当中的转子漏感电压矢量。三相滤波电感电压的检测只需要增加1只电压传感器在其中一相的电感上,根据电机侧的端电压和直流侧电压以及三相桥臂开关管的状态可以计算得到另外两只电感的电压。速度调节器和无功调节器实际为PI调节。速度经PI调节以后生成转距给定信号,也就是有功电流id的给定。无功调节后生成无功电流iq的给定。按照矢量图4。在感应电势已经定向以后,可以将电流变换到两相静止坐标轴,最后转换为三相电流的给定,用电流滞环比较的控制方法使实际电流快速跟踪给定。5旋转磁场频率该控制方法可以很方便地实现转速估计,假设电网电压频率恒定,则旋转磁场频率固定。旋转磁场切割转子的频率就是转差频率,由静止坐标轴上的转子感应电势的位置变化可以得到转差频率,进而可以求出电机的转速。6同步速周边电力线路转换的控制该方法在转子速度接近同步转速的时候,转子感应电势较小,甚至为零,这时将不能得到端电压的矢量。在实际工程应用中,这一现象可以得到解决。这时由于转差很小,电机的转差功率也很小,如果在这种情况下,对电机进行控制,则需要将很低的输出电压泵升到较高的直流电压,这时的四象限变换器的效率较低,整个驱动系统的效率也会很低。所以不论采取什么控制方法,在同步速附近的这一小段工作区域都需要采取措施。本文中,在同步速附近,将电机的转子三相短接,这时的电机类似一个鼠笼电机。由吸收的风能保证其工作在同步转速之上的发电状态。具体做法是将四象限变流器上桥臂的三只开关管同时打开形成三相之间的短路。这时控制回路变换为一个限流环。当转子电流超过设定峰值或者低于最小幅值的时候,说明从风轮机获取的能量已经足够大(或足够小),需要进一步提高(或降低)转速到较大的转差区域以跟踪最大出力点,控制又可以切换到正常的无速度传感器矢量控制当中。这样在实际工作中,在同步速附近有一个控制方法的切换,使得在工作范围内系统都能够以较高的效率工作,且避免了同步速附近的转子电压过低所带来的不准确。7电机转子侧变压器电压同相位根据以上推导,在3kW的电机上做了实验。电机定子额定电压380V,转子额定电压195V,转子漏感7.1mH,同步转速1400转/分,变频器输出串电感7.1mH。当转子工作在欠同步速的时候,电网侧逆变器的电压电流同相位,波形如图5,可见这时电机转子侧吸收能量。当转子工作在超同步速的时候,电网侧逆变器的电压电流反相位,波形如图6,可见这时电机转子侧向电网反馈能量。当加载id的阶跃信号的时候,转子电流如图7所示,转子电流增加,力矩增加。当加载iq的阶跃信号的时候,定子侧电压和电流如图8,电流由滞后电网电压变为超前电网电压,说明调节iq可以调节电机从电网吸收的无功,起到同步电机调相的作用。8出充放电后转速自适应通过实验验证,用瞬时功率理论对电机进行控制,适用于双馈调速风力发电机。通过转子侧电压电流进行感应电势定向,没有积分器,某一时刻的干扰不