无刷双馈风力发电机变速恒频控制研究

2011年8月第45卷电力电子技术POWETELECTRONICSVO1．45，NO．8AUGUST王峰、何凤有、王斌、张杰中国矿业大学2011年无刷双馈风力发电机变速恒频控制研究。根据无刷双馈风力发电机，江苏徐州221008摘要BDFG分析了转子速度的结构和运行原理D，Q坐标系下的数学模型。采用恒压频比控制策略MATLAB／SIMULINK下完成BDFG变速恒频VSCF基于双三电平变流器结构的开环仿真研究DSPTMS320F2812为主控制器建立实验平台BDFG带独立电阻负载的VSCF开环控制实验。模拟和实验结果验证BDFGVSCF控制技术的正确性和有效性。关键词风力发电机；无刷双馈发电机；变速恒频图分类号TM315文献标识码A文章编号1000X加1108006802VARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYCONTROLOFBRUSHLESSDOUBLYFEDWINDPOWERGENERATORWANGFENG，HEFENGYOU，WANGBIN，ZHANGJIECHINAUNIVERSITYOFMININGANDTECHNOLOGY，XUZHOU221008，CHINAABSTRACTBASEDONTHESTRUCTURECHARACTERISTICSANDOPERATIONPRINCIPLEOFBRUSHLESSDOUBLYFEDGENERATORBDFGINWINDPOWERGENERATIONSYSTEM，THEROTORSPEEDD，QMATHEMATICALMODELOFBDFGISANALYZED．UNDEROPENLOOPTHEDYNAMICSIMULATIONOFBDFGISREALIZEDINMATLAB／SIMULINKBYUSINGV／FCONTROLSTRATEGY，THEVARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYVSCFEXPERIMENTOFBDFGWITHINDEPENDENTRESISTANCELOADISCONDUCTEDBASEDONDSPTMS320F2812CONTROLLERANDDUALTHREELEVELINVERTER．SIMULATIONANDEXPERIMENTALRESULTSVERIFYTHECORRECTNESSANDEFFECTIVENESSOFVSCFCONTROLTECHNOLOGYOFBDFG．KEYWORDSWINDPOWERGENERATOR；BMSHLESSDOUBLYFEDGENERATOR；VARIABLESPEEDCONSTANTFREQUENCYL近年来引言.BDFG逐渐成为风力发电机的主要选择，具有其独特的优势。采用VSCF该技术可以提高风速下提高风力发电机组的输出水平，最大限度地实现风电能量转换，维护成本低，运行可靠性高VSCF风力发电系统具有良好的应用前景【N。采用VSCF该技术可以提高风速下提高风力发电机组的输出水平，最大限度地实现风电能量转换，维护成本低，运行可靠性高VSCF风力发电系统具有良好的应用前景【N。结合风力发电的特点，BDFG基于结构原理和数学模型。开环状态正确BDFG的VSCF模拟和实验控制技术。2BDFG及其VSCF发电系统BDFG由极对数为定子绕组P。功率绕组和极对数为P的控制绕组；转子采用鼠笼或磁阻结构；电路和磁路解耦两套定给绕组，转子极对数耦合PP两套不同极对数的定子绕组产生的速度电与进入绕组的电流频率相同。从而转换电机能量。在VSCF风力发电系统定稿日期20L王峰19831年，男，江苏徐州人，硕士。研究方向是电力电子和电力传动。68BDFG的控制绕组连接双向可逆变频器，用作交流励磁绕组；功率绕组用于并网发电【21。如图1所示。UVW电网工频5OHZ图L无刷双馈VSCF在发电运行模式下，风力发电系统。BDFG电源绕组电流频率控制绕组电流频率。它与发电机转速///有关FON，P十P。／6O1型1中，前取‘’号表示功率绕组与控制绕组电流的反相序表示功率绕组与控制绕组电流相同。当风速引起珥发生变化时，通过变流器调节，可使．保持不变，从而实现BDFG的VSCF发电控制33BDFG数学模型从BDFG从基本方程出发，利用坐标转换理论，可以推导其转子速度，Q数学模型4。由于BDFG转无刷双馈风力发电机变速恒频控制研究子采用自闭环路结构，转子D，Q轴电压为零，从而进一步简化其转子速度D，Q模型为UQPU如U0C“040一B00OC00一DPM0PM0】L0P肼0P0GJL击2式中ARPPL，RP，L电阻和自感分别为功率绕组，P微分算子；BPOTOL，电机机械角速度；CRPL，FC，L分别控制绕组的电阻和自感；DPGOL；EPCO,M，功率绕组与转子的互感；FPGOFLL，控制绕组与转子的互感；GRRIPL，／'RL分别为转子电阻、自感；，，Ⅱ，，，均表示瞬态值。电磁转矩方程为TEP女一I击P。电磁转矩方程为TEP女一I击P。IQCI还有3个机械运动方程JO,／DT一TOKTO4式中_，转子机械惯量；负载扭矩；K转动阻尼系数。功率绕组的有功和无功功率方程为3P“中／2，Q3U根据上述1/254模拟结果BDFG转子速的数学模型在MATLAB／SIMULINK环境下建立BDFGVSCF模拟开环系统模型5。该系统是由信号源输入模块和坐标转换计算模块的独立发电系统，BDFG由模块和信号输出模块组成。采用V／F控制，根据发电机给定速度的变化，调整控制绕组电流的相应频率，和电流频率保持恒定，5OHZ。主要仿真参数选择算法ODE23TB，选择可变步长。最大步长为0.001。BDFG主要参数为P3，RP10．5IL，L0．326H，0．315H，P。L，RC1．362Q，L0．395H，0．33H，RR4．2I2，L0．623H，JO．02KGIN，KDO。在模拟过程中，电机的给定转速通过不同时间改变BDFG超同步、自然同步和亚同步运行。仿真给定BDFG转速为900RMIN一，825RMIN一，750RMIN一，675RMIN一，600RMIN~，绕组电流频率的控制也发生了变化，10HZ，5HZ，0，一5HZ，一LOHZ，实现发电机功率绕组输出电压和电流频率的恒定。0～4S为BDFG超同步运行，即转速为900825RMIN；46S为BDFG自然同步运行，即转速为750RMIN；6～10S为BDFG亚步运行，转速675600RMIN～。图2为模拟波形。由于采用开环控制，转矩、电流、频率等在转速过渡过程中会产生短期大振荡。55O549448．447C功率绕组频率O24，，S68LOD功率绕订功厄功率图2仿真波形仿真确认，BDFG在不同的速度下，功率绕组电压和电流的频率可以通过调整来确保恒定OHZ，频率与转速完全一致。实验结果通过搭建硬件实验平台验证BDFGVSCF的发电特性【6】。主要参数如表1所示。3380373.54.778.34控制绕组L380L438.828.533.6图3显示简化硬件电路。直流母线电压320V，载波频率为1KHZ，采用恒V／F控制。这里直接给出BDFG相关实验波形在亚同步发电运行。直流电机在实验过程中拖动BDFG转速变600~525RMIN~，速度曲线如图4所示A所示；根据转速变化，控制绕组的频率调整控制绕组的频率L0～15HZ；在转速和频率过渡期间，控制绕组线电压和相电流I波形B如图4所示，功率绕组相电压M和相电流波形C所示。实验与仿真结果相似。当转速发生变化时，通过变流器调组的励磁电流频率。BDFG电源绕组电压和电流的频率保持恒定。由于双三电平变流器结构的选择，可以获得良好的电流和电压波形，谐波含量小，有利于BDFGVSCF控制和实现发电。下转第80页69EF尥0F3FGRR0ODC2011年8月第45卷电力电子技术POWERELECTRONICSVO1．45．NO．8AUGUST2011T／】0MS／格L／10MS/}商流电话及并电流B并州电流及电删电雁图4实验波形图5发电机转速400RMIN，电网电压为50V时，指令电流由5A突变至7A时，I与“波形。可以看出，该控制可以在电流受到干扰后通过两个电网周期跟踪给定电流。超调约为10%，电压电流基本相同。可以看出，该控制可以通过两个电网周期通过两个电网周期跟踪给定电流。超调约为10%，电压和电流基本相同。分析其运行特性，提出了一种简单易行的闭环动态控制策略，对并网电流的波形和振幅进行了详细分析，并通过实验进行了验证。结果表明，当直流电流波动较大时，控制策略可以使逆变器输出电流THD较低。同时，其振幅值可以准确跟踪指令。参考文献1WHALEYDM，GERTASGIN，WLSOONG，ETA1．INVESTIGATIONOFALOW．．COSTGRID．．CONNECTEDINVERTERFORSMAL1．．SCALEWINDTURBINESBASEDONACONSTANT．CURRENTSOURCEPMGENERATORA．IEEE32ND．ANNUALCONFERENCEONINDUSTRIALELECTRONICSC．FRANCE，200642974302．2LWHALEYDM．INVESTIGATIONOFSWITCHEDMODERECTIFIERFORCONTROLOFSMALLSCALEWINDTURBINESA】．FORTIETHIASANNUALMEETINGONINDUSTAPPLICATIONSCONFERENCEC．HONGKONG，200528492856．【3】HIRACHI，KYOSHITSUGU，JGAMAGE，ETA1．IMPROVEDCONTMLSTRATEGYONSINGLEPHASEPWMCURRENTSOURCEINVERTERWITHPULSEAREAMODULATIONA1．POWERELECTRONICSANDDRIVESYSTEMSINTERNATIONALCONFERENCEC1997508512.4陈伯时。第三版电动拖动自动控制系统【M】．北京机械工业出版社．2003．【5MAOMEIQIN，LAIJIDONG．AREALTIMEPREDICTIVEDYNAMICCONTROLSTRATEGYFORTHESMALLWINDTURBINESYSTEMBASEDONCSIA．2NDINTERNATIONALCONFERENCEONMECHANICALANDELECTRONICSENGINEERING【C】2010103106.第69页SAMNIETIINEARD冬季步发屯的转速突然突然突然变了JT／200MS／格T／100MS/格B控制绕组线电J}I棚I流C功率绕组J这里分析相电流图4实验波形6的结论BDFG基于结构原理和数学模型，对其变速恒频的发电控制进行了模拟和实验研究。变速恒频控制技术通过调节发电机的控制绕组进行交流励磁。变速恒频控制技术通过调节发电机的控制绕组进行交流励磁。同时，实验结果证实，基于双三电平变流器BDFG80VSCF控制的有效性。VSCF风力发电领域的开发应用提供了参考。张小兰、廖勇、无刷双馈变速恒频风力发电机控制技术J。武汉大学学报、2010年、432257260.2王琦、陈小虎、纪延超等。基于双同步坐标的无刷双馈风力发电系统最大风能跟踪控制【J】张凤阁，王惠军，佟宁泽，电网技术，2007，3138287.3等等。新型无刷双馈变速恒频风力发电系统的建模和数字模拟J2005年，10560664年，太阳能学报F4】JPOZA，OYARBIDE，DROYE，ETA1．UNIFIEDREFERENCEFRAMEDQMODELOFTHEBRUSHLESSDOUBLYFEDMACHINE【HI．ELECTRICPOWERAPPLICATIONSIEEPROCEEDINGS【C．2006，1535726734．【5张贞飞，何凤有，邓园，等．变速恒频无刷双馈发电机开环动态仿真J．微特电机，2009，83638．6】邓先明．无刷双馈电机的电磁分析与设计应用【M】．北京机械工业出版社．2009．

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