【doc】双馈电机转子交流励磁矢量控制电压波形分析

【doc】双馈电机转子交流励磁矢量控制电压波形分析 双馈电机转子交流励磁矢量控制电压波形 分析 第7卷第1期 2003年3月 电机与控制 ELECTRICMACHINESANDC0NTR0L Vo1.7NO.1 March,2003, 双馈电机转子交流励磁矢量控制电压波形分析 杨文焕 (上海理工大学,上海200031) 摘要:以矢量控制作为转子交流励磁控制方法,建立了双馈电机在变速恒压,恒频发电机运行时的 数学模型和仿真模型.对启动和较大转速扰动时的动态过程进行了计算机仿真,得出了转速变化时 转子交流励磁电压和定子输出电压的动态波形.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,双馈电机采用转子交流励磁的矢量控制 后,具有良好的动态特性,但又存在值得注意的问题.为励磁变频器的设计和控制提供了有意义的依 据,对风力机的选用也十分有用. 关键词:变速恒频恒压;矢量控制;仿真;电压波形 中图分类号:TM301文献标识码:A文章编号:1007-449X(2003)01—00l8—04 Theanalysisofvoltagewaveofdoubly—fedgeneratorwith vectorcontrolforrotorACexcitation YANGWen.huan (ShanghaiUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200031,China) Abstract:BasedonthevectorcontrolforrotorACexcitation,themathematicalandsimula- tionmodelofvariable—speedconstant—voltageconstant—frequency(VSCVCF)doublyfed generatorareestablished.Afterthestartingperformanceandspeeddisturbancearesimulated , therotorvoltageandstatorvoltagewavearegiven.Theresultsshowthatthedoubly-fed generatorhasagooddynamicperformance,andaproblemisalsofound.Itprovidesaim— portantbasisforthecontrolandthedesignoftheconverter,andisalsousefulfortheselec一? tionofwindturbine. Keywords:VSCVCF;vectorcontrol;simulation;voltagewave 1引言 电力电子技术的迅猛发展,交流发电机使用交 流励磁的研究越来越受到重视.双馈电机作为变速 恒频,恒压发电(如风力发电)时,可进行转子交流励 磁的磁场定向矢量控制,以取得良好的电机特性.由 于它不受转速的严格限制,又有良好的特性,作为风 力发电机时,比现有的定桨距调节风电机技术,变桨 距调节风电机技术,主动定距桨距技术,变频恒速技 术均有明显的优点【1一I. 当采用交流励磁矢量控制时,发电机对其原动 机(风力机)转速要求可为柔性,风力机的调速装置 可得到简化,风能利用系数(Cp)在风速变化时能保 持最佳值运行【3l,发电机输出电压及频率在变速时 保持稳定等优良特性.然而,在风速变化的动态情况 下,双馈电机转子三相交流励磁电压及定子三相输 出电压波形变化情况,目前研究的还不够充分. 本文以风力发电的双馈电机转子交流励磁矢量 控制为对象,建立了转子磁场定向控制方式的动态 数学模型,控制系统及其MATLAB]SIMULINK仿 真模型l,并对转速变化时的动态过程进行仿真研 究,得出了发电机转速在较大范围变化时的励磁电 收稿日期:2002一|2-02 作者简介:杨文焕(1954-),男.教授,研究方向为轨道牵引与变流技术电力电子与传 动控制. 第l期双馈电机转子交流磁,人量控制电压波形分析19 压,输出电压的动态波形.它对双馈电机在lxL力发电 时,变速恒频,恒压状态下的交流励磁电源的设计和 系统控制策略的选取是十分有意义的. 2双馈电机转子交流励磁矢量控制的 数学模型 当双馈电机用于风力发电机,且风力机有较大 转速变化时,系统是以发电机转速,转子励磁电压幅 值,频率为输入,定子电压幅值,频率为输出的控制 系统.要使定子输出保持电压频率不变,输入三变量 要按一定方式控制,显然它与调速矢量控制模型是 不同的. 2.1矢量控制数学模型 为区分于一般的同步旋转d.q坐标系,这里采 用M.T坐标系,即用M-T坐标代替d-q坐标.当 定子取发电机惯例,转子取电动机惯例时,三相对称 双馈电机的电压方程和磁链方程分别为 电压方程: 考虑到?1=?2+?s时1 "1M=一I' IMrl+pc,lM一(gO2+gOs)1Tl "1T=一ilxr1+p1T+(?2+gOs)1M}(1) "2M=+/'2Mr2+p2M—gOs2TI "2T=+i2tr2+p2T+(2MJ 磁链方程: lM=一f1MLl+2ML1 - iltLt+i2TLm (2) 2M=+/'2ML2一I'IMLml 2T=+/'2TL2一l'iTLJ 式中:P为微分算子(d/dt);r.,r为定,转子电阻;LL2 为定,转子自感;Lm为定转子间互感;gO.为M-T坐 标系的旋转电角速度,即定子旋转磁场的电角速 度;092为转子电角速度;gOs为转差电角速度;" "lT,"2M,"2r分别为M—T系统定,转子电压;'M,lT为 M—T系统定子电流;i2m,为M—T系统转子电 流;.,,为M—T系统定子磁链;T,为M—T 系统转子磁链. 令转子总磁链=,即 +i2ML2-ilmLml(3) 2T=0=/'2TL2一I'1TLJ 联立式(1),(3)得 "1M=一lMrl+P(一/'1ML1+1'2MLm)一1 (?2+COs)(一i1TL1+2TL)I "1T:一iTr,+p(一rrLl+f2TL)+f(4) (?2+?s)(一flMLl+i2ML)J M=i2Mr!+P(}/'2ML2_.IIML)1… "2r=i2vr!+03s(+/'2ML2一l'lML)J 由式(5)解得 2M (1+PiImLm)/(,2+pL2)l(6) f21=[tf2T一?s(2ML2一/'IML)】/r2J 式(6)为转子两相励磁电流的数学式. 2.2交流励磁矢量控制系统 根据式(4),(6),可以构成双馈电机风力发电运 行状态转子交流励磁矢量控制系统,如图l所示. 图1双馈电机矢量控制系统 Fig.1Vectorcontrolschemeofdoubly-fedgenerator 图1中,A,A为运算器;P为微分算子;2/3为 坐标变换器;G为双馈风力发电机;逆变器为电机 转子提供变频,变压励磁电压,风能驱动转子.A, 检测定子电压并计算实际值?;A根据转子转速 实际值,l和?.计算出的实际值.定,转子电压 分别经3/2变换后与给定值比较,然后由运算器 运算,再由逆变器输出三相励磁电压. 3基于MATLAB/SIMULINK的仿 真模型 根据式1,6和图1,可建立双馈电机风力发电 时转子交流励磁矢量控制的MATLAB/SIMULINK 仿真模型,如图2所示. 励磁电L 征给定 lI 转子与变 频器模型 :OutInOut Out 0Ilt3}一_—+_ .}_———? 20Ilt—-_{—+ 卜—卜 ,I——上—+ In UIl Ou t t ,I ~,: U- ?h Uc lh Ic lh I1t 定子频率反馈系数 图2系统MA1rIAB仿真框图 Fig.2MATLABsimulationschemeofdoubly-fedgenerator U 一.曼量??』算箧一一鞑靛 20电机与控制学.ff{第7卷 图2中,仿真系统由3个子模型组成,即定子 模型,转子与变频器模型和给定运算器.定子子模型 主要由式4构成,输出三相电压和电流.转子与变频 器模型主要由式5,6和励磁变频器模型组成,其 输入是给定,定子电流(频率和有效值)反馈,内部可 建立三相频,幅可变的励磁电压施加予转子绕组,并 将三相励磁电流经3/2变换后计算出两相电流与定 子模型相连.给定子系统包括发电机有关参数和风 能驱动发电机的转速M(可以输人不同形式的模拟 风能转速)给定.输入"是转子励磁电压的额定值 (由电机额定参数决定)与(【)的反馈比较后送人转 子与变频器模型.根据(【).和(【),计算转子励磁频率 由给定运算器完成.3个子模型的具体构成由于篇幅 关系只能略去. 4仿真结果及分析 本文对一台定子电阻为3.74Q,转子电阻为 3.184Q,定子自感为0.3042H,转子自感为0.3l07H, 互感为0.292H,额定电压为220V,额定转差率为 0.05,额定频率50Hz,极对数为2的双馈电机【5】进行 了SIMULINK仿真.仿真参数设置为:变步长,最大 步长参数0.00l,最小步长参数0.0005,初始步长参数 0.0005.仿真结果如图3N6所示. 4.1启动和给定转子阶跃扰动时电机的电角速度 响应 图3为启动和给定转子阶跃扰动时,双馈电机 (【),,(【)l,(【)s的响应曲线. =-, ? = 3 图3电角运度响应 Fig.3Responseof(D 图3中,曲线为给定转子阶跃扰动曲线,曲线(【), 和曲线(【),的交点为同步点.当电机启动后,(【)在约 0.025S达到最大值,有很大的超调量,而(【).只有轻 微的超调,并在0.15S时基本稳定.(【)人范围变化, 保证了(【).在转子交流励磁矢量控制时有很好的动 态性能.在0.25S时,转速突然增加相当于0.3倍额定 值的阶跃扰动时(如曲线J),(【),只有轻微的变化,并 很快恢复到原来的值,显然电机的(【)响应有很好的 抗干扰能力.可见,双馈电机转子交流励磁矢量控 制,在风速变化时保持了相当好的频率稳定性,同时 给励磁电源提出了更高的要求. 4.2转子三相交流励磁电压波形 图4为转子三相交流励磁电压波形.图4中,a,b,c 为亚同步转速时的转子励磁电压相序,b,a,c为超同 步转速时的转子励磁电压相序. 图4转子交流励磁电压波形 Fig.4RotorACexcitationvoltagewave 从图4可见,电机启动后(0,0.1S),转子转速由 低到高变化,转子励磁电压频率由高到低,幅值由低 到高变化,0.15s时基本稳定.另外,启动开始阶段励 磁电压幅值增加快,但波形扭曲却较小,而在转速接 近同步转速时,幅值变化小,波形扭曲却增大,同步 转速附近其波形严重扭曲.当转子转速为同步转速 时,原有励磁电压正弦规律几乎停止,频率最低,随 转速进一步增加转子励磁电压要改变相序,当电动 机超同步运行时,励磁电压频率反相序增加,显然当 转子转速在同步转速附近上下波动时,转子励磁电 压的相序必须频繁改变,会给励磁电源的控制带来 困难,也使励磁电压谐波比例增加,这对电机运行是 十分不利的. 4.3定子电压响应波形 在上述启动和给定情况下定子电压响应波形如 图5,6所示. l/s 图5定子三相电压对启动的波形 Fig.5Statorvoltagewaveatstarting 从图5可见,转子交流励磁矢量控制的双馈发一 电机带负载启动,电机转速由零到额定转速时,定子 电压响应的超调量和调整时间都很小,在0.1S便达 f第1期双馈电机转交流励磁久鞋控制电压波形分析21 ? 到稳定,输出电压频率,幅值均有很好的启动性能. 从图6可见,当转予转速在0,25s增加额定转速 的30%的转速扰动时,定子电压幅值和频率只有轻 微的波动,系统有较好的抗干扰能力.因而,双馈电 机作为风力发电机,采用转子交流励磁久量控制的 方法,可以获得良好发电机特性. f/s 图6定子三相电压对阶跃扰动的响应 Fig.6Statorvoltageresponsetospeeddisturbance 5结论 双馈电机作为风力发电机,采用转子交流励磁 矢量控制以后,对风速的变化有较好的恒压,恒频性 能,机电之间可以完全解耦,便于控制.转子三相励 磁电压的频率,幅值随转速的变化而变化,并且在低 (上接第9页) f/s 图l2转速为400r/min时的一相绕组电流 Fig.12Phasecurrentofphasewindingwhenthespeed is400r/min 4l0 400 390 38O 370 ,_, ;:,- { f 3.O3.23.43.63.84.0 f/s 图l3起动特性 Fig.13Startingperformance 同步和超同步时有不同的栩序,同时在转速由低同 步——超同步,或由超同步——低同步变化时,在同 步点附近转子三相励磁电压波形有一段过渡期(如 图4所示),在过渡期,转子电压波形严重扭曲,谐波 分量增加,给电机运行,变频器的设计和控制带来了 困难,显然在进行风力机和双馈电机选配时,应尽量 避免风速变化时电机在同步转速附近震荡,为变频 器的设计和控制提供方便,同时也能降低电机的损 耗. 参考文献: 【1]DESIRELEGOURIERES.WindPowerPlantsTheoryand Design【M1England,l982. 【2】吴运东.世界并网型风电技术发展趋势.风力发电,2001,(1):l一7. f3】WEIXINGLU,BOON—TECKOOI.Multi—terminalDC transmissionsystemforwind?farms[J]./EEProceedingsElec? tricPowerApplication,200l,l48:lO9l—l095. 【41范影乐,杨胜天.MATLAB仿真应用详解IM】.北京:人民邮电出版 社,2001.95—127. 【51辜承林,韦忠朝.对转子交流励磁电流实行矢量控制的变速恒频 发电机.中国电机 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 ,1996,l6(2):l19—124. (编辑:甄捷) …{h?{1ft… 7结束语 1)通过对两相混合式同步电动机数学模型的分 析,提出了最大转矩/电流的控制策略,仿真和实验 结果表明,系统具有较好的动态和稳态特性. 2)仿真和实验结果表明,所建的两相混合式同 步电动机控制系统模型的正确性,同时表明由仿 真分析得到的结论是可靠的. 3)考虑到H桥驱动的两相SVPWM特殊性,本 文提出了一种新颖的两相SVPWM的实现方法,解 决了无零矢量的问题. 参考文献: 川刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动系统fM】.哈尔滨:哈尔滨工 业大学出版,1997. 【2】李永东.脉宽调制PWM技术一回顾.现状与展望.电气传动. 1996,26(3):1—7. 【3】熊建,康勇.电压空间矢量调制与常规SPWM的比较研究. 电力电子技术,1999,(1):25—28. 【41唐任远.现代永磁电机理论与设汁fM】.机械工业出版社,1997. (编辑:王长风)