双馈风力发电机直接转矩控制的研究

基金项目:国家863计划资助项目(2005AA512020);辽宁省教育厅攻关课题(05L292).作者简介:姚兴佳(1948-),男,辽宁抚顺人,教授,博士生导师,主要从事风力发电方面的研究.

　风力发电技术

文章编号:1000-16(2006)06-0671-04

双馈风力发电机直接转矩控制的研究

姚兴佳,井艳军,王文卓,邢作霞

(沈阳工业大学风能技术研究所,沈阳110023)

摘　要:详细研究了风力发电系统中双馈电机采用直接转矩控制的原理,在此基础上组建了由ABB 公司的ACS 800267作为控制设备的控制系统.在实验室中采用该控制系统对双馈电机进行现场模拟实验.由于ACS 800267控制设备采用了直接转矩控制策略,因此对该设备的直接转矩控制器进行了研究.结合所研究的双馈电机直接转矩控制理论对实验数据进行分析,结果证明双馈电机直接转矩控制在风力发电系统中具有利用风能发电效率高、并网冲击电流小、并网同步速度快的优点.关　键　词:双馈风力发电机;直接转矩控制;并网;风力发电系统;冲击电流中图分类号:TM 614　　　文献标识码:A

R esearch of DTC for doubly 2fed wind generator

YAO Xing 2Jia ,J IN G Yan 2J un ,WAN G Wen 2Zhuo ,XIN G Zuo 2xia

(Institute of Wind Energy ,Shenyang University of Technology ,Shenyang 110023,China )

Abstract :The principle of applying direct torque control (D TC )to double 2fed in wind energy generation system has been studied.And the control system ,taking ABB ACS 800267as the control device had been established.Moreover ,based on the control system ,the simulation experiment for the double 2fed electrical machinery was carried in the lab.For the ACS 800267control device adopting D TC ,the torque controller was studied.According to the D TC theory for double 2fed motor ,the experiment data had been analyzed.The results have proved that the D TC for double 2fed motor possesses such advantages as higher wind energy transformation efficiency ,lower connect 2grid surge current and faster connected grid synchronous speed.K ey w ords :double 2fed wind generator ;direct torque control ;connected grid ;wind energy generation

system ;surge current

　　由于不可再生资源逐渐匮乏,风能渐渐被人们所认识,并加以利用.近年来风力发电越来越受到

人们的关注.目前在风力发电领域,双馈电机的应用逐渐占有主要地位.使用它可以充分利用风能,并且提高发电机的发电效率.而直接转矩控制是1985年德国鲁尔大学的Depenbrock 教授提出的一种新型的交流调速理论[1]

.这种控制方法是在定子坐标系下对电流、电压进行控制,结构简单,在很大程度上克服了矢量变换控制坐标变换[2]复杂的缺点.1995年瑞士ABB 公司第一次将直接转矩控制(DTC )技术应用到通用变频器上,推出采用DTC

技术的IG BT 脉宽调制变频器ACS600,随后又将DTC 技术应用于IG CT 三电平高压变频器ACS1000,近期推出的用于大型轧钢,船舶推进的IG CT 变频器ACS6000也采用了DTC 直接转矩控

制技术.直接转矩控制技术在实际的应用中,逐渐体现出其优点.在国外近几年已经开始将双馈电机与直接转矩控制相结合应用到风力发电领域,其发电的质量[3]和效率都比较好.

1　双馈电机直接转矩控制的基本原理

在风力发电系统中将双馈电机定子接到工频

第28卷第6期2006年12月沈　阳　工　业　大　学　学　报

Journal of Shenyang University of Technology

Vol 128No 16Dec.2006

电网上,转子接到四象限变频器上,使定转子同时馈电,所以称该电机为双馈电机.双馈电机等效电路如图1所示[4]

.

图1　双馈电机等效电路

Fig 11　Equivalent circuit of double 2fed electrical machinery

由等效电路可得

E 2+U 2e

j (

π-δ)=I 2Z 2(1)

所以转子电流为

I 2=

E 2+U 2

Z 2

=

E 20s z 2e -j Ψ2+U 2z 2

e

j (π-δ-Ψ2)

(2)

或者

I 2

=E 20z 2

[s e -j Ψ2-U 23e -j (δ+Ψ2)]

(3)

式中[6]:Ψ2=arccos

R 2

z 2

;U 23=

U 2

E 20

;E 2=E 20s ;Z 2=R 2+j sX 2;z 2=

R 2

2+s 2

X 2

2;

将式(3)展开,就可以得到转子电流的有功分量I 2p 和无功分量I 2q

I 2p =

E 20

z

2

[s cos Ψ2-U 23cos (δ+Ψ2)]I 2q =-j

E 20

z 2

[s sin Ψ2-U 23sin (δ+Ψ2)](4)

因为双馈电机的电磁转矩可以由转子电流的有功分量求出,表达式为

T =c T E 20I 2p

(5)

　　由电磁转矩表达式(5)可以看出双馈电机的电磁转矩同I 2p 成正比,同时有功功率也可以由

I 2p 确定.因此通过式(4)可以知道:的调节

转子侧的外加电压U 2的幅值和相位角,就可以调节双馈电机的有功功率和无功功率.双馈电机直接转矩控制采用的是控制转子磁链,而定子绕组直接连接到电网上,定子磁链保持恒定.根据双

馈电机等效电路图,令i r =-i 2,j ω

Ψr =U ′2

s

,X m =ωL m ,X ′2=ω

L 2,和直接转矩的基本公式[1]:T d =

1L σ3

2

|Ψu ‖Ψr |

sin θ,将坐标系定在

双馈电机转子上,推出双馈电机直接转矩控制基本公式为

T d =

1L 23

2(Ψr αi r β-Ψr βi r α)(6)式中:Ψr α,Ψr β,i r α,i r α由测得的转子电流、电压

经3/2坐标变换求得.

在双馈电机中,因为转子绕组的电阻一般很小,并且受温度影响不大,通常忽略;有时在计算结果中给予适当的修正.在双馈电机直接转矩控制中转子磁链的模型采用u -i 模型[1],表达式为

Ψ

r =

∫

(u 2

-R 2i 2)d t (7)

　　采用u -i 模型能够得到较准确的转子磁链,并且与转速无关,不受转速影响.对上式简化,可得

Ψr =

∫

u 2

d t (8)

转子电压与转子矢量关系图如图2所示[5].

图2　转子电压与磁链空间矢量关系

Fig 12　Vector relationship of rotor voltage

and flux linkage space

由图2可见,当转子电压为u 2(011)时,转子磁

链沿S 5顺时针运动.这时Ψ1,Ψ2的夹角变大,双馈电机的转矩变大.当转子电压为u 2(100)时,转子磁链沿S 5逆时针运动,这时Ψ1,Ψ2的夹角变小,转矩变小.同理,在S 1,S 2,S 3,S 4,S 6区段,分别施加u 2(010),u 2(011),u 2(001),u 2(101),u 2(110),可以使转子磁链沿正六边形逆时针旋转;分别施加u 2(101),u 2(100),u 2(110),u 2(010),u 2(001),可以使转子磁链沿正六边形顺时针旋转.

在双馈电机直接转矩控制中,通过控制施加的转子电压矢量可以控制转子磁链矢量的旋转方向和幅值的大小.和普通异步电动机直接转矩控

276　　　沈　阳　工　业　大　学　学　报第28卷

2　双馈电机直接转矩控制器

如何给定转子电压的开关量是由直接转矩控制器决定的.根据直接转矩控制器框图3可知,检测电网电压和定子电压来判断是否满足并网的条件.根据公式Ψr=∫u2d t,通过转子电压可求出

转子磁通,再计算出定子磁通,则可以计算出双馈电机的电磁转矩.通过给定转矩、定子磁通、INU 无功功率给定,可计算出转子的有功电流和无功电流,进而求出转子的磁链给定;通过转子反馈电流、定子磁通、定转子磁链夹角计算出实际的转子磁链;并将求得的结果传输给双馈电机直接转矩控制器,由该控制器控制双馈电机转子走走停停,来满足要求.

3　双馈电机直接转矩控制实验

在风力发电系统中,桨叶通过转轴经过增速箱[8]连接在双馈电机的转子上,接受来自大自然的风能.由于风的作用,使转子旋转,产生转矩.但风的大小是变化不定的,因此,转矩的大小也是随时变化的.然而在整个变速恒频发电系统[7]中对风力发电机发出电能要求是恒幅恒频的.本文组建了由ABB公司的ACS800267作为控制设备的控制系统[8],整个控制系统如图4所示.

系统根据所采集的定子电流I S,和转子电流I r,以及磁通角θm的大小对双馈发电机进行控制.根据计算由直接转矩控制装置向双馈电机转子输入与其参数相对应频率、幅值的电流,使发电机发出与电网同幅、同频、同相的电压,以满足并网的条件[9]

.

图3　双馈电机直接转矩控制器

Fig13　Torque controller of double2fed

DTC

图4　控制系统框图

Fig14　Diagram of control system

在该系统中,双馈发电机可工作在三个工作区[10]:①当双馈发电机转速低于一定的转速n a 时,整个系统不对电机进行控制.电机属于空转,不做功;②双馈发电机转速为n时,n an0时,发电机处于超同步发电,即定转子同时发电.采用该控制系统对双馈电机进行现场模拟实验.根据所采集的定子电流I S、转子电流I r、磁通角θm、电机转速n,通过计算,进行选择合适的控制策略[11],使风力发电机组具有最高的风能转换效率,同时满足并网发电的条件即同幅、同相、同频.实验的曲线如图5所示.

376

第6期姚兴佳,等:双馈风力发电机直接转矩控制的研究　　　图5　并网曲线

Fig15　Curve of connected grid

由图5可以看出,调节发电机转子励磁,进而调节发电机定子侧电压波形频率、极位,达到与电网侧电压波形频率、相位一致.但在调节转子励磁后定子介电压波形的幅值与电网侧电压的幅值有一定的差别,造成这个现象的原因是定子侧未加负载。整个同步过程在2个工频周期内实现。对于直接转矩对负载变化响应速度快这个特点在模拟实验中很难实现,因为该系统是大惯性滞后系统,对负载突然变化这个条件很难实现.但根据直接转矩控制原理,当负载突然变化很大时,可以通过P/N调节器,使转子磁场反向旋转,快速增大定子与转子磁链的夹角,使转矩快速地跟踪负载的变化.

4　结　论

本文对双馈电机直接转矩控制原理进行了深入的研究,组建了由ABB公司的ACS800267作为控制设备的控制系统,并对该控制设备的直接转矩控制器进行了研究.在实验室中采用该控制系统对双馈电机进行现场模拟实验,并对实验结果进行分析.通过以上理论和实践的结合,可以得出双馈电机直接转矩控制在风力发电系统中具有利用风能发电效率高、并网冲击电流小、并网同步速度快的优点.

参考文献:

[1]李夙.异步电动机直接转矩控制[M].北京:机械工

业出版社,2001.　　(Li S.Asynchronous motor direct torque control[M].

Beijing:Mechanical Industry Publishing House,2001.)

[2]符曦.感应电动机的矢量控制及应用[M].北京:机

械工业出版社,1986.

(Fu X.Induction motor vector control and a pplication

[M].Beijing:Mechanical Industry Publishing House,

1986.)

[3]王兆安,杨君.谐波抑制和无功功率补偿[M].北

京:机械工业出版社,1999.

(Wang Z A,Y ang J.The harmonic suppression and the

reactive power compensate[M].Beijing:Mechanical

Industry Publishing House,1999.)

[4]秦晓平.感应电动机的双馈调速和串级调速[M].

北京:机械工业出版社,1999.

(Qin X P.Double2fed control and cascade control of in2 duction motor[M].Beijing:Mechanical Industry Pub2 lishing House,1999.)

[5]魏学森.双馈电机直接转矩控制的研究[D].天津:

河北工业大学,2003.

(Wei X S.Double2fed electrical machinery direct

torque control research[D].Tianjin:Hebei Industrial

University,2003.)

[6]宋军英,刘涤尘,陈允平,等.异步化同步发电机的

最优励磁控制及其暂态分析研究[J].现代电力,

2001,11(4):52-57.

(S ong J Y,Liu D C,Chen Y P,et al.Asynchronous

synchronous generator most superior excitation control

and its transition condition analysis research[J].Mod2 ern Electric Power,2001,11(4):52-57.)

[7]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械

工业出版社,2002.

(Y e H Y.Wind power generation unit’s control tech2

nology[M].Beijing:Mechanical Industry Publishing

House,2002.)

[8]姚兴佳,刘光德,邢作霞,等.大型变速风力发电机

组总体设计中的几个问题探讨[J].沈阳工业大学

学报,2006,28(2):196-201.

(Y ao X J,Liu G D,Xing Z X,et al.Discussions on

general design of large scale variable s peed wind tur2 bine[J].Journal of Shenyang University of Technolo2 gy,2006,28(2):196-201.)

[9]Richardson R D,McNerney G M.Wind energy sys2

tems[J].IEEE,1993,81(3):378-3.

[10]Maureen M.Variable2S peed wind turbine controller system2

atic design method ology:a com paris on of nonlinear and lin2 ear m odel2based designs[M].Wy oming:B.S.University of

Wy oming,1994.

[11]Pena R,Clare J C,Asher G M.Doubly fed induction

generator using back2to2back PWM converters and its application to variable2speed wind2energy generation

[J].IEEE Proceeding on Electrical Power,1996,143

(3):1203-1209.

(责任编辑:吉海涛　英文审校:刘晓明)

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