采用雙PWM變換器的交流感應電機設(shè)計

　　在風力發(fā)電系統(tǒng)中，基于DFIG的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)很大的比例，因此深入分析和研究雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制問題對提高風力發(fā)電系統(tǒng)的性能及效率有重要的意義。

　　近年來，各國學者對雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)正常工況下的運行機理及控制方法進行了較完善的研究。文獻提出基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制

　　策略，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流有功分量和無功分量的解耦控制;文獻基于DFIG電網(wǎng)電壓定向控制，選取定子側(cè)輸出有功和無功功率為直接控制目標。

　　傳統(tǒng)DFIG矢量控制是基于DFIG五階數(shù)學模型設(shè)計的，通常利用轉(zhuǎn)子電流閉環(huán)構(gòu)成，且將定子側(cè)電壓視為常量。在此基于一種簡化的DFIG

　　模型，考慮轉(zhuǎn)子電流和定子電壓兩個變量，分別構(gòu)成含反饋控制和前饋控制的矢量控制系統(tǒng)，提高了并網(wǎng)運行效果，且增強了抑制電網(wǎng)波動的能力。

　　2 雙饋感應電機數(shù)學模型

　　利用交直交變頻器勵磁的DFIG風力發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)通過交直交變頻器進行勵磁控制，定子側(cè)通過并網(wǎng)變壓器接入電網(wǎng)。通過對DFIG轉(zhuǎn)子電流進行適當?shù)膭畲趴刂?，可以實現(xiàn)DFIG的變速恒頻發(fā)電。后面討論的DFIG穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)均采用該方法。

　　在同步旋轉(zhuǎn)d，q坐標系下，DFIG的數(shù)學模型可表示為如下微分方程組：

　　式中：us，ur和is，ir分別為定、轉(zhuǎn)子電壓、電流矢量;ψs，ψr分別為定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;ωe為電機同步轉(zhuǎn)速;Ls，Lr分別為定、轉(zhuǎn)子電感;Lm為互感。

　　由DFIG的數(shù)學模型可見，定轉(zhuǎn)子各電磁物理量之間互相耦合影響。定子電流同時受轉(zhuǎn)子電壓和定子電壓的影響。

　　3 基于前饋控制的轉(zhuǎn)子勵磁控制

　　分析DFIG數(shù)學模型，將定子磁鏈方程代入電壓方程，可得：

　　由于定子側(cè)電阻相比定子阻抗很小，故可略去

　　以及RsωeLm。同時在采用電網(wǎng)電壓矢量定向控制中，d，q坐標系中的d軸與定子電壓矢量方向保持一致，定子電壓q軸分量可認為是零?；谝陨虾喕瓌t，可將式(3)化簡為：

　　從以上分析可知，由轉(zhuǎn)子電流和定子電壓至定子電流的傳遞函數(shù)共有3個，分別為定子電壓至轉(zhuǎn)子電流傳遞函數(shù)Gidud(s)和Giqud(s)、轉(zhuǎn)子電流對定子電流的傳遞函數(shù)Gisir(s)，其中Gisir(s)為常數(shù)，Gisir(s)=Lm/Ls。圖2示出開環(huán)頻譜。

　　式(5)表明，由定子電壓至定子電流的傳遞函數(shù)是一個二階環(huán)節(jié)。因此，當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定波動時，電網(wǎng)電壓的變化將引起定子電流產(chǎn)生一個工頻周期振蕩分量，該振蕩分量將引起定子側(cè)輸出功率的振蕩。

　　因此，通過在轉(zhuǎn)子電流中引入一個與電網(wǎng)電壓振蕩分量相反的參考值恰好可對由電網(wǎng)電壓波動引起的定子電流振蕩形成阻尼作用。令：

　　轉(zhuǎn)子電流的參考值將由功率控制外環(huán)產(chǎn)生的電流給定值ird有功，irq無功與暫態(tài)阻尼電流irdd，irqd共同組成，即irdref=ird有功+irdd，irqref=irq無功+irqd。加入阻尼控制后的系統(tǒng)等效控制框圖如圖3所示。

　　4 實驗

　　針對該前饋控制策略，設(shè)計了一套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1的DFIG實驗系統(tǒng)。系統(tǒng)中雙PWM變換器的逆變級和整流級均以PM75RLA120型IPM為主體構(gòu)成。控制系統(tǒng)以TMS320F2812微處理器為核心構(gòu)成，實現(xiàn)雙PWM變換器的控制、通訊與保護功能。DFIG參數(shù)為：定子額定電壓380 V，額定電流6.8 A，轉(zhuǎn)子側(cè)額定電壓380 V，額定電流3.2 A，極對數(shù)為2，額定轉(zhuǎn)速1 800 r·min-1，定子電阻1.37 Ω，轉(zhuǎn)子電阻1.65 Ω，定子電感0.161 H。DFIG由一臺三相異步電機驅(qū)動。

　　實驗中，DFIG轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，基于前饋控制的DFIG定子側(cè)電壓電流如圖4所示。

　　圖4a為穩(wěn)態(tài)運行時波形。此時DFIG定子側(cè)穩(wěn)定輸出有功功率2 kW。圖4b為有功功率給定值變?yōu)?.6 kW的動態(tài)過程。可見DFIG定子側(cè)輸出能很好地跟蹤參考信號，系統(tǒng)動態(tài)響應快速，且在電網(wǎng)電壓由于有功輸入增加而出現(xiàn)一定波動時定子電流控制獲得了良好的穩(wěn)態(tài)特性。

　　5 結(jié)論

　　在雙饋感應電機的簡化數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，分析了電網(wǎng)電壓波動與定子電流工頻周期振蕩分量之間的關(guān)系，提出在轉(zhuǎn)子電流控制中引入前饋控制，即在轉(zhuǎn)子電流的參考信號中加入增加系統(tǒng)阻尼的阻尼控制方法，以消除電網(wǎng)電壓波動對定子輸出電流的影響，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應。給出雙饋感應電機控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)實驗結(jié)果，驗證了所提控制策略的正確性。