基于MATLAB仿真分析的風(fēng)電系統(tǒng)雙饋電機(jī)矢量控制研究

引言

近年來,由于世界各國(guó)日益重視發(fā)展新的可再生能源,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到快速發(fā)展。由于雙饋電機(jī)風(fēng)電機(jī)組具有功率變換器容量低,其定子側(cè)輸出功率因數(shù)可調(diào),同時(shí)還可以補(bǔ)償電網(wǎng)擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為近年來各國(guó)風(fēng)電機(jī)組制造廠家爭(zhēng)相開發(fā)研制的主流風(fēng)電機(jī)組。

圖1為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(后文簡(jiǎn)稱為雙饋電機(jī)）風(fēng)電機(jī)組原理圖,變換器為交-直-交電壓源型功率變換器,DFIG即為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。

1雙饋電機(jī)矢量控制方案

對(duì)于雙饋調(diào)速而言,在矢量控制理論出現(xiàn)以前,只有一些簡(jiǎn)單的控制方案,不能充分發(fā)揮雙饋調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)。采用矢量控制后,可以獨(dú)立調(diào)節(jié)有功功率和無功功率,系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能優(yōu)越,因此雙饋電機(jī)矢量控制方案的應(yīng)用日益廣泛。

1.1磁場(chǎng)定向的數(shù)學(xué)模型

雙饋電機(jī)在同步速d-g坐標(biāo)系統(tǒng)的電壓方程如下:

式中,下標(biāo)s代表定子有關(guān)變量:下標(biāo)r代表轉(zhuǎn)子有關(guān)變量:下標(biāo)d、g分別代表d軸分量與g軸分量。

其轉(zhuǎn)矩方程為:

式中,P代表電機(jī)極數(shù)。

1.2雙饋電機(jī)矢量控制數(shù)學(xué)模型

假設(shè)式(1）中的狀態(tài)變量為定子磁通和轉(zhuǎn)子電流,則有下式:

定義滑差角速度os=o1-or,并把d軸定位在定子磁鏈方向上,即有定子磁鏈ws=wds,則wgs=0,系統(tǒng)狀態(tài)方程如下:

因此,轉(zhuǎn)距方程可簡(jiǎn)化為:

根據(jù)式(6）,在采用定子磁場(chǎng)定向時(shí),轉(zhuǎn)距的大小與定子磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)子電流g軸分量有關(guān),如果定子磁鏈幅值穩(wěn)定,可以說轉(zhuǎn)矩僅由igr控制,可以定義igr為轉(zhuǎn)子電流力矩分量,同時(shí)定義idr為轉(zhuǎn)子電流勵(lì)磁分量。

1.3定子側(cè)無功功率調(diào)節(jié)

定子瞬時(shí)無功功率表達(dá)式為:

將式(3）、式(4）代入式(7）,同時(shí)考慮到定子磁鏈幅值恒定時(shí),定子磁鏈的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)為0,即可得到

式(8）表明在定子磁鏈幅值恒定的情況下,定子側(cè)無功功率大小僅取決于idr。

2轉(zhuǎn)子電流解耦控制

轉(zhuǎn)子電流d,g分量由轉(zhuǎn)子電壓d,g分量分別控制,但idr,igr存在嚴(yán)重的交叉耦合項(xiàng),這些耦合干擾了轉(zhuǎn)子電壓對(duì)轉(zhuǎn)子電流的控制,可以看成是系統(tǒng)的擾動(dòng)。由轉(zhuǎn)子電流和定子磁鏈

內(nèi)部變量計(jì)算出擾動(dòng)補(bǔ)償量:

式(10）表明加入補(bǔ)償擾動(dòng)后,uEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(r,uEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(r均實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電流d,g軸解耦控制。同時(shí),電壓對(duì)電流的方程為簡(jiǎn)單的一階慣性環(huán)節(jié),因此得到了很好的電流控制特性。

3仿真參數(shù)及結(jié)果分析

雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是大型的電控系統(tǒng),為降低成本,在實(shí)際工程硬件系統(tǒng)尚未完成之前,通常利用MATLAB軟件中的SIMULINK仿真工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,以驗(yàn)證理論研究的正確性及可行性。本系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為:最大步長(zhǎng)0.001,最小步長(zhǎng)0.0005,初始步長(zhǎng)0.0005。仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2所示為雙饋電機(jī)在風(fēng)速"=8m/s,速調(diào)比例增益為13,積分增益為13,流調(diào)積分增益為1,O*s=300Var時(shí)的定子側(cè)有功功率和無功功率波型。

4結(jié)語

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了文中提出的雙饋電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略的正確性,對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和調(diào)試運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。但需要說明的是,本文所做的仿真分析是建立在諸多理想假設(shè)基礎(chǔ)上的,實(shí)際系統(tǒng)要復(fù)雜得多。在設(shè)計(jì)實(shí)際控制系統(tǒng)時(shí),除了考慮勵(lì)磁電源和雙饋電機(jī)的匹配問題,還應(yīng)考慮風(fēng)輪、齒輪箱、勵(lì)磁系統(tǒng)和雙饋電機(jī)的機(jī)械及電氣損耗,以及系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況(包括地理及氣候條件等）,這樣才能使系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮最大效能。