多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)

1、多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運行并網(wǎng)控制策略Control Strategy of parallel Grid-connected inverter for Multiple Armature-winding Hybrid-excitation Generator in wind power generation system上海大學 湯燕燕，阮毅，楊勇，葉斌英 Email: tyyasami摘要：為了提高系統(tǒng)的可靠性和容錯能力，針對多重電樞混合勵磁發(fā)電機，提出了一種多重電樞直流側(cè)電壓關(guān)聯(lián)運行的控制方案。詳細分析了單套逆變器數(shù)學模型和控制策略，運用CAN 通訊和上位機控制，實現(xiàn)多重逆變

2、器并聯(lián)運行并網(wǎng)，實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。ABSTRACT: The paper proposes a novel control strategy that can make the DC voltage flexibly run in parallel based on the multiple armature-winding hybrid-excitation generator (MAHEG, which makes the system more reliable and more robust. The mathematical model and the control s

3、trategy for the grid-connected inverter is described and grid-connecting is realized via the CAN communication by the computer. The experimental results agree with the theoretical analyses.關(guān)鍵詞：多重電樞繞組混合勵磁發(fā)電機；并聯(lián)；數(shù)學模型；控制策略KEY WORDS: MAHEG ; in parallel ; mathematical model; control strategy1 引言隨著環(huán)境與發(fā)展的

4、時代問題的提出，綠色能源的研究與發(fā)展越來越收到關(guān)注，風力發(fā)電在未來的能源結(jié)構(gòu)中將占有越來越重的地位。 混合勵磁，也稱組合勵磁或復(fù)合勵磁，它結(jié)合了電勵磁電機和永磁電機的優(yōu)點，在保持電機較高效率的提前下，改變電機的拓撲結(jié)構(gòu)，由兩種勵磁源共同產(chǎn)生電機主磁場，實現(xiàn)電機的主磁場調(diào)節(jié)和控制，改善電機調(diào)速、驅(qū)動性能或調(diào)壓特性的一類新型電機。在風力發(fā)電、電動汽車、航空航空等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。由于混合勵磁電機研究處在研發(fā)階段，國內(nèi)外文獻關(guān)于混合勵磁的風力發(fā)電系統(tǒng)的報道相當少?；旌蟿畲诺娘L力發(fā)電系統(tǒng)的研究在起步階段，開展對混合勵磁的風力發(fā)電系統(tǒng)的研究，具有重要意義。 為了最大限度捕捉風能，提高風力發(fā)電系統(tǒng)的

5、市場競爭力，以低成本、高可靠性、高容錯、高性價比為目標，上海大學提出了多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)。額定運行下，通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小調(diào)整發(fā)電機輸出合適的電壓以配合電網(wǎng)側(cè)逆變器的正常工作；低速運行下，多重電樞并聯(lián)運行以提高風能利用率和確保系統(tǒng)發(fā)電量；正常運行下，可以選擇單套個別運行和多套全部投入運行；故障發(fā)生時，可撤去故障電樞單元進行檢修，維持發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)運行。下文將具體介紹多重電樞繞組混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)以及風力逆變器的數(shù)學模型和控制策略，并將以實驗波形驗證理論分析。2 多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，見圖1。用小容量副勵磁機混合勵磁調(diào)節(jié)裝置代替大

6、容量的主回路直流調(diào)節(jié)裝置，有效地降低成本，提高系統(tǒng)效率；采用多重電樞的可靈活調(diào)節(jié)的單元串、并聯(lián)運行方式，降低電力電子器件直接并聯(lián)的難度，擴展風力發(fā)電系統(tǒng)的風能捕捉和低速運行范圍，又提高系統(tǒng)的容錯能力；采用多極少槽的混合勵磁同步發(fā)電機直接驅(qū)動，避免使用故障率很高的減速齒輪箱，提高了系統(tǒng)的可靠性。多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖，見圖2。風力發(fā)電系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)主要有：1）電網(wǎng)側(cè)電流控制：根據(jù)電網(wǎng)的電壓矢量，實時控制風力發(fā)電系統(tǒng)輸出電流的有功分量和無功分量。有功分量作為內(nèi)環(huán)，實際上控制了同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩；而無功電流則控制系統(tǒng)的功率因數(shù)。將給定電流分配給圖2所示各控制單元實施電流閉環(huán)控制，并

7、有效抑制電流的諧波分量。2）直流側(cè)電壓控制：根據(jù)轉(zhuǎn)速的變化控制同步發(fā)電機勵磁電流，以維持足夠的直流電壓，保證PWM 逆變器正常工作。 圖1多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Wind-power System with Multiple Armature-windingsand Hybrid Excitation圖2風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略 Fig.2 Control Strategy of Wind-power System3 并網(wǎng)逆變器數(shù)學模型和控制策略3.1 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型 三相電壓型的并網(wǎng)逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中A i 、B i 、C i 為并網(wǎng)逆變器輸出電流，A u

8、 、B u 、C u 為并網(wǎng)逆變器輸出電壓，A e 、B e 、C e 分別為三相電網(wǎng)電壓，L 、R 為連接并網(wǎng)逆變器與電網(wǎng)的電感和電阻。 AB C圖3 三相電壓型的并網(wǎng)逆變器Fig.3 Three-phase voltage source of grid-connected inverter設(shè)三相電網(wǎng)電壓為：cos( cos(2/3 cos(2/3A B C e E t e E t e E t =+ （1）其中E 為相電壓的峰值，為電網(wǎng)角頻率。在三相靜止坐標系abc 中有：1001010001A A A AB B B B C C C C di dt i u e di R i u e dt L

9、 L i u e di dt =+（2）坐標變換從三相靜止ABC 坐標系變到兩相靜止坐標系（等匝數(shù)變換）如下：111cos 22sin 0A B C e e t e e t e =（3） 由（2）和（3）可得：1Ri e e Ri =（4） 通過從兩相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)dq 坐標系變換，旋轉(zhuǎn)坐標系的同步旋轉(zhuǎn)頻率為，則可得：cos sin sin cos d q e e t t e e t t =（5）由式（4）和式（5）得到：cos sin cos sin sin cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin cos d q e e u t t t t e

10、e u t t t t di L Ri t t t t dt Ri di t t t t L dt =（6） 1cos sin cos sin sin cos sin cos d q d d d d d q q q q q q d u t t t t d L u t t t t dt i i u i i i d R L R L i i u i i i dt =+（7）則d d d d q q q q q d u i i e i d L R L u i i e i dt =+ （8）3.2 并網(wǎng)逆變器的控制策略圖4 空間矢量圖Fig.4 Space Vectors采用電網(wǎng)電壓矢量定向控制，將同步

11、旋轉(zhuǎn)dq 坐標系的d 軸定向于電網(wǎng)電壓合成矢量sE方向上，q 軸超前d 軸090，空間矢量圖如圖2所示，sE 為電網(wǎng)電壓合成矢量，sU 為并網(wǎng)逆變器輸出電壓合成矢量，sI 為并網(wǎng)逆變器輸出電流合成矢量，LV 為電感電壓的合成矢量，為功率因數(shù)角。則dt=為s E 與軸的夾角。因此可得：d sqe Ee=（9）其中sE 為電網(wǎng)電壓合成矢量的幅值。將式（9）代入由式（8）整理得到：dd d s qqq q ddiL Ri u E LidtdiL Ri u Lidt+=+=（10）令''d d s qq q du u E Liu u Li=+=（11）代入式（11）得：'

12、9;dd dqq qdiL Ri udtdiL Ri udt+=+=（12）實現(xiàn)了有功電流di 和無功電流qi 解耦控制。為了使輸出電流快速跟蹤給定電流，采用電流PI 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)閉環(huán)控制。PI 調(diào)節(jié)器輸出為：' *' *( ( (d p d d d diq p q q q qiu K i i K i i dtu K i i K i i dt=+=+（13）根據(jù)式（11）解得并網(wǎng)逆變器d 軸電壓和q 軸電壓給定：*'*'d s q dq d qu E Li uu Li u=+=+（14）并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)如圖5所示，按照圖1電流所標的參考方向（發(fā)電機慣例），當d

13、i 為正，q i 為零時，功率因數(shù)為15，僅向電網(wǎng)發(fā)送有功功率；當di 為正，qi 為負時，同時向電網(wǎng)發(fā)送有功功率和無功功率。改變di 和qi ，可以控制輸出的能量和功率因數(shù)。 ee圖5 并網(wǎng)逆變控制系統(tǒng)Fig.5 the control of the grid-connected inverter4 并聯(lián)運行并網(wǎng)逆變實驗為了驗證該控制策略的可行性和并網(wǎng)逆變器的性能，研制了基于英飛凌公司DSP 芯片(XC167CI的實驗平臺，整個系統(tǒng)由兩塊XC167CI 芯片來實現(xiàn)，分別控制上、下套并網(wǎng)逆變器，兩塊DSP 通過CAN 與電腦進行通訊，由上位機軟件統(tǒng)一控制。并網(wǎng)逆變實驗分兩部分：第一步為單套逆變

14、運行，第二步為并聯(lián)逆變運行。 圖6 多重電樞風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Diagram of the System 圖7 上位機界面Fig.7 Interface of the upper station4.1 單套逆變實驗圖8,圖9分別為0q i =和0q i 兩種情況下電流給定突變的系統(tǒng)電流響應(yīng)圖。可以看出系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、波形正弦度好、系統(tǒng)性能良好，電流有功分量和電流無功分量能夠很好的解耦控制，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的能量傳輸和功率因數(shù)可調(diào)控制，為下一步并聯(lián)逆變運行奠定了良好的基礎(chǔ)。d 軸電流給定 圖8 A相電壓和電流的實驗波形(PF=1Fig.8 Waveform of A phase vol

15、tage and current (PF=1圖9 A相電壓和電流的實驗波形(PF1Fig.9 Waveform of A phase voltage and current(PF14.2 并聯(lián)逆變實驗圖10,圖11分別兩套并聯(lián)運行下(1兩套都為有功電流給定(2一套有功電流給定一套無功電流給定情況下的系統(tǒng)電流響應(yīng)圖。可以看出波形正弦度好、系統(tǒng)性能良好，諧波分量較小，實現(xiàn)了并聯(lián)并網(wǎng)運行。圖10 兩套A 相電流的實驗波形(都為有功 Fig.9 Waveform of A phase currents(two passive圖11 兩套A 相電流的實驗波形(一套有功一套無功Fig.9 Waveform

16、 of A phase currents(one passive, one negtive5 結(jié)論本文針對多重電樞混合勵磁發(fā)電機，提出一種多重電樞直流側(cè)電壓關(guān)聯(lián)并網(wǎng)的控制方案，根據(jù)并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，采用空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM方式和電網(wǎng)電壓合成矢量定向的控制策略，實現(xiàn)有功功率和無功功率的解耦控制。為了提高并網(wǎng)逆變器的可靠性和抗電網(wǎng)電壓波動，同時進一步降低并網(wǎng)逆變器的成本，通過分析多種電網(wǎng)電壓合成矢量定向的方法，正在研究并驗證一種基于軟件鎖相環(huán)的電網(wǎng)電壓實時檢測的電網(wǎng)電壓合成矢量定向方法和基于虛擬磁鏈的電網(wǎng)電壓合成矢量定向方法。以后將會陸續(xù)給出該控制策略和實驗結(jié)果。致 謝十分感謝臺達電力

17、電子科教發(fā)展基金對此項目的重點支持！參 考 文 獻1 Amara Y, Lucidarme J, Gabsi M. A new topology of hybrid synchronous machineJ. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(5: 1273-1281.2 Fan Ying, Chau K T, Cheng Ming. A new three-phase doubly salient permanent magnet machine for wind power generationJ. IEEE Tran

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19、o the gridJ. IEEE Transactions on Energy conversion,2006,21(1:130-135.5 尹明, 李庚銀, 張建成等. 直驅(qū)式永磁同步風力發(fā)電機組建模及其控制策略J. 電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(15:61-65YIN Ming1,LI Geng-yin, ZHANG Jian-cheng et al. Modeling and Control Strategies of Directly Driven Wind Turbine with Permanent Magnet Synchronous GeneratorJ. Power Syste

20、m Technology，2007，30(15：61-65(in Chinese.6 黃蘇融, 張琪, 謝國棟, 阮毅. 混合勵磁隔離磁路徑，中國發(fā)明專利，專利號：2008100323624，2008.S.Huang, Q.Zhang, W.Hong, Y.Yuan. Hybrid ExcitationMachine with Isolated Magnetic Path, ChineseInvention Patent, patent No：2008100323624, 2008(inchinese.7 Blasko, V.; Kaura, V. A new mathematical model andcontrol of a three-phase AC-DC voltage sourceconverterJ. IEEE Transactions on PowerElectronics,1997,12(1:116-123.8 Malinowski M, Kazmierkowski M P， TrzynadlowskiA M. A comparative study of contro