金　石　王中正　王代睿，2　朱連成，3

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院　沈陽　110870　2.深圳華為技術(shù)有限公司　深圳　518129

3.遼寧科技大學電子與信息工程學院　鞍山　114051)

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基于功率誤差比較的開繞組無刷雙饋發(fā)電機直接功率控制

金石1王中正1王代睿1，2朱連成1，3

(1.沈陽工業(yè)大學電氣工程學院沈陽1108702.深圳華為技術(shù)有限公司深圳518129

3.遼寧科技大學電子與信息工程學院鞍山114051)

摘要提出一種具有開繞組結(jié)構(gòu)的無刷雙饋風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)，開繞組無刷雙饋發(fā)電機(OW-BDFG)是將控制繞組全部打開，在其兩端各接一個變頻器對OW-BDFG進行控制。該種拓撲結(jié)構(gòu)可獨立控制各相控制繞組電流，大大加強了控制的靈活性和系統(tǒng)的故障冗余能力，且所需變頻器容量更小，開關(guān)頻率較低。針對OW-BDFG特殊結(jié)構(gòu)，提出一種基于功率誤差比較的直接功率控制(PEC-DPC)方法對OW-BDFG的有功和無功功率進行解耦控制，以實現(xiàn)功率跟蹤。該種控制方法結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)，計算量小，動態(tài)響應快，且無需觀測磁鏈大小，實時性好。最后，通過仿真比較和實驗研究，驗證了所提出OW-BDFG及其PEC-DPC系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：無刷雙饋風力發(fā)電機功率跟蹤開繞組直接功率控制誤差比較

0引言

風能作為一種清潔的可再生能源，受到了越來越廣泛的關(guān)注，尤其是風力發(fā)電的應用[1，2]。在眾多風力發(fā)電方案中，變速恒頻無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)[3]因其無刷可靠、所需變頻器容量小以及功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點，逐漸成為最具競爭力的風力發(fā)電形式，特別適用于大型風電系統(tǒng)，這就需要進一步大幅提高無刷雙饋發(fā)電機(Brushless Doubly-Fed Generator，BDFG)的功率等級，并提出針對性和靈活性更強的控制方法，這對于推進BDFG在大型風電系統(tǒng)中的實用化和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。

開繞組無刷雙饋發(fā)電機(Open-Winding BDFG，OW-BDFG)是指將常規(guī)BDFG的控制繞組連接端全部打開，在控制繞組兩端各引出3個端子，并在其兩端各接一個變頻器對BDFG進行控制。這樣，OW-BDFG不但具有常規(guī)BDFG的所有優(yōu)點，還可以獨立控制各相繞組電流，大大加強了控制的靈活性和系統(tǒng)的故障冗余能力，具有更廣闊的應用前景。文獻[4]首次對開繞組電機進行了研究，它將一臺感應電動機改裝成開繞組結(jié)構(gòu)，繞組兩端分別連接一套逆變器，通過協(xié)調(diào)控制兩套逆變器，提高了感應電動機的轉(zhuǎn)矩響應速度和頻帶范圍，使得開繞組交流電機結(jié)構(gòu)開始獲得人們的認可。文獻[5]將高效開繞組永磁同步發(fā)電機用于分布式發(fā)電系統(tǒng)中，省去了一個變流器，提高了系統(tǒng)效率。文獻[6]針對變流器容量對現(xiàn)代風力發(fā)電系統(tǒng)中單機容量越來越大的趨勢造成制約這一問題，將開繞組結(jié)構(gòu)運用到永磁同步風力發(fā)電機中，采用兩個小容量變流器與開繞組永磁同步發(fā)電機(OW-PMSG)級聯(lián)，構(gòu)成了OW-PMSG風電系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外還沒有針對OW-BDFG的研究。

本文針對OW-BDFG的特殊結(jié)構(gòu)，采用兩個雙向變頻器與控制繞組兩端連接對OW-BDFG進行勵磁。由于OW-BDFG的內(nèi)部電磁關(guān)系極為復雜，而且還需要對雙兩電平逆變器進行協(xié)調(diào)控制，因此，傳統(tǒng)的控制方法已不再適用于該種特殊發(fā)電機。本文提出一種適用于OW-BDFG的直接功率控制(Direct Power Control，DPC)方法，并加入功率誤差比較環(huán)節(jié)，使其能夠更加精確的控制OW-BDFG的有功功率和無功功率。DPC方法源于直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)，與目前研究較多的用于BDFG最大功率跟蹤控制的DTC[7-9]相比，DPC方法也無需旋轉(zhuǎn)坐標變換和電流內(nèi)環(huán)，不依賴于發(fā)電機參數(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性強，此外還無需觀測磁鏈大小，很好地解決了磁鏈觀測器對參數(shù)敏感導致控制系統(tǒng)實時性差的問題，可直接對OW-BDFG的有功功率和無功功率進行獨立控制，更適用于對輸出功率要求嚴格的風力發(fā)電場合。

1OW-BDFG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模型建立

OW-BDFG的定子上嵌有不同極數(shù)的兩套繞組，即功率繞組和控制繞組，功率繞組(也稱主繞組)與電網(wǎng)直接相連，用于發(fā)出電能，控制繞組(也稱次繞組)為開繞組結(jié)構(gòu)，兩端與兩個雙向變頻器連接，用于勵磁，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。OW-BDFG的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)主要有特殊籠型轉(zhuǎn)子和磁阻式轉(zhuǎn)子[10]兩種基本類型，本文所提的OW-BDFG采用磁阻式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。

圖1　OW-BDFG系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structural diagram of OW-BDFG system

在轉(zhuǎn)子速d-q坐標系下，OW-BDFG的電壓和磁鏈方程分別為

(1)

(2)

式中，u為電壓；i為電流；Ψ為磁鏈；pp和pc分別為功率繞組和控制繞組的極對數(shù)；R為電阻；Lp和Lc分別為功率繞組和控制繞組自感；Lm為功率繞組與控制繞組之間的互感；Ωr為轉(zhuǎn)子機械角速度；下標p表示功率繞組；下標c表示控制繞組；下標r表示轉(zhuǎn)子繞組；下標d表示d軸分量；下標q表示q軸分量；p為微分算子。

對于OW-BDFG，其控制繞組電壓ucq和ucd分別為兩個雙向變頻器輸出電壓的差值，即

(3)

根據(jù)瞬時功率理論可知，OW-BDFG功率繞組輸出的瞬時有功功率P和無功功率Q表達式分別為

(4)

根據(jù)OW-BDFG的數(shù)學模型，使定子功率繞組磁鏈Ψp與功率繞組同步速d-q坐標系的d軸重合，則功率繞組磁鏈Ψp=Ψpd，Ψpq=0，并忽略定子繞組電阻，可得到OW-BDFG矢量圖如圖2所示。

圖2　OW-BDFG矢量圖Fig.2　Vector diagram of OW-BDFG

2OW-BDFG的PEC-DPC思想

2.1PEC-DPC原理

DPC的控制思想源于直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，DTC)，并結(jié)合了瞬時功率理論[12，13]。它是根據(jù)功率繞組有功功率和無功功率的誤差信號以及控制繞組磁鏈所在扇區(qū)的信息來重新制定開關(guān)電壓矢量選擇表，通過適當選擇開關(guān)電壓矢量來直接獨立控制OW-BDFG的有功功率和無功功率，進而實現(xiàn)最大功率跟蹤控制。雖然DPC方法可將有功功率和無功功率控制在給定的范圍內(nèi)，但其控制效果還有待改善，因此，本文將對其進行改進，提出一種基于功率誤差比較的直接功率控制(Power Error Comparison DPC，PEC-DPC)方法。

對于OW-BDFG系統(tǒng)，因其采用雙兩電平逆變器饋電，所以產(chǎn)生了更多的開關(guān)電壓矢量。在開關(guān)電壓矢量數(shù)量增加的情況下，有必要細分扇區(qū)來更精確地選擇合適的電壓矢量，因此，本文將整個空間平面平均分為12個扇區(qū)，每個扇區(qū)30°。開關(guān)電壓矢量與扇區(qū)劃分如圖3所示，其中Umn表示逆變器1產(chǎn)生的電壓矢量Um與逆變器2產(chǎn)生的電壓矢量Un的合成。根據(jù)矢量的幅值不同，開關(guān)電壓矢量可分為6個長矢量、6個中矢量、6個短矢量和零矢量。

由于采用雙兩電平變頻器對OW-BDFG進行控制，可選擇的開關(guān)電壓矢量較多，因此，當功率出現(xiàn)偏差時，可選用的電壓矢量往往不只一個。例如圖3中，當Ψc位于第Ⅱ扇區(qū)，且需要減小有功功率P和無功功率Q時，開關(guān)電壓矢量U13和U14都符合要求，但它們對有功功率和無功功率的影響程度不同，電壓矢量U13更有利于減小Ψc與Ψpc之間的夾角δ，即對有功功率P的影響更加明顯，而U14對Ψc的幅值影響較大，

對δ改變較小，即對無功功率Q的調(diào)節(jié)效果更好。綜上所述，可以在每次選擇開關(guān)電壓矢量之前計算有功功率和無功功率的偏差ΔP和ΔQ，選擇偏差量較大的一個進行重點調(diào)節(jié)，可得到更好的控制效果，這就是PEC-DPC的控制思想，其控制原理框圖如圖4所示。

圖3　開關(guān)電壓矢量的選擇Fig.3　Selection of switching voltage vectors

圖4　OW-BDFG的PEC-DPC原理框圖Fig.4　PEC-DPC principle diagram of OW-BDFG

OW-BDFG的電磁轉(zhuǎn)矩Te可由功率繞組與控制繞組的交互磁鏈Ψpc和控制繞組磁鏈Ψc表示為

(5)

1)對于有功功率P的控制

在大功率OW-BDFG中，往往可忽略定子繞組電阻，因此在忽略銅耗的情況下，瞬時電磁功率與輸出功率大致相等，即Pe≈Po。又因為功率繞組與電網(wǎng)直接相連，功率繞組磁鏈幅值Ψp約為常數(shù)，功率繞組與控制繞組的交互磁鏈Ψpc也約為常數(shù)，有功功率P的變化趨勢與電磁轉(zhuǎn)矩Te相同，因此，可參考DTC方法，通過改變磁鏈間夾角δ來控制有功功率P的變化。

2)對于無功功率Q的控制

由于定子磁場是由兩套繞組共同建立的，那么，如果一套繞組提供的無功功率大些，則另一套繞組提供的無功功率就會相對小些，因此，對無功功率Q的控制可轉(zhuǎn)換成對控制繞組磁鏈Ψc幅值的控制。

2.2開關(guān)電壓矢量的選擇

在OW-BDFG的控制繞組側(cè)施加不同的開關(guān)電壓矢量(Umn)，會引起有功功率P和無功功率Q發(fā)生不同的變化。選擇開關(guān)電壓矢量的方法主要有3種，即長矢量(雙兩電平逆變器均只輸出長矢量，且方向相反)、中矢量(雙兩電平逆變器均只輸出中等幅值矢量，方向為其相鄰兩個長矢量的角平分線方向)和混合矢量(雙兩電平逆變器均既輸出長矢量，又輸出中矢量)。長矢量DPC和中矢量DPC均只使用6個開關(guān)電壓矢量，缺乏控制靈活性，無法發(fā)揮BDFG采用開繞組結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。而混合矢量DPC輸出的開關(guān)電壓矢量數(shù)量較多(共12個)，因此控制效果更為精確，且開關(guān)切換頻率較低。這里采用混合矢量DPC方法，再根據(jù)EPC-DPC控制思想，重新制定開關(guān)電壓矢量選擇表如表1所示。

表1　PEC-DPC開關(guān)電壓矢量選擇表

3仿真分析與比較

基于OW-BDFG直接功率控制系統(tǒng)框圖，在Simulink中構(gòu)建系統(tǒng)模型進行仿真分析和比較。OW-BDFG樣機的主要參數(shù)如下：額定功率為15 kW，額定頻率為50 Hz，額定電壓為380 V，pp=3，Rp=1.2 Ω，Lp=54 mH，pc=1，Rc=0.9 Ω，Lc=27 mH，Lm=35.8 mH。

分別對采用傳統(tǒng)DPC方法的非開繞組BDFG系統(tǒng)和采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統(tǒng)工作在亞同步速、同步速和超同步速時的有功功率調(diào)節(jié)情況進行仿真分析和比較，令無功功率保持為零，即使BDFG運行在單位功率因數(shù)下。在仿真過程中，BDFG首先運行在亞同步速，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr=675 r/min(亞同步運行)，在0.5 s和1 s時分別將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到750 r/min(同步運行)和825 r/min(超同步運行)；初始給定有功功率為5 kW，在0.3 s和0.7 s時分別將給定的有功功率調(diào)節(jié)為10 kW和15 kW。圖5和圖6分別給出了采用傳統(tǒng)DPC方法的BDFG系統(tǒng)和采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統(tǒng)仿真結(jié)果。

圖5　采用傳統(tǒng)DPC方法的BDFG系統(tǒng)仿真Fig.5　Simulation of BDFG system adopting conventional DPC method

圖6　采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統(tǒng)仿真Fig.6　Simulation of OW-BDFG system adopting PEC-DPC method

由圖5和圖6的仿真結(jié)果比較可看出，采用PEC-DPC方法的雙兩電平變頻器OW-BDFG系統(tǒng)的控制效果有顯著提高。由圖6a和圖6b可看出，該系統(tǒng)功率繞組輸出電流的諧波含量更小，而且在整個仿真過程中，控制繞組的頻率根據(jù)OW-BDFG的轉(zhuǎn)速不同而自動調(diào)節(jié)，保證了功率繞組輸出電流的頻率始終為50 Hz，可實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。由圖6c和圖6d可看出，有功功率P和無功功率Q被穩(wěn)定控制在滯環(huán)寬度范圍內(nèi)，只有在轉(zhuǎn)速發(fā)生躍變時產(chǎn)生較小超調(diào)，并能在很短時間內(nèi)重新回到給定值。

4實驗研究

在實驗室搭建了開繞組無刷雙饋風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)的實驗平臺(見圖7)，并進行了實驗研究。圖8為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為675 r/min(亞同步運行)和825 r/min(超同步運行)時的功率繞組三相電流波形。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為825 r/min，有功功率給定為10 kW，無功功率給定為零時，OW-BDFG輸出有功功率和無功功率波形如圖9所示。由實驗結(jié)果可看出，OW-BDFG功率繞組輸出的三相電流頻率為50 Hz，可實現(xiàn)變速恒頻運行，所采用的PEC-DPC方法可控制OW-BDFG輸出功率平穩(wěn)快速地跟蹤上功率給定值，驗證了所提方法的有效性。

圖7　系統(tǒng)實驗平臺Fig.7　Experimental platform of system

圖8　功率繞組三相電流波形Fig.8　Three-phase current waveforms of power winding

圖9　OW-BDFG輸出有功功率和無功功率波形Fig.9　Active and reactive power waveforms of OW-BDFG

5結(jié)論

本文針對BDFG復雜的內(nèi)部電磁關(guān)系及其應用于風力發(fā)電機組的功率跟蹤問題，提出了一種具有開繞組結(jié)構(gòu)的無刷雙饋風力發(fā)電機及其PEC-DPC系統(tǒng)，并采用雙兩電平逆變器對OW-BDFG進行勵磁。該種拓撲結(jié)構(gòu)可有效改善風力發(fā)電系統(tǒng)的控制靈活性和故障冗余能力，且所需變頻器容量更小，開關(guān)頻率較低。此外，分別對采用傳統(tǒng)DPC方法的非開繞組BDFG系統(tǒng)和采用改進PEC-DPC方法的OW-BDFG系統(tǒng)進行了仿真分析和比較，并對采用PEC-DPC方法的OW-BDFG系統(tǒng)進行了實驗研究，結(jié)果表明，所提出的PEC-DPC方法能夠更加精確地將OW-BDFG的有功和無功功率穩(wěn)定在給定值上，更好地實現(xiàn)了功率跟蹤控制。

參考文獻

[1]王海峰.風力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2012，(增3)：12-14.

Wang Haifeng.Development status and key technology research of wind power generation[J].China High-Tech Enterprises，2012，(S3)：12-14.

[2]趙梅花，楊勇，鐘沁宏.新型混合勵磁直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制[J].電工技術(shù)學報，2013，28(5)：30-36.

Zhao Meihua，Yang Yong，Zhong Qinhong.Tracking the peak power points for a wind energy conversion system based on hybrid excitation synchronous generator[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(5)：30-36.

[3]席偉，韓力，高強.無刷雙饋電機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].微電機，2010，43(9)：80-84.

Xi Wei，Han Li，Gao Qiang.Research status and development of brushless doubly-fed machine[J].Micromotors，2010，43(9)：80-84.

[4]Kawabata Y，Nasu M，Nomoto T，et al.High-efficiency and low acoustic noise drive system using open-winding AC motor and two space-vector-modulated inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002，49(4)：783-789.

[5]Kwak M S，Sul S K.Control of an open-winding machine in a grid-connected distributed generation system[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44(4)：1259-1267.

[6]Wang Y，Lipo T A，Pan D.Half-controlled-converter-fed open-winding permancent magnet synchronous generator for wind applications[C]//14th International Power Electronics and Motion Control Conference，Ohrid，2010：T4-123-T4-126.

[7]姚興佳，張保華，王士榮，等.基于DSVM的無刷雙饋風電系統(tǒng)抗脈動模糊DTC策略[J].可再生能源，2013，31(4)：55-59.

Yao Xingjia，Zhang Baohua，Wang Shirong，et al.Anti-ripple fuzzy DTC strategy of brushless doubly-fed wind power generation system based DSVM[J].Renewable Energy Resources，2013，31(4)：55-59.

[8]張鳳閣，金石，張武.基于無速度傳感器的無刷雙饋風力發(fā)電機直接轉(zhuǎn)矩控制[J].電工技術(shù)學報，2011，26(12)：20-27.

Zhang Fengge，Jin Shi，Zhang Wu.Direct torque control for brushless doubly-fed wind power generator based on speed sensorless[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(12)：20-27.

[9]Zhang Y C，Zhu J G.Direct torque control of cascaded brushless doubly fed induction generator for wind energy applications[C]//2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference，Niagara Falls，ON，2011：741-746.

[10]張岳，王鳳翔，邢軍強，等.磁障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機[J].電工技術(shù)學報，2012，27(7)：49-54.

Zhang Yue，Wang Fengxiang，Xing Junqiang，et al.Brushless doubly-fed machines with magnetic barrier rotor[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(7)：49-54.

[11]金石.變速恒頻無刷雙饋風力發(fā)電機的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2011.

[12]Chall H，Jovanovic M.Direct power control of brushless doubly-fed reluctance machines[C]//5thIET International Conference on Power Electronics，Machines and Drives，Brighton，UK，2010：1-6.

[13]李生民，何歡歡，張玉坤，等.基于滑模變結(jié)構(gòu)的雙饋風力發(fā)電機直接功率控制策略研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(7)：2006-2010.

Li Shengmin，He Huanhuan，Zhang Yukun，et al.A sliding mode variable structure-based direct power control strategy for doubly fed induction generator[J].Power System Technology，2013，37(7)：2006-2010.

金石女，1981年生，博士，副教授，研究方向為風力發(fā)電、特種電機及其控制技術(shù)。

E-mail：wby-js@163.com(通信作者)

王中正男，1992年生，碩士研究生，研究方向為風力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)。

E-mail：645170278@qq.com

Direct Power Control for Open-Winding Brushless Doubly-Fed Generator Based on Power Error Comparison

JinShi1WangZhongzheng1WangDairui1，2ZhuLiancheng1，3

(1.School of Electrical EngineeringShenyang University of TechnologyShenyang110870China 2.Huawei Technologies Co.LtdShenzhen518129China 3.School of Electronic and Information EngineeringUniversity of Science and Technology Liaoning Anshan114051China)

AbstractA brushless doubly-fed wind power generator with open-winding structure and its control system are proposed. The open-winding brushless doubly-fed generator (OW-BDFG) means that the control winding is opened completely and its two ends are respectively connected to an inverter to control the OW-BDFG. This topology structure, which has smaller inverter capacity and lower switching frequency, can independently control each phase current of the control winding to enhance the control flexibility and fault redundancy ability of the wind power system. Moreover, for the special structure of the OW-BDFG, a power error comparison direct power control (PEC-DPC) method is proposed to implement the power tracking through the decoupling control of the active and reactive powers of the OW-BDFG. This control method has the properties of simple structure, easy realization, small computational amount, fast dynamic response, as well as good real-time performance without observing the flux amplitude. Finally, the feasibility and superiority of the proposed OW-BDFG and its PEC-DPC system are verified through the simulation comparison and the experimental study.

Keywords：Brushless doubly-fed wind power generator, power tracking, open-winding, direct power control, error comparison

作者簡介

中圖分類號：TM614

收稿日期2015-09-10改稿日期2015-10-20

國家自然科學基金(51277124，51537007)、歐盟國際合作項目(318925)和高等學校博士學科點專項科研基金(20122102110004)資助。