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浅析变速恒频无刷双馈电机风力发电控制策略

风力发电机组控制目标很多,控制方法多种多样,但目前亟待解决的两个核心问题是:风能的最大功率跟踪以

提高风力发电效率、以及改善电能质量问题[1]。一个完整的风力发电机组通常由风轮、增速齿轮箱、风力

发电机、机座、塔架、调速器、调向器、停车制动器、控制系统等构成,为使风力机组能够稳定运行,必须

对其进行有效的控制。考虑到风力发电机组的特殊性按重要性的顺序,控制器应依次满足以下要求:(1)风力

发电系统是稳定的;(2)运行过程中,在各种不确定的的因素如阵风、剪切风、负载变化作用下具有鲁棒性;

(3)控制代价小,即对不同输入信号的幅值有一定限制,如调向的时间等;(4)最大限度地将风能转化为电能,

即在额定风速以下,尽可能使发电机在每一种风速时,输出的电功率达到最大,额定风速以上时则保持输出电

功率为常量;(5)风力发电机输出的电功率保持恒压恒频,也即具有较高的电能品质质量。

1无刷双馈电机控制系统存在问题

无刷双馈电机的开环运行的效果都不是很好,主要存在着以下的几个问题[2,3]:(1)谐波含量大。因为无刷双

馈电机是通过改变变频器的电压和频率来进行调速的,电机的电流等参数的谐波含量大,特别是在电机的运

行状态改变的瞬间电磁转矩、转速波动较大。(2)电机的损耗大。因为变频器输出的电流存在丰富的谐波

分量,所以无刷双馈电机的损耗就比一般的异步电机要大。(3)单馈运行时存在着“转换转矩”点,在此转换转

矩附近电机的特性性质不一样。当负载转矩小于“转换转矩”,电机相当于pp+pc极普通异步电机;当负载转矩

大于“转换转矩”时电机就相当于极普通的异步电机。实际应用中,如果电机的负载转矩恰好在这个转换转矩

附近变动,则电机运行不稳定,易造成事故。(4)开环运行,不能有效地发挥无刷双馈电机的优势。无刷双馈

电机通过适当地调节变频器输出压频比和功率绕组或控制绕组电压的相位差来调节输入电机的无功分量来

调节功率绕组的功率因数。开环运行于一定的功率因数时,所对应的变频器的电压和相位差计算量大,实际

上不容易得到精确的结果,因此不能有效地控制电机的功率因数。(5)无刷双馈电机的结构复杂,发热量较

普通异步电机大。电机的参数如电阻等易受外界的影响而改变,参数的变化和测定的正与否直接影响控制的

成功实现。

在无刷双馈电机的数学模型基础上几乎所有可用于异步电机的控制策略如标量控制、磁场定向控制、直接

转矩控制、模型参考自适应控制等都可以用在无刷双馈电机的控制中,但是无刷双馈电机的特殊结构工作原

理使得其控制策略与传统异步电机的各种控制策略有所不同。下面简要介绍几种主要的闭环控制策略。

2无刷双馈电机的控制策略

2.1无刷双馈电机标量控制

无刷双馈电机的理想工作方式是双馈同步运行方式。在这种运行方式下,通过改变控制绕组激励的幅值以及

频率即可实现速度、转矩以及电机性能(效率、功率因数等)的控制。这就是标量控制的思想。由于变频器

一般运行于电流控制模式,因此控制绕组电流的给定值需要计算出来。标量控制利用反馈,采用简单PI调节

器来实现给定,增加系统的稳定性。控制算法采用稳态等效电路,控制系统主要特点是具有一个同步回路。

在快要失去同步时,控制绕组频率计算值fc与给定值fc’的差别较大,如果这种差别没有减小的趋势,那么标量

控制算法控制器会指示将fc’调整以接近fc,并调节PI参数,这样就保证了同步运行并最终建立所需的速度。

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标量控制采用算法比较简单,容易在较低价格的微处理器上实现,可以在一定程度上提高无刷双馈电机的机

电性能。适用于对动态性能要求不高的场合,如风机、水泵等。

2.2无刷双馈电机直接转矩控制

在无刷双馈电机中,由于一套绕组不可控,因此用来使转矩和磁链达到所需方向的矢量是不确定的,这导致传

统的直接转矩控制方法必须加以改进才能应用于无刷双馈电机。于是提出了基于一套绕组来估计磁链和转

矩变化的无刷双馈电机的直接转矩控制方法。如果能估计出转矩及磁链的变化,那么控制绕组的给定电压就

可以计算出来,从而得到变频器的开关函数,控制变频器使之输出需要的电流幅值以及频率。

直接转矩控制需要测量端电压、端电流以及转子速度来估计电机的磁链与转矩。

直接转矩控制的计算量较大,不能采用一般的微处理器,需要采用高速的微处理器,实时地处理输入输出量