轴带双馈发电机的空载并网控制和功率解耦控制仿真研究

冯玉龙，艾 钢

● （中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

轴带双馈发电机的空载并网控制和功率解耦控制仿真研究

冯玉龙，艾 钢

● （中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108）

对船舶轴带双馈发电机的数学模型和控制方式进行了详细探讨，研究了船舶轴带双馈发电机的空载并网控制和功率解耦控制两种控制策略，并在Matlab/Simulink环境下，搭建了两种控制模式下的双馈发电仿真系统，对轴带双馈发电系统的相关动态和静态特性进行了仿真和分析。结果表明：轴带双馈发电机在空载并网控制模式下具有良好的跟随参考电压特性，在功率解耦控制模式下具有良好的功率解耦特性，对有功功率和无功功率给定能够快速响应，稳态误差被控制在较小范围内。

轴带发电机；双馈发电机；空载并网；功率解耦

0 引言

轴带发电机是由主机驱动发电机的供电装置，能够充分利用主机的剩余功率发电，大幅度降低燃油消耗量，是一种有效的节能方式。目前，船舶主机大多采用定距桨，这种船舶在航行状态时，为了改变航速，主机的转速甚至转向都是可变的。为了使轴带发电机实现变速恒频运行，必须使用频率补偿装置。近年来，采用燃气轮机和采用混合动力的船舶逐渐增多，而燃气轮机通常采用功率控制模式，因此，研究双馈发电机的功率解耦控制很有价值。文献[1-4]研究了双馈发电机在风力发电中的应用和控制，文献[5]对独立运行的双馈发电机进行了研究，本文对双馈发电机在船舶轴带发电机中的应用和控制特性做了研究。

1 双馈发电机的数学模型和控制系统模型

双馈感应电机在结构上类似于绕线式感应电动机。它的定子与电网连接、转子通过变频器供电。规定将定子电压、电流方向取为发电机惯例，转子侧取为电动机惯例。

将同步旋转d-q坐标系d轴选定在定子磁链上，如图1所示。d-q坐标系以同步速ωs旋转，d轴精确定位于发电机定子磁链矢量ψs的方向上，α1-β1坐标系为定子两相静止坐标系，α2-β2坐标系为转子两相静止坐标系，α1、α2轴分别与定子A相和转子a相轴线正方向同向，所以α2-β2坐标系相对于α1-β1坐标系以转子角速度ωr旋转，转差角速度记为：

图1 坐标变换示意图

1.1 同步旋转坐标系双馈电机的数学模型

坐标变换中采用恒功率变换，得到同步旋转坐标系的数学模型：

磁链方程：

式中：Ls、Lr、Lm分别为经过坐标变换后等效的定子自感、等效转子自感和等效互感；ψ、i分别代表磁链和电流值；下标d、q分别代表该物理量在d、q轴的分量；下标s、r分别代表定子和转子上的物理量，以下各式同样按此规则标注。

将式（1）转换得到电压方程：

式中：u为交流供电电压；Rs、Rr分别为定子、转子侧阻抗；p代表微分算子。

可以将上式改写成状态空间表达式，便于在Matlab/Simulink中建立相应的仿真模型：

考虑在空载状态下有限制条件：

进而有空载条件下的电压方程：

根据式（6）可以得到空载时的双馈电机空间状态方程：

大多数自然和人造系统都能描述为网络，其中实体通过物理或者抽象边连接，这迅速增加了人们对网络理论及其应用领域的研究兴趣 [1-3].基础设施系统，如电力网、因特网、车辆运输系统、航空网等都是网络实例，这些网络给人们的生活提供了极大的便利.然而，在这些网络中，非常局部的攻击或随机故障就能引发整个网络的级联崩溃，造成严重经济损失和社会混乱.典型的例子如，发生在美国、加拿大、意大利、印度、中国等国家的数次大规模停电[4]，因特网崩溃以及一些大城市频繁的交通瘫痪[5].在此背景下，网络应对攻击和随机故障引发的级联故障的鲁棒性和安全性一直是网络科学领域的研究热点.

1.2 定子磁链定向条件下双馈发电机的控制系统模型

1.2.1 双馈发电机的功率解耦控制

当原动机功率受到限制或者原动机采用功率控制时，轴发适合采用功率解耦控制，且功率解耦控制可以实现对有功功率和无功功率的单独控制，对电网的无功补偿同样具有重要意义。

定子磁链空间矢量定向，则有约束条件：

双馈发电机正常工况运行时，定子绕组电阻上的压降相对于电网电压而言很小，可以忽略不计。如果定子磁链ψs保持恒定，则由电压方程式（2）得到：

式中：ψs、us分别为合成磁链矢量和合成电压矢量。

由式（6）可知，定子电压矢量的d轴分量接近于0，此时定子磁链与定子电压矢量近似相互垂直，且存在如下关系式：ψs=us /ωs，θs=θu-π/2。

同时由式(6)可以得到：

其中定义漏磁系数σ=1-[L2m/(LsLr)]。

将式（11）分解为两部分分别作为控制器输出和前馈解耦控制输出：

由式（13）和式（14）可得，采用双闭环控制得到的双馈发电机转子侧功率解耦控制系统框图如2所示。

图2 双馈电机功率解耦控制系统

1.2.2 双馈发电机的空载并网控制

轴带发电机通常需要船舶柴发机组进行并网运行，轴带双馈发电机的并网分为空载并网和带载并网，本文采用更易实现的空载并网控制方式。

根据得到的空载并网控制时的电压公式（4）和磁链方程（1）进而可以得到：

图3 双馈电机空载并网控制系统

可以采用式（17）确定的关系进行转子侧控制，但考虑实际动态调节过程中磁场定向误差，iqr可能不为零，故可以根据式（4）进行补偿，得到空载并网时双馈发电系统的控制框如图3所示。

2 轴带双馈发电系统的综合仿真

根据双馈电机在空载条件和带载条件下的数学关系，在matlab中分别编写了相应的S函数作为仿真对象模型，根据上文得到空载并网控制模型和功率解耦控制模型，在Matlab/Simulink中搭建了轴带双馈发电机仿真系统。

仿真参数为：发电机额定功率 30kW，额定电压400V±10%，额定频率50Hz，额定转速1800r/min，定子额定功率25kW，定子额定电流36A，调速范围1000r/min～2000r/min，极对数 2，定子自感Ls=1.1mH，转子自感Lr=2mH，互感Lm=75.9mH，定子电阻0.25Ω，转子电阻0.267Ω。将系统参数进行折算和取标幺值后代入系统模型中，转速给定为1050r/min，并且在系统转子侧加入了一个LCL滤波器以改善电压波形，得到仿真结果如下：

2.1 轴带双馈发电机的空载并网控制仿真

发电机定子电压与电网电压波形如图4所示。发电机定子电压与电网电压偏差如图5所示。发电机转子电压波形如图6所示。发电机定子磁链波形如图7所示。

图4 发电机定子电压与电网电压波形

图5 发电机定子电压与电网电压偏差

图6 发电机转子电压波形

图7 发电机定子磁链波形

2.2 轴带双馈发电机的功率解耦控制仿真

设定系统在0.8s时刻并网，控制策略从空载并网控制变换为功率解耦控制，1.2s时刻给定3kw的有功功率指令信号，1.6s时刻给定1kw的无功功率指令信号，仿真结果如图8～图11所示。

图9 加载无功指令时发电机定子侧电压电流波形

图10 发电机转子侧电流波形

由图4、5可以看到，空载并网控制中发电机电压能较好的跟踪电网电压，在1/4周期内实现准确跟踪，这样在并网时的冲击电流就能得到有效控制；图7表明定子磁链按照圆形轨迹运行良好；图8、9显示了功率解耦控制时加载有功和无功指令时定子侧电压和电流波形，图10显示了功率解耦控制下转子侧电流随负载的变化情况，波形表明电压相对保持稳定，转子侧响应迅速并超调很小；图11进一步表明定子侧的有功、无功输出很好的跟踪了指令值；整个系统运行过程中具有较好的动态特性且最终稳态误差较小。

图11 发电机定子侧有功率和无功功率波形

3 结论

本文对轴带双馈发电机的空载并网控制和功率解耦控制做了仿真研究，结果表明：

1）轴带双馈发电机空载并网过程中能很好地跟踪电网电压，能快速、有效地减小发电机电压和船舶电网电压之间的误差，并且频率稳定，实现顺利并网；

2）轴带双馈发电机在由空载并网控制模式转变为功率解耦控制模式的动态过程较为平稳，调节速度较快，稳定后有功功率和无功功率误差在较小范围内；

3）轴带双馈发电机在功率解耦控制模式下能快速、有效地实现对定子有功功率和无功功率的解耦控制，并且稳态误差在较小范围内；

4）轴带双馈发电机的功率解耦控制可应用于原动机的功率控制方案中，利于实现动力系统的高效、稳定运行。

[1]刘其辉,贺益康,卞松江,等.变速恒频风力发电机空载并网控制研究[J].中国电机工程学报,2004,24(3):6-11.

[2]刘其辉,贺益康,张建华,等.变速恒频风力发电机的运行控制和建模仿真[J].中国电机工程学报,2006,26(5):43-50.

[3]李晶,宋家骅,王伟胜,等.大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J].中国电机工程学报,2004,24(6):100-105.

[4]胡 文,肖强晖.双馈风力发电机组空载并网控制策略研究[J].湖南工业大学学报,2012,26(6):25-29.

[5]邹旭东.变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

Simulation Research on Control of Free-load Grid-connection and Power Decoupling for Doubly Fed Shaft Generator

FENG Yu-long,AI Gang
(Shanghai Marine Diesel Engine Research Institute,Shanghai 201108,China)

The mathematical model and control method of doubly fed shaft generator for ship are amply discussed.The two control strategies of free-load grid-connecting and power decoupling are researched.The simulation system of the doubly fed shaft generator at two control modes is established under Matlab/Simulink environment.The characteristics of relevant dynamic state and static state with the doubly fed shaft generator are simulated and analyzed.The results demonstrate that the doubly fed shaft generator has good performance on tracking the reference voltage under the mode of free-load grid-connection,and has good performance on power decoupling under the mode of power decoupling.It responds to active power and reactive power quickly and the steady-state error is controlled in a small range.

shaft generator; doubly fed induction generator (DFIG); free-load grid-connection; power decoupling

TM31

A

冯玉龙(1989-，男，在读硕士。研究方向：船船动力装置。