双馈异步发电机转矩控制方法改进研究

康朋飞 党幼云 方露

摘 要：随着风力发电机组容量的不断增大，提高风能利用率和风电机组运行效率已经成为风力发电技术研究的重要内容之一。为了提高风能利用效率、保证功率输出的稳定，针对风波动变化较快的特点，本文基于双馈风电系统对变速恒频技术进行分析研究，采用直接转矩控制技术，并以阵风为例，通过MATLAB仿真软件对不同风速下的风电机组变速恒频动态运行特性进行控制、仿真分析，对有效提高风机的运行效率有明显作用。

关键词：变速恒频；直接转矩；利用效率；波动

随着能源问题的日益严峻，世界各国竞相发展可再生能源。风能凭借其绿色环保、容易开发、性价比高等优势得到了世界各国的认可，是目前世界上发展得最快的可再生能源[1]。风速的随机性，不确定性特点导致风电场的输出功率不断波动和震荡，如果接入电网势必会对电网产生一系列不良影响，所以在风电穿透功率较大的电网中，风电机组的运行特性显得极为重要，尤其是其动态响应特性和直接转矩的控制方法。本文针对风力发电机组的控制问题展开研究，通过对双馈发电机的直接转矩控制方法进行改进，并对不同风速下的风电机组变速恒频动态运行特性进行仿真分析，以提高风机的运行效率。

1 直接转矩控制概述

直接转矩控制也称之为“直接自控制”，“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制[2]。

直接转矩控制技术是利用空间矢量、定子磁场定向分析方法，直接在定子坐标系下分析双馈异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band-Band调节器控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动在一定的容差范围内，容差的大小是由频率调节器来控制，并产生PWM脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行分析控制，以获得高动态性能的转矩输出[3]。它的控制效果是不取决于异步发电机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩实际状况，它不需要将交流电动机与直流电动机作比较、等效、转化，也不需要模仿直流电动机的控制，由于它省掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦和简化异步电动机数学模型，没有通常的PWM脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构比较简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制的方式。和矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用是定子磁链，它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。只需要知道定子电阻就可以把它检测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机转子电阻与电感。以至于直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响。直接转矩控制强调的是转矩的直接控制以达到所需效果。与矢量控制方法不同的是，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是被控量直接转矩，对转矩的直接控制或直接控制转矩，既简化又直接[4]。

双馈发电机的直接转矩控制是通过控制转子磁链速度来控制电机转矩，进而控制发电机的输出功率。在转子坐标系上建立它的数学模型，定子绕组直接接电网，使定子磁链基本上保持恒定；转子磁链的幅值由馈入的三相交流电压决定，通过磁通角θ的变化和空间电压矢量的选择来控制转矩的大小[5]。

2 双馈发电机直接转矩控制方法的改进研究

2.1 直接转矩控制系统的构成

直接转矩控制系统按照功能结构可由PWM逆变器模块，转子磁链、电磁转矩计算模块，转子磁链、转矩滞环调节模块，转子磁链区间判定模块，电压矢量选择模块五个部分构成[6]。

作为双馈异步发电机直接转矩控制系统的核心部分，逆变器起着连接电源和发电机的桥梁作用，对电机的调节就可以通过对逆变器调节来实现[7]。因此，PWM逆变器控制算法对于风机的直接转矩控制相当重要。

2.2 PWM逆变器控制算法改进

图2.1所示为星形连接理想电压型逆变器的主电路图，直流电源udc被分成各为udc/2的两部分，其中点O为零电位，Sa、 Sb、Sc表示同一桥臂上两个开关的状态，ua、ub、uc用来表示三相电压，若Sa=1表示a相导通用“1”表示，否则a相关断，就用“0”表示。b、c相同理[8]。

以a相为例，其输出电压与开关状态的对应关系为：

双馈发电机的直接转矩控制是在两相旋转坐标系下进行运算的，其中所用的

基本电压矢量ur（t）是由式（2-2）定义。

其中，ua、ub、uc分别为a、b、c三相转子（或定子）绕组的相电压，它们在相位上互差120°。

设逆变器输入电压为udc，则其输出的三相相电压分别为：

对电机的控制正是通过控制逆变器的开关状态来改变电机的定子侧电压的幅值和频率，从而使电机的输出转矩发生变化，达到变频调速的目的[9]。

2.3 直接转矩控制

电压矢量选择模型的开关状态是事先确定好的，当系统采样时间越小，开关状态切换的频率就越高，所得到的转子磁链平均旋转速度越均匀，因而电磁转矩的脉动也越小[10]。当然这样对功率器件的要求较高，开关损耗也会增加。

由直接转矩控制的仿真框图所测得信号电压电流信号分别经过坐标变换，得到udc、uqr、idr、iqr，并通过磁链转矩计算模块计算出电磁转矩Te，转子磁链的幅值―Ψe―，d轴分量Ψdr，q轴分量Ψqr。磁链区间判断模块利用磁链的两个分量信号判断出转子磁链所在区间信号θ，同时实际转矩T与反馈转矩T*进行比较后得到转矩开关信号τ，实际磁链Ψr与反馈转矩 Ψ*r进行比较，经过处理后得到磁链滞环比较输出，三个变量共同作为开关电压矢量选择模块的输入量，由该模块实现正确的电压选择，输出量即为逆变器输入端需要的空间电压矢量，从而对双馈发电机进行最有效的控制[11]。

3 双馈发电机的直接转矩控制改进方法的仿真实现

3.1 仿真数据

系统仿真参照SEC-1250KW风机数据，详细参数见下表3.1所示，由于不牵扯变桨问题，桨距角设置为最优值β=00。

仿真中的风速模型采用了阵风为例[12]，仿真出在阵风情况下发电机转速。其中基本风速为7m/s，阵风起始时间2.2s，周期4s，最大峰值为1m/s；

3.2 仿真结果

由图3.1-3.4可知，在阵风条件下，风电机组各个部分的動态响应特性比较稳定，双馈发电机转矩控制系统的控制转子侧的控制效果比较理想。所以在风速变化时发电机基本可以稳定的发电，在提高发电的同时，对风机也得到了有效的保护。

4 结语

直接转矩控制系统是双馈异步发电机的一种重要的控制系统，如何使其发挥重大作用，以使双馈异步发电机能更有效的应用，是当前研究的热门问题。本文主要对双馈异步发电机的直接转矩控制系统部分进行了研究和分析。通过对双馈异步风力发电机的直接转矩控制方法改进，并对风电机组在不同风速下的变速恒频动态运行特性进行分析，建立风电机组变速恒频动态运行特性仿真模型[13]。并以阵风为例，对不同风速下的风电机组变速恒频动态运行特性进行仿真分析，有效提高了风机的运动效率。

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