由威爾斯渦輪驅(qū)動(dòng)的可變速永磁同步發(fā)電機(jī)直流鏈電壓控制

1、2010年第三屆電力電子與智能交通系統(tǒng)國際學(xué)術(shù)會(huì)議由威爾斯渦輪驅(qū)動(dòng)的可變速永磁同步發(fā)電機(jī)直流鏈電壓控制摘要：電能消耗的迅速增長要求發(fā)電能力有所提高。所需的發(fā)電能力提高大部 分可以從風(fēng)、浪和太陽能等可再生資源中提取。盡管風(fēng)力渦輪機(jī)技術(shù)是最具有成 本效益的可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，但是卻因大型陸上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)產(chǎn)生的視覺和噪聲 污染而受到環(huán)保人士的審查。隨后，海浪發(fā)電和海上定位系統(tǒng)的發(fā)展?jié)摿ψ兊梅?常有吸引力。本文提出了威爾斯渦輪驅(qū)動(dòng)的可變速永磁同步發(fā)電機(jī)的性能分析和 直流鏈電壓的控制。重點(diǎn)放在電氣部分，即發(fā)電機(jī)，電力電子轉(zhuǎn)換器和它們的控 制。利用MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)渦輪、發(fā)電機(jī)和電力電子轉(zhuǎn)

2、換器進(jìn)行了建 模，通過這些模型對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究。這些信息可用于設(shè)計(jì)合適的 電力電子控制器。索引詞：直流鏈電壓，永磁式同步發(fā)電機(jī)，電力變換器控制，威爾斯渦輪引言跟風(fēng)力發(fā)電不同，波浪發(fā)電是一個(gè)相對(duì)年輕的技術(shù)。波浪產(chǎn)生于海洋表面， 起因于地球表面熱量分布不均形成的風(fēng)系。因此，水波中的能量密度大大高于風(fēng) 能和太陽能。這就導(dǎo)致了對(duì)于給定的功率輸出，波浪發(fā)電變流器遠(yuǎn)小于風(fēng)力發(fā)電 變流器。在深水處和強(qiáng)烈風(fēng)暴時(shí)的平均年發(fā)電是有很大差別的。因此，我們的挑 戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，即可以經(jīng)濟(jì)的提取資源又能在苛刻的環(huán)境中正常運(yùn)行。海岸 線上的廠房建設(shè)解決了這個(gè)問題但是只能減少平均波浪資源。振蕩水柱（OWC）

3、是目前最流行的用于波能轉(zhuǎn)換的設(shè)備，通常設(shè)計(jì)為岸上安裝。它將波能轉(zhuǎn)換成低 壓，高流量的氣流，這些氣流用來驅(qū)動(dòng)連接在發(fā)電機(jī)上的威爾斯渦輪。傳統(tǒng)的異步發(fā)電機(jī)被廣泛應(yīng)用是因?yàn)樗梢援a(chǎn)生令人滿意的合理范圍內(nèi)的 速度，且高于同步轉(zhuǎn)速。但是異步發(fā)電機(jī)需要依賴外部電壓源在定子上產(chǎn)生磁場(chǎng)。 也就是說這種裝置要消耗無功功率來產(chǎn)生有功功率。另一方面，永磁同步發(fā)電機(jī) 是由傳統(tǒng)同步機(jī)中的電磁體被永磁體代替而形成的。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且既不像傳 統(tǒng)同步機(jī)那樣需要直流電源來產(chǎn)生磁場(chǎng)，也不像異步發(fā)電機(jī)那樣需要交流電源。 通過引入同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的電力電子接口，同步發(fā)電機(jī)可以在不同速度下 運(yùn)行。變速操作使渦輪能夠保持理想的旋轉(zhuǎn)

4、速度以實(shí)現(xiàn)最佳效率，并且能夠降低結(jié) 構(gòu)應(yīng)力的峰值。由于輸出頻率通常不是50HZ，所以一般需要在發(fā)電機(jī)的終端接 入一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器，但是卻因此引入了額外的費(fèi)用。速度取決于輸入情況，可在 相當(dāng)寬的范圍里改變，渦輪能在不同的輸入情況下提取最大功率。pwm rectifier de link Inverter圖1研究用到的系統(tǒng)本論文，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行了由威爾斯渦輪驅(qū)動(dòng)的可變速 永磁同步發(fā)電機(jī)的建模。研究中用到的基本系統(tǒng)如圖1所示。發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)通過 電壓源型變換器相連接。這些換流器包括PWM交流/直流轉(zhuǎn)換器、中間直流環(huán) 節(jié)和一個(gè)PWM直流/交流轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)應(yīng)該在固定的電壓和頻率上

5、對(duì)電網(wǎng)提供 恒定功率。由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓波動(dòng)必須要被鏈接電容器吸收。不同輸入情況下 的發(fā)電機(jī)性能對(duì)直流鏈電壓及其控制的影響將在下文中詳述。系統(tǒng)建模A.渦輪機(jī)的建模威爾斯渦輪是一個(gè)自整流式空氣渦輪，它不需要整流閥。帶有威爾斯渦輪的 系統(tǒng)能夠從流出和流入水柱的氣流中提取能量。渦輪能夠以幾百轉(zhuǎn)每分鐘的高速 旋轉(zhuǎn)，所以它可以直接耦合到發(fā)電機(jī)的主軸上而不需要變速箱變速。當(dāng)壓力降以 相當(dāng)于2 3m典型海浪高度穿過渦輪，而且壓力降正比于氣流時(shí)，渦輪的轉(zhuǎn)子 運(yùn)行效率最高。威爾斯渦輪具有線性功率特性，這一特性使它能夠與波活動(dòng)理想 匹配。威爾斯渦輪的數(shù)學(xué)模型基于下面的方程： TOC o 1-5 h z dp =

6、C p b l(n /2)(1 / a )(V 2 + r 2)(1)a a hr XtT = C p b l (n / 2) r (V 2 + r 2)(2)式中：dp 一壓差，Pa；式中：dp 一壓差，Pa；T一由渦輪產(chǎn)生的總扭矩，Nm； p 一空氣質(zhì)量密度， 渦輪葉片高度， l 一葉片弦長，m；一渦輪平均半徑；一轉(zhuǎn)子環(huán)形面積Kg/m3 ；m；arot一轉(zhuǎn)速 ，rad /m ；一功率系數(shù)；一轉(zhuǎn)矩系數(shù)。模型中用到的功率和轉(zhuǎn)矩系數(shù)與流量的變化關(guān)系來自參考5。流量定義如 方程3所示：(3) = V / (r (3)式中： 一空氣在振蕩水柱中的絕對(duì)軸向速度。B發(fā)電機(jī)的建模永磁同步機(jī)組件既可工作于發(fā)

7、電機(jī)模式也可以工作于電動(dòng)機(jī)模式，操作模式 可以通過機(jī)械轉(zhuǎn)矩的符號(hào)來區(qū)別(電動(dòng)機(jī)模式下為正，發(fā)電機(jī)模式下為負(fù))。機(jī) 器的電氣和機(jī)械部分分別由二階狀態(tài)空間模型代表。該模型假設(shè)由定子中的永磁 體建立的通量為正弦波，這就意味著，電動(dòng)勢(shì)是正弦波。該組件實(shí)現(xiàn)了如下所示 的電氣系統(tǒng)方程，在轉(zhuǎn)子參照系中如下所示：d1d1R.Lq(i ) =Vi +-pw idtdLdLdLr qdddd.1RL人pwi v i + -d-pw i -dtq L qLqLrdLqqqqT=1.5 p 人 i +(L-L ) i ieqdqdq(4)式中：L，L q向和d向軸電感;R 一定子繞組的電阻；1 q，1 d 一q向和d

8、向軸向電流；V , V q和d軸向定子電壓；wr一轉(zhuǎn)子角速度；人一在定子相位的轉(zhuǎn)子永磁鐵誘導(dǎo)的通量振幅；P磁極對(duì)數(shù)；T 電磁轉(zhuǎn)矩。對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)，可以應(yīng)用方程5,如下所示:dw = 1(T - Fw - T )(5)dt r(5)d0 = wdt r式中：J轉(zhuǎn)子和負(fù)載的組合慣量；F轉(zhuǎn)子和負(fù)載的組合粘性摩擦;0 轉(zhuǎn)子角位置；Tm軸的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。C.電源轉(zhuǎn)換器模型發(fā)電機(jī)側(cè)變換器由有源元件組成，例如IGBTs,為永磁同步發(fā)電機(jī)提供了最 大程度的利用和控制。幾種控制策略已經(jīng)在文獻(xiàn)中進(jìn)行了討論，即最大轉(zhuǎn)矩控制、 發(fā)電機(jī)整功率因數(shù)控制和恒定定子電壓控制。對(duì)于最大轉(zhuǎn)矩控制，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)向的 參照系中，被控制的定子電

9、流只有正交分量。在這種策略中發(fā)電機(jī)所需的無功功 率不是0，這樣就增加了轉(zhuǎn)換器的評(píng)級(jí)。對(duì)于整功率因數(shù)控制策略，定子的直軸 電流分量用來補(bǔ)償發(fā)電機(jī)所需要的無功功率。這種控制策略的主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)電機(jī) 運(yùn)作在單位功率因數(shù)下，可以最大限度的降低轉(zhuǎn)換器的評(píng)級(jí)。然而，由于定子電 壓不能被直接控制而且要取決于速度的變化，所以可能會(huì)因速度過大而有過電壓 的危險(xiǎn)。對(duì)于恒定定子電壓控制策略，被控制的定子電壓取代了無功功率，并將 其限定到額定值，從而避免了過電壓的危險(xiǎn)，整個(gè)控制過程是在定子電壓導(dǎo)向的 參考系中完成的。在此參考系中d軸對(duì)齊到定子電壓矢量方向。然后有功功率取 決于直軸定子電流，無功功率取決于交軸定子電流。有

10、功功率和無功功率表示如下：P = V si ss2 d s d sQ =- V si ss2 q s q s式中：V , V 一定子電壓的直軸和交軸分量；?，一定子電流的直軸和交軸分量；定子電流的直軸分量L是由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有源功率決定的，定子電流交軸 分量可以用來控制定子電壓使其達(dá)到其額定值。應(yīng)用這些控制，發(fā)電機(jī)和轉(zhuǎn)換器 都能工作在設(shè)定的額定值。但是轉(zhuǎn)換器評(píng)級(jí)會(huì)隨著發(fā)電機(jī)對(duì)無功功率的需求而增 加。所以為了保證產(chǎn)生的有功功率通過直流環(huán)節(jié)供給到電網(wǎng)，直流鏈電壓必須要 保持恒定。假設(shè)一個(gè)損失非常少的轉(zhuǎn)換器表示如下：P = V I = -V i（7）s dc dc 2 ds ds式中：Vdc 一直流鏈

11、電壓，Idc 一發(fā)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)換器的輸出電流。以上表達(dá)式表示，直流鏈電壓和有功功率可以通過ids來控制。iqs可以用來 控制定子電壓。控制方案方塊圖如圖2所示。該控制方案中有快速響應(yīng)的內(nèi)部電 流環(huán)用來控制d軸和q軸定子電流，外部慢回路控制直流鏈電壓和定子電壓。內(nèi) 部控制回路提供d軸和q軸上的控制信號(hào)Pmd和P,回給PWM功率轉(zhuǎn)換器，q軸 參考電流Iqrf由定子電壓誤差信號(hào)經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后產(chǎn)生。同樣的，d軸參考 電流Idrf也可由直流鏈電壓誤差通過PI控制器調(diào)節(jié)來產(chǎn)生。d軸和q軸參考電壓P和Pmq也由電流誤差經(jīng)過PI控制器來確定。d軸的 去耦條件也就是（-w L i ）和q軸的可（Li 5 ）是用

12、來對(duì)d軸和q軸電流進(jìn)行 r q qr d d m獨(dú)立控制的?？刂菩盘?hào)Pmd和Pmq轉(zhuǎn)換成a，b，c分量給PWM轉(zhuǎn)換器，用來生 成脈沖輸入到發(fā)電機(jī)的側(cè)轉(zhuǎn)換器。圖2直流鏈電壓原理框圖仿真結(jié)果不同速度下的威爾斯渦輪驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)的建模和仿真已經(jīng)用在 MATLAB/Simulink環(huán)境中完成。圖3表示的是在軸向速度y為20m/s時(shí)機(jī)器產(chǎn) 生的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)速度，產(chǎn)生的三相定子電壓和三相定子電流:軸向速度設(shè)置在 20m/s是因?yàn)檫@個(gè)值能使發(fā)電機(jī)運(yùn)行在它的額定速度上。圖4a給出了在上述條 件下不帶控制器時(shí)直流鏈電壓的變化情況，圖4b則是有控制器時(shí)直流鏈電壓的 變化情況，從圖中可看出此時(shí)電壓固定在300伏

13、。圖5顯示的是在軸向速度變化 時(shí)機(jī)器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)速度，產(chǎn)生的三相定子電壓和三相定子電流。在這里， 當(dāng) t=0 時(shí)，軸向速度為 40m/s，t=0.2sec 時(shí)，變?yōu)?30m/s，t=0.4sec 時(shí)，變成 20m/s， t=0.6sec時(shí)，為30m/s，t=0.8sec時(shí)，又變回40m/s。圖6a顯示的是在圖5條件 下，不帶控制器時(shí)直流鏈電壓的變化，而圖6b顯示的是相同條件下有控制器時(shí) 直流鏈電壓的變化情況，其中從圖6b中可看到，直流鏈電壓固定在300伏特。)gmoA201 0 90.910.92 0.93 0,94 Q.95 0.96 0.97 0.98 0.991)gmoA201 0

14、90.910.92 0.93 0,94 Q.95 0.96 0.97 0.98 0.991圖3軸向速度20m/s時(shí)的轉(zhuǎn)矩、速度、發(fā)電機(jī)電壓和定子電流(Ez)OJnbCJOQOno. 40202040-I400一一 _ - _ - _ -I 1_|_H 11-一 - _ - o o o o - - 5 o 5 o - o o n 2 2 1 400一一 _ - _ - _ -I 1_|_H 11-一 - _ - o o o o - - 5 o 5 o - o o n 2 2 1 1 0 5 04 3 2 (堊o(hù)nQPA4圖4a無控制器時(shí)直流鏈電壓的變化(SJP/vg TOC o 1-5 h z

15、00 40 50 60 70.80.9time(s)圖4b有控制器時(shí)直流鏈電壓的變化50(SE) peeds(Cu-N) 9ns 0 IIIIIII!_(SE) peeds(Cu-N) 9ns 00 10 20 30 40 50.60.70 80 90-20-400500一=1111L，一0 i iiiiiii0-500 i0.50.60 70.850 ri|IIIII50 |【iiiiii0.8圖5軸向速度逐步改變

16、時(shí)的轉(zhuǎn)矢矩、速度、電壓及定子電流變化圖6a無控制器時(shí)軸向速度改變條件下直流鏈電壓的變化情況3501111111f1111111111-k4114-41IL111111111300250liiirill-|iiiiiiiiiJ 41141111|111111111g 200IJ1111111111111111111111111150十t1l十-t11r-1001111111111J-I111I11J11111111150111111111r rir r ririiii1iiiiiiif01time in sec圖6b有控制器時(shí)軸向速度改變條件

17、下直流鏈電壓的變化情況結(jié)論本文提出了通過背靠背PWM變換器連接到電網(wǎng)上的威爾斯渦輪驅(qū)動(dòng)變速 永磁同步發(fā)電機(jī)的模型。同時(shí)提出了一個(gè)有效的控制策略來使直流鏈電壓保持恒 定。模擬結(jié)果表明，該模型提供了一個(gè)有用的工具，用于研究和分析的集成系統(tǒng) 對(duì)于電網(wǎng)的干擾以及隨輸入條件的變化。結(jié)果還表明，直流鏈電壓得到了有效控 制。參考文獻(xiàn):1 Les Duckcrs. , AV arc Power. Engineering Science and Educational Journal. p. 113-122.June 2000.Whittaker T.J. I . “The development of sho

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