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清 华 大 学 学 报
(
自 然 科 学 版
)
2010 ,50 (1)
方案 ,并据此实现了一套 2 MW 对拖式双馈电机
试验台 。试验表明 ,本文提出的设计方案和控制
方法能够满足双馈发电机的型式试验和出厂试验
的需要 。
1
双馈电动调速系统控制原理
本文设计的对拖式双馈电机试验平台的结构如
图 1 所示 。陪试用双馈电动机和变流器系统通过由
三个辅助开关 Q F2 、Q F3 和 Q F4 组成的切换装置
连接 ,组成双馈电动机调速系统 。
图
1
对拖式双馈电机试验平台
1. 1 两种运行模式
双馈电动机调速系统可以工作在两种运行模式
下 : 一种是定子变频运行模式 ,一种是双馈运行模式。
当系统运行在定子变频运行模式时 ,辅助开关
Q F3 、Q F4 闭合 , Q F1 、Q F2 断开 ,电机的转子绕组
被直接短路或经起动电阻短路 ,变流器作为一台全
功率通用变频器与双馈电动机的定子绕组相接 ,直
接驱动双馈电机做异步运行 ,此时的调速系统等效
为一个异步电机变频调速系统 ,可实现对拖机组的
转子从静止到超过同步转速一定范围内的无极调
速 ,以满足双馈风力发电机空载和超速试验等的要
求 。在起动过程中可采用开环变压变频控制或闭环
矢量控制 ,在保证起动转矩的同时可有效限制起动
冲击电流 ,实现机组平滑起动 。
为了节省成本 ,转子变流器的容量通常只有双
馈电动机的 1/ 3 左右 ,因此 ,定子变频运行时电动机
输出的机械功率有限 ,不能用于双馈发电机功率曲
线及温升试验等要求满载运行的试验场合 ,为此 ,需
要将电动机的控制切换到双馈运行模式 。此时 ,将
Q F3 和 Q F4 断开 ,然后控制 Q F1 和 Q F2 闭合 ,通
过变流器调节双馈电机转子电流的频率 、
幅值和相
位 ,实现双馈电动机的并网和带载调速运行 。切换
过程需要快速的并网控制策略 ,以避免电机转速跌
落出变流器所允许的转速范围 。
1. 2 双馈电动机矢量控制
为了控制双馈电动机的功率因数 ,并取得较好
的转矩 、
转速调节动态特性 ,本文采用了定子电压定
向矢量控制方法 ,对双馈电动机的转速及无功功率
进行闭环控制 。
定子电压定向坐标系下可令
u
sd
= 0
,
此时旋转
坐标系下的双馈电动机数学模型如下 。
电压方程
:
0
= R
s
i
sd
+ p
ψ
sd
-
ω
s
ψ
sq
,
(
1
)
u
sq
= R
s
i
sq
+ p
ψ
sq
+
ω
s
ψ
sd
,
(
2
)
u
rd
= R
r
i
rd
+ p
ψ
rd
-
ω
sl
ψ
rq
,
(
3
)
u
rq
= R
r
i
rq
+ p
ψ
rq
+
ω
sl
ψ
rd
.
(
4
)
磁链方程
:
ψ
sd
= L
s
i
sd
+ L
m
i
rd
,
(
5
)
ψ
sq
= L
s
i
sq
+ L
m
i
rq
,
(
6
)
ψ
rd
= L
r
i
rd
+ L
m
i
sd
,
(
7
)
ψ
rq
= L
r
i
rq
+ L
m
i
sq
.
(
8
)
电磁转矩方程
:
T
e
= n
p
L
m
( i
sq
i
rd
- i
sd
i
rq
) .
(
9
)
运动方程
:
p
ω
r
= n
p
( T
e
- T
L
) / J .
(
10
)
其中
: R
、
i
、
ψ、
u
分别表示电阻 、
电流 、
磁链和电压
;
下标 s 、r 分别表示定子量和转子量
;
下标 d 、q 分
别表示旋转坐标系下 d 轴 、q 轴分量
;
ω
s
表示同步
旋转频率
;
ω
sl
为滑差频率
;
ω
r
为电机转速
; p
为微
分算子
; L
m
、
L
r
、
L
s
分别为双馈电动机的互感 、
转
子电感和定子电感
; n
p
为极对数
; T
e
为电磁转矩
,
T
L
为负载转矩
, J
为转动惯量 。
由于双馈电动机定子绕组直接与电网相连
,
定
子电阻压降的影响可以忽略
,
稳态时定子磁链ψ
s
相
位落后定子电压
u
s
90°
,
在定子电压定向坐标系下
,
对应ψ
sq
= 0
,
此时定子磁链 、
电磁转矩及无功功率
的表达式可以简化为
:
ψ
sd
≈
L
m
i
ms
=
ψ
s
= U
s
/
ω
s
,
(
11
)
i
sq
= - L
m
i
rq
/ L
s
,
(
12
)
T
e
= - n
p
i
ms
i
rq
L
2
m
/ L
s
,
(
13
)
Q
s
= U
s
( i
ms
- i
rd
) L
m
/ L
s
.
(
14
)
其中
i
ms
为广义励磁电流 。可以看出
,
若保持定子磁
链ψ
s
恒定
,
则双馈电机
T
e
与
i
rq
成线性关系
, Q
s
与
i
rd
成线性关系
,
对转子电流 d 、q 轴分量分别控制即
可实现转矩和无功功率的解耦调节 。双馈电动机矢
量控制框图如图 2 所示 。
DC-AC电机技术论坛
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