專利名稱：消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，具體涉及ー種使用磁場重構(gòu)方法(Field Reconstruction Method,FRM)解決風(fēng)カ發(fā)電用雙饋感應(yīng)電機(jī)由于電網(wǎng)電壓不平衡或者電網(wǎng)電壓諧波引起的振動(dòng)問題的方法。
背景技術(shù)：
雙饋感應(yīng)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator, DFIG)具有有功、無功功率獨(dú)立調(diào)節(jié)能力，可實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的變速恒頻運(yùn)行，并且由于其勵(lì)磁用變流器容量小于風(fēng)電機(jī)組額定容量，降低了成本，成為當(dāng)前風(fēng)能開發(fā)利用中的主流發(fā)電機(jī)類型。但由于電網(wǎng)造成的系統(tǒng)不平衡和系統(tǒng)諧波會(huì)惡化電機(jī)的性能，產(chǎn)生不希望的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。這些轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)將 使得發(fā)電機(jī)輸向電網(wǎng)的功率出現(xiàn)震蕩的情況，也使得塔筒的機(jī)械可靠性遭到潛在地惡化，減少附在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的運(yùn)動(dòng)部件的壽命，并且會(huì)產(chǎn)生比較大的噪音。隨著風(fēng)カ發(fā)電機(jī)組功率等級(jí)的提升，風(fēng)カ渦輪機(jī)尺寸在不斷増加，機(jī)械共振的固有頻率也隨之減小，因此更容易受到由系統(tǒng)問題引起的機(jī)械共振的影響。系統(tǒng)不平衡和系統(tǒng)諧波引起的這種現(xiàn)象已經(jīng)越來越引起人們的關(guān)注。通常來說，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法主要有兩種I、機(jī)械設(shè)計(jì)方法在前期機(jī)械設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括傾斜轉(zhuǎn)子或定子槽、分?jǐn)?shù)槽距繞組等，從而達(dá)到限制或補(bǔ)償?shù)哪康摹１M管這是目前減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的最有效的方法之一，但是其在ー些應(yīng)用場合并不適當(dāng)。特別是，傾斜和分?jǐn)?shù)槽繞組將會(huì)引起平均轉(zhuǎn)矩的減少。另外，還有ー些設(shè)計(jì)方法則需要高度精密的制造業(yè)，成本顯著增加。2、電機(jī)控制方法通過對(duì)電機(jī)的優(yōu)化控制達(dá)到減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的目的是ー種比較好的方法，傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)控制方法(例如磁場定向矢量、直接轉(zhuǎn)矩、每安培最大轉(zhuǎn)矩、V/F等)大都基于電機(jī)的集總參數(shù)模型。有的研究采用磁場定向矢量控制方法，根據(jù)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的二次諧波特性，在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器經(jīng)典控制算法中的d軸和q軸電流環(huán)中分別增加了 d軸轉(zhuǎn)子電壓和q軸轉(zhuǎn)子電壓補(bǔ)償分量，這種方法類似于増加了一個(gè)向轉(zhuǎn)子電路中注入負(fù)序量的控制環(huán)，通過這種方式來補(bǔ)償定子電路中的負(fù)序分量，從而補(bǔ)償在不平衡電網(wǎng)電壓下轉(zhuǎn)矩及無功功率的脈動(dòng)。有的研究在傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，為進(jìn)ー步提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在全速度磁鏈觀測數(shù)學(xué)模型中引入了模糊邏輯思想，提出了全速度模糊模型直接轉(zhuǎn)矩控制。該模型把磁鏈相位角、磁鏈誤差和轉(zhuǎn)矩誤差作為模糊變量，并對(duì)其進(jìn)行合理的模糊分級(jí)來優(yōu)化電壓空間矢量的選擇，有效地解決了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。另外，有的文獻(xiàn)提出了優(yōu)化的雙饋異步風(fēng)カ發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器或者電網(wǎng)側(cè)整流器控制方法，通過將傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器改為PIR調(diào)節(jié)器，并將PIR調(diào)節(jié)器中的設(shè)定頻率設(shè)定為二倍同步旋轉(zhuǎn)角速度，對(duì)擾動(dòng)量中的二倍頻的負(fù)序分量進(jìn)行完全的抑制，從而避免不平衡電網(wǎng)電壓引起的發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)情況。
盡管上述基于集總參數(shù)模型的方法在實(shí)踐中證明是有效的，但是他們是以ー些假設(shè)為前提的，包括定、轉(zhuǎn)子三相繞組完全對(duì)稱，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動(dòng)勢在空間呈正弦分布，忽略定子槽和轉(zhuǎn)子槽引起的諧波因素(齒槽效應(yīng))等。實(shí)際上，電機(jī)繞組(尤其是轉(zhuǎn)子繞組)很少是完全対稱的，氣隙磁動(dòng)勢在空間的分布可能并不是正弦的，而且齒槽諧波也是現(xiàn)實(shí)存在的。另外，電機(jī)控制的精度受電機(jī)模型參數(shù)精度影響大，使得對(duì)電機(jī)的控制過度依賴于對(duì)電機(jī)等效電路的精確理解。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，通過對(duì)轉(zhuǎn)子電流的謹(jǐn)慎選擇消除這些不希望的振動(dòng)。為了最大限度的消除由電網(wǎng)電壓不平衡和電網(wǎng)電壓諧波引起的雙饋異步感應(yīng)發(fā) 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，并且減小由于電機(jī)模型參數(shù)精度對(duì)電機(jī)控制的影響，本發(fā)明提出了ー種電機(jī)磁場重構(gòu)方法，基于實(shí)際電機(jī)的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料以及電氣參數(shù)等，從磁場角度研究カ矩的產(chǎn)生，并通過對(duì)轉(zhuǎn)子電流的優(yōu)化去消除這些不希望的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，作為ー種替代勵(lì)磁方案，該方法避免了由于電機(jī)等效模型的不精確所帶來的控制精度問題。通過計(jì)算得到最優(yōu)的轉(zhuǎn)子電流，可以有效地減弱系統(tǒng)引入的轉(zhuǎn)矩振動(dòng)現(xiàn)象，從而最大限度的降低系統(tǒng)不平衡和系統(tǒng)諧波對(duì)風(fēng)カ發(fā)電用雙饋感應(yīng)電機(jī)性能的影響。


圖I為磁場重構(gòu)方法示意圖；圖2為雙饋感應(yīng)電機(jī)電路圖；圖3為雙饋感應(yīng)電機(jī)在風(fēng)カ發(fā)電中的應(yīng)用；圖4為A相電網(wǎng)電壓跌落20%時(shí)的三相電網(wǎng)電壓波形；圖5為由20%的電網(wǎng)電壓不平衡狀況引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)波形圖；圖6為DFIG模型及其坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖；圖7為氣隙中的磁通密度和電磁力法向及切向分量；圖8為通過IA電流的單導(dǎo)體周圍磁場分布；圖9為應(yīng)用于FRM中的基礎(chǔ)函數(shù)的簡單計(jì)算-切向基礎(chǔ)函數(shù)；圖10為應(yīng)用于FRM中的基礎(chǔ)函數(shù)的簡單計(jì)算-法向基礎(chǔ)函數(shù)；圖11為定子繞組通三相正弦交流電流時(shí)DFIG中磁通密度的分布；圖12為轉(zhuǎn)子電流優(yōu)化流程圖；圖13為磁場重構(gòu)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；圖14為在不平衡電網(wǎng)電壓下優(yōu)化后的轉(zhuǎn)矩波形；圖15為本發(fā)明的方法的示意流程圖。
具體實(shí)施例方式下面參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。為了獲得磁通密度的分布，電機(jī)首先使用有限元解算器進(jìn)行建模，本發(fā)明運(yùn)用的是商業(yè)軟件Infolytica Magnet。這種思想在圖I中表現(xiàn)出來，輸入為定子三相電流和轉(zhuǎn)子位置，輸出為磁場密度法向及切向部分。在任意轉(zhuǎn)子位置，氣隙磁通密度的合成法向和切向部分能夠通過有限元分析方法求得，相應(yīng)的カ密度f使用電磁場應(yīng)カ張量(MaxwellStressTensor)方法計(jì)算得到。由于系統(tǒng)不平衡的影響，在雙饋感應(yīng)電機(jī)(雙饋感應(yīng)電機(jī)電路圖如圖2所示)氣隙中磁動(dòng)勢將產(chǎn)生不期望的部分。尤其是，定子三相電流幅值不平衡的存在能夠在雙饋感應(yīng)電機(jī)氣隙中產(chǎn)生ー個(gè)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)和ー個(gè)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的磁場部分。假設(shè)定子繞組是正弦分布的，在不平衡定子電流面前產(chǎn)生的磁動(dòng)勢可以用下面的公式來給出
權(quán)利要求
1.一種消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，其特征在于，包括 1)根據(jù)雙饋感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料以及電氣參數(shù)，通過有限元方法建立雙饋感應(yīng)電機(jī)DFIG模型，定義其坐標(biāo)系統(tǒng)； 2)在單線圈激勵(lì)的情況下，根據(jù)電磁場特性，建立有限元等式來確定氣隙中間的每一個(gè)表面的磁通密度的法向及切向分量； 3)利用所述法向及切向分量建立磁通密度的基礎(chǔ)函數(shù)組，來預(yù)測在任意轉(zhuǎn)子勵(lì)磁和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下作用在電機(jī)內(nèi)部的磁場，并計(jì)算出電磁力的徑向及切向分量；以及 4)從磁場角度獲得轉(zhuǎn)矩等式，優(yōu)化轉(zhuǎn)子電流減少電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，其特征在干，所述步驟2)還包括 通過電磁場應(yīng)カ張量方法計(jì)算氣隙中電磁力密度的法向和切向分量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，其特征在干，所述步驟3)還包括 利用穩(wěn)恒磁場方法計(jì)算得到所述基礎(chǔ)函數(shù)組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，其特征在干，所述步驟3)還包括 通過轉(zhuǎn)子和定子電流將定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的磁通密度組合起來獲得在氣隙中總的磁通密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，其特征在干，所述步驟3)還包括 使用麥克斯韋爾電磁場應(yīng)カ方法計(jì)算氣隙中電磁力的所述徑向及切向分量。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，其特征在干，所述步驟4)還包括 將氣隙的輪廓離散為η個(gè)相等的部分，估算出在給定瞬時(shí)時(shí)間內(nèi)和相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置的全部轉(zhuǎn)矩；以及 通過在エ頻周期內(nèi)連續(xù)計(jì)算電磁轉(zhuǎn)矩，估計(jì)出雙饋感應(yīng)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法，其特征在干，所述步驟4)還包括 測量定子電流的實(shí)時(shí)數(shù)值，通過轉(zhuǎn)子基本函數(shù)計(jì)算出轉(zhuǎn)子電流，當(dāng)平均切向力符合平均切向カ閾值以及計(jì)算出的轉(zhuǎn)子電流滿足預(yù)先設(shè)定的熱限制時(shí)，輸出當(dāng)前定子電流值。
全文摘要
一種消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的磁場重構(gòu)方法。為了最大限度的消除由電網(wǎng)電壓不平衡和電網(wǎng)電壓諧波引起的雙饋異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，本專利提出了一種電機(jī)磁場重構(gòu)方法，基于實(shí)際電機(jī)的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料以及電氣參數(shù)等，運(yùn)用Infolytica Magnet電磁場仿真軟件，從電機(jī)磁場角度研究力矩的產(chǎn)生，并通過對(duì)轉(zhuǎn)子電流的優(yōu)化去消除這些不希望的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。作為一種替代勵(lì)磁方案，該方法避免了由于電機(jī)等效模型的不精確所帶來的控制精度問題。這種磁場重構(gòu)方法具有計(jì)算速度快，消除雙饋感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)效果明顯等特點(diǎn)，可用于解決風(fēng)力發(fā)電用雙饋感應(yīng)電機(jī)由于電網(wǎng)電壓不平衡或者電網(wǎng)電壓諧波引起的振動(dòng)問題。
文檔編號(hào)H02P21/05GK102651627SQ20111004742
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者朱峰 申請(qǐng)人:國電龍?jiān)措姎庥邢薰?br>