变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究（共5篇）

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 篇1

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 作者：张凤 张晓红 卢业蕙

来源：《科技创新导报》2012年第35期

摘 要：该文分析了变速恒频双馈风力发电系统的运行区域，并针对高低风速区采取不同的控制策略，实现低风速区最大风能追踪和高风速区的额定功率保持。

关键词：风力发电机组 变速恒频 控制策略

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（b）-00-0

1在当今新能源技术开发中，风电成为最成熟、最具开发利用的发电技术。风电机组是风电系统的重要装置，直接影响输出电能的质量和效率，因此选取合适的控制策略是保证系统安全、高效运行的关键。变速恒频双馈感应风力发电系统

变速恒频双馈感应风力发电系统中，风力机通过齿轮箱与发电机转子相连，发电机定子直接连接到电网，转子通过变频器并网。“双馈”是指发电机的定、转子同时向电网馈电。

根据不同的风速，风力发电机组主要有五个运行区域，如图1所示，每个运行区域机组的输出功率不同。

图1 双馈风力发电机组的运行区域

其中，A为并网区；B为最大风能追踪（MPPT）区域；C为过渡区；D为功率限制区。E为切出停机区。

由于风速的不断变化，风电机组运行在不同的运行区域。通常将发电机组的运行策略确定为：低风速区域，实现最大风能的追踪或使发电机的转速最大。高风速区域，实现发电机组保持额定功率输出。低风速区风力发电机组的控制策略

（1）矢量控制双馈发电机组矢量控制的目标是对发电机中复杂变量间的关系解耦，使实现控制变得简单。基于双馈发电机的动态数学模型利用基于定子磁链定向的矢量控制实现有功功率P和无功功率Q的解耦控制，再分别对其施行闭环控制，实现风电系统的变速恒频运行和最大风能捕获[1]。

（2）直接转矩控制（DTC）直接转矩控制是通过对感应发电机的磁链和转矩做滞环比较，再适当选择逆变器的开关状态实现对发电机转矩的控制，进而实现对发电机最大转速的控制。

直接转矩控制的磁链轨迹有两种形式，一种正六边形，六条边对应于六个电压矢量，通过切换逆变器的开关状态，实现对磁链轨迹的控制[2]；另一种圆形，通过实时计算发电机的转矩和磁链的误差，结合定子磁链的空间位置选择相应的开关矢量。

（3）滑模变结构控制滑模变结构控制是利用其高速开关特性将系统的相轨迹引导到一个设计好的曲面上，使系统的状态变量在设计好的的曲面上做滑模运动。双馈感应发电系统以功率相对误差作为切平面，实现误差跟踪和风能最大捕获[3]；以力矩为控制信号，解决滑动模切换抖动的问题。高风速区风力发电机组的控制策略

当风速达到或超过额定风速后，风力发电机组进入功率限制区。变桨距控制技术是指通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的转矩或者功率，在高风速区域通过对桨叶节距角的调整，调节发电机的输出功率保持

恒定。

（1）模糊PID控制。模糊PID控制在双馈风电系统的应用是将控制规则利用模糊集表示成规则库存入到计算机，计算机根据实际响应状况进行模糊推理，实现对PID参数的最优调整，改善了系统的动态性能，提高系统的抗干扰性和鲁棒性。给定信号为发电机的限制功率或转速，反馈信号与给定信号比较，对误差和误差的变化率进行模糊推理，对PID参数进行调整后发出桨叶节距角信号，控制节距角增大或减小[4]。

（2）H∞鲁棒控制。H∞鲁棒控制是指在Hardy空间中通过一些性能指标的无穷范数将被控系统的设计问题转变为H∞范数最小化的问题。在风速和风向不断变化的情况下，利用鲁棒控制器设计的转速控制器使发电机在设定好的风速范围内运行，实现在低风速区的最大风能追踪和高风速区的保持额定功率控制[5]。结语

该文针对不同运行区域的控制目标，分析了风力机特性，研究了实现最大风能追踪的控制策略，通过调节机组转矩或转速，保持最佳叶尖速比，追踪最佳功率曲线。在高风速区域，对发电机组的变桨距控制技术进行研究，并对各控制方式进行分析总结。

参考文献

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 篇2

近年来,风力发电因其独特的优势在可再生能源中备受关注。随着单机功率的不断增大,大功率双馈风力发电及其控制技术成为研究热点。应用于双馈风力发电中的双PWM变换器具有如下优点[1]:直流侧母线电容使得两侧变换器解耦控制,相对独立工作而不互相干扰;变频器容量约占整机功率的30%,降低了成本;功率双向流动,谐波污染小,输入输出特性好,电网故障情况下拥有较强的适应能力。基于d-q解耦的矢量控制技术在双馈风力发电系统上的应用,有多种算法已经被相继提出,文献[2,3]通过分开控制转子电流有功、无功分量实现了功率解耦控制和最大风能捕获;文献[4]建立了包括并网控制和最大风能追踪模块的交流励磁变速恒频风力发电仿真系统。

本文首先介绍了由DFIG和背靠背双PWM变换器组成的变速恒频风力发电系统的运行原理,通过建立DFIG稳态数学模型、等效电路、功率关系式,着重研究转子侧功率变换器的控制策略,并完成整个双馈风力发电稳态控制模型,实现了功率解耦控制。

2 双馈风力发电系统工作原理

变速恒频双馈风力发电系统结构如图1所示,该系统由风力机、齿轮箱、双馈发电机、双PWM变换器组成。桨叶捕获风能并通过传动链输出机械能,由DFIG完成机械能向电能的转换。

为了达到发电系统在从次同步到超同步全速范围内均能得到有效控制的目的,功率变换器必须具备功率双向流动的能力。当发电机运行于亚同步速时,变频器向转子提供励磁,定子向电网供电;当运行于超同步速时,定转子同时向电网供电。具体来讲,由定转子旋转磁势相对静止可得:

式中:f1为定子电流频率,pn为极对数,nr为转子转速,fs为转子电流频率。

发电机的转速nr随着风速而变化时,PWM变换器通过调整转子输出励磁电流的频率fs,使定子绕组输出频率f1保持恒定,从而实现变速恒频的发电过程。

功率变换器中的转子侧变换器和电网侧变换器各司其职,通常地,转子侧变换器用于实现有功功率、无功功率的解耦和最大风能追踪;网侧变换器用于维持直流母线电压恒定和单位功率因数。

3 风力机模型及最大风能捕获

风力机是能量转换的核心部件,直接影响着整个发电系统的性能和效率,分析其从空气中获取有效风能的过程至关重要。根据空气动力学知识,风力机输出的有效功率被定义为函数关系式[5]:

叶尖速比的定义:

风力机输出转矩为:

其中,CP为风能利用系数,是关于叶尖速比λ与桨距角β的函数;Pv为风速是v时对应的风功率;ρ为空气密度(kg/m3);S为桨叶扫风面积(m2);R为桨叶半径值;ω为叶片旋转角速度;v为风速(m/s)。

如图2所示为风力机的特性曲线,其中图2(a)所示为固定桨距、不同风速情况下,风力机输出功率与转速的关系,在某一特定风速下,不同转速会使风力机输出不同的功率,且只在某一转速值处达到最大输出功率,由这些点即构成了最佳功率曲线Popt。

由功率函数表达式可知,风力机功率值在特定风速值下与风能利用系数有关,想要风能利用系数Cp取得最大值十分关键。图2(b)所示即为桨距变化情况下,风能利用系数与叶尖速比的关系。在特定桨距角下,存在唯一最佳叶尖速比λopt使得风能利用系数达到最佳值CPmax,但是根据Betz极限[7],风能利用系数上限值约为0.593,实际中Cp还要更小,现代商用风力机能达到的风能利用系数值约为0.45。

风机转速ω的调节有两种方式[7]:风力机桨叶变节距调节和控制发电机输出功率调节。变节距调节时,风速难以检测、精度低、系统复杂,因此多采用功率调节方式使转速变化。

与异步电机矢量控制不同的是,双馈发电机的最终控制目的不是转速,而是对功率的有效控制。在风速变化情况下,由风速、叶尖速比、发电机转速实时计算得出风功率、风能利用系数,并使实时捕获到的有效机械功率作为有功功率参考值。利用反馈参数,通过闭环控制,产生PWM脉冲波控制开关器件工作,调节发电机实际功率值,间接使发电机功率跟踪风速的变化,使风力机运行于最佳功率曲线上,获取最大风能。

4 双馈电机及转子侧PWM变换器的控制

4.1 双馈电机数学模型

首先需要建立双馈电机数学模型,在建立模型之前,先作如下假设[6]:

(1)定子绕组为三相对称绕组;

(2)气隙磁场在空间为正弦分布,磁场的高次谐波忽略不计;

(3)电机的磁路为线性,铁心中的磁滞损耗和涡流损耗忽略不计;

(4)定子侧取发电机惯例,电流以流出方向为正,正向电流产生负值磁链;转子侧取电动机惯例,电流以流入方向为正,正向电流产生正值磁链。

则:在d-q同步速旋转坐标系下,双馈发电机的等效电路如图3所示[8]。

写成数学表达式即为:

定转子电压方程:

定转子磁链方程:

电磁转矩与运动方程为:

式中:ω1为同步旋转角频率,ωs=ω1-ωr为转差角频率;p为微分算子d/dt;np为电机极对数;Rs、Rr为定、转子电阻值;Ls、Lr、Lm为定子电感、转子电感、互感。

4.2 PWM变换器矢量控制设计

采用定子磁链定向,可以使矢量控制模型得到简化。将定子磁链矢量定向于d轴上,则有:ψsd=ψs、ψsq=0,定转子坐标变换关系如图4所示。d-q坐标轴表示以同步速ω1旋转的坐标系;αs-βs表示两相定子坐标系(静止),αr-βr表示两相转子坐标系,以转子角速度ωr旋转。αs与αr间的夹角为θr,αs与d轴间的夹角为θs。由于定子与电网直接相连,其上的频率为工频,与定子电抗相比较,定子绕组电阻可以忽略不计,即Rs=0,可认为定子电压us与感应电势e一致,且滞后于定子磁链90°,即有定向条件:

将以上定向条件代入电压,磁链及功率方程中整理可得:

△urd,△urq表示转子电压补偿量:

根据定子侧功率方程:

可得

其中,σ为电机漏磁系数,

由上可知:

定子磁链定向下,磁链值可以表示成定子电压与定子角频率的比值形式;

us恒定,有功功率、无功功率分别与定子电流的q轴分量和d轴分量成正比,调节这两个分量,便可实现对功率的调节;

结合转子电压补偿量,对转子电流进行闭环控制,便可实现对转子电压的调节。

按此关系可以设计出转子侧变换器前馈解耦控制器,写成函数表达式形式为:

根据对磁链矢量的计算方式及其对控制效果的影响对比研究[9],如果按照求取定子αβ轴上磁链分量,取正切值的方法,功率值将会产生震荡比较大的影响。因此可按式(10)得出,其实现原理如图5所示。

按照以上推导过程,可建立定子磁场定向的双馈风力发电控制模型如图6所示。

5 仿真实验及分析

为验证此控制策略的有效性,在Matlab/Simulink上进行了仿真研究,仿真所用部分参数如表1所示。

取直流侧电容C=104μF,直流电压值设定为Vdc=1200V,CPmax=0.432,λ=8.1。首先进行功率解耦控制,然后在风速变化情况下,对发电机跟随风能变化情况进行研究。

风速恒定情况下,一组在0s时刻设定有功功率初始值为0.3pu,1s时跃升为0.5pu,2s时突减至0.3pu,无功功率值设定为0pu不变;另一组设定有功功率为0.3pu不变,无功功率由0pu变为-0.3pu,再变回0pu。如图7所示是上下两组仿真结果,对有功功率和无功功率的调节过程是相对独立的,显示了该系统具有良好的功率解耦控制性能。

当给定风速初始值设定为7m/s,1s时跃升至8.5m/s,2s时使风速按照一定斜率下降,3s时恢复为7m/s。如图8(a)为给定风速变化曲线,(b)为功率变化曲线。当风速发生变化时,发电机能够自动跟踪风能,且响应速度较快。

如图9所示为直流母线电压,风速变化,其值基本上能够保持1200V恒定不变。如图10所示为定子侧相电压与相电流波形图,当风速发生变化,波形能够平稳过渡,除了相电流幅值发生变化,二者间的相位关系依然为反相,从而实现变速恒频的发电过程,说明该控制系统具有良好的稳定性。

6 总结

本文介绍了双馈风力发电机的数学模型,风力机工作特性曲线。从转子侧变换器着手,对其实现有功功率、无功功率解耦控制,最大风能捕获的原理进行分析。通过采用功率外环、电流内环的定子磁链定向的控制策略使功率得到解耦,使用功率调节方式使风力机始终运行在最佳功率曲线上,从而捕获最大风能。通过搭建双PWM变换器控制系统的仿真模型,验证了该控制模型具有对功率独立解耦控制的性能。然而该系统是在理想电网下建立的模型,如果电网条件发生变化,尤其是不对称故障情况下,尚需作进一步探索。

参考文献

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[3]Tapia,A.;Tapia,G.;Ostolaza,J.X.;Saenz,J.R.,Modelingand control of a wind turbine driven doubly fed inductiongenerator[J,]IEEE Transactions on Energy Conversion,2003,18(2):194-204.

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[5]Fernando D.Bianchi,Hernan De Battista,Ricardo J.Mantz.Wind turbine control systems[M.]2007.

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[8]陈伯时,陈敏逊.交流调速系统[M.]北京:机械工业出版社,2006.

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 篇3

交流励磁变速恒频风力发电定子侧并网方式分为:空载并网和负载并网。空载并网:并网前发电机空载,定子电流为零。以电网电压为给定量,控制定子侧空载电压幅值、相位、频率与电网电压一致。负载并网:并网前发电机定子侧接独立负载,根据电网信息和定子电压、电流对发电机进行控制,在满足并网条件时进行并网。负载并网方式的特点就是并网前发电机已有独立负载,定子有电流,发电机参与风力机的能量控制。因此负载并网控制所需要的信息不但取自于电网,同时还取自发电机定子侧。详细的仿真验证了负载并网的可靠性与可行性。

1 负载并网原理

1.1 概述

交流励磁风力发电并网条件是发电机输出的电压在幅值、频率以及相位上完全与电网电压相同。为此需要在并网前对发电输出电压进行调节,当满足并网条件时进行并网操作,并网成功后从并网控制切换到(最大风能追踪)发电控制,如图1(a)所示。图1(b)表示了变速恒频发电机负载并网控制系统结构,并网前发电机带独立负载,取电网电压(频率、相位、幅值)定子电压电流(频率、相位、幅值)作为控制信息提供给控制系统,据此调节发电机励磁,根据并网条件进行并网,切换控制系统。

为实现交流励磁发电机并网前的定子端电压准确调节,必须将矢量定向控制技术应用于发电机并网控制。为此,首先要建立磁场定向M-T旋转坐标系下发电机的数学模型。

1.2 基于定子磁链定向控制的发电机数学模型

如图2所示:M-T为以同步转速旋转的两相旋转坐标系,令M轴与定子磁链重合。α1-1β为两相静止坐标系,α1轴取为定子A相绕组轴线正方向;α2-β2为以转子速旋转的两相旋转坐标系,α2取转子绕组a相绕组轴线正方向;α1与α2的夹角为θr,M与α1的夹角为θs。

在工频下可忽略定子电阻,则发电机端电压U1滞后于定子磁连ψ1 90°。即位于T轴负方向上。此时,ψm1=ψ1,ψt1=0,ut1=-U1,um1=0。将R1=0,um1=0,ψm1=ψ1,ψt1=0

采用发电机惯例,在定子磁链定向控制下发电机数学模型如下式:

式中:R1、R2为定、转子绕组各相电阻;L1、L2、Lm为M-T坐标系中定、转子等效自感及互感。um1、ut1、um2、ut2为定、转子电压在M轴和T轴上的分量;im1、it1、im2、it2为定、转子电流在M轴和T轴上的分量;ψm1、ψt1、ψm2、ψt2为定、转子磁连在M轴T轴上的分量;ω1、ωs为同步转速和转差速,pn为发电机极对数。

1.3 磁场定向下发电机负载并网控制策略

如前分析,负载并网控制的主要目的是使电机定子端电压与电网电压在幅值、相位、频率上一致。为此,将定子端电压、电网电压分别换算到图3的旋转坐标系M-T中的U1和Us,而后将两者进行比较。若在旋转坐标系中两者幅值相同,那么定子端电压与电网电压在幅值、相位、频率上也就相同。

与空载并网不同,负载并网由于并网前发电机已带有独立负载,定子存在电流,为此需定义定子等效励磁电流ims,它满足以下关系:

由式(4)可知:ims与ψ1成正比。由于同步速恒定,发电机电压U1和定子磁链ψ1成线性关系,所以调节ims可以调节U1。由式(5)可知通过调节im2可最终调节发电机定子端电压U1。

由前分析可知:为使发电机定子端电压与电网电压在幅值、频率、相位一致,特将定子、电网电压换算至定子磁链定向的M-T坐标系中进行比较。为此,定子磁链的准确观测成为并网控制成功与否的关键。传统的定子磁链观测模型过于依赖系统参数,准确性不高,无法与电网同步的缺点。为此需要建立一个基于电网信息的发电机磁链观测器,使之能根据电网信息计算出发电机定子磁链的幅值ψ1和相角θs。由图2可知,当忽略定子电阻时,电网电压矢量与定子磁链角度相差90°。定子磁链矢量ψ1相位角为θs=θu+90°,θu为检测到的电网电压矢量角。由于ψ1的幅值可以按式(1)算出,这样定子磁链的幅值和相位均可通过计算得出。

简言之:变速恒频风力发电负载并网的实质是根据电网信息和定子电压、电流来调节发电机的励磁,使发电机输出符合并网要求的电压。

综合前面分析,建立了负载并网控制的原理框图如图3,系统采用电压闭环控制,外环为电压环,内环为电流环。保证了负载变化时,定子端电压迅速与电网电压吻合。

框图中电压补偿项,已有较多文献进行了详细的讨论,限于篇幅在此不再赘述。

1.4 并网前功率与速度调节

由贝茨理论可知:风力机输出的机械能

其中:ρ为空气密度;υ为风速;Sw为风力机掠过的面积;Cp为风力机风能利用系数,在定浆距下它直接与风力机角速度ωw相关,ωw的改变引起Cp的改变,影响风力机输出的机械能。

若为空载并网,并网发电机定子开路,定子电流为0。为此电磁转矩亦为eT=0,而风力机输出的转矩不为0。因此,需依靠风力机来控制机组转速,增加了风对风力机的应力。同时易造成发电机能量失衡引起发电机转速失控。

负载并网的特点是并网前发电机带有独立负载,若发电机带三相星形连接的电阻性负载,相电阻为Rload。因此稳态时im1=0,

式中:ua为电网a相相电压。因采用电压闭环控制,定子端电压与电网电压能迅速吻合,稳态时im2的值基本恒定。因此eT与it1近似线性关系。

为此,当调整Rload的大小可调整it1,进而改变Te的大小。由运动方程

改变eT调节了发电机转速ωm。发电机转速与Rload呈正比关系。在发电系统中,风力机与发电机通过一增速比为N齿轮箱连接。为此,调节了发电机的转速也间接调节ωw。因此,与空载并网不同,负载并网可通调整Rload改变机组转速而非通过风力机自身调节,降低了对风力机调速能力的要求和减小风对风力机的应力。

当稳态时发电机输出的能量1P为:

则发电机从风力机吸收的能量:

式中:Pcu1,Pfe1为定子铜耗、铁耗,s为转差率。

在发电机系统中,风力机输出的机械能与发电机吸收的机械能相等,因此有:

由上分析可知:调节Rload的大小可调节风力机转速ωm,调节了Cp。在相同风速下,不同的Cp风力机输出的机械能也不同。同时,由于发电机转速的变化,引起转差率s改变,调节了能量在发电机内部的分配。有力地防止了空载并网时发电机能量失衡引起的速度失控。

以上分析建立在电机端电压与电网电压吻合的基础之上。由于并网控制系统采用的电压闭环控制,定子电压在负载改变后能迅速回到期望值。

2 系统仿真

发电机的并网是一个瞬变过程,受制于并网前发电机的运行状况、影响并网后发电机的运行行为。并网前、后发电机的运行状态和运行控制均不相同:并网前负载运行,实施负载并网控制;并网后发电运行,实施最大风能追踪控制。因此,系统由两套控制子系统组成,一个为负载并网控制策略组成的并网控制子系统,另一个为发电机最大风能追踪控制子系统。两个子系统切换由并网信号控制。控制系统的切换策略直接影响到并网瞬间转子控制电压的平稳过度,进一步影响到定子冲击电流的大小。并网前后im2、it2内回路控制结构相同,可以统一。外回路设定不同,需要进行切换。如图4所示,1为并网前,2为并网后。

仿真参数:风力机参数:浆叶半径R=2.4 m,额定功率11 k W,最佳风能利用系数Cpmax和最佳叶尖速比λopt分别为0.468和9。空气密度ρ=1.25 kg/m3,风力机与发电机的增速比N=7.846。

双馈电机:极对数:2对;额定功率10 k W,额定电压:220 V,额定频率:50 Hz;定子电阻sR和漏感Lsσ分别为:0.039 83Ω,0.002 58 H;转子电阻rR和漏电感Lrσ分别为0.031 38Ω,0.002 61H;互感mL=0.046 18 H;转动惯量J=0.18kgim2

2.1并网前系统仿真

为验证负载并网时发电机可以参与风力机的能量控制,降低了对风力机调速能力的要求和减小风对风力机的应力。特将仿真过程设置为:t=0 s,独立负载为R=20Ω,在t=0.5 s时,负载跳变为R=35Ω。观察风力机输出机械能量和发电机转速度的变化。

由图5、6可以看出,当在同一风速(6 m/s),负载改变时,发电机的转速上升、风力机输出的机械能减小。因此,通过调整负载大小进而调节风力机输出能量与发电机转速是可行的。同时由于速度的改变,改变了能量在电机内部的分配,转差功率减小。由于发电机运行于次同步,所以定子侧输出的电能大于风力机输出的机械能。

由图7可知,由于采用电压闭环控制,电网电压与定子电压较好的吻合,当调整负载时,定子电压经动态变化后迅速与电网电压吻合,吻合时间较短仅为1.5个工频周期。图8可看出稳态时,电压差值较小,满足并网条件。

因此,采用负载并网控制时,适当调整负载可以调节发电机转速,控制风力机输出的机械能,有效防止空载并网时因能量失衡而引起的转速失控,也为并网时候选择一个最佳并网转速提供了实现的条件。

2.2 并网仿真

并网前发电机带负载R=35Ω,在t=1.1 s时进行并网切换。切换后控制系统变成最大风能追踪控制子系统。仿真结果如图9。

图9为并网瞬间转子电流图,可以看出转子电流缓慢增加且相位发生改变。由于并网后采用最大风能追踪控制,由图可知发电机输出功率增加。

图10为并网瞬间定子电流图,可以看出定子电流缓慢增加,冲击电流较小。因并网后采用最大风能追踪控制,定子电流增大。

因此负载并网时,定子电压能迅速与电网电压吻合,且抗扰动性较好。在并网过程对电网的冲击电流较小。

3 结论

讨论了双馈电机风力发电负载并网控制策略,借鉴了定子磁链定向矢量控制技术的思想,可迅速地控制发电机定子端电压满足并网条件,并网过程平稳、电流冲击较小。更为重要的是,由于并网前发电机带独立负载,发电机参与风力机能量控制,可与风力机配合控制发电机的转速,防止并网前由于能量失衡而引起转速失控。同时由于减小风对风力机的应力,因此减小了风力机的机械损耗。

摘要：探讨双馈发电机并网过程运行原理,研究了基于定子磁链定向矢量控制技术的发电机并网控制策略,对比和分析空载并网和负载并网的控制原理,负载并网方式并网前接有独立负载,发电机可以参与风力机的能量控制,降低了对风力机调速能力的要求和减小风对风力机的应力;建立了负载并网控制的仿真模型,仿真结果表明:并网后冲击电流较小,负载并网方式是一种较理想的变速恒频(VSCF)风力发电并网方式。

关键词：变速恒频风力发电,定子磁链定向控制,负载并网

参考文献

[1]刘其辉.变速恒频风力发电系统运行与控制研究[D].杭州:浙江大学,2005.

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[3]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003.

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 篇4

1 无刷双馈电机控制系统存在问题

无刷双馈电机的开环运行的效果都不是很好, 主要存在着以下的几个问题[2,3]: (1) 谐波含量大。因为无刷双馈电机是通过改变变频器的电压和频率来进行调速的, 电机的电流等参数的谐波含量大, 特别是在电机的运行状态改变的瞬间电磁转矩、转速波动较大。 (2) 电机的损耗大。因为变频器输出的电流存在丰富的谐波分量, 所以无刷双馈电机的损耗就比一般的异步电机要大。 (3) 单馈运行时存在着“转换转矩”点, 在此转换转矩附近电机的特性性质不一样。当负载转矩小于“转换转矩”, 电机相当于pp+pc极普通异步电机;当负载转矩大于“转换转矩”时电机就相当于极普通的异步电机。实际应用中, 如果电机的负载转矩恰好在这个转换转矩附近变动, 则电机运行不稳定, 易造成事故。 (4) 开环运行, 不能有效地发挥无刷双馈电机的优势。无刷双馈电机通过适当地调节变频器输出压频比和功率绕组或控制绕组电压的相位差来调节输入电机的无功分量来调节功率绕组的功率因数。开环运行于一定的功率因数时, 所对应的变频器的电压和相位差计算量大, 实际上不容易得到精确的结果, 因此不能有效地控制电机的功率因数。 (5) 无刷双馈电机的结构复杂, 发热量较普通异步电机大。电机的参数如电阻等易受外界的影响而改变, 参数的变化和测定的正与否直接影响控制的成功实现。

在无刷双馈电机的数学模型基础上几乎所有可用于异步电机的控制策略如标量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、模型参考自适应控制等都可以用在无刷双馈电机的控制中, 但是无刷双馈电机的特殊结构工作原理使得其控制策略与传统异步电机的各种控制策略有所不同。下面简要介绍几种主要的闭环控制策略。

2 无刷双馈电机的控制策略

2.1 无刷双馈电机标量控制

无刷双馈电机的理想工作方式是双馈同步运行方式。在这种运行方式下, 通过改变控制绕组激励的幅值以及频率即可实现速度、转矩以及电机性能 (效率、功率因数等) 的控制。这就是标量控制的思想。由于变频器一般运行于电流控制模式, 因此控制绕组电流的给定值需要计算出来。标量控制利用反馈, 采用简单PI调节器来实现给定, 增加系统的稳定性。控制算法采用稳态等效电路, 控制系统主要特点是具有一个同步回路。在快要失去同步时, 控制绕组频率计算值fc与给定值fc’的差别较大, 如果这种差别没有减小的趋势, 那么标量控制算法控制器会指示将fc’调整以接近fc, 并调节PI参数, 这样就保证了同步运行并最终建立所需的速度。

标量控制采用算法比较简单, 容易在较低价格的微处理器上实现, 可以在一定程度上提高无刷双馈电机的机电性能。适用于对动态性能要求不高的场合, 如风机、水泵等。

2.2 无刷双馈电机直接转矩控制

在无刷双馈电机中, 由于一套绕组不可控, 因此用来使转矩和磁链达到所需方向的矢量是不确定的, 这导致传统的直接转矩控制方法必须加以改进才能应用于无刷双馈电机。于是提出了基于一套绕组来估计磁链和转矩变化的无刷双馈电机的直接转矩控制方法。如果能估计出转矩及磁链的变化, 那么控制绕组的给定电压就可以计算出来, 从而得到变频器的开关函数, 控制变频器使之输出需要的电流幅值以及频率。

直接转矩控制需要测量端电压、端电流以及转子速度来估计电机的磁链与转矩。

直接转矩控制的计算量较大, 不能采用一般的微处理器, 需要采用高速的微处理器, 实时地处理输入输出量, 因而成本较高, 但其性能比标量控制优良得多。近来, 在直接转矩控制基础上又出现了一种模型自适应控制, 使无刷双馈电机对负载惯量的变化不敏感;而直接转矩控制本身对电机参数的变化不是十分敏感, 这样两者的结合可以使无刷双馈电机达到更佳的性能。但这种方法的实现更加复杂, 只处于理论仿真阶段。

2.3 无刷双馈电机转子磁场定向控制

转子磁场定向控制采用同步数学模型, 忽略了功率绕组的电阻及磁路饱和的影响, 将无刷双馈电机分为两个独立的子系统。在保持ψ不变的情况下可以得到所需的电流分量Icqce。这样, 通过由同步坐标系到静止定子坐标系的转换, 就可以得到瞬时电流指令Iac, Ibc, Icc。采用的双同步坐标数学模型, 把功率绕组和控制绕组分别建立在各自的同步坐标系下, 分别进行磁场定向, 简化了数学模型, 获得了适合于无刷双馈电机的转子磁场定向控制策略。从仿真和试验结果表明, 对无刷双馈电机实行建立在同步坐标系下的转子磁场定向控制为一种较好的控制方法, 实现难度与感应电机的转子磁场定向控制相当, 动态性能比较优良。

虽然在转子定向控制的推导中采用了一系列假设, 但各方面性能还是比较优越的, 动态性能介于标量控制和直接转矩控制之间, 可满足大部分工业驱动的要求。从难易程度及性能指标考虑, 选择转子磁场定向控制方式对无刷双馈电机进行控制较为合适。

标量控制、直接转矩控制和转子磁场定向控制主要针对于无刷双馈电机做电动机运行。无刷双馈发电机的控制策略目前尚处于探索阶段, 但是参考无刷双馈电动机的控制策略, 也可以得到一些有益的启示。

摘要：本文在介绍无刷双馈电机控制系统存在问题的基础上, 对无刷双馈电机电动运行的控制策略, 并简要介绍几种标量控制、直接转矩控制和转子磁场定向控制, 对于变速恒频无刷双馈电机风力发电控制设计具有重要意义。

关键词：无刷双馈电机控制,风力发电机组,控制策略

参考文献

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[2]王志新, 张华强.风力发电技术与功率控制策略研究[J].自动化仪表, 2008, 11.

变速恒频双馈风力发电机组控制技术研究 篇5

交流励磁变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种全新高效发电方式,适用于风力、水力等可再生能源开发利用,尤其在风力发电中得到了广泛的应用。变速恒频风力发电技术与恒速恒频发电技术相比具有显著的优越性,首先大大提高了风能转换效率,显著降低了由风施加到风力机上的机械应力;其次通过对发电机转子交流励磁电流幅值、频率和相位的控制,实现了变速下的恒频运行,通过矢量变换控制或其它控制策略还能实现输出有功和无功功率的控制,提高电力系统调节的灵活性和动、静态稳定性。

为了最大限度地利用风能,人们不希望风力机失速运行,风速变化时,发电机转子转速会随之变化,如果没有任何措施,输出功率、频率也会随着风力的变化而变化,这是不允许的。对发电机而言,解决的方法有以下两种:

(1)在定子输出端加交-直-交变频器,先将输出的电压转换成直流,再逆变成交流,该种方法的缺点就是并网困难,且变频器的功率等级高。

(2)采用双馈发电机,定子输出保持恒定,通过转子进行转差功率控制,即Scherbius传动系统控制。超同步运行时,多余的功率通过转子输入到电网;亚同步运行时,从电网输入功率,以保证定子输出恒定。因此,风力发电系统的双馈变速恒频控制就是对Scherbius传动系统的控制。Scherbius传动系统包含一个能量双向流动的变频器,相比较第一种控制方法而言,变频器的等级低得多,因为它仅仅控制的是转差功率,而且经过多年的研究,控制方法也较多。

1工作原理

双馈(交流励磁)变速恒频风力发电系统结构原理见图1,其中省略了变压器、滤波器等构件。其定子接入电网,转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流。由交流异步发电机的基本原理可得下列关系:

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其中:f1为定子电流频率,Hz;n为转子转速,r/min;p为电机的极对数;f2为转子励磁电流的频率,Hz。

当发电机的转速n小于定子旋转磁场的同步转速n1时,处于亚同步运行状态,转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子机械旋转方向相同,式中f2取正号,此时变频器向发电机转子提供交流励磁,定子发出电能给电网;当n大于n1时,处于超同步运行状态,转子旋转磁场相对于转子的旋转方向与转子机械旋转方向相反,式中f2取负号,此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网,变频器的能量逆向流动;当n等于n1时,处于同步运行状态,此时发电机作为同步电机运行,f2=0,变频器向转子提供直流励磁。

图1中的变频器必须能够满足交流励磁发电机的运行要求,实现转差功率在发电机转子与电网间的双向流动。

由式(1)可知,当发电机转速n变化时,若控制转子供电频率f2相应变化,可使f1保持恒定,与电网频率保持一致,这样就实现了变速恒频控制,这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。

2数学模型

2.1 两相同步旋转坐标d-q下的数学模型

双馈异步发电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,其在三相坐标系下的数学模型是一组非常复杂的非线性方程组,很难进行分析和求解,即使要画出很清晰的结构图也并非易事,所以,在这里建立的是两相同步旋转坐标d-q下的数学模型。两相同步旋转坐标系,其旋转速度等于定子频率的同步角转速ω1,也就是坐标系相对定子的角转速,而坐标系相对转子的角转速即转差ωs。

现规定:定子侧正方向按发电机惯例,正值电流产生负值磁链;转子侧正方向按电动机惯例,正值电流产生正值磁链;电机气隙均匀,定、转子三相对称,Y连接。可得到两相同步旋转坐标d-q下的数学模型:

电压方程:

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。

磁链方程:

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。

电磁方程:

Te=pLm(iqsidr-idsiqr) 。

有功功率:

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无功功率:

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其中:下标s、r分别代表定子和转子;Ls、Lr、Lm分别为定子自感、转子自感和定、转子间互感。

2.2 SIMULINK仿真模型

双馈电机的仿真模型由定子模型、转子模型、磁链模型及转矩模型4个模块组成,见图2。

3双PWM变换器及其协调控制策略

在前面我们已经研究了双馈电机的仿真模型,下面提出一种应用于变速恒频风力发电的双PWM变换器新型协调控制策略,其仿真对象为变速恒频风力发电系统,见图3。

两个三相电压源型PWM全桥变换器采用直流链连接,靠中间的滤波电容C稳定直流母线电压。转子侧变换器向双馈感应发电机的转子绕组馈入所需的励磁电流,完成其矢量控制任务,实现最大风能捕获和定子无功功率的调节。网侧变换器在实现能量双向流的同时,控制着直流母线电压的稳定,并对网侧的功率因数进行调节。如果将双馈电机的转子等效为转子绕组电阻、电感和反电势串联,则该电路结构是完全镜面对称的,文献中一般称这种结构为“背靠背”(back-to-back)连接。

为了验证变速恒频双馈发电机双PWM变换器控制方案的有效性,对其进行仿真研究,结果见图4～图6。

图4～图6分别表示了在风速不断变化过程中,双馈电机定子和转子功率(Ps、Pr)、风力机输出的机械功率(Pt)和网侧变换器功率(Pcon)的变化曲线。其中,在风力机输出的机械功率曲线图中,虚线表示的是对应于当时风速时的最大功率,实线则为实际的输出功率。

从图4～图6可以看出,由于采用了最佳叶尖速比控制,即通过调节电机转速,实现了最大风能捕获,风力机的输出机械功率始终在追踪其最大功率。而这正是变速恒频风力发电技术优于恒速恒频风力发电技术的地方。

4结论

纵观整个变速恒频发电系统,双馈感应发电机是转子侧变换器的负载,转子侧变换器和双馈感应发电机一起又是网侧变换器的负载,双馈感应发电机、转子侧变换器和网侧变换器3者构成了一个互相依赖和影响的整体。转子侧变换器完成双馈感应发电机的矢量控制任务,实现最大风能捕获的转速控制(即最佳叶尖速比控制)和无功功率的独立解耦控制;网侧变换器实现能量双向流的同时,还可以校正网侧的功率因数、改善网侧电流的波形及谐波状况,但其最重要的作用应该是给转子侧变换器提供一个稳定可靠的直流电压源。

参考文献

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[4]伍小杰,柴建云,王祥琦.变速恒频双馈风力发电系统交流励磁综述[J].电力系统自动化,2004,28(23):92-96.

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