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        基于定子電壓定向的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制

        2010-07-02 03:29:06劉思佳莊圣賢舒鑫東
        大電機(jī)技術(shù) 2010年4期
        關(guān)鍵詞:雙饋變流器風(fēng)力

        劉思佳,莊圣賢,舒鑫東

        (西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,成都 610031)

        1 引言

        隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增加。由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)只需控制轉(zhuǎn)子側(cè)的轉(zhuǎn)差功率就可實現(xiàn)變速時功率恒頻輸出,相應(yīng)的功率電子設(shè)備的成本得到了降低,因此大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組多采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)來實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電。

        大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用雙 PWM 型變流器來對其進(jìn)行控制(圖1)。這種變流器可實現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子功率的雙向流動,保證了雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在欠同步和超同步兩種工作狀態(tài)下有效運(yùn)行。網(wǎng)側(cè) PWM 變流器的作用是維持變流器中間部分的直流母線電壓恒定,控制方法多采用網(wǎng)側(cè)電壓定向的電流矢量控制方法[1]。轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器主要目的是控制發(fā)電機(jī)對電網(wǎng)輸出的有功、無功功率,有功部分需要跟隨輸入發(fā)電機(jī)的機(jī)械功率實現(xiàn)有功功率的輸出,無功部分則需根據(jù)電網(wǎng)的需求來調(diào)節(jié)輸出功率的功率因數(shù),其實現(xiàn)方法主要有兩種:直接功率控制[2,3]和轉(zhuǎn)子電流矢量控制[4,5],兩種方法各有優(yōu)缺點。雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流矢量控制多采用定子磁鏈定向的控制方法[4,5]。

        由于雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后定子電壓即是電網(wǎng)電壓,其幅值、頻率可看作是恒定的,故雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以采用定子(電網(wǎng))電壓定向的矢量控制方式。相比定子磁鏈定向,定子電壓定向的方法無需定子磁鏈的測量,減少了可能出現(xiàn)的誤差,而且與網(wǎng)側(cè) PWM 變流器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法[1]有很多相似之處,可以簡化雙PWM變流器整體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

        圖1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

        2 雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

        雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在定子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d-q下的數(shù)學(xué)模型為:

        式中,usd,usq,urd,urq分別為定子、轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量;Ψsd,Ψsq,Ψrd,Ψrq分別為定子、轉(zhuǎn)子磁鏈的 d、q軸分量;isd,isq,ird,irq分別為定子、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量;Rs,Rr分別為定子、轉(zhuǎn)子的繞組阻值;Ls,Lr,Lm,分別為定子自感、轉(zhuǎn)子自感及互感;ωs,ωr,△ω 分別為定子同步角速度、轉(zhuǎn)子角速度及轉(zhuǎn)差角速度。

        雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)有功、無功功率為:

        當(dāng)雙饋發(fā)電機(jī)的定子接上電網(wǎng)后,定子電壓的幅值、頻率可看作都是恒定的,即定子三相電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矢量US是恒定的;此時在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下亦可以認(rèn)為定子磁鏈?zhǔn)遣蛔兊摹M瑫r發(fā)電機(jī)定子繞組的電阻壓降相對于電網(wǎng)而言,是可以忽略不計的,故

        當(dāng)采用矢量控制將定子電壓矢量定向在d軸時,

        將式(2)、(4)、(5)代入式(1),定子電流為:

        將式(3)、(8)代入式(2),則轉(zhuǎn)子電壓為:

        將式(8)代入式(7),則定子功率為:

        當(dāng)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后,由圖1可知,發(fā)電機(jī)輸出功率的絕對值等于定子端的功率,故發(fā)電機(jī)輸出有功、無功功率為:

        由式(11)可以看出,在以定子電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸d-q下,通過對雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流ird、irq的控制,可以有效地實現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出有功、無功的獨(dú)立解耦控制。

        3 控制系統(tǒng)設(shè)計

        網(wǎng)側(cè) PWM 變流器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略,實現(xiàn)直流母線電壓的恒定??刂破鳛橹绷麟妷和猸h(huán)、變流器電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),文獻(xiàn)[1]對這一方法的設(shè)計有詳細(xì)的介紹,這里不再累述。

        轉(zhuǎn)子側(cè) PWM 變流器采用定子(電網(wǎng))電壓定向的矢量控制策略時,根據(jù)式(9)、(10)控制器可設(shè)計為功率外環(huán)、轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),內(nèi)外環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器。電流內(nèi)環(huán)的解耦算式為:

        式中,KiP、KiI分別為 PI調(diào)節(jié)器的比例增益和積分增益。

        所得的u*rd、u*rq經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)反變換,即得到所需的PWM調(diào)制信號電壓u*ra、u*rb、u*rc,再通過PWM 控制器對變流器開關(guān)進(jìn)行控制來實現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子側(cè)功率的解耦控制。

        圖2為基于定子(電網(wǎng))電壓定向的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)雙 PWM 變流器控制系統(tǒng)框圖。圖中有功功率參考量P*跟隨雙饋發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率來實現(xiàn)對電網(wǎng)的最大有功功率輸出,無功功率參考量Q*根據(jù)電網(wǎng)的需求進(jìn)行調(diào)節(jié),一般情況下設(shè)為0。

        4 仿真分析

        使用Matlab/Simulink軟件對圖2所示的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真參數(shù)為:

        電網(wǎng)額定電壓 690V,頻率 50Hz;網(wǎng)側(cè)變流器電感0.5mH,直流母線電壓為1200V。

        雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù):額定功率1.5MW,定子額定電壓690V,頻率50Hz,定子電阻5.5m?,定子電感0.156mH,轉(zhuǎn)子電阻6.21m?,轉(zhuǎn)子電感0.226mH,勵磁電感11.01mH,極對數(shù)2。

        發(fā)電機(jī)輸出有功功率參考量P*的初始值為0.5p.u.,輸出無功功率參考量Q*的初始值為0p.u.(標(biāo)幺值,基值為1.5MW)。

        仿真時序如下:

        當(dāng)t=1.2s時,P*由0.5p.u.變?yōu)?.9p.u.,t=1.7s時,變回 0.5p.u.,此過程中Q*維持 0p.u.不變。當(dāng)t=2.2s時,Q*由0p.u.變?yōu)?.3p.u.,t=2.7s時,變回0p.u.,此過程中P*維持0.5p.u.不變。仿真結(jié)果如圖3所示。

        圖2 雙PWM變流器控制系統(tǒng)框圖

        圖3 改變有功、無功的仿真結(jié)果

        當(dāng)t=3.2s時,電網(wǎng)電壓出現(xiàn)降落,幅值降至0.8p.u.,t=3.7s時,Q*由 0p.u.變?yōu)?0.5p.u.,此過程中P*維持0.5p.u.不變。仿真結(jié)果如圖4所示。

        由圖3可知,通過改變輸出有功、無功功率指令值,可有效控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)實際輸出有功、無功功率,并且控制過程中不會對網(wǎng)側(cè)變流器控制的直流母線電壓產(chǎn)生不良影響,實現(xiàn)了輸出有功功率、無功功率的獨(dú)立控制。

        由于風(fēng)電是一種波動性、間歇性電源,大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行時會對局部電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定影響,較常出現(xiàn)的是電網(wǎng)電壓降落。由圖4可知,當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定的降落時,控制系統(tǒng)的控制量會出現(xiàn)擾動,但仍可正常運(yùn)行,同時通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功輸出,可及時有效地恢復(fù)電網(wǎng)電壓。

        圖4 電網(wǎng)出現(xiàn)電壓降落時的仿真結(jié)果

        5 結(jié)論

        本文根據(jù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出一種基于定子電壓定向矢量控制的發(fā)電機(jī)輸出功率控制策略,并根據(jù)此控制策略,利用Matlab/Simulink軟件構(gòu)建了一個雙 PWM 變流器控制系統(tǒng),進(jìn)行了仿真分析。經(jīng)過仿真驗證,此控制系統(tǒng)可快速穩(wěn)定地實現(xiàn)大功率雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出有功、無功功率的獨(dú)立解耦控制,可在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)一定降落的情況下正常運(yùn)行,并對電網(wǎng)恢復(fù)提供有效的幫助。

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