徐鳳星,劉連根,盛建科,佘岳

(1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,湖南 株洲 412008;2.株洲電力機(jī)車研究所,湖南 株洲 412001)

1 引言

隨著雙饋異步發(fā)電機(jī)廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電越來越受關(guān)注,尤其隨著單臺(tái)功率不斷增大,其并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊已經(jīng)達(dá)到不容忽略的地步,一般由于大功率雙饋電機(jī)的定子阻抗很小,如果直接將其并入電網(wǎng)將會(huì)引起很大的沖擊電流,嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此,研究大功率雙饋發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式就顯得極為重要。目前已有不少文獻(xiàn)應(yīng)用矢量控制技術(shù)研究了雙饋發(fā)電機(jī)(定子側(cè))并網(wǎng)控制策略[1～3]。在文獻(xiàn)[4]中對(duì)目前幾種常見并網(wǎng)方法進(jìn)行了全面比較和總結(jié)。所以現(xiàn)在很多文章都是研究雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊,沒有或忽略了研究網(wǎng)側(cè)變流器對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)單臺(tái)功率越來越大,無功補(bǔ)償電容也越來越大,不同的并網(wǎng)方案對(duì)電網(wǎng)沖擊的程度差別很大。如果不采取適當(dāng)?shù)牟⒕W(wǎng)方式,在并網(wǎng)的瞬間對(duì)網(wǎng)側(cè)濾波電容、中間直流電容IGBT功率器件的沖擊很大,以致?lián)p壞電容和開關(guān)器件[5]。同時(shí)從整個(gè)并網(wǎng)過程可知,首先網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng),然后啟動(dòng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器,最后調(diào)整雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流,來達(dá)到發(fā)電機(jī)定子電壓并網(wǎng)條件。所以研究網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)也是至關(guān)重要的一步[6]。

本文充分利用了網(wǎng)側(cè)變流器模型和空間矢量SVPWM提出一種新型的網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)方法。并利用PSIM進(jìn)行了仿真,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了該方案的可行性。

2 網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型與控制框圖

電網(wǎng)側(cè)變流器的電路拓?fù)鋱D如圖1所示。圖1中,u g a,u g b,u g c分別為三相電網(wǎng)的相電壓;i g a,igb,igc分別為網(wǎng)側(cè)變流器的三相輸入電流;udc為直流母線電壓;i load為直流側(cè)的負(fù)載電流,L為每相進(jìn)線電抗器的電感;R為包括電抗器電阻在內(nèi)的每相線路的電阻;C為直流母線電容。

圖1 電網(wǎng)側(cè)變流器的電路拓?fù)鋱DFig.1 Circuit topology of the grid-lined converter

在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型[7]為

式中:u g d,u g q分別是電網(wǎng)電壓的d軸、q軸分量;i g d,i g q分別是輸入電流的d軸、q軸分量;V g d,V g q分別是變流器中三相全橋交流側(cè)輸出電壓的d軸、q軸分量;Sd,Sq分別是開關(guān)函數(shù)的d軸、q軸分量;ω1為電網(wǎng)電壓的角速度。

令u g=u g d+j u g q為電網(wǎng)電壓矢量,如果將坐標(biāo)系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量,則有u g d=|u g|=,u g q=0,其中 u g為相電壓峰值,于是式(1)變?yōu)?/p>

由式(2)可得網(wǎng)側(cè)變流器的控制框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器的控制框圖Fig.2 Control diagram of the grid-lined converter

3 網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)控制的整體方案

網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)控制的整體方案如圖3所示。

圖3 雙饋發(fā)電機(jī)整體并網(wǎng)框圖Fig.3 Grid-connected program of the doubly-fed indu ction generator

本文要研究的內(nèi)容為圖3虛線部分,該控制方案可分為3個(gè)階段。

1)預(yù)充電階段。這個(gè)階段首先合上預(yù)充電開關(guān),然后電網(wǎng)的電壓經(jīng)整流橋整流,并經(jīng)過預(yù)充電電阻向電容充電。由于預(yù)充電限流電阻的作用,把充電電流限制為安全的充電電流,對(duì)直流母線電容起到了保護(hù)。

2)網(wǎng)側(cè)變流器逆變同步階段。當(dāng)電容上的電壓達(dá)到一定值后(560 V),斷開預(yù)充電開關(guān),使網(wǎng)側(cè)變流器以電流開環(huán)方式逆變出的電壓相位與電網(wǎng)電壓同步。由于發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓與電網(wǎng)電壓同相位,減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)電網(wǎng)注入的諧波分量。

3)合閘階段。當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓的相位與電網(wǎng)電壓一致及直流母線電壓達(dá)到要求時(shí),這時(shí)合上網(wǎng)側(cè)開關(guān),然后再以電流開環(huán)的方式運(yùn)行一段時(shí)間使直流母線電壓以一定的斜率上升到1050 V。最后加入中間電壓和電流閉環(huán)控制環(huán),這時(shí)加入中間電壓控制環(huán),保持實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定,同時(shí)把直流母線上的電壓抬高以達(dá)到機(jī)側(cè)變流器逆變時(shí)的電壓值。網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)結(jié)束。PSIM仿真模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)仿真框圖Fig.4 Simulation program of the grid-lined converter

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的控制方案的正確性,采用PSIM軟件對(duì)該并網(wǎng)方式進(jìn)行仿真研究以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。圖5為網(wǎng)側(cè)變流器逆變同步過程仿真波形。圖6為網(wǎng)側(cè)變流器逆變同步過程實(shí)驗(yàn)波形。

圖5 網(wǎng)側(cè)變流器逆變同步過程仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of the grid-lined converter during the invertion syn chronization

圖6 網(wǎng)側(cè)變流器逆變同步過程實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Exprimental wave forms of the g rid-lined converter during the invertion synch ronization

圖6中,ug為電網(wǎng)電壓,ig為變流器的輸出電流,uig為變流器輸出電壓,udc為直流母線電壓。從圖5、圖6中可以看出在這種并網(wǎng)方式中,變流器輸出電壓與電網(wǎng)電壓完全同步,并網(wǎng)條件之一被滿足了。

圖7為網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)時(shí)刻的波形。圖7中,ug為電網(wǎng)電壓,ig為變流器的輸出電流,uig為變流器輸出電壓,u dc為直流母線電壓。當(dāng)在合閘的瞬間變流器輸出電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊,直流母線電壓也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊,從圖7中可以看出沖擊電流和沖擊電壓都被控制在可接受的范圍內(nèi)。并順利的完成變流器并網(wǎng)。

圖7 網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)(合閘)時(shí)刻的波形Fig.7 Waveforms of the grid-lined converter w hile connected into the g rid

圖8為直流母線上的電壓仿真波形。圖9為直流母線上的電壓實(shí)驗(yàn)波形圖。從圖8可以看出在并網(wǎng)的瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沖擊電流,如果直接并網(wǎng)這個(gè)沖擊電流會(huì)很大,以至損壞開關(guān)器件,采用這種方法后大大減少了沖擊電流,同時(shí)可以安全并網(wǎng)。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)變流器輸出值小于或等于電網(wǎng)電壓的時(shí)候并網(wǎng)瞬間直流母線電壓的沖擊大些,當(dāng)把變流器輸出電壓調(diào)到大于電網(wǎng)電壓的時(shí)候,直流母線電壓的沖擊小些可以順利并網(wǎng),同時(shí)直流母線能夠被很好的控制。

圖8 直流母線上的電壓仿真波形Fig.8 The DC-link simulation voltage wave form

圖9 直流母線上的電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 The DC-link exprimentalvoltage wave form

5 結(jié)論

本文充分利用了網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合矢量控制,提出了一種新型的大功率雙饋發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)變流器并網(wǎng)方式。詳細(xì)介紹了該并網(wǎng)方式工作過程,并給出了網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)模型和具體的控制方案。利用PSIM對(duì)所提出的方案進(jìn)行了仿真,也做了實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該方案的正確性,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案具有良好的過渡過程和動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)又能順利并網(wǎng)。該控制方案也有要改進(jìn)的地方,比如在逆變時(shí)加入電流環(huán)閉環(huán)等。

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