羅蘇華,陸顯斌,楊貴杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱150001;2.黑龍江省農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械研究所,黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

風(fēng)能具有清潔、分布廣泛、可再生和無(wú)污染的特點(diǎn),受到世界的普遍重視。風(fēng)電機(jī)組的大型化,風(fēng)電已經(jīng)成為最成熟、效率最高的可再生能源。隨著政府推動(dòng)節(jié)能減排的力度不斷加大,我國(guó)的風(fēng)電事業(yè)得到迅猛發(fā)展。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的風(fēng)能開(kāi)發(fā)技術(shù),正成為風(fēng)電技術(shù)的主流,它具有運(yùn)行效率高、機(jī)組磨損小、電能質(zhì)量佳等優(yōu)點(diǎn)。永磁直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)采用風(fēng)輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)多極低速永磁同步電機(jī),省去了雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)組必需的齒輪箱,提高了系統(tǒng)可靠性;永磁同步發(fā)電機(jī)不需要電網(wǎng)提供無(wú)功進(jìn)行勵(lì)磁,變流器采用全功率變頻器,具有更強(qiáng)的低電壓穿越能力。

風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷上升,占電網(wǎng)的比例越來(lái)越大,風(fēng)電本身具有的隨機(jī)性,對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響不可忽視。為此,電網(wǎng)公司制定風(fēng)電并網(wǎng)法規(guī)要求在電網(wǎng)電壓跌落高于規(guī)定曲線之上時(shí),風(fēng)電機(jī)組保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行[1]。風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行特性,成為風(fēng)力發(fā)電研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

本文根據(jù)直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的特性,詳細(xì)闡述了風(fēng)輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、PWM整流器、卸荷負(fù)載的數(shù)學(xué)模型和控制原理,在Matlab/Simulink中建立了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)其常態(tài)下的最大功率跟蹤及在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)穿越控制進(jìn)行完整的仿真分析。

圖1 背靠背式變流器直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文采用的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用背靠背PWM變流器,直流母線上并接Chopper電路。發(fā)電機(jī)側(cè)AC-DC變流器可以控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤;網(wǎng)側(cè)DC-AC變流器控制注入電網(wǎng)電流的d軸和q軸分量,控制有功功率和無(wú)功功率,維持母線電壓穩(wěn)定;當(dāng)發(fā)電機(jī)側(cè)捕捉的風(fēng)能大于能夠注入電網(wǎng)的電能,多余的能量在母線上積累,這時(shí)通過(guò)Chopper電路,進(jìn)行卸荷,或控制槳距角減小風(fēng)能捕捉,維持母線電壓穩(wěn)定。

2 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)建模

2.1 風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)貝茲理論[2],風(fēng)機(jī)從風(fēng)能中捕獲的機(jī)械功率:

式中:ρ為空氣密度;v為風(fēng)速;R為風(fēng)機(jī)槳葉的半徑;Cp為風(fēng)能利用系數(shù),是槳距角θ和葉尖速比λ的函數(shù)。葉尖速比λ定義:

式中:ωw為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。

功率系數(shù)與葉尖速比之間的函數(shù)關(guān)系如圖2所示。對(duì)于一臺(tái)確定的風(fēng)機(jī),當(dāng)槳距角β不變時(shí),僅有

圖2 功率系數(shù)和葉尖速比的關(guān)系曲線

一個(gè)對(duì)應(yīng)著最大功率系數(shù)的Cpmax的最佳葉尖速比圖3為不同風(fēng)速下的風(fēng)機(jī)輸出的功率特性,顯而易見(jiàn),對(duì)于每個(gè)風(fēng)速下,只有在一個(gè)特定的轉(zhuǎn)速下,風(fēng)機(jī)的輸出功率最大。在額定風(fēng)速以下,隨著風(fēng)速變化,必須控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化,以追蹤最大功率,捕獲的最大風(fēng)能由式(3)給出。

圖3 風(fēng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的輸出功率

在直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,省去了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)中的變速箱,ωm也就是永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度,Tw也就是永磁同步發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

風(fēng)機(jī)的槳距角控制,只發(fā)生在兩種情況下:

(1)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí),風(fēng)機(jī)失速,必須改變槳距角,限制風(fēng)機(jī)捕獲的功率在額定功率[8];

(2)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),網(wǎng)側(cè)功率下降,增大槳距角,減小風(fēng)能捕捉,實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

2.2 PMSG的數(shù)學(xué)模型

永磁同步發(fā)電機(jī)采用轉(zhuǎn)子永磁磁鋼勵(lì)磁,風(fēng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)時(shí),在定子繞組中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

永磁同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩:

式中:p為極數(shù);ψf為永磁磁鏈,下標(biāo)帶d和q的標(biāo)志是已經(jīng)轉(zhuǎn)化為dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的物理量。R為定子電阻,Ld和Lq為發(fā)電機(jī)d軸和q軸電感,ud和uq為定子電壓d軸量和q軸量;id和iq為定子電流d軸量和q軸量;ωe為定子電氣角速度。

式中:ωΩ為發(fā)電機(jī)的機(jī)械角速度。永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程:

由式(8)可知,通過(guò)控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤[9]。

2.3 PWM整流器的數(shù)學(xué)模型

圖1為全控型功率器件構(gòu)成的電壓源PWM整流器[4]。在經(jīng)過(guò)3s/2r坐標(biāo)變換之后,可以由式(9)描述。

urd和urq為整流器輸入側(cè)電壓,sd和sq為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的開(kāi)關(guān)函數(shù),ud、uq和id、iq為同步旋轉(zhuǎn)的dq軸坐標(biāo)系下電源電勢(shì)和電流。由此得到三相電壓源PWM整流器的控制框圖,如圖4所示。

d軸和q軸的電流互相解耦,id和iq分別只和和相關(guān),采用簡(jiǎn)單的PI控制器控制電壓和電流。在dq軸坐標(biāo)系下,有功和無(wú)功由式(11)給出。

圖4 PWM整流器d-q雙閉環(huán)控制框圖

有功功率和無(wú)功功率分別和id及iq成正比[5],控制id和iq就可以直接控制有功功率和無(wú)功功率,令iq=0,可以獲得單位功率因數(shù)。

直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的背靠背變流器可以看作兩個(gè)關(guān)于直流母線電容對(duì)稱(chēng)的PWM整流器。通過(guò)坐標(biāo)變換,矢量解耦,得到線性化的整流器模型。電壓源PWM整流器雙環(huán)控制如圖4所示,外環(huán)控制直流母線電壓恒定,內(nèi)環(huán)為d軸和q軸電流環(huán),控制注入電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率。

2.4 直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制

為了分析控制原理,首先要建立風(fēng)速、直流母線電壓和系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系[6]。

圖5為風(fēng)電系統(tǒng)功率流圖。Pw表示風(fēng)機(jī)捕獲的風(fēng)能,Pm表示轉(zhuǎn)動(dòng)體(包括風(fēng)機(jī)葉片、輪轂和轉(zhuǎn)軸等運(yùn)動(dòng)件)增加的機(jī)械能,Pgen為PMSG的輸出功率,Pc為變流器上的功率損耗,Pgrid為變流器注入電網(wǎng)的功率。忽略變流器的功率損耗,系統(tǒng)的各種功率之間的關(guān)系,可以表示成以下方程:

圖5 功率流圖

控制策略如圖6所示,在測(cè)量得到風(fēng)速情況下,根據(jù)基于風(fēng)機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)特性的最大功率跟蹤算法,計(jì)算出一個(gè)功率指令P*,給出有一個(gè)最優(yōu)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速指令ωref,作為機(jī)側(cè)PWM整流器速度環(huán)的速度參考值;網(wǎng)側(cè)PWM逆變器的外環(huán)為電壓環(huán),內(nèi)環(huán)為電流環(huán),保持母線電壓穩(wěn)定,注入電網(wǎng)的功率等于發(fā)電機(jī)側(cè)捕獲的最大風(fēng)能。

直驅(qū)式永磁風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的接口是一個(gè)全功率變頻器,變流器中功率器件流過(guò)的電流的存在上限,在電網(wǎng)電壓跌落時(shí),能夠注入電網(wǎng)的最大有功功率與并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)端電壓uabc_pcc成比例下降,能夠注入電網(wǎng)的能量PGrid迅速減小。發(fā)電機(jī)輸出的功率PGen并未下降,如果PGrid小于PGen,多余的能量就會(huì)存儲(chǔ)在直流母線電容上,母線電壓udc升高;這時(shí),需要開(kāi)通Chopper電路中的功率器件,卸荷電阻投入系統(tǒng),消耗多余的能量,維持無(wú)線電壓恒定。卸荷電阻消耗的功率由式(13)給出[7]。

圖6 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)控制框圖

當(dāng)母線電壓在正常范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),網(wǎng)側(cè)逆變器有能力進(jìn)行調(diào)節(jié),不投入卸荷電阻;當(dāng)母線電壓高出正常值,通過(guò)式(15)計(jì)算導(dǎo)通占空比,部分投入卸荷電阻;當(dāng)母線電壓高出允許值,導(dǎo)通占空比為1,完全投入卸荷負(fù)載。圖7為Chopper電路控制框圖。

圖7 Chopper電路控制框圖

如果剩余的能量不能完全靠投入卸荷負(fù)載來(lái)消耗,此時(shí)可以通過(guò)槳距角控制來(lái)減小從風(fēng)機(jī)側(cè)捕獲的風(fēng)能[10]。

如圖8所示,當(dāng)母線電壓超出限定值時(shí),由發(fā)電機(jī)側(cè)輸出功率PGen和網(wǎng)側(cè)功率PGrid做差,經(jīng)過(guò)PI算法之后,作為槳距角執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參考值。在相同葉尖速比情況下,風(fēng)機(jī)工作在零槳距角時(shí),能夠獲得最大的功率系數(shù),槳距角β增大,功率系數(shù)曲線下移,PGen減小,最終將和能夠注入電網(wǎng)的功率PGrid相等,母線電壓將保持在合理范圍;待電網(wǎng)恢復(fù)正常后,槳距角參考值為零,網(wǎng)側(cè)逆變器能夠?qū)⒆畲箫L(fēng)能捕捉得到的機(jī)側(cè)功率PGen注入電網(wǎng),風(fēng)機(jī)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 槳距角控制框圖

3 系統(tǒng)仿真分析

基于圖6的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)控制框圖,在Matlab2007B/Simulink軟件環(huán)境下,對(duì)該控制策略進(jìn)行了仿真分析。系統(tǒng)參數(shù)如表1～表3所示。

表1 風(fēng)機(jī)特性

表2 PMSG參數(shù)

表3 三相電網(wǎng)參數(shù)

3.1 最大風(fēng)能跟蹤控制仿真

首先對(duì)電網(wǎng)正常情況下的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行仿真,方便和低電壓穿越時(shí)的波形進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖2可知,相同葉尖速比情況下,槳距角β越小,功率系數(shù)cp越大,因此在常態(tài)下槳距角定為0°;槳距角為0°時(shí),最佳葉尖速比λopt為8.1,由此可以給出變化風(fēng)速下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值。為了觀察常態(tài)下風(fēng)機(jī)對(duì)最大功率的動(dòng)態(tài)跟蹤,風(fēng)速由10 m/s突變到12 m/s,進(jìn)行仿真,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、PMSG轉(zhuǎn)矩及風(fēng)機(jī)功率對(duì)參考值的跟蹤效果及網(wǎng)側(cè)的相電壓和相電流如圖9所示。

圖9 MPPT過(guò)程中的波形

3.2 容量?jī)?nèi)低電壓穿越仿真

圖10a為電網(wǎng)電壓跌落至額定值80%時(shí)的仿真波形。由于網(wǎng)側(cè)逆變器能夠承受的最大電流(額定值的1.25倍)能夠保證機(jī)側(cè)功率全部注入電網(wǎng),網(wǎng)側(cè)逆變器的電壓外環(huán)尚能維持母線電壓穩(wěn)定。

圖10b為電網(wǎng)電壓跌落至額定值60%時(shí),網(wǎng)側(cè)功率隨之下降,小于機(jī)側(cè)捕獲的風(fēng)能,母線電壓上升,電網(wǎng)恢復(fù)后,一段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)側(cè)逆變器功率過(guò)沖,母線電壓回復(fù)正常。

圖10 電網(wǎng)電壓跌落時(shí)低電壓穿越波形

3.3帶Chopper電路的低電壓穿越

電網(wǎng)電壓有效值跌落至額定電壓的40%,在電網(wǎng)電壓跌落期間,網(wǎng)側(cè)電流增大,但是網(wǎng)側(cè)逆變器電流存在上限,此時(shí)切入24 kW的卸荷電阻,消耗多余的風(fēng)能,維持母線電壓穩(wěn)定。圖11為電壓跌落60%時(shí)帶Chopper電路的低電壓穿波形,母線電壓閾值設(shè)為1 540 V。

圖11 電網(wǎng)電壓跌落60%時(shí)的波形

3.4槳距角控制下的低電壓穿越

當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落幅度較大且時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),采用Chopper電路實(shí)現(xiàn)低電壓穿越有其局限性,風(fēng)電系統(tǒng)中的卸荷負(fù)載不能太大,耗能電阻長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間大幅度的電網(wǎng)電壓跌落,可以增大槳距角,減小捕獲的風(fēng)能,維持母線電壓穩(wěn)定。圖12為電網(wǎng)電壓維持3 s跌落80%時(shí)采取槳距角控制的低電壓穿越波形。當(dāng)機(jī)側(cè)功率和網(wǎng)側(cè)功率相等時(shí),Chopper電路切出。

圖12 電網(wǎng)電壓跌落80%時(shí)的低電壓穿越波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)以背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的全功率變流器的永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行了建模,分析了各模塊控制原理及永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越特性;分析了固定槳距角下最佳葉尖速比實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤及在直流側(cè)增加Chopper卸荷負(fù)載和改變槳距角增強(qiáng)永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越能力,在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型,通過(guò)仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。得出以下結(jié)論:

(1)采用最佳葉尖速比可以快速地實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)能跟蹤;

(2)增大網(wǎng)側(cè)逆變器的容量,可以提高風(fēng)機(jī)的低電壓穿越能力;

(3)直流母線上的Chopper電路,可以消耗無(wú)法注入電網(wǎng)的能量,有利于低電壓穿越運(yùn)行;

(4)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),采用槳距角控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的功率平衡,有利于永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越。

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