劉江華，強(qiáng)喜臣，王翔，曹貝貞

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

基于弱磁控制的5.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過(guò)載性能的研究

劉江華，強(qiáng)喜臣，王翔，曹貝貞

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

為進(jìn)一步提高5.5 MW高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 （W TGS）電氣系統(tǒng)的過(guò)載能力，在建立弱磁控制數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究基于弱磁控制的5.5 MW W TGS過(guò)載性能。根據(jù)當(dāng)W TGS遇到陣風(fēng)時(shí)，風(fēng)機(jī)無(wú)法及時(shí)回槳導(dǎo)致風(fēng)機(jī)超速過(guò)載的特性，本套電氣系統(tǒng)采用了弱磁控制。利用弱磁控制可以及時(shí)調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī) （PMSG）定子電流的優(yōu)點(diǎn)，既提高輸出功率和增加轉(zhuǎn)速范圍，又降低過(guò)載時(shí)過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)WTGS電氣系統(tǒng)的危害。通過(guò)某5.5MW WTGS電氣系統(tǒng)的過(guò)載試驗(yàn)，驗(yàn)證了在高速永磁類風(fēng)機(jī)的過(guò)載性能方面弱磁控制有明顯的優(yōu)勢(shì)。

永磁同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，弱磁控制，過(guò)載性能

0 引言

5.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是背靠背式的全功率變頻器和高速永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG），采用永磁半直驅(qū)模塊化設(shè)計(jì)，具有重量輕、體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。尤其在海上大型風(fēng)機(jī)方面，充分體現(xiàn)了技術(shù)先進(jìn)性[1-2]。針對(duì)現(xiàn)有此類海上大型風(fēng)機(jī)，鮮有專門對(duì)其超速過(guò)載性能進(jìn)行研究。

本文先利用PMSG數(shù)學(xué)模型分析電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速的控制關(guān)系，然后借鑒矢量控制這一經(jīng)典控制，在其基礎(chǔ)上引用了弱磁控制并建立了數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析得出，當(dāng)高速永磁類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭遇陣風(fēng)導(dǎo)致超速過(guò)載時(shí)，采用弱磁控制可以通過(guò)及時(shí)調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī) （PMSG）定子電流矢量，使其對(duì)永磁體產(chǎn)生去磁作用，既增大轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍和輸出功率，又降低過(guò)載時(shí)過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)WTGS電氣系統(tǒng)的危害，提高了風(fēng)機(jī)的過(guò)載能力，同時(shí)具有較好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。通過(guò)廠內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了理論的正確性。

1 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

在理想狀態(tài)下，基于d-q坐標(biāo)系的PMSG數(shù)學(xué)模型為[3-4]：

定子電流方程為：

式中，id、iq為定子電流is的d、q軸分量；β為定子磁鏈?zhǔn)噶肯鄬?duì)永磁體磁鏈ψf的相位。

定子磁鏈方程為：

式中，ψd、ψq為定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻的d、q軸分量；Ld、Lq為定子電感Ls的d、q軸分量。

定子電壓方程為：

式中，ud、uq為定子電壓us的d、q軸分量；Rs為定子電阻；ωr為轉(zhuǎn)子角速度。

定子功率方程為：

式中，P、Q分別為定子有功率、無(wú)功率。

對(duì)式（4）求導(dǎo)，可得最大輸出功率時(shí)的定子電流方程為：

其中，id、iq和ωr的基值為額定值isn和ωrn；

電磁轉(zhuǎn)矩及其機(jī)械運(yùn)動(dòng)表達(dá)式分別為：

其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；B為摩擦系數(shù)；Tm為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)矩；np為極對(duì)數(shù)；p為轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)。對(duì)式（8）求導(dǎo)，可得最大轉(zhuǎn)矩方程為：

2 基于弱磁控制的5.5MW WTGS過(guò)載性能

2.1 基本框架圖

5.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組弱磁控制的系統(tǒng)框架如圖1所示，其中變頻器、速度反饋、電網(wǎng)信息獲取、電機(jī)模型等環(huán)節(jié)均與傳統(tǒng)矢量控制相同，不同之處在于增加了弱磁控制器。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組弱磁控制框架圖

2.2 弱磁控制器的設(shè)計(jì)

弱磁控制的基本原理：調(diào)節(jié)電樞電流，使其產(chǎn)生的去磁磁鏈對(duì)永磁體具有去磁作用。

由于每臺(tái)風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)中變頻器均受最大電壓、電流的限制，即對(duì)電機(jī)輸出電壓、電流有一定的要求，不能超過(guò)變頻器所能承受的最大電壓、電流。但是在工程實(shí)踐過(guò)程中，陣風(fēng)來(lái)臨時(shí)，5.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組沒(méi)及時(shí)回槳，機(jī)組超速過(guò)載，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、功率、電壓和電流瞬間上升，對(duì)機(jī)組電氣系統(tǒng)有極大的危害。而弱磁控制恰恰能降低上述危害[2]。

在正弦穩(wěn)態(tài)和忽略定子電阻的情況下：

根據(jù)式（1）可得電流極限方程為：

其中， ismax是 is允許達(dá)到的極限值。

根據(jù)式（3）可得，定子電壓極限方程為：

其中， usmax是 us允許達(dá)到的極限值。

在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)，定子電流為額定值，當(dāng)us達(dá)到極限值時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)折速度ωmax為：

對(duì)式（13）進(jìn)行簡(jiǎn)化為：

如果仍需要提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率，及穩(wěn)定發(fā)電機(jī)端口電壓，則必須進(jìn)行弱磁控制以調(diào)節(jié)定子電流矢量，使β＞90。， 即id應(yīng)為負(fù)值，此時(shí)直軸定子磁鏈ψd會(huì)產(chǎn)生去磁磁鏈對(duì)永磁體產(chǎn)生去磁作用，進(jìn)而穩(wěn)定發(fā)電機(jī)出口電壓，提高轉(zhuǎn)數(shù)和輸出功率。

通過(guò)弱磁控制器數(shù)學(xué)模型可知，5.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)控制方式如圖2所示。在風(fēng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，定子電流矢量軌跡如下：

區(qū)間I（ωr≤ωr1）：定子電流可按式（10）～（11），定子電流矢量將沿著最大轉(zhuǎn)矩/電流比軌跡變化。

區(qū)間II（ωr1＜ωr≤ωr2）：若發(fā)電機(jī)已運(yùn)行于A1點(diǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到了轉(zhuǎn)折速度 （ωr=ωr1），可控制定子電流矢量由A1點(diǎn)沿著圓周向下移動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，定子電流矢量由A1點(diǎn)移動(dòng)到A2點(diǎn)。

在此區(qū)間，若不進(jìn)行弱磁控制，會(huì)導(dǎo)致變頻器對(duì)電壓、電流的失控，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)。若進(jìn)行弱磁控制，可以繼續(xù)增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速并提高輸出功率。

區(qū)間III（ωr＞ωr2）：id和iq可按式（5）～（7）進(jìn)行控制，定子電流矢量沿著最大功率輸出軌跡由A2點(diǎn)向A4點(diǎn)移動(dòng)，并且功率幾乎恒定。

圖2 風(fēng)機(jī)力發(fā)電機(jī)組弱磁控制方式

3 過(guò)載試驗(yàn)分析

在5.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組過(guò)載試驗(yàn)中，PMSG參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速1 100 r/min，d軸同步電感Ld=0.168mH，q軸同步電感Lq=0.175mH，定子電阻 （75℃）Rs=0.5 mΩ。在額定功率和轉(zhuǎn)速下，功率和轉(zhuǎn)速突增到1.1，穩(wěn)定運(yùn)行1 min，重復(fù)3次（間隔為9min）。

由圖3可知，在轉(zhuǎn)速和功率都增加到1.1倍時(shí)，由于弱磁控制主要是調(diào)節(jié)直軸電流id的大小和方向，進(jìn)而調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁場(chǎng)，使電壓、定子電流在最大允許范圍內(nèi)，防止轉(zhuǎn)矩劇烈脈動(dòng)、過(guò)壓過(guò)流的發(fā)生，避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)組脫網(wǎng)。同時(shí)功率、定子電流和并網(wǎng)電流均具有很好的快速響應(yīng)性和適應(yīng)性，直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電壓幾乎沒(méi)有波動(dòng)，具有較好的穩(wěn)定性，有效地保護(hù)了變頻器功率模塊。即本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了弱磁控制對(duì)高速永磁類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)應(yīng)用性，既能增加風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍和輸出功率，又能降低過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)電氣系統(tǒng)的危害，提高了風(fēng)機(jī)的過(guò)載能力。同時(shí)具有較好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。

圖3 過(guò)載試驗(yàn)實(shí)時(shí)波形

4 結(jié)論

在高速永磁類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣控制系統(tǒng)中，采用弱磁控制不僅增大轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍和輸出功率，又降低過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)WTGS電氣系統(tǒng)的危害，提高了風(fēng)機(jī)的過(guò)載能力。同時(shí)具有較好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。

[1]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008

[2]王成元,夏加寬,孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

[3]丁強(qiáng).永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)弱磁控制策略研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2010

[4]肖磊.直驅(qū)型永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2009

東汽要聞

福清核電1號(hào)機(jī)組首次涉核沖轉(zhuǎn)成功

2014年8月7日凌晨，由東汽提供汽輪發(fā)電機(jī)組的福建福清核電站1號(hào)百萬(wàn)千瓦級(jí)機(jī)組首次帶核沖轉(zhuǎn)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，一次成功。本次沖轉(zhuǎn)試驗(yàn)的整個(gè)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中相關(guān)設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定，機(jī)組狀態(tài)控制良好，為該核電機(jī)組早日并網(wǎng)發(fā)電創(chuàng)造了有利條件，進(jìn)一步檢驗(yàn)了東汽核電技術(shù)實(shí)力、項(xiàng)目管理水平、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量。預(yù)計(jì)2014年年底前，1號(hào)機(jī)組將投入商運(yùn)。

Research on Overload Performance of 5.5 MW W ind Turbine Generator System Based on Field Weakening Control

Liu Jianghua，Qiang Xichen，Wang Xiang，Cao Beizhen
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to further improve the electrical overload performance of 5.5 MW wind turbine（WTGS），the field weakening controlmathematicalmodel of 5.5 MW WTGS is researched in detail.When the electrical system ofWTGSencounters gust,and can not go timely back to paddle which lead to overspeed and overload,field weakening control is adopted.Take advantages of adjusting timely permanentmagnet synchronous generator（PMSG）stator voltage and current,the output power and speed rang is increased, the harm of overvoltage and overcurrent to electrical system is reduced by field weakening control.Through the electrical system overload testof 5.5MWWTGS,the proposed field weakening control has advantages for overload performance.

permanentmagnet synchronous generator,wind turbine generator system,field weakening control,overload performance

TK284

：A

：1674-9987（2014）03-0044-04

劉江華 （1986-），男，碩士，2012年畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，主要從事風(fēng)電設(shè)計(jì)工作。