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        雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模及其控制策略仿真研究

        2019-08-07 02:02:19李本榮趙旺馬寧
        科技視界 2019年18期
        關(guān)鍵詞:矢量控制風(fēng)力發(fā)電

        李本榮 趙旺 馬寧

        【摘 要】風(fēng)力發(fā)電因其綠色環(huán)保特性,在國內(nèi)已得到推廣。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因其體積可控和成本較低,應(yīng)用較為廣泛。本文完成了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電雙PWM變換器的建模,根據(jù)數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)網(wǎng)側(cè)變換器的電網(wǎng)電壓定向矢量控制策略和控制參數(shù),設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的定子電壓定向的矢量控制方法;通過在Simulink中搭建仿真模型,進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果證明了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的控制策略能有效控制雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電。

        【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電;矢量控制;Simulink仿真

        中圖分類號: TH7;TP21?文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 2095-2457(2019)18-0046-002

        DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.023

        1 雙饋風(fēng)力發(fā)電原理概述

        風(fēng)力發(fā)電因其綠色環(huán)保特性,在國內(nèi)已得到推廣。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(DFIG)因其體積可控和成本較低,應(yīng)用較為廣泛。DFIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,DFIG定子通過并網(wǎng)裝置與電網(wǎng)相連,轉(zhuǎn)子通過雙PWM勵(lì)磁變換器與電網(wǎng)相連,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1-3]。

        根據(jù)電機(jī)學(xué)原理,要實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,發(fā)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場n1和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n2與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nr之和)必須相對靜止,穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有定子電流頻率f1=npn1/60,轉(zhuǎn)子電流頻率f2=npn2/60,則有npnr/60+f2=f1,當(dāng)nr發(fā)生改變時(shí),可通過改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流頻率f2的大小,使定子輸出電流頻率f1保持恒定。

        2 網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)電壓定向的矢量控制模型

        2.1 網(wǎng)側(cè)變換器控制建模

        勵(lì)磁變換器采用雙PWM變換器[4],其中網(wǎng)側(cè)變換器由6個(gè)晶閘管構(gòu)成,將兩相同步旋轉(zhuǎn)速dq坐標(biāo)系中的d軸與電網(wǎng)電壓的方向重合,可得網(wǎng)側(cè)變換器在dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示[5]。其中Lg為網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電感;Rg為網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電阻;C為直流母線電容;?棕1為dq坐標(biāo)軸同步旋轉(zhuǎn)角速度。

        2.2 網(wǎng)側(cè)變換器控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

        電流環(huán)igd和電流環(huán)igq相互對稱,其PI控制器的參數(shù)可設(shè)為一致,故在此處僅通過igd進(jìn)行說明。將PWM調(diào)制響應(yīng)延遲考慮在內(nèi),則可得到igd電流環(huán)傳遞函數(shù)式(2),令?子=L/R,可將其校正為典型Ⅰ型系統(tǒng)。

        系統(tǒng)被校正為典型Ⅰ型系統(tǒng),其參數(shù)可以按照式(3)計(jì)算[6-8]。

        3 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器定子電壓定向矢量控制

        3.1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制建模

        將雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)dq模型中的d軸與定子電壓矢量取為同向,則有定子電壓q軸分量usq=0,定子電壓d軸分量usd=Us,Us為電網(wǎng)電壓幅值,定子電壓滯后定子磁鏈90°,故定子磁鏈的d軸分量=0,q軸分量等于定子磁鏈的幅值。將dq軸坐標(biāo)系中的d軸定向于定子電壓矢量時(shí),DFIG定子輸出的有功、無功功率實(shí)現(xiàn)了解耦。

        轉(zhuǎn)子磁鏈的表達(dá)式能夠用定子電壓和轉(zhuǎn)子電流來描述,聯(lián)立DFIG數(shù)學(xué)模型電壓方程[10]可得式(4),其中:?滓為漏磁系數(shù)

        參照表達(dá)式(4)中的基于定子電壓定向的控制框圖,可以在Simulink環(huán)境中建立轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制模塊的仿真模型。仿真模型如圖2所示。

        4 仿真結(jié)果及分析

        系統(tǒng)仿真中直流側(cè)電壓響應(yīng)如圖3所示。

        從直流側(cè)電壓響應(yīng)圖中可以看出直流電壓在0.4s左右時(shí)維持在給定值600V,系統(tǒng)的超調(diào)量為13%,在0.072s時(shí),直流電壓第一次到達(dá)給定值。直流側(cè)的電壓響應(yīng)較好,符合預(yù)期。電網(wǎng)電壓在系統(tǒng)穩(wěn)定之后,其相位和幅值均保持穩(wěn)定無大幅度波動(dòng),滿足電網(wǎng)要求。

        定子輸出的有功功率在經(jīng)過一段時(shí)間波動(dòng)后,穩(wěn)定在給定值5000左右。從圖4能夠得知,定子輸出的無功功率在經(jīng)過一段時(shí)間波動(dòng)后,穩(wěn)定在給定值0左右。

        5 結(jié)論

        根據(jù)仿真結(jié)果可得知,網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓定向的矢量控制,能夠?qū)崿F(xiàn)較好直流側(cè)的電壓響應(yīng),符合預(yù)期;轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用定子電壓定向的矢量控制方法,能夠?qū)崿F(xiàn)功率解耦控制,能有效控制雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流。該仿真過程驗(yàn)證了本文中采用的網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)DFIG定子側(cè)恒頻、恒功率輸出。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]夏長亮.雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與并網(wǎng)運(yùn)行[M].科學(xué)出版社,2014.

        [2]韓照亞,趙興勇,韓照晶,等.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)變換器的控制方法研究[J].電力學(xué)報(bào),2013,28(1):54-57.

        [3]趙陽.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)矢量控制技術(shù)研究[D].武漢:華中科技

        大學(xué),2008.

        [4]潘彥年.雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與最大功率控制研究[D].華北電力大學(xué)(北京),2012.

        [5]胡壽松.自動(dòng)控制原理(第四版)[M].科學(xué)出版社,2001.

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