双馈式风力发电机（共7篇）
双馈式风力发电机 篇1
0 引言
目前, 兆瓦级双馈异步发电机 (Double-Fed Induction Generator, DFIG) 广泛用于变速风力发电系统, 其特殊的入网方式及功率的调节手段, 导致机组对电网扰动非常敏感[1]。特别因电网故障引起的DFIG机端电压跌落, 导致DFIG转子绕组的过电流[2,3], 如不采取适当措施加以限制, 必引起转子侧变换器 (Rotor-Side Converter, RSC) 的热损坏。近几年, 许多学者对如何提高双馈异步发电机故障穿越能力进行了大量的研究, 主要研究成果可归纳为三类: (1) 在转子侧或Dc-link直流侧添加Active crowbar[4,5], 其对电网电压对称跌落有效, 但在电网电压严重不对称跌落时, 转子绕组中流过较大的负序电流, 限制了DFIG的故障穿越能力; (2) 在DFIG系统中安装额外的变换器或动态电阻器[6,7], 其对各种电网电压跌落类型都适用, 提高了DFIG的故障穿越能力, 但增加了DFIG系统的费用和复杂性; (3) 对传统控制策略的改进以及定子磁链去磁[8,9], 是目前广大学者较热衷的控制策略, 但在电网故障期间整个控制系统的瞬态性能较差, 达不到DFIG故障穿越的要求。
针对传统控制策略瞬态响应速度慢和控制带宽窄的缺点, 提出一个基于双滞环电流矢量控制器的故障穿越控制策略。所提出的双滞环电流矢量控制器具有非常快的瞬态响应速度和较宽的控制带宽, 可满足电网对DFIG故障穿越的要求。
1 DFIG转子开路电压分析
依据电动机惯例, 在定子坐标系下DFIG定、转子电压及磁链的动态矢量方程分别为[1,2,3]
式中:u, i, ψ分别为电压、电流、磁链矢量;R, L分别为电阻、电感;下标s, r, m分别为定子、转子及激磁参数;上标s为归算到定子侧的参数;r为转子的电角速度。
对RSC来说转子电压是最重要的变量, 消除式 (1) 、式 (2) 中的si及ψrs, 可得转子电压rus的表达式[5]为
式中:usr0为转子开路电压 (由定子磁链产生) , usr0 (28) Lm (d/dt-jr) ψs/Ls, 是影响转子电流动态性能的扰动项;为转子漏磁系数, (28) 1-Lm2/ (LsLr) 。
1.1 正常运行时DFIG的转子开路电压
若忽略定子电阻, DFIG稳态运行时的定子磁链矢量为[5,7]
式中:Us为定子电压幅值;1为同步电角速度。
因此, 由式 (3) 、式 (4) 可得定子磁链产生的转子开路电压usr0为
式中, s为DFIG的转差率, s (28) 1-r/1。
由式 (5) 可知, DFIG在正常运行时, 转子开路电压幅值较小, 为定子电压幅值的Lms/Ls倍。
1.2 机端电压对称跌落时DFIG的转子开路电压
电网发生三相短路故障是最严重的情况, 在此只分析这类故障引起的DFIG机端电压跌落情况。假设t (28) 0时电网发生三相短路故障, 忽略暂态过程中转速的变化, 转子绕组短路时DFIG的定子电压可近似表示为[5]
式中, D为电压跌落系数, 0D1。D (28) 1对应机端对称短路的故障情况。
若忽略DFIG的定子电阻, 其定子磁链近似等于定子电压的积分, 定子磁链中由定子电压产生的稳态分量ψsf为
由磁链守恒原理可知, 电压跌落瞬间DFIG定子磁链不能突变, 因此磁链中必出现暂态直流分量ψsn, 其表达式为
式中, sT为定子暂态时间常数, Ts (28) Ls/Rs, 其中sL为定子瞬态短路电感。
因此, 电网三相短路使DFIG机端电压跌落后的定子磁链可表示为
由式 (3) 、式 (9) 可得定子磁链产生的转子开路电压usr0为
由于定子电阻很小, 可忽略1/Ts。因此, 式 (10) 可简化为
由式 (11) 可知, 在机端电压跌落瞬间 (t (28) 0) , 转子开路电压usr0 (28) LmUs (s-D) /Ls, 若取s (28) -.0 3, D (28) 1, 则转子开路电压幅值约为正常时的2.3倍。在这样高的电压作用下, 若电流调节器没有足够快的瞬态响应速度, 在转子绕组中必将产生过电流。
图1为2 MW双馈异步发电机机端电压跌落1.0 p.u.及电压恢复时, PI电流调节器作用下转子电流的瞬态响应波形。由此可看出, 在机端电压跌落和恢复期间, 由于PI电流调节器较慢的瞬态响应速度和较窄的控制带宽, 转子实际电流不能很好地跟踪参考电流。因此, 在转子绕组中产生很大的振荡冲击电流。由此看来, 如何提高RSC电流调节器的瞬态响应速度, 使转子电流能较好地跟踪参考电流, 可提高DFIG的故障穿越能力。
2 滞环电流矢量控制的电流调节器
滞环电流矢量控制器最初用于有源电力滤波器, 其表现出许多优越性能, 如:非常快的瞬态响应速度、简单的硬件实施以及对系统参数变化的不敏感等[10,11]。
2.1 RSC输出的离散电压矢量
引入开关函数Sa、Sb、Sc, RSC共有8种开关模式, 由分析可知三相桥臂之间存在关联现象[10], RSC输出的各相电压取决于其三相桥臂的总体状态SaSbSc, 其开关状态及输出的对应电压见附录A表A1 (以Udc为基准) 。
为了消除相间影响, 引入空间矢量, 即静止正交α-β坐标。当轴与a轴重合时, 根据表A1可得RSC输出电压矢量为[11,12]
在式 (12) 中, 如果考虑所有的开关状态组合, 可得RSC输出的8个离散电压矢量为
由式 (13) 可知, RSC输出的离散电压矢量由6个非零电压矢量 (1u~6u) 和2个零电压矢量 (u0/u7) 组成, 其空间分布及参考电压区间如图2所示。
2.2 滞环电流矢量控制器的实施
在转子参考坐标中, 由式 (3) 可得DFIG转子侧变换器的输出电压为
若定义电流误差 (35) ir (28) ir*-ir, 由式 (14) 可导出DFIG转子电流误差的矢量方程为
若忽略转子电阻, 要使转子电流误差矢量为零, 定义RSC输出的参考电压矢量为
由式 (15) 、式 (16) 可得简化的DFIG转子电流误差矢量方程为
由式 (16) 、式 (17) 可知, 要完全消除转子侧变换器的电流跟踪误差, 必须计算出参考电压矢量ru*。由于在工程实际中准确获得转子开路电压ur0和参考电流的导数dir*/dt难以实现, 所以不可能准确计算出参考电压矢量ru*。实际上不需要计算参考电压矢量ru*, 只要判断出参考电压矢量ru*所处的空间位置, 适当地选择转子侧变换器输出的电压矢量, 控制转子电流误差矢量 (35) ir的变化率d (35) ir/dt, 就可达到控制转子电流误差矢量 (35) ir。双滞环电流矢量控制器 (Vector-Based Double Hysteresis Current Controller, VBDHCC) 的原理图如图3所示。
在三相abc转子坐标中, 采用两组滞环比较器:一组为滞环带宽为 (10) (35) 的辅滞环比较器, 根据其输出的状态值BaoBboBco来确定参考电压ru*所处的空间位置 (如图2所示) , 由此确定出RSC输出的最优电压矢量集。另一组为滞环带宽为的主滞环比较器, 用于跟踪参考电流。根据其输出的状态值BaiBbiBci, 利用区间侦测器所确定的最优电压集, 选择最优电压作为RSC的输出电压矢量。在控制过程中为了减少转子侧变换器的平均开关频率, 并抑制输出电流的振荡, 根据参考电压ru*所处的空间位置, 主动引入零电压矢量 (u0/u7) 。基于双滞环电流矢量控制采用的开关表如表1所示。
所提出的基于双滞环电流矢量控制器仅需测量转子电流的瞬态值, 变换器的门信号直接用开关表产生, 取消了传统矢量控制的调制单元, 使其具有内在的电流限制属性和非常快的动态响应速度, 由此在DFIG转子等效电路中转子侧变换器可看成一个可控电流源, 对系统参数变化和电压扰动具有很强的鲁棒性。
2.3 两个控制器的过渡策略
所提出的DFIG故障穿越控制策略由两个不同的开关策略组成。正常运行时及电压跌落稳定后, PI电流调节器以最优稳态性能调节转子电流;电压跌落瞬态期间, DFIG转子绕组中将产生较大的冲击振荡电流, PI电流调节器的动态响应速度不足以维持转子瞬态电流的精确控制, 电流跟踪误差将超过PI调节器的误差带宽, 当触击到控制器的电流设计限值Ith_VBDHCC时, 电压跌落监控单元激活双滞环电流矢量控制器, 设其作用时间为50 ms (目的是考察双滞环电流矢量控制器作用的动态过程以及两个控制器之间切换的平稳性) 。电压恢复过程中两个开关控制策略之间的转换原理同电压跌落期间一样。采用的开关策略如图4所示。
由于双滞环电流矢量控制器具有非常快的瞬态响应, 用可以忽略的响应时间, 强迫转子电流保持在滞环带宽内。但从双滞环电流矢量控制器直接过渡到PI控制器是不可取的, 由于PI电流调节器瞬态响应速度慢, 直接过渡将在转子绕组中产生较大的电流振荡。因此, 为了获得一个较稳定的过渡, 过渡时利用双滞环电流矢量控制器的门信号, 经过一阶低通滤波器得到RSC的输出电压矢量, 重新初始化PI电流调节器。
3 故障穿越控制策略仿真研究
为了验证所提出的故障穿越控制策略对提高DFIG故障穿越能力的有效性, 在Matlab/Simulink中构建了仿真模型, 2 MW双馈异步风力发电机参数见附录A表A2。仿真时为达到在不同的电流控制器之间的精确比较, 保持RSC外部功率控制环的功率和转子速度为常数。所提出的DFIG故障穿越控制策略实施框图如图5所示。
设电压跌落前DFIG以转差-2.0且功率因数cos (28) 0.9满载稳定运行。t (28) 0.1 s时机端电压跌落, 电压跌落持续时间为0.1 s。为评估所提出的故障穿越控制策略在机端电压深度跌落时的故障穿越能力, 在此对机端电压三种跌落类型情况进行了仿真研究, 转子电流irabc、dc-link电压Udc和电磁转矩Tem的波形分别如图6 (a) 、图6 (b) 、图6 (c) 所示。并与PI电流调节器作用下的故障穿越能力进行了对比, 其irabc、Udc和Tem的波形见附录A图A1 (a) 、图A1 (b) 、图A1 (c) 。
一般情况下, 在转子侧变换器过调制运行下Dc-link的安全限制电压为额定电压的1.3倍, 允许的转子安全限制电流为额定电流的2倍[10]。由图6及图A1的分析比较可知, 在所提出的复合控制器作用下, DFIG能很好地满足电网要求的故障穿越要求, 仿真分析比较结果如表2所示。在机端电压跌落至电压恢复期间, 对称跌落时控制器的切换时刻分别为0.100 2 s、0.210 7 s;电网相间故障时控制器的切换时刻分别为0.100 1 s、0.160 5 s;一相跌落时控制器的切换时刻分别为0.100 4 s、0.164 9 s。
4 结论
为深入理解PI电流调节的双馈式风力发电机故障穿越能力弱的原因, 详细分析了因电网三相短路导致DFIG机端电压对称跌落时转子开路电压的动态特性。由于PI电流调节器有限的瞬态响应速度和控制带宽, 机端电压跌落时在转子端感应较高的开路电压是引起转子绕组过电流的本质原因。
为提高双馈异步风力发电机组的故障穿越能力, 在此提出了基于双滞环电流矢量控制的故障穿越策略。电网故障及故障清除期间, 应用两个不同的开关控制策略。在两个控制器切换时应用了重新初始化技术, 使其达到一个稳定的过渡。为评估所提出的DFIG故障穿越策略, 对电网对称和不对称短路故障引起的机端电压跌落进行了仿真研究, 通过图6及图A1的对比分析, 所提出的基于双滞环电流矢量控制器的故障穿越策略具有非常快的瞬态响应速度, 有效地限制了转子中的振荡冲击电流和Dc-link直流电压的冲击值, 使其保持在安全限度以下, 提高了DFIG的故障穿越能力。
附录A
(1) RSC的开关状态及输出电压
(2) 2 MW双馈式风力发电机主要参数
(3) PI电流调节器作用下的irabc、Udc和Tem的波形
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双馈式风力发电机 篇2
关键词：双馈式风力发电,网侧变流器,三电平SVPWM整流,中点平衡控制
0引言
随着不可再生能源储量的不断减少,世界各国在新能源发电方面进行大量研究,风能作为新型能源受到国内外研究人员的广泛关注。其中变速恒频风力发电技术已经得到广泛应用,而双馈电机的优越 特性使其 成为风力 发电的主 流机型之 一。在变速恒频风力发电技术中,变流器技术是其核心[1]。
为保证系统发电质量和功率双向流动特性,变流器须提供性能优良的励磁电源。双馈式风力发电系统电网侧变流器 采用空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)整流方式,获得正弦输入电流和恒定的输出电压,可实现交流输入功率因数为1[2,3]。
1电网侧变流器数学模型
网侧变流器 采用二极 管箝位式 三电平拓 扑,三电平SVPWM变流器数学模型 的建立,是研究三 电平变流 器的基础。利用状态空间平均法消除开关函数不连续的影响 便于简化分析过程,利用坐标变换可以将交流分量等效成2个直流部分,进一步简化计算。建 立数学模 型不仅是 控制器设 计的基础,还可以进一步分析系统稳定性[4,5]。
二极管嵌位型SVPWM三电平整流电路主电路中,A、B、C每相电源的桥臂有4个开关管和2个嵌位二极管,如图1所示。
以整流桥A相为例,其对应桥臂为Ta1、Ta2、Ta3、Ta4,开关函数为S,A相开关函数的表达式如公式(1)所示:
根据基尔霍夫定律及状态空间分解可得,直流侧电容函数的推导如公式(2)所示:
式中,Sa1、Sb1、Sc1、Sa2、Sb2为相关的开关函数;isa、isb、isc为电网三相输入电流;C1、C2为直流侧电容;udc1、udc2分别为电容C1、C2上的电压;iL为负载电流。
从三相静止坐标系到两相静止坐标系和两相 静止坐标 系到两相旋转坐标系可得,dq坐标系下数学模型如公式(3)所示:
输入电压被分解为有功分量Vd和无功分量Vq,如公式(4)所示:
其中,p=d/dt,Vd、Vq表示dq坐标系下输入电压。
2网侧变流器控制策略
在网侧变流器的控制系统中,电压外环和电流内环双闭环控制是主要的控制策略。电压外环起到使直流母线电压 恒定的作用,根据直流电压Udc的大小决定变换器输出功率的大小和方向。电压外环的输出为电流内环的给定信 号。电流内环起到使变流器的输入电流能够跟踪电压外环的输出电流 给定的作用,从而控制单位功率因数。
实现双闭环控制的方法主要有三相静止坐标 系的双闭 环控制方法和基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法。
由于在三相静止坐标系下电压和电流存在耦合,不利于控制。通过Park变换可以得到两相 旋转坐标 下的数学 模型,模型将电压和电流分解为直流分量。d轴电流为系统输入的有功电流,q轴电流为系统输入的无功电流。通过引入id、iq的前馈补偿解耦控制实现 整流器网 侧有功和 无功分量 的单独控 制。基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法调节器设计简便,很容易实现单位功率因数控制[6]。
根据两相旋转坐标系dq系统模型,可以设计dq坐标系下三相电压型SVPWM整流器控制的电压指令Ud*、Uq*,如公式(5)所示:
式中,Kpi、Kii分别为电流环的比例系数和积分系数。
基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制思想为:电压控制器和电压反馈构成电压外环,电流控制器和电流反馈构成电流内环。给定的直流侧参考电压Ud*c和实际输出电压比较之后,经电压外环PI调节器得到有功电流给定id*。为实现单位功率因数,无功电流给定值iq*设为0。将id*、iq*与主电路 中的电流 比较,经电流内环PI调节器后得到指令 电压。再由电 网电压和电感电压的交叉分量前馈补偿,得到电压给定Ud*、Uq*。最后两相旋转坐标到两相静止坐标转换,进行SVPWM调制,得到控制三相三电平整流桥的控制脉冲,从而使控制电流为正弦波且与电压同相位,如图2所示。
3中点平衡控制策略
本文采用空间矢量调制方式。首先划分 参考矢量 所处扇区以每个扇区中的小区域。6个长矢量正六边形划分成了6个大区,每个扇区按60°角划分,分别以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ表示;每一个大扇区又可以划分成为4个小区,以1、2、3、4表示。确定参考矢量所处大扇区后,需要判断参考矢量处于扇区中的哪个小区域。
设每一扇区每小区小矢量、中矢量、大矢量 作用时间 分别为t0、t1、t2,为了使一个开关周期内中点电流为0,引入中点平衡因子f,引入平衡因子后重新分配7段式矢量作用时间分别为(1+f)t0/4、t1/2、t2/2、(1-f)/2、t2/2、t1/2、(1+f)t0/4。现采用一种PI调节法来产生中点平衡因子,能够避开电压、电容等参数的计算,中点平衡因子的计算如式(6)所示:
式中,Vdc1和Vdc2分别为上、下 桥臂电压;TI为可变积 分时间常数。
4三电平 SVPWM 整流在 MATLAB中建模仿真
搭建基于MATLAB/simulink软件平台 的仿真模 型来验证数学模型和控制策略。主电路中仿真参数设置为:交流线电压有效值3300V;直流电压5000V;交流电压频率50 Hz;开关频率1050 Hz;滤波电感1.9mH。为模拟实际中电容不平衡情况,将直流侧稳压电容设为C1=6600μF,C2=6580μF,负载R=11.4Ω。
整流器直流输出电压,在3个工频周期后直流电压达到稳定值5000V,如图3所示。
整流器输入端可以看出A、B线电压为五电平波形,如图4所示。
系统稳定后电压、电流相位重合,功率因数为1,得到交流侧A相电源电压和A相输入电流波形,如图5所示。
添加中点平衡控制算法后中点电位波形,可以看出该平衡控制算法减小了中点电位波动,可有效地消除中点电位 偏移,如图6所示。
由图6可知,基于两相旋转坐标系的前馈解耦控制方法在三相SVPWM整流系统中的控制性能十分良好。该方法可获得稳定的直流输出电压,并且在系统稳定后维持功率因数为1。
5结语
在本文中,根据图3中三电平SVPWM整流在MATLAB中建模仿真结果可知,仿真模型的整流器直流输出电压能够在3个工频周期内快速达到稳定值5000V,整流器输入电压和电流同相位,实现单位功率因数的控制。同时,运行在逆变状态,电压和电流相位相反,不产生无 功功率,电网受到危害最小。
双馈风力发电机定子电流谐波分析 篇3
双馈风力发电是风力发电的一种重要类型,和其他发电形式相比,双馈风力发电系统的变频器容量只有其发电容量的25%~30%,并且能够独立控制发电机的有功、无功功率[1]。
谐波问题是并网型风力发电系统需要特别关注的问题,谐波对电力系统的运行有很大的负面影响,包括降低设备利用效率,产生振动和噪声,缩短设备的使用寿命等[2]。对双馈电机的谐波进行分析,一方面可以根据谐波源的特点采取一定措施减小谐波;另一方面系统出现问题的时候也可以根据谐波频谱来判断问题来源。
目前,关于双馈电机谐波分析方面的文献还比较少。基于对一台30 k W双馈电机和一台1.5 MW双馈电机的试验数据,本文分析和总结了双馈电机定子电流谐波的来源和特征,最后给出了1.5 MW电机满容量发电的谐波试验结果。
1 双馈电机数学模型[3,4]
定子采用发电机惯例,转子采用电动机惯例,将转子侧的电压和电流折算到定子侧,双馈电机稳态的数学模型可以用式(1)表示:
其中,U、I、r、Xσ分别表示电压矢量、电流矢量、电阻和漏抗;下标1表示定子侧物理量,下标2表示转子侧物理量;Im表示励磁电流矢量;s表示双馈电机的转差率;ω1表示定子磁场旋转角速度,ωr表示转子的旋转角速度;E1和E2表示励磁电压矢量。
根据式(1)可以画出双馈电机的基波等效电路如图1所示。
双馈电机并网后,定子电压等于电网电压,而转子电压由变频器提供,用来控制定子的有功功率和无功功率。定子电压和转子电压都将对定子电流的谐波产生影响。下一节将详细分析定子电流的谐波来源。
2 双馈电机定子电流谐波来源
定子电流的谐波可能来自双馈电机本身、转子侧变流器或者电网电压。图2归纳了双馈电机定子谐波电流的主要来源以及对应的谐波特点。
电机设计过程中,由于定子需要开槽,会引入齿槽谐波。此外,气隙饱和等因素所导致的气隙磁场非正弦分布也会引入谐波。
转子侧控制器也是定子电流谐波的一个重要来源。由于引入了电力电子器件,开关谐波是不可避免的,开关谐波的大小和次数与PWM调制方法有关。此外,控制波形出现的任何畸变都会以谐波的形式耦合到定子侧。定、转子电流的频率不同也给分析带来了一定的难度。
定子电流的谐波也可能由电网电压引起。不仅是电网电压谐波,电网电压不平衡可能会引起定子电流的谐波。
此外,测量装置会影响谐波的测量。测量装置的带宽、响应速度等参数都可能影响测量结果,进而影响谐波分析,在实际应用中应该引起重视。
3 定子电流谐波分析
上一节提到了双馈电机谐波的来源和基本特征,基于对1台30 k W和1台1.5 MW双馈电机的试验结果,本节将对双馈电机的各种谐波进行详细分析,下面给出2台电机的参数。
30 k W双馈电机:额定容量30 k W,额定线电压380 V,额定频率50 Hz,极对数3,定子电阻0.060 2p.u.,转子电阻0.158 3 p.u.,互感6.104 5 p.u.,定子漏感0.136 p.u.,转子漏感0.3125 p.u.。
1.5 MW双馈电机:额定容量1 560 k W,额定线电压690 V,额定频率50 Hz,极对数2,定子电阻0.007 5 p.u.,转子电阻0.006 6 p.u.,互感3.997 p.u.,定子漏感0.052 p.u.,转子漏感0.089 p.u.。
3.1 双馈电机本身的谐波
3.1.1 齿谐波
由于双馈电机定子开槽的原因,电机气隙的磁导变为不均匀,因此在气隙磁场上要叠加一个与定子齿数相对应的附加周期性磁场,这个附加磁场产生的谐波就是齿谐波[5,6]。齿谐波的谐波次数可以通过下面的表达式来计算。
其中,fslh表示齿谐波的次数;S表示电机定子的槽数。
从式(2)可以看出,双馈电机定子齿谐波的频谱成对出现,且间距为2 f1,当f1=50 Hz时,齿谐波的间距为100 Hz,这是齿谐波的典型特征。齿谐波和电机转速相关,转速越高,齿谐波的次数越高。
从频谱中判断齿谐波有2种方法,在定子槽数已知的情况下可以直接计算出齿谐波次数;在定子槽数未知的情况下,可以改变电机转速,多测几组频谱,找到间距为100 Hz并且随转速变化的一组谱线来反算出电机定子的槽数。
实验中30 k W电机随转速变化的频谱图如图3所示,可以明显看出有一组随转速变化且间距为100 Hz的频谱线,将图中齿谐波的频率代入式(2)中计算,可以得到电机定子的槽数为54。
3.1.2 气隙磁场中的高次谐波
除了基波以外,气隙磁场中还有一系列的高次空间谐波,如5、7、11次等,空间中的这些高次谐波切割定子线圈将会产生对应的定子谐波电流。此外,气隙磁场饱和也是产生高次谐波的重要原因。严格意义上,齿谐波属于气隙磁场中的高次谐波,但由于其频谱特征明显,故在3.1.1节单独列出。
气隙磁场中的高次谐波主要由电机设计来决定,从频谱上看,这些谐波电流的次数主要是5、7、11等奇数次谐波。为了测定电机中气隙磁场的高次谐波,可以通过在电机转子上通入理想的正弦励磁电压波形、定子串三相对称电阻的方法来测定。
3.2 转子侧控制器引入的谐波
3.2.1 转子侧谐波的一般分析方法
双馈电机定子磁场旋转角速度和转子的旋转角速度不同,所以定子电流和转子电流谐波次数并不相同,这给分析带来了一定的难度。按照反电势平衡的原理,定子电流矢量的旋转速度等于转子电流矢量旋转速度和电机转速之和,设定子电流矢量速度为ω1,转子电流矢量速度为ω2,则它们的关系可以用式(3)表示:
当n=6k+1,k=1,2,3,…时的谐波为正序谐波,此时谐波电流矢量的旋转方向和基波相同。最低次的正序谐波为7、13次等。
当n=6 k-1,k=1,2,3,…时的谐波为负序谐波,此时谐波电流矢量的旋转方向和基波相反。最低次的负序谐波为5、11次等。
当n=3k,k=1,3,5,…时的谐波为零序谐波。此时谐波电流矢量不旋转。典型的零序谐波为3、9次等。
将式(1)的最后一个方程代入式(3)可以得到正、负序定子谐波电流对应的转子电流谐波的频率为
从式(4)可以看出,定子正序和负序电流谐波对应转子谐波电流在频率6 kω1两边呈对称分布,转差率的绝对值越大,转子电流的频谱距离6kω1就越大。
图4给出了试验中1.5 MW电机的定子电流5、7次谐波及其对应的转子电流谐波频谱图。图4(a)中的转差率为0.3,图4(b)中的转差率为-0.2。可以看出,转子电流的频谱在6次谐波两边呈对称分布,图4(a)中两根转子谱线之间的间距为30 Hz,而图4(b)中两根转子谱线之间的间距为20 Hz。
根据式(4)可以得到定子最低次谐波对应的转子谐波频率值如表1所示。
3.2.2 开关谐波
由于转子电压由电力电子变换器提供,电力电子器件动作产生的开关谐波就会不可避免地耦合到定子和转子电流里面。开关谐波的分析对于滤波器的设计有很重要的意义。
3.2.2. 1 转速不等于同步转速时的开关谐波
当电机的转速不等于同步转速时,转子电流的频率不等于0。转子侧控制器将控制波形经过调制变成PWM波加到转子上。
文献[7]给出了通过正弦PWM调制(SPWM)后输出波形的频谱规律。试验中采用正弦空间矢量PWM调制(SVPWM)方法,调制后谐波频谱和SPWM调制基本一样。输出波形的频谱主要集中在开关频率fs及其倍频2 fs、3 fs等为中心的周围,其中以开关频率fs处的谐波幅值最大,其频率可以表示为
其中,fswh表示开关谐波的次数;N表示载波比;J=2,4,6,…;f2表示转子电流的频率。
将载波比的表达式N=fs/f2代入式(5)可得:
根据式(6)可得到谐波幅值最大的频率为fs±2 f2和fs±4 f2,和式(6)中的转子谐波频率对应的定子谐波频率为
图5和图6给出了1.5 MW双馈电机的开关谐波试验波形图。
图5中转子侧控制器的开关频率为2.4 k Hz,电机的转速为1800 r/min,转差率为-0.2,可以看出转子开关谐波幅值较大的谱线位于2.36、2.38、2.42和2.44 k Hz,对应的定子谐波的频率为2.32、2.38、2.42和2.48 k Hz。
图6中转子侧控制器的开关频率为3 k Hz,电机的转速为1 050 r/min,转差率为0.3,可以看出转子开关谐波幅值的较大的谱线位于2.94、2.97、3.03和3.06 k Hz,对应的定子谐波的频率为2.905、2.995、3.005和3.095 k Hz。
3.2.2. 2 转速等于同步转速时的开关谐波
当转速等于同步转速时,转子侧控制器输出的电压和电流都为直流,频率为0,按照基波等效电路,从转子侧看过去转子回路等效为一个电阻。但从谐波等效电路看,转子回路仍然存在较大的阻抗。转子电流的开关谐波的幅值在其开关频率处达到最大。
试验中,当定子发出有功功率为150 k W,无功功率为0,转子转速为1500 r/min,转差率为0,开关频率为3 k Hz时,转子线电压开关谐波最大值出现在3 k Hz,其幅值为1.084 V,对应的定子开关谐波电流的最大值为0.464 A。
虽然转子和定子电流中都存在开关谐波,但对于开关谐波而言,电机的阻抗很大,所以耦合到定子侧的谐波幅值并不大,比较容易滤除。
3.2.3 和控制波形有关的谐波
如果不考虑转子侧的开关谐波,稳态理想情况下,转子侧电流只含有转差频率的分量。但转子侧的控制波形由逆变器产生,由于控制策略的原因可能产生转子电压波形的畸变,耦合到定子侧就会形成定子电流谐波,这里称之为和控制波形有关的谐波。
由于转子侧控制器和双馈电机构成一个完整的控制回路,因此控制策略会对定子电流的谐波造成很大影响。以矢量控制为例,转子侧电流是转换到转子dq轴进行控制的,控制器参数、转速波动、角度偏差等因素都可能引起转子三相电压的变化,进而会引起定子电流的谐波,需要根据具体问题来具体分析。如文献[8]分析了转速波动对定子电流谐波的影响,指出转速的波动会引起定子电流的低次谐波。
3.3 电网电压引入的谐波
电网电压的谐波可以引起定子电流出现对应次数的谐波,文献[9]给出了电网电压谐波的相关规范。1.5 MW双馈电机的定子电压一般为690 V,需要通过变压器接入电网,因此变压器也是谐波电压的来源之一。
根据试验数据,当转子侧控制器不工作时,电网电压中主要含有5、7次谐波电压,5次电压为0.75 V,7次电压为2.37 V,转子侧控制器工作后,电网电压中的谐波会增加。但由于谐波电压的含量小,在分析定子电流谐波时可以忽略其影响。
此外,还要提到电网电压三相不平衡。不平衡电压会产生定子负序电压和电流矢量,负序电流矢量以角频率ω1反方向运动,相对于基波电流矢量的角频率就是2ω1,这样在电机转子dq轴电流、无功功率和转矩的表达式中就含有了2次谐波分量。若控制策略选择不当,转子电流谐波就会耦合到定子侧。
文献[10-11]分析了电网不平衡情况下的双馈电机模型,并提出了相应的控制策略来减小不平衡对电机定子电流的影响。
4 减小定子电流谐波的方法及试验
4.1 减小定子电流谐波的方法
通过分析可以归纳出减小双馈电机定子电流谐波的方法主要涉及4个方面的内容。
a.改善双馈电机磁路设计。电机气隙磁场非正弦分布带来的谐波可以通过改进电机磁极设计等方法来减小。大功率双馈电机的定子槽数较多,所以齿谐波的次数也比较高,比较容易滤除。
b.提高控制系统传感器性能。当传感器测量不准确时,会引起控制波形的变化,进而引起电流谐波,因此需要提高传感器性能,包括提高供电电源精度、增加屏蔽、校准零漂等。
c.选择合适的滤波器。由于开关谐波和齿谐波的次数比较高,因此可以通过简单的无源滤波器来滤除。滤波器可以加在双馈电机的转子侧,也可以加在定子侧。
d.采用电网电压不平衡控制算法。前面已经提到电网电压不平衡会引起定子电流谐波,因此可以选用不平衡控制策略来减小电流谐波。
4.2 1.5 MW双馈电机满容量试验谐波分析
当1.5 MW电机满容量运行时,电机定子的有功功率为1300 k W,无功功率为0,转速为1800 r/min,转差率为-0.2,电机输出的总功率为1 560 k W。试验装置中采用了4.1节所述方法来减小电流谐波。定子电流中各主要谐波的幅值如表2所示。电机定子电流is、转子电流ir和定子电压us的波形如图7所示。
由于定子电流中开关谐波和齿谐波的次数比较高,幅值很小,所以没有列出。从表2可以看出,定子电流谐波中5次谐波和7次谐波的幅值最大,这些谐波主要是由电机气隙磁场非正弦分布造成的。
从图7可以看出,定子电流和转子电流的波形基本上为正弦波,谐波含量小,通过计算可以得到定子电流的总谐波畸变率THD<3%。
5 结论
根据分析和研究可以得到下面几点结论:
a.双馈电机定子电流谐波的主要来源有电机本身、转子侧控制器和电网电压;
b.由于定子磁场旋转角速度和转子的旋转角速度不同,定子电流和转子电流谐波频谱不同,要根据电机转速和谐波自身特点进行分析;
c.根据双馈电机定子电流谐波的特点可以采用改善电机磁路设计、提高控制系统传感器性能、增加滤波器等措施来减小定子电流谐波;
d.根据1.5 MW电机满容量试验结果可知,双馈电机定子电流中的5、7次谐波含量较大,由于齿谐波和开关谐波的次数很高,并且加装了滤波器,因此耦合到定子电流中的谐波幅值很小。
摘要：介绍了双馈电机的数学模型,并在此基础上总结了双馈电机定子电流谐波的来源和基本特点;基于对一台30 kW和一台1.5 MW双馈电机的具体试验数据,结合理论分析得到了齿谐波、开关谐波、电网电压引入的谐波等各种电流谐波的频谱特征,总结了定、转子谐波电流之间的关系;根据各种谐波的特点提出了减小定子电流谐波的方法,并将这些方法应用在1.5 MW双馈风力发电样机系统中,给出了满容量发电时的电流谐波试验结果,验证了这些方法的实用性。
关键词：双馈电机,定子电流,谐波,风力发电,频谱特性
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用于风力发电的双馈型电机 篇4
如今, 煤炭和石油的污染问题十分严重, 而可再生资源的利用是针对这一问题最有效的解决办法之一。作为一种清洁的可再生能源, 风能受到了世界各国的重视。由于风力资源总量非常巨大, 并且在几乎所有国家和地区都有分布, 因此在利用风能发电方面, 基本上不会受到缺乏资源这一因素的限制。与火电、核能、水力等发电方式相比较, 风力发电的环境效益和社会效益都很显著。
然而, 根据风的性质, 当风被用于产生电能时, 存在着一个突出的问题, 由于风速的不可控, 造成了输入的不稳定。为了能够在风速变化的情况下, 输出恒定频率的电能, 发展出了不同类型用于风力发电系统中的发电机[1], 变速恒频模式是风力发电的发展趋势, 在这种发电模式下, 风力发电机的输出频率不会受到风速变化的影响, 可以保持恒定。
1 概述
1.1 风力发电的发展现状
目前, 风力发电技术最显著的进步在于大型风力发电机的发电规模, 如图1所示, 风力发电机的单机容量随着时间的推移大幅提升, 在1980年, 风力发电机的单机容量只有20~50 k W, 但在2010年, 风力发电机的最大单机容量已经达到5 MW。
在2005年的后半年, RE power公司首次开发出了5 MW的大功率风力发电机, 在之后的一段时间一直是世界上单机容量最大的风力发电机。
表1是几家国际公司所生产的双馈发电机的单机容量, 有的公司也已经具备了生产5 MW以上双馈发电机的能力。
近年来, 随着全球风力发电技术的快速发展, 风力发电机的可靠性大大增加, 发电成本显著降低, 并逐渐接近常规能源发电机的发电水平。风力发电机的单机容量逐渐增加, 并从早期的定桨失速控制向变速恒频的方向发展[2]。
最受关注的变速恒频方案是交流励磁变速恒频风力发电系统, 它通常使用绕线转子异步电机作为发电机。由于绕线转子异步发电机具有滑环和电刷的结构, 这种摩擦接触的结构不适合在恶劣环境中运行的风力发电设备, 因此需要发展出一种新型的发电机。
无刷双馈电机由两组绕线转子异步电机组成, 两个转子不使用滑环和电刷, 直接同轴连接, 更为简单和可靠。
风力工程的经验表明, 在技术可行和价格合理的条件下, 容量越大, 越经济。
由于电力电子元器件的容量越来越大, 所以双馈发电机组的励磁系统调节能力也越来越强, 这使得双馈机的单机容量得以提高。虽然, 部分理论还在完善当中, 但是随着双馈反应发电机的广泛应用这一趋势将越来越明显。
本文的重点在于风力发电系统机箱内部的发电机的设计。如今可再生资源的利用是针对煤炭及石油污染问题最有效的解决办法之一, 因此, 风能是一种具有很好发展前景的能源。发电机是风力发电系统的核心, 为了确保发电机的性能, 需要比较不同类型的发电机, 本文的主要目的在于, 了解常见的风力发电系统中发电机的分类和原理, 并选择合适的发电机。
1.2 用于风力发电系统的发电机的分类
首先, 根据高风速对转子效率的影响, 风力发电系统可分为三种常见类型:
(1) 鼠笼式感应发电机系统;
(2) 双馈绕线转子异步发电机系统;
(3) 直接驱动的同步发电机系统。
通常, 鼠笼式感应发电机用于多级变速箱控制的定速风力发电机系统;双馈异步发电机用在多级变速箱控制的变速风力发电机系统;第三类是一种无齿轮变速风力发电机系统, 它一般用在高转矩低频的情况下。
由于各种发电机都有自己的特点, 它们分别适用于不同的条件。然而, 当它们用在风力发电机中时, 变速发电机, 也就是双馈型异步发电机更实用。
另外, 也可以从速度控制方面对用于风力发电系统的发电机进行分类, 下面将分别说明这几种发电机系统的特点。
1.2.1 固定速度的鼠笼式感应发电机系统
图2为固定速度的鼠笼式感应发电机系统的结构组成。鼠笼式感应发电机只能运行在狭窄的同步转速范围内, 因此通常被称为定速风力发电机。由于它总是从电网获得无功功率, 需要电容器做无功功率补偿[3]。
图3所示为定速鼠笼式感应发电机的等效电路, 这种类型的发电机不需要滑环或励磁系统。转子绕组由金属杆组成, 并在末端由端环短接。大部分转子电流流过鼠笼导条, 只有小部分转子电流通过其他部分。在导条和端环部分是典型的低电压高电流, 高效率的发电机通常会使用铸铜作为鼠笼导条来降低转子的电阻。
感应电动机可以运行在三种状态:电动机状态、发电机状态和电磁制动状态[4], 如图4所示。
感应电动机的速度不可能达到定子中旋转磁场的速度 (同步转速) , 如果转子转速达到同步转速nS, 转子和导体之间没有相对运动, 因此不会产生旋转电磁场, 也就不会产生电磁力和转矩来驱动转子旋转。
转差率是一个非常重要的物理量, 可以显示出感应电动机的运行状态和特性。
在发电机状态下, 定子的磁场不能提供足够大的转矩, 使转子可以以n>nS的速度旋转, 因此转子此时从原动机吸收机械功率, 电功率由定子输出到电网。
这种发电机的恒频输出可以通过定桨失速控制[2]。
当风速高于额定风速时, 气流攻角增加, 会在风力涡轮叶片表面产生涡流, 并将发电机的速度维持在一个恒定值, 来保证发电机端频率和输出电压幅值不变。由于操作范围很窄, 所以它只能利用一定风速下的风, 当风速变化时, 风会偏离最优运动速度, 造成工作效率下降, 并会增加风力涡轮机的磨损[8]。
因此这种类型的系统在速度变化的情况下适用性比较差, 这种情况下, 引出了另外两种类型的发电机。
1.2.2 有限变速绕线转子异步发电机系统
图5为有限变速绕线转子异步发电机系统的结构。绕线转子异步发电机的定子连接到电网, 转子绕组与一个电阻串联。对可变速度的控制, 可以通过控制从转子里提取的能量来实现, 转速的控制取决于电阻的大小[3]。
绕线转子电动机在原理方面类似于普通的异步电动机, 主要的不同在于结构, 绕线转子异步电动机的转子使用的是分布式绕组, 如果用集电环把转子绕组短接, 电动机相当于一个普通的笼式异步电动机。
绕线转子电动机有两部分绕组:定子绕组和转子绕组。转子绕组也是三相绕组, 连接方式是星形连接, 线圈的绕组是由连接到转子轴滑环上的线圈组成, 滑环通过碳刷连接到一个可变电阻器。
绕线转子线圈的阶段总是分布在三个相位, 转子和定子的极对数相等, 但是定转子的相位不一定相等, 定子可以只有两相, 但是转子必须是三相。
1.2.3 变速双馈风力发电机系统
图6为变速双馈风力发电机系统。定子直接连接到电网, 转子通过转换器连接。这种类型的系统对应一个很广的速度范围, 并且速度的规模和范围取决于转换器的大小[3]。
图7是双馈风力发电机的等效电路。双馈意味着双端励磁。目前, 大部分应用在工业上的双馈电机, 是使用绕线转子的三相电机。
双馈电机的结构类似于绕线转子感应电机, 定子和转子使用的都是三相对称绕组[4,5,6,7], 所不同的是, 双馈感应电机的转子是由三相交流电流馈电[5], 当使用交流励磁时, 转子速度受到励磁频率的影响, 使双馈发电机内部的电磁关系不同于异步电机和同步电机, 然而, 它同时具有同步电机和异步电机的一些特点。
在变速恒频发电机的发电过程中, 风力发电机的速度随着风的速度变化而变化。由于在同一风速下转速不同会输出不同的输出功率, 来满足最佳功率曲线, 因此只有转速ωm随风速变化不断调整, 才能保持最佳的叶尖速度 (速度比
在这种情况下, 风速的变化不会影响输出功率的频率, 并在发电机组和电网之间实现柔性连接, 因此, 它们与传统的定速恒频系统相比, 可以更好地实现并行操作和运行。
1.2.4 三种类型风力发电系统的比较
比较数据见表3。实际上, 随着发电机逐渐由单馈结构向双馈结构发展, 转速范围变得更广泛, 并且获得了更大的容量。
2 双馈风力发电机
图8为双馈风力发电机系统模型, 双馈式感应发电机是本文设计和分析的主要组件。
2.1 双馈电机的工作原理
2.1.1 双馈感应发电机
在双馈感应电机 (Doubly Fed Induction Generator) 中, 定子的频率f1和定子所产生旋转磁场的转速之间的关系是
转子的旋转磁场和转子之间的相对速度为, 假设转子的转速n, 为了保证电机的稳定运行, 需要满足n±n2=n1的条件。
因此定子频率f1、转子频率f2和转子转速nr, 以及电机极对数p之间的关系如下[5],
如图9所示, 双馈式感应电机可以运行在四种不同的状态。
双馈电机的使用过程中必须使用变频器。变频器可以输出频率为转差频率的电流, 作为转子的励磁电流, 并调节励磁电流的振幅、频率、相位, 来实现恒压恒频的定子输出, 因此可以在风速波动的前提下, 保证输出功率的相对稳定性。
变频器可以保证在欠同步和过同步转速状态下电机的发电功率[8]。在过同步操作期间, 两个通道同时对电网释放能量, 逆变器把直流侧能量反馈给电网;在欠同步操作期间, 定子侧对电网释放能量, 转子侧吸收能量, 从而产生一个制动转矩, 使电机工作在发电状态[5]。
在任何情况下, 转子励磁电源提供转差功率, 这为励磁电源的设计提供了理论依据。
双馈电机可以调整振幅, 频率和相位:当励磁频率改变时, 转速可随之改变;当励磁电流相位变化时, 发电机的电动势和电网电压间的位置向量也随之改变;改变电机功率角, 就可以调节有功功率和无功功率。
2.1.2 无刷双馈风力发电机
双馈感应发电机在风力发电机系统的应用有很多优势。它可以通过降低其功率等级大大减少转换器的成本。然而, 在双馈感应发电机的应用中仍然存在有一些问题, 比如电弧, 由于需要使用到滑环和电刷, 因此一般的双馈感应电机很容易产生电弧。
为了解决这些问题, 新一代的无刷双馈电机使用的是两个独立的定子绕组。这两个绕组, 分别被称为功率绕组和控制绕组, 一个绕组用作发电, 另一个绕组则是为了避免滑环和电刷的使用而存在。两组绕组的极对数不同, 从而避免直接耦合[9]。
当无刷双馈电机的两个定子绕组间不存在直接的电磁耦合, 它们之间的联系只能完全通过转子绕组来实现[5]。当无刷双馈电机带负载运行时, 转子导体分别切割功率绕组和控制绕组的气隙磁场, 从而产生相应的感应电动势。
当无刷双馈电机的主绕组连接到电网[6], 励磁绕组是由转换器馈电, 电机工作于双馈调速模式, 由正弦电源供电, 如果两个线圈处于相同的相序, 电机工作于过同步状态, 否则, 它会工作于欠同步状态, 电动机的转速可以通过改变控制侧变频器的输出频率来调整[10,11]。
磁阻转子可以用来限制磁通流过的路径, 调制定子磁动势产生的气隙磁场, 从而实现电磁能量转换。
对于双定子的无刷双馈电机, 在分别固定在电机座和中心轴的两个定子间放置调制钢, 调制钢起到转子的作用。当转子旋转时, 两组定子绕组的磁通线会穿过调制钢。
对于单定子无刷双馈电机和双定子无刷双馈电机, 无论使用哪一种转子, 工作原理都是为了限制磁通路径, 并在直轴和交轴方向产生磁阻, 所以不同极数的主绕组和励磁绕组产生的气隙磁场都可以调制[11]。
2.2 双馈电机的结构
2.2.1 双馈感应发电机的基本结构
大体上, 双馈感应发电机的结构与鼠笼式感应电动机基本上是相同, 主要区别在于转子绕组的设计, 鼠笼式感应电动机的转子只需要插入转子槽导条, 但双馈型感应电机需要转子绕组的设计, 并且转子是由低频交流电流供电, 双馈感应电机的转子绕组与普通三相异步电动机定子绕组是类似的, 都是星型连接的三相平衡绕组。
2.2.2 无刷双馈发电机的基本结构
为了直接减少两个定子绕组的直接耦合, 在极对数的设计中, 两个绕组的极对数必须相差较大[12]。在无刷双馈电机中, 转子极对数与定子绕组极对数有关, 当功率绕组和控制绕组的极对数是2 p和2 q, 为了实现极对数的匹配, 转子的极对数有两种选择。
分析两种不同定子结构的无刷双馈电机:单定子结构和双定子结构。
(1) 单定子结构
单定子结构中, 主绕组和励磁绕组使用相同的定子绕组, 但单定子绕组的两个端口, 却是不同的端口, 这时, 绕组存在不同的极对数2 p和2 q, 因此, 单个定子绕组可以同时作为功率绕组和控制绕组, 为了在产生两个磁场时使绕组对称分布, 经常使用的形式为“Y”型连接。
假设功率绕组极对数p和控制绕组极对数q, 那么电机速度。 (pp+pc) 的值限制电机转速范围, 并且pp必须是pc的2倍或3倍。为了避免不平衡力, pp和pc的差别不小于2。
(2) 双定子结构
在双定子结构中, 两个绕组分别独立, 所以在绝缘和对称方面没有问题, 两个绕组参数的选择互不影响, 唯一需要注意的是, 两个绕组的耦合问题。
气隙中的调制钢是用来调节每个定子绕组产生的磁场, 从而把机械能转换为电能。
3 结论
在风力发电的应用中, 双馈电机与普通电机相比较, 更能够适应风力发电中不断变化的风速, 而无刷双馈电机去掉了双馈感应电机中的电刷结构, 又使得电机的运行更加稳定可靠, 同时相对来讲使用成本低, 机械特性硬, 动态特性良好。与其他交流调速传动系统相比, 将无刷双馈电机用于风机的节能调速, 具有无可比拟的优势。
摘要：风能是一种可再生的清洁能源。与火电、核能、水力发电相比, 风力发电的环境效益和社会效益显著。风力发电机是将风能转换成机械能, 再把机械能转换成电能的机电设备, 通常由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、发电机、塔架、停车机构等组成。在风力发电系统中, 发电机是一个非常重要的部分, 在很大程度上影响整个风力发电系统的性能。变速恒频模式是风力发电的发展趋势, 因此重点分析变速恒频发电方案, 主要针对几种常用的双馈风力发电机, 并比较它们的性能。重点分析3种类型的风力发电机, 分别是双馈感应发电机、单定子无刷双馈磁阻发电机和双定子无刷双馈磁阻发电机。
关键词：风力发电,变速恒频,双馈电机
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无刷双馈风力发电机的并网控制 篇5
随着国际工业化的进程, 全球气温逐渐变暖, 环境污染日益严重, 支撑工业化进程的能源、电力所主要依靠的化石燃料在地球上的储藏消耗越来越快, 常规能源资源面临枯竭的危险, 现代能源和再生能源的发展问题摆在了世界各国的面前。在这样的背景下, 各工业国对清洁能源倾注了更多的热情, 促使了近20年来可再生新能源技术的显著发展与进步。
1、风力发电机并网技术
在大型风力发电系统运行过程中, 经常需要把风力发电机组接入电力系统并列运行。发电机并网是风力发电系统正常运行的“起点”, 也是整个风力发电系统能够良好运行的前提。其主要要求是限制发电机在并网时的瞬变电流, 避免对电网造成过大的冲击, 并网过程是否平稳直接关系到含风电电网的稳定性和发电机的安全性。当电网的容量比发电机的容量大的多 (大25倍) 的时候, 发电机并网时的冲击电流可以不考虑。但风力发电机组的单机容量越来越大, 目前己经发展到兆瓦级水平, 机组并网对电网的冲击已经不能忽视。比较严重的后果是不但会引起电网电压的大幅下降, 而且还会对发电机组各部件造成损害。而且, 长时间的并网冲击, 甚至还会造成电力系统的解列以及威胁其它发电机组的正常运行。因此必须通过合适的发电机并网方式来抑制并网冲击电流。
2、无刷双馈电机的原理
2.1 无刷双馈发电机的运行原理
如图1所示, 这两套绕组没有直接的电磁耦合, 而是通过转子绕组的间接进行电磁功率的传递。转子采用自行闭和的环路结构, 其极对数为功率绕组Pp与控制绕组Pc之和。无刷双馈电机通过改变控制绕组上的供电方式则可以实现自起动、异步、同步、双馈等多种运行方式, 若使电机的功率绕组直接由工频电源馈电 (频率为fp) , 而三相控制绕组直接或外串的电阻短接, 将实现电机的自起动和异步运行。当控制绕组的控制由直流馈电时 (如两并一串的形式) , 将使电机牵入同步而实现同步运行。若使控制绕组由变频器在馈电时 (频率为fc) , 则可实现电机的双馈运行。
2.2 无刷双馈发电机的变速恒频发电原理
无刷双馈发电机的变速恒频发电, 就是根据风力机转速的变化相应地控制励磁绕组电压的频率, 使无刷双馈发电机输出的电压频率与电网保持一致。
设功率绕组极对数为Pp, 控制绕组极对数为Pc, 无刷双馈电机作为发电机运行时, 控制绕组用作交流励磁, 功率绕组用作发电。控制绕组频率为的三相电压, 其旋转磁场在转子侧感应频率为fcr的三相电流:
控制绕组磁场旋转方向与转速方向相反时取正号[8]。
由于无刷双馈风力发电机共用转子, 因此转子侧感应频率相等wpr=wcr, 则功率绕组旋转磁场相对于转子转速:
该旋转磁场相对于功率绕组的转速:
功率绕组电压频率为:
其中fp、fc及pp、pc分别为功率、控制绕组电压频率及极对数;功率、控制绕组极对数“±”的取值取决于两绕组的相序。通过控制无刷双馈风力发电机转速及控制绕组电压的频率, 可将输出功率绕组电压频率控制在工频状态从而实现变速恒频发电。
2.3 无刷双馈发电机的运行方式
无刷双馈发电机的运行方式有:异步运行方式、同步运行方式、双馈运行方式、发电运行方式
2.4 常用并网方式
直接并网:发电机直接与电网并联 (即硬联网) 。这种并网方式只有在大的电网中并网时才有可能。
准同步并网:在转速接近同步转速的时候, 先用电容励磁, 建立额定电压, 然后对已建立励磁的发电机电压和频率进行调节和校正使其与系统同步。当发电机的电压和频率相位与系统一致的时候, 将发电机投入电网运行。采用这种方式并网需要高精度的调速器和整步、同期设备。
捕捉式准同步快速并网:是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的工作方法进行并网。
降压并网方式:这种并网方式在发电机与电网之间串电抗器, 以抑制瞬间冲击电流, 降低电网电压下降的幅度。
软并网方式:软并网技术是最近国外研究比较多的较先进的并网方式。
3、变速恒频风力发电机空载并网原理
如图2所示, 它表示了变速恒频发电机空载并网控制系统结构, 并网前发电机空载, 取电网电压 (频率、相位、幅值) 作为控制信息提供给控制系统, 据此调节矩阵变换器 (MC) 的频率, 按并网条件控制发电机功率绕组输出的电压。
4、结束语
无刷双馈风力发电机具有诸多优点, 在风力发电领域上具有广泛的应用前景, 但是其结构复杂, 需要进一步解决的技术问题还很多。风力发电系统毕竟是一个多变量、非线性、强耦合、时变的复杂系统, 基于线性控制理论的常规PID难以实现高精度、高可靠性和高适应性的控制。
摘要：本文对无刷双馈风力发电机的并网控制进行了探讨。发电状态下无刷双馈电机的数学模型, 是一个随机变化、多入多出系统, 与其他电机并网相比, 其并网过程更加复杂。本文通过两个PID控制器分别控制d轴和q轴的功率绕组电压, 对电压幅值进行较精确的跟踪, 最终实现并网条件。
关键词：无刷双馈电机,风电并网,PID,MATLAB
参考文献
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双馈式风力发电机 篇6
风能资源是清洁的可再生能源,风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一[1]。风力发电技术中的变速恒频发电方式是目前风力发电技术的发展方向。采用变速恒频发电方式能根据风速调节风力机转速,因此能在较宽的风速范围内实现最大风能捕获,大大提高风能的利用率。
本文采用了交流励磁变速恒频发电方案。该方案具有以下优点:1)采用双馈型异步发电机,定子绕组直接并网,转子绕组通过变频器和电网相连。变频器向转子提供三相滑差频率电流进行励磁,因此,流过变频器的能量只是电机能量的一部分(大约为25%),所产生的损耗也远远低于用于永磁风力发电机的变频器;2)可随时调节转子励磁电流的幅值、频率、相位,使发电机能在亚同步速至超同步速的较宽范围内作变速恒频运行,以追踪最大风能;3)能实现双馈发电机有功、无功的解耦控制,对电网而言可起到无功补偿的作用。
本文在分析了双馈发电机矢量控制原理的基础上,给出了基于定子磁场定向双馈发电机矢量控制方案,对双馈发电机的有功、无功功率解耦控制进行仿真研究。仿真结果证明了该控制方案的正确性。
2 双馈发电机变速恒频运行原理
双馈发电机变速恒频运行原理如图1所示。
其结构与绕线式异步电机类似,定子绕组接电网,转子绕组则外接滑差频率电源实现交流励磁。在稳定运行时定转子的旋转磁场在空间必须相对静止才能产生恒定的平均转矩。即:
ω1=ωr+ω2 (1)
用频率表示为
f1=pfr+f2 (2)
式中:f1为定子绕组电流频率;f2为转子绕组励磁电流频率;fr为转子机械角速度对应的频率。
当发电机转子转速发生变化时, 可以通过调整转子励磁电流频率f2使得气隙合成磁场相对于定子转速不变, 即定子绕组电流频率f1不变。这即是变速恒频运行的原理。
当发电机亚同步运行时,f2>0转子绕组相序与定子相同,变频器向转子绕组输入有功功率;当发电机超同步运行时,f2<0,转子绕组相序与定子相反,转子绕组向变频器送入有功功率;当发电机同步速运行时,f2=0,变频器向转子提供直流励磁[2]。
3 定子磁场定向矢量控制
由于双馈发电机在三相坐标系下的数学模型是一个时变的、非线性、强耦合系统。为了达到有功功率、无功功率解耦控制的目的,采用了基于坐标变换理论的矢量控制技术。
3.1同步旋转坐标系下DFIG的数学模型
由于d-q坐标轴相互垂直,两相绕组之间没有磁的耦合,DFIG的数学模型得到很大的简化。同步旋转d-q坐标系下的DFIG的数学模型表示如下:
定子电压方程为undefined
转子电压方程为
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定子磁链方程为
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转子磁链方程为
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电磁转矩方程为
Te=pnLm(id1iq2-iq1id2) (7)
交流励磁发电机不论是处于电动机状态还是发电机状态,始终在工频下运行,定子电阻压降远比电抗压降和电机反电势小,通常可以忽略电机定子绕组电阻[3]。忽略电机定子绕组电阻以后,发电机的定子磁链与定子端电压矢量之间的相位差正好是90°[4]。若取定子磁链矢量方向为同步坐标系d轴,则定子电压矢量将落在超前d轴90°的q轴负半轴上,那么定子磁链在d-q轴上的分量分别为
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定子磁链定向示意图如图2所示。
忽略定子电阻后,按照发电机惯例有:
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由图2可知,定子相电压矢量Um正好落在q轴的负半轴上,而d轴分量为0。即
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将式(8)与式(10)代入式(3),得
定子电压方程为
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3.2DFIG的有功、无功解耦控制
在两相旋转坐标系下,DFIG的瞬时有功、无功功率可写为
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由于只能对转子的励磁电流进行调节,所以必须将式(12)中的定子电流分量转变为转子电流分量[5]。根据定子磁链方程得:
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将式(13)代入式(12)得:
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再由转子磁链方程得:
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将式(15)代入转子电压方程得:
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式中, u′d2,u′q2是为实现转子电流解耦控制的电压解耦项;Δud2,Δuq2为转子电压、电流交叉耦合项。
通过在前馈环节引入补偿量Δud2,Δuq2之后,d,q轴电流就真正实现了解耦。ud2,uq2 经过两相/三相坐标变换可得到三相坐标下的电压分量,作为产生SVPWM波的指令信号,控制逆变器开关管的关断[6]。从而实现了有功、无功的解耦控制。
4 交流励磁风力发电仿真系统
4.1 仿真系统的构成
图3为交流励磁发电机定子磁场定向的矢量控制图。
整个系统采用双闭环控制结构,外环为功率控制环,内环为电流控制环。首先由检测到的定、转子电压、电流计算出定子有功功率P1和无功功率Q1,再与定子有功、无功功率的指令值P*1,Q*1比较,经过PI调节产生定子电流d-q轴指令分量,由式(13)可转变成转子电流d-q轴分量,再与实际反馈的id2,iq2比较后送入PI调节器,加上转子电压补偿分量Δud2,Δuq2得到转子电压指令值u*d2,u*q2 。经过坐标变换可得到与有功、无功设定值相对应的转子侧三相电压控制指令,从而实现了有功、无功的独立控制。
4.2 有功、无功解耦控制的仿真
本文基于Matlab/Simulink平台,建立了定子磁场定向的交流励磁风力发电系统的模型,并对风力发电机有功、无功功率的控制策略进行了分析和验证。
仿真参数设置如下:双馈感应电机参数为:额定功率5.5 kW,定子额定电压380 V,频率50 Hz,极对数p=3,定子电阻Rs=1.873 Ω,Ls=0.25 H,Rr=0.511 Ω,Lr=0.25 H,Lm=0.224 H;变频器参数为:直流侧电压1 200 V,直流侧电容1 200 μF。额定风速设为12 m/s。
仿真启动时,初始状态变量已通过编写的“.mat”文件自动载入。因此,仿真从稳态开始。
仿真时的风速一直稳定在10 m/s,无功功率给定值为0。此时的风机转速为发电机同步速的1.09倍。直流侧电压被控制在550 V且无功功率保持为0 var。在第3 s时,无功功率的指令值变为1.6 kvar,从仿真波形可以看出此时有功功率的值并没有发生变化,电机转速也保持不变。此时用于控制有功、无功解耦的转子电流分量中d轴分量也相应发生变化,而q轴分量则保持不变。仿真波形如图4～图8所示。其中所有量均为标么值。
从上面的分析可知,应用定子磁场定向控制策略的交流励磁风力发电机实现了有功、无功的解耦控制。并且电机的有功、无功功率都很好地追踪了指令值,系统的响应速度快,动态性能优越。
5 结论
本文在分析了交流励磁发电机动态数学模型及其定子磁场定向的基础上,推导出了基于定子磁场定向的有功、无功解耦控制策略。并利用Matlab/Simulink搭建了交流励磁风力发电系统的模型,并对风力发电机有功、无功功率的控制策略进行了分析和验证。仿真结果证明本文提出的有功、无功解耦控制策略是正确的。能满足交流励磁风力发电系统的控制要求。
参考文献
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双馈式风力发电机 篇7
风能作为一种清洁可再生能源,在资源消耗日益增长的今天,其发展前景相当可观。而采用双馈风力发电机作为风力发电设备有着显著的发展优势,风力发电的发展将大规模减少常规能源的消耗,有效地改善我国的能源结构。
变速恒频风力发电控制技术[1,2]是目前最优的控制方式。交流励磁变频器只需提供转差功率就能大大减小变频器的容量,它可以通过调节电机转子励磁电压频率,实现定子电压恒频输出,通过磁场定向调节转子电流的转矩分量和励磁分量[3,4],实现功率的独立调节,进而实现风力发电机的最大风能跟踪。
1 双馈风力发电机的矢量方程
根据矢量变换,将A,B,C轴系下的方程转换为以同步旋转的任意d,q轴系下的矢量方程。双馈电机的定子侧和转子侧都取电动机惯例时,同步旋转任意d,q轴系下的电压矢量方程和磁链矢量方程[5,6]为:
式中:Rs,Rr为定、转子绕组的等效电阻;Ls,Lr,Lm分别为定、转子d,q轴自感及互感;ids,iqs,idr,iqr分别为定、转子d,q轴的电流分量;uds,uqs,udr,uqr为定、转子d,q轴电压分量;ψds,ψqs,ψdr,ψqr为定、转子d,q轴的磁链分量;ωs,ωf为同步转速角速度和转差角速度;ρ为微分算子。
2 定子磁场定向的矢量控制策略
双馈发电机的定子绕组直接连接电网且电网电压比较稳定,所以采用定子磁场定向即定子磁链d轴与电压方向重合。磁链d轴的位置观测即磁场定向是矢量变换的关键,考虑到电机定子绕组电阻对磁场定向的影响,发电机的定子磁链相位与定子电压矢量相位相差小于90°。将定子磁链分解为与定子电压矢量垂直的磁链分量和与定子电压矢量平行的磁链分量:
由式(3)得定子磁链与电网电压的相位差为θ=tan-1(ψs1/ψs2),即可得定子磁链矢量的相位为θ1=θs-θ,其中θs为定子电压相位。
将定子磁场定向在d轴满足的约束条件为:
将磁链方程代入电压方程则:
令:
。
其中Δudr与Δuqr是交叉耦合部分,仿真时可以按照干扰项处理。
转矩方程为:
定子侧的有功功率为:
定子侧的无功功率为:
由上式可得,在保持定子磁链ψs恒定的情况下,控制转子电流转矩分量iqr就可控制定子侧的有功功率;控制转子电流励磁分量idr可控制定子侧无功功率。通过定子磁链的磁场定向的双馈风力发电机的基本方程建立基于Matlab的功率解耦控制系统如图1所示。
3 系统仿真
风力机的相关参数中[6]空气密度为1.25 kg/m3;风轮半径35.25 m;额定风速为12 m/s, 最大风能利用系数值[7]Cp=0.4,beta角为0 。
双馈发电机的参数[8]:额定功率为1.5 MW;极对数2对;定子额定电压为690 V;频率为50 Hz;定子额定电流为1 025 A;定子电阻为0.001 8 Ω;转子电阻为0.002 06 Ω;定子漏电感为0.022 7 H;转子漏电感为0.036 8 H;等效励磁电感为0.065 31 H;转动惯量为0.099 kg/m2 。
对系统PI控制器的参数进行整定时,先设计电流环后设计功率环[9]。d,q轴的参数相同:电流环PI调节器的参数KP=28.6,KI=0.5;功率环PI调节器的参数KP=25.1,KI=2.4。基于Matlab建立的双馈风力发电机控制系统的仿真模型及仿真结果如图2所示。
由图3～图9可知,在给定随机风速模式(图3)下,平均风速为8 m/s。基于PI调节器的双馈风力发电机的输出有功功率能快速地跟随给定有功功率的变化,并随风速的变化而变化。其中给定有功功率是基于风速和发电机转速及相应的风能利用系数而计算的。无功功率给定为0 Var;转子电流励磁分量控制发电机定子侧的无功功率,转子电流的转矩分量控制发电机定子侧的有功功率,并且转子电流有功分量能够快速跟随风速变化,并且有功功率的输出曲线动态响应快。
4 结 论
在功率解耦控制策略下,虽然定子的功率输出曲线不平滑,但是基于PI控制策略的控制系统,其输出的有功功率能很好地响应风速变化。当风速变化时,有功功率不断跟随风速变化,而无功功率基本保持不变,同时从前文可知,转子电流有功分量能快速跟随有功功率变化,转子电流无功分量基本保持不变且跟随给定无功功率。风速变化只影响发电机输出的有功功率与转子电流q轴分量,不影响输出的无功功率和转子电流d轴分量,这说明双馈风力发电机的功率解耦控制系统实现了有功功率和无功功率的独立控制。
摘要：介绍双馈风力发电机的基本原理,利用矢量控制并结合定子磁场定向的矢量控制,建立基于Matlab的双闭环控制系统仿真模型。为了更为准确地实现定子磁场定向并考虑到定子绕组电阻对磁场定向的影响,采用改进型的定子磁链观测模型。通过仿真验证了采用改进型定子磁场定向的双馈风力发电控制系统,实现了有功功率和无功功率解耦。
关键词：矢量控制,磁场定向,双馈风力发电机,双闭环控制系统
参考文献
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