直驱式风力发电机（共7篇）
直驱式风力发电机 篇1
科学实践摘要:为了分析直驱式永磁风力发电机组控制及其并网运行情况, 搭建了PWM变流器、永磁发电机和直流环节的数学模型, 同时制定规划了双PWM变流器的控制策略。借助永磁电机定子电压方程和磁链方程, 发电机侧变流器采用转子磁场定向、网侧变流器采用基于电网电压定向矢量控制方法, 进而对有功分量和无功分量进行解耦控制, 借助M atlab/Simulink平台搭建风速的系统仿真模型, 在阵风、渐变风扰动模式下测试直驱式风力发电机的动态仿真性能。测试结果表明:系统的动态响应通过本文所搭建的模型能够很好地反映;在一定程度上, 发电机、直流电容电压、网侧变流器电流等均受到风速扰动的影响。关键词:风力发电永磁发电机双PWM变流器矢量控制策略1概述随着近年来风电在并网新能源中所占比例越来越大, 研究风电并网后对电网的影响也得尤为重要。恒速恒频和变速恒频是当下并网风力发电机组的主流模式[1]。直驱式风力发电系统与双馈式风力发电机相比, 那些容易发生故障的齿轮箱可以省略, 但是提升了能量转换的效率, 风电机组的并网特性也因全容量变流器得到了极大改善, 但是自然风的不确定性仍然是影响风电机组出力的一个限制性因素。因而, 建立直驱式风电机组的数学模型并对其特性进行研究, 将其对电网的消极影响进行深入分析并提出改善措施就显得尤为必要。目前国内外对直驱式风力发电机的文献研究相对较少, 变流器及其控制系统成为主流研究方向, 通过对整个系统进行控制, 进而跟踪风力发电机的最大功率, 实现并网。文献[2]和[3]建立了详细的变流器模型, 并研究了直驱永磁风力发电机的工作原理, 通过控制发电机转速使机组在风速低于额定值时实现最大功率跟踪;如果风速超过额定值, 借助桨距角进行控制, 在一定程度上确保系统保持在额定输出功率状态, 在风速范围较大时, 通过控制风电系统的输出功率, 提高电网频率, 确保电压稳定。文献[4]建立的风电系统采用的是电压源型变流器, 在此基础上提出空间矢量脉宽调制的双闭环变流控制方案, 双闭环采用是速度外环和电流内环控制。文献[5]详细分析了直驱式风电系统的控制模型, 阐述了变流器的解耦控制原理, 发电机侧和电网侧变流器都实现了有功功率和无功功率的解耦控制。本文的研究对象是直驱永磁风力发电系统, 通过研究分析主要系统中双PWM变频器的协调控制原理, 并在M atlab/Simulink中建立了风速扰动下的永磁风力发电机系统并网仿真模型, 通过仿真得到了该风电系统的动态响应性能。2直驱式永磁同步风电机组的数学模型直驱式风电机组省去了故障频发的升速齿轮箱, 因此系统多采用低速多极永磁式发电机, 如图1所示, 采用背靠背双PWM变流器的直驱式风力发电并网系统, 该系统包括风力机、永磁同步发电机、背靠背式全功率变流器。图1 PWM整流器+PWM逆变器[6]永磁同步电机的数学模型类似于转子带励磁绕组的同步电机, 其三相定、转子空间绕组分布如图2所示, 设转子旋转的正方向为逆时针方向, 则各相绕组轴线沿逆时针方向互差120°电角度。图2永磁发电机定子和转子绕组分布[7]按照电动机惯例, 经过坐标变换后, 在dq O旋转坐标系下可以得到永磁同步电机的定子电压方程和机械运动方程:ud=Rid+pLdid-ωeLqiquq=Riq+pLqiq-ωeLdid+ωeψf! (1) 式中, ud为电压的d轴分量, uq为电压的q轴分量, id为电流的d轴分量, iq为电流的q轴分量, Ld为等效d轴电感, Lq为等效q轴电感, R为定子电阻。磁链方程为:ψd=Ldid+ψfψq=Lqiq! (2) 转矩方程为:Te=np[ (Ld-Lq) idiq+ψfiq] (3) 通常情况下, 永磁同步电机为圆柱型, Ld=Lq, 则Te=npψfiq (4) 直驱式风力发电机的建模与仿真分析董桐宇1赵玉婷1廉建鑫2 (1.长治供电公司;2.晋城供电公司) 图3零d轴电流控制矢量控制框图图4电网电压定向矢量控制框图305
a.阵风风速b.风能利用系数c.叶尖速比 (6) d.参考转速与实际转速e.网侧变流器输出三相电流f.网侧变流器a相电压和a相电流 (局部) g.网侧变流器输出有功功率h.网侧变流器输出无功功率i.直流电容电压图5阵风状况下PMSG运行特性通过上述公式可知, 极对数np是永磁电机的参数, 是一个常量。忽略磁效应时, 永磁体的磁链ψf为常量, 如果对定子d轴电流控制, 使其为0, 对于永磁发电机来说, 电磁转矩与定子q轴电流成正比, 这样永磁发电机的电磁转矩可以通过iq的大小来调节, 对电机转速进行调节, 使得系统在最佳叶尖速比状态下运行, 从而实现最大风能捕获[8]。3直驱式永磁风力发电机组的控制发电机侧变流器与电网侧变流器经直流电容相连接。两个变流器的虽然结构完全一样, 但是, 在作用和控制策略方面存在差异。发电机的侧变流器是将交流电进行整流变成直流电, 进而捕获最大风能;网侧变流器是对直流电进行逆变处理使其成为交流电, 并维持直流母线电压的稳定。3.1发电机侧PWM变流器控制策略发电机侧变流器的控制策略实质上是按照预定的目标控制永磁发电机:3.1.1按照最大风能捕获要求控制风力机的转速。3.1.2将由于风速的不确定性而导致发电机发出的频率和电压变化无序的交流电能进行整流。3.1.3按照要求对永磁同步发电机的无功输出进行控制[9]。本文采用常用的零d轴电流控制策略, 其优点是算法简单, 转矩与电流呈线性关系、不存在退磁问题[9]。永磁同步电机稳态控制方程:ud=Rid-ωeLqiq uq=Riq+ωeLdid+ωeψf (5) 采用PI调节器控制id和iq跟踪各自参考值idref和iqref, 就可以控制发电机的转矩和转速。由于ud和uq之间存在耦合项ωeLqiq和ωeLdid, 利用前馈补偿方法[5,10]消除两者间的耦合。系统控制方程为:ud=Rid-ωeLqiq+kp (idref-id) +ki乙 (idref-id) dt uq=Riq+ωeLdid+ωeψf+kp (iqref-iq) +ki乙 (iqref-iq) d乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙t对于机侧变流器来说, 发电机的转速是通过转速外环、电流内环的双闭环控制系统进行控制的, 如图3所示:3.2电网侧PWM变流器控制策略风电机组正常运行时的网侧变流器一般处于单位功率因数逆变运行, 它将上一环节整流后的直流电逆变为与电网频率和幅值均相同的争先交流电, 减少谐波, 同时控制直流电容电压处于恒定参考值。网侧变流器相对于电网的有功功率和无功功率为:P=ugdigd+ugqigqQ=ugqigd-ugdigq (7) 对于网侧变流器来说, 借助电网电压定向的矢量E控制[11], 在电网电压合成矢量d上对同步旋转坐标系的d轴306
进行定向, 进而得到电压的d、q轴分量:ugd=Eugq=!0 (8) 则公式7改写为:P=EigdQ=-Eigq! (9) 对于无穷大电网来说, 其电压值恒定。所以, 有功电流和无功电流可以分别控制。如图4所示, 通过电压外环和电流内环的闭环控制结构, 对d、q轴电流通过PI调节器进行分别调节, 加上交叉耦合电压补偿项, 就得到了d、q轴控制电压分量u′d、u′q[11]。4仿真与分析本文在Matlab/Simulink平台下搭建了直驱式永磁风力发电系统仿真模型, 在此基础上分析风速扰动时该系统的动态特性。该系统的额定数据及仿真参数为:额定功率2000k W, 定子电阻0.01Ω, d轴电感0.003H, q轴电感0.003H, 永磁体磁链1.67Wb, 转动惯量500Kg·m2, 转动粘滞系数0.005N·m·s, 极对数为32。4.1阵风扰动情况基本风风速10m/s, 阵风风速最大值2m/s, 起始时刻2.5s, 持续至3.5s, 仿真曲线如图5所示。由图5可以得出:在阵风干扰时, 随着风速的增大, 网侧逆变器输出的有功功率以及电流值也跟着增大, 但是由于风轮和发电机具有很大的转动惯量, 有功和电流的变化要略微滞后于风速。发电机转速成功跟踪参考转速, 并随着风速增大而升高。风能利用系数、叶尖速比和直流电容电压随风速变化不明显。图f所示的电压与电流相位相差180°, 这说明网侧变流器工作在单位功率因数逆变状态。整个系统输出的无功功率不受阵风影响, 始终保持为零参考值。4.2渐变风情况基本风风速为10m/s, 渐变风风速最大值2m/s, 起始时间为2.5s, 持续至3.5s, 仿真曲线如图6所示。由图6可以得出:渐变风干扰类似于阵风情况, 随着风速的增大, 系统的有功功率以及输出电流值也随之增大, 相对于风速变化略有延迟。网侧变流器的q轴电流分量iq始终为零, 进而对有功功率和无功功率实现了成功的解耦控制。风速不会对系统输出的无功功率构成干扰, 始终为零, 在单位功率因数逆变状态下, 网侧变流器进行工作。5结论5.1本文根据直驱式永磁同步风力发电机的各部分数学模型及双PWM变流器的控制策略建立了整个风电科学实践d.参考转速与实际转速e.网侧变流器输出三相电流f.网侧变流器d、q轴电流分量g.网侧变流器输出有功功率h.网侧变流器输出无功功率i.直流电容电压图6渐变风状况下PMSG运行特性a.渐变风风速b.风能利用系数c.叶尖速比307
机组的仿真模型。在仿真模型的控制系统中, 为了使该模型对有功和无功实现解耦控制, 进而采用了转子磁场定向的机侧控制策略和电网电压定向的网侧控制策略。5.2发电机转速、有功输出会随风速变化而改变, 但是存在一定的时间延迟, 直流电容电压不随风速变化而改变, 始终保持恒定值, 在单位功率因数逆变状态下, 使得网侧变流器进行工作, 确保无功功率的输出值为零, 验证了整个系统协调控制的正确性。5.3通常情况下, 发电机、直流电容电压、网侧变流器电流均受到风速扰动的影响, 但影响有限。参考文献:[1]韩肖清.含变速恒频风电机组的电力系统仿真与稳定性分析[D].太原理工大学, 2009.[2]谢丽蓉, 南新元, 高瑜.基于PM SG风力发电系统的最大功率追踪控制[J].水力发电, 2008, 5:100-103.[3]Kun Han and Guo-zhu Chen.A Novel Control Strategy of Wind Turbine M PPT Implementation for Direct-drive PM SGWind Generation Imitation Platform[J].IEEE, 2009.[4]李燕, 梁英.永磁直驱风电系统电压源型变流技术[J].电力系统及其自动化学报, 2010, 2:65-70.[5]张梅.直驱永磁同步风电机组建模及其控制系统仿真研究[D].西安理工大学, 2008.[6]倪受元.风力机的工作原理和气动力特性[J].太阳能, 2000 (3) :12-16.[7]严干贵, 魏治成, 穆刚.直驱永磁同步风电机组的动态建模与运行控制[J].电力系统及其自动化学报, 2009, 12.[8]董桐宇.直驱式风力发电机的建模与并网仿真分析[D].太原理工大学, 2011.[9]陈瑶.直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究[D].北京交通大学, 2008.[10]尹明, 李庚银, 张建成等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术, 2007, 8:61-65.[11]张爱玲, 牛维.三相电压型PWM整流器设计方法的研究[J].太原理工大学学报, 2008, 5:311-315.作者简介:董桐宇 (1986-) , 男, 硕士, 助理工程师, 主要从事电力系统运行与控制的研究工作。308
参考文献
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[7]严干贵, 魏治成, 穆刚.直驱永磁同步风电机组的动态建模与运行控制[J].电力系统及其自动化学报, 2009, 12.
[8]董桐宇.直驱式风力发电机的建模与并网仿真分析[D].太原理工大学, 2011.
[9]陈瑶.直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究[D].北京交通大学, 2008.
[10]尹明, 李庚银, 张建成等.直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略[J].电网技术, 2007, 8:61-65.
[11]张爱玲, 牛维.三相电压型PWM整流器设计方法的研究[J].太原理工大学学报, 2008, 5:311-315.作者简介:
直驱式风力发电机 篇2
风力发电是开发和利用可再生能源的最好工具之一,具有广阔的市场前景。省去齿轮箱的直驱式永磁同步风力发电机,因为具有机组寿命长、维护方便、效率高等优点,将成为未来风力发电发展的主要方向。因此,该机型的技术、运行特性、并网后功率的控制也相应地成为风电领域的重要研究课题。
近几十年发展起来的H∞鲁棒控制理论是一种比较成功且完善的理论体系,可以解决干扰抑制、鲁棒稳定、信号跟踪等问题。本文研究直驱式永磁风力发电机的H∞控制,应用Mat lab工具箱进行求解。
1 直驱式永磁同步风力发电系统的组成及其使用
直驱式永磁同步风力发电系统由风轮机、多极永磁同步发电机(PMSG)、PWM整流器、直流环节、PWM逆变器和电网组成(如图1所示),为了增加系统的可靠性和降低维修费用,取消了增速齿轮箱。由于永磁材料磁性能的改善和价格的降低,可用永磁体代替同步电机的励磁绕组,省去了滑环,简化了电机结构,并且永磁发电机与传统发电机相比可以使极距减小,所以电机的转速可以设计得较低,可以在20～200r/min之间,因而永磁发电机可以直接与风轮机相连,由变浆距风轮机直接驱动,构成直驱式永磁同步风力发电系统。
PWM整流器将发电机发出的交流电整流成恒定直流,并提供一个可供最大功率点追踪控制算法使用的直流信号和功率信号,实现最大功率控制;对整流器进行矢量控制,可以实现有功功率和无功功率的解耦控制。直流环节为PWM逆变器提供一个合适的直流电压,使得逆变器向电网输出一个期望的电流,以传输有功功率和无功功率。
发电机的单机容量为3～5 MW,也可以在每一台发电机机端配置整流器,通过直流母线实现与风电场其他机组(群)的并联运行,既提高了可靠性,又改进了效率。风电场由一台大容量公用逆变器把直流母线的直流电转换成50Hz的交流电,电压可以达12kV,以直接并入当地电网使用,还可以经变压器升压至更高电压后并入更高压电网传输到远处。
由于风能本身的波动性、随机性,使得并网运行的风电机群输出的有功功率也具有波动性、随机性,因此机群输出有功功率的控制目标是:在保证单台风电机组安全稳定运行的基础上,最大效率地利用风能,输出恒频恒压的电量。
由于风电机群具有一定的无功功率调节能力,所以无功优化的控制目标为:提高风电机群与接入系统的电压稳定,依据风速预测和地区系统无功优化方案,确定机群的无功输出及电压水平,以保证风电机群并网母线节点及系统关键节点的电压稳定。
本文着力研究利用H∞控制方法对有功、无功功率控制参考值的跟踪及内外部干扰的抑制,保持系统的安全运行。
2 直驱式永磁同步风力发电系统矢量控制时的数学模型
在两相同步速旋转d,q坐标系下,当采用定子磁场定向矢量控制,并将定子磁链矢量定向在d轴上,直驱式永磁同步风力发电系统矢量控制时的数学模型为[1]
式(1)中第1、2式为风力发电机系统的转子运动方程,式中θ,ω为转轴角位移和机械角速度,TW为风能转换到轮毂上的机械转矩
式中:kω=0.5Cp(λ,β)ρπR5/λ3,ρ为空气密度,R为风力机桨叶半径,Cp(λ,β)为风力机的风能利用系数,β为桨距角,λ=ωR/υ为叶尖速比,υ为风速。
J,B,K分别为风力发电系统的机械转动惯量、转动粘滞系数和扭矩系数。
式(1)的第3、4式为基于d-q同步旋转坐标系的发电机电压方程,式中u,i分别表示电压和电流,下标代表d,q轴分量,设d轴和q轴电感相等,即Ld=Lq=L,Ra为定子电阻,np为发电机磁极对数,ψ为每对磁极产生的磁链。
3 直接反馈线性化
直接反馈线性化(DFL)是我国学者提出并发展起来的基于系统输入-输出描述的一种反馈线性化方法[2],可以将非线性系统在全局范围内进行线性化处理[3,4]。与基于微分几何理论的线性化方法对比,它们采用了不同的描述方式和处理方法,得到相同的线性化效果。DFL的优点是所用的数学工具简单,物理概念清晰,适合于工程应用。
对式(3)、(2)进行坐标变换:采用状态变量的偏差量为输出变量,得输出方程
式中θref,ωref,idref,iqref为选定的参考值。将式(4)对t求导得
将不确定参数Ra,B,K用标称值和偏差值之和表示(温度变化引起Ra的偏差,转速变化和转轴的柔性变化引起B,K的偏差)
将式(4)～(6)代入式(1),得出具有参数摄动阵ΔA(t)和有界扰动B1w的不确定系统
式中x=[ΔθΔωΔipΔiq]T
B1w包含非线性内容或不确定值,代入参数的数值后,可估计出其上界B1w[5]。
设B2v第3、4行分别等于v1,v2,它们被称为虚拟控制变量,即
于是,B2v可写成
4 H∞控制器的求解
式(7)符合参数不确定系统的H∞控制标准形式[6],第1式为被控对象,其中ΔA(t)为参数摄动阵,可描述为
为有界干扰项系数,B2为控制项系数。第2式为干扰抑制性能评价指标,其中C1,D12为设定的加权函数,用来调节干扰抑制效果和控制输入大小之间的矛盾。式(7)的增广被控对象为
可用以求解具有鲁棒稳定、干扰抑制性能的状态反馈控制器。式(11)中ε>0,ε越小,意味着系统对干扰抑制性能越好,但过小的ε将会削弱系统的鲁棒稳定性。式中,D11为零矩阵。
式(7)的状态反馈控制器为
式中K为反馈系数,可以用求解Riccati不等式的方法或利用MATLAB软件中μ-分析与综合工具箱的hinffi.m函数求取[7],命令如下P=[A,B1,B2;C1,D11,D12]
sys=pss2sys(P,4)
[K,g,gfin,ax,hamx]=hinffi(sys,2,0.1,20,1,2,1e-6,1e-10)k11=K(1,1),k12=K(1,2),k13=K(1,3),k14=K(1,4)k21=K(2,1),k22=K(2,2),k23=K(2,3),k24=K(2,4)
由式(8)、(12)便可得出直驱式永磁同步风力发电系统的非线性H∞控制律:
5 算例及计算机仿真
直驱式永磁同步风力发电系统的参数如下:额定功率PN=2MW,额定电压UN=4 k V,风机额定转数ωg=23.87 r/min=2.5rad/s,发电机极对数np=40,永磁体磁链ψ=0.5634 Wb,定子电阻RaN=0.01Ω,定子电感L=0.003 H。额定风速υr=13 m/s,空气密度ρ=1.225 kg/m3,叶片半径r=42 m,等效转动惯量J=8000 kgm2,转动粘滞系数BN=3,扭矩系数KN=2。在运行过程中,不确定参数RaN,BN,KN变化可达其标称值±50℅。试设计H∞控制器并进行计算机数字仿真。
取θref=0,ωref=2.5 rad/s,idref=0 A,iqdref=260 A。取可能发生的最大偏差值:p1=0.005Ω,p2=1.5,p3=1,计算式(7)的各项系数,按式(11)指定E,F,取式(12)中ε=100。得
选定加权函数c1和d12,(由式(1)、(13)构成仿真模型来进行加权函数的优化)。
求得状态反馈控制器的反馈系数K
得上述直驱式永磁同步风力发电系统的H∞反馈控制律为
为了节省篇幅,给出下列一种运行情况作为例子进行仿真:设不确定参数Rc=0.01+0.005sintΩ,B=3+1.5sin2t,K=2+sin3t;随着风速变化风力机的转速曲线如图2所示。发电机所希望的输出有功功率(期望值)为1.8MW,试作仿真曲线。
图3给出了当系统具有如上参数摄动和扰动时的仿真曲线,(a)、(b)分别为风力发电机输出有功功率、无功功率,实线为响应值,虚线为期望值(如将视图放大,虚线可以看得更为清楚)。图4(a)、(b)分别为发电机定子d、q轴电流响应值及期望值曲线,图5(a)、(b)分别为H控制器的输出电压ud、uq。
从仿真结果可以看出系统具有很好的跟踪性能,实际响应值跟踪期望值,不受不确定参数和风速变化的影响。
6 结束语
本文对直驱式永磁同步风力发电机的H∞控制进行了研究,建立了直驱式永磁同步风力发电机的鲁棒控制模型,根据H∞控制理论,利用MATLAB工具箱设计了H∞控制器。仿真结果表明,在该控制器作用下,直驱式永磁同步风力发电机具备参数摄动镇定性能和干扰抑制性能,风速变化虽然使风力发电机的转速随之变化,但输出的有功功率、无功功率的实际响应值仍能很好地跟踪期望值曲线,发电机转子d、q轴电流响应值跟踪期望值曲线,安全可靠地获取最大风能,向电网输送恒频恒压的电能。
参考文献
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直驱式风力发电机 篇3
直驱式风力发电系统其发电机主要采用低速永磁同步发电机,具有性能好、效率高、无需励磁、体积小、重量轻的特点。而且这种发电系统拓扑结构较简单、控制方法相对容易,因此受到了人们的广泛关注。
在大功率风力发电中,为了降低变流器的容量经常采用单位功率因数控制,即电机的端电压和输出电流同相。本文采用双PWM方式实现风机的并网,该方式具有发电机侧和电网侧可以分别控制,无论风速大小,发电机发出的功率均可以并入电网,注入电网的电流为正弦波,功率因数为1等优点。
本文通过对永磁直驱电网侧的控制进行研究,采用了PWM整流器的前馈解耦控制策略和空间矢量脉宽调制SVPWM调制方式,并通过仿真试验验证了采用此控制策略的逆变器具有动态响应快、能够保持直流电压稳定、输出电流可以实现单位功率因数控制、直流母线电压稳定以及THD低等优点。
1 三相PWM逆变器数学模型及前馈解耦控制策略
1.1 三相静止坐标系下的数学模型
三相PWM逆变电路拓扑结构如图1所示。由图可得三相静止坐标系(a、b、c)下的方程为(2)式所示。
式(2)中,Sa、Sb和Sc分别表示三相桥臂的开关函数,S=1代表上管通,下管关;S=0代表下管通,上管关。对三相对称平衡且无中线系统有:
将式(1)代入式(2),整理可得:
1.2 两相旋转坐标下的数学模型
上述数学模型物理意义清晰、直观,但由于整流器交流侧均为时变交流量,不利于控制系统的设计。因此,通过坐标变换将三相静止坐标系(a、b、c)转换成以电网基波频率同步旋转的坐标系(d、q),得到整流器在两相旋转d、q坐标系中的数学模型如下:
1.3 前馈解耦控制
由式(4)可看出,d、q轴电流不独立,存在交叉耦合关系。这是由于整流电路虽是静止电路,但变换至旋转坐标系中,经电感作用会使d、q轴之间产生耦合。控制系统只有通过解耦才能单独控制id、iq。
式(4)中,Vd、Vq分别为电网电压空间矢量Us在两相旋转坐标系下的d、q轴分量,
由式(5)可知,d、q轴电流除受控制量Vd、Vq的影响外,还受到交叉耦合电压ωLiq、-ωLid扰动和电网电压ed、eq的扰动。因此单纯的d、q轴电流负反馈不能实现解耦。为此引入前馈解耦控制。采用前馈解耦控制即可实现由Vd、Vq分别独立控制两电流。此时有:
前馈解耦控制框图如图2所示:
2 空间矢量PWM控制技术
2.1 电网电压和参考电压空间矢量
设电网电压为三相对称电压在采用电压空间矢量PWM控制系统中,定义如下空间矢量:
(1)电网电压空间矢量
式中,a=ei2π/3,Usα、Usβ为电压空间矢量Us在两相静止坐标系(α、β)中的分量。
(2)参考电压空间矢量
式中,a=ei2π/3,Urα、Urβ为电压空间矢量Uref在两相静止坐标系(α、β)中的分量。
2.2 电压空间矢量计算的简化
图3为空间电压矢量分布图。其中,Urα、Urβ为Uref在α、β轴上的坐标值,矢量Uref与α轴上的夹角为γ,且。按传统方法,由tanγ确定Uref在空间矢量上的角度,进而通过反正切、正弦函数求出矢量作用的时间T1、T2。事实上,由于反正切技术复杂,即使采用高速数字处理芯片DSP,也难以用传统方法计算电压空间矢量的位置和作用时间。下面介绍一种电压空间矢量的简单算法,可直接采用参考电压来判断扇区和作用时间。
(1)矢量的作用时间
根据参考电压矢量Uref,可直接计算空间矢量在各个扇区的作用时间。以第一扇区为例,假设参考电压Uref在图3第I扇区所示的位置,则它由第一扇区中相邻的两个有效空间矢量V4、V6和零矢量进行合成。则有:
式中,Ts为采样周期,V*dc为直流侧电压矢量。
根据式(10)和(11),可以算出V4(100)和V6(110)在一个控制周期内的作用时间T1和T2,在其余各扇区内均有此类似关系。
零矢量的作用时间为T0=Ts-T1-T2
(2)扇区的选择
根据参考电压矢量Uref及其在α、β坐标系的分量Urα、Urβ,定义
若X>0,则A=1,否则A=0;Y>0,则B=1,否则B=0;Z>0,则C=1,否则C=0。
设N=A+2B+4C,则参考电压空间矢量所在扇区由N确定。
(3)开关矢量的合成为保证系统在各种情况下,每次切换都只涉及一只开关,电压空间矢量采用七段空间矢量合成方式:每个矢量均以(000)开始和结束,中间矢量为(111),非零矢量保证每次只切换一只开关。各扇区开关矢量分配表如表1所示。图4为第I扇区内空间矢量作用时间图。
通过对矢量作用时间、矢量扇区和开关矢量的分析可知,根据参考电压在不同的扇区,选用适当的开关矢量,计算出矢量作用时间,即可合成所需要的参考电压空间矢量。上述算法无需计算反正切,也无需查表求取角度,明显优于传统算法,且便于数字实现。
双PWM永磁直驱风力发电系统的原理,如图5所示。图中主控系统评估发电机的输出功率,把功率指令传给机侧变流器进行整流,网侧变流器维持直流母线电压的平衡,并把直流电转变成与电网同频、同相的交流电输入电网,当发电机输出功率增加时,直流母线电压升高,网侧变流器向电网馈送的功率增加以维持直流母线电压平衡。
3 系统仿真
由图2可知,系统在实现id、iq解耦控制后,可得到控制量Vd、Vq,然后通过SVPWM调制算法,即可生成相应6路脉冲,从而控制三相整流桥功率管的开断,合成Vd、Vq对应的电网电压空间矢量Us,间接地控制网侧电流。为了实现单位功率因数控制,控制算法采用电网电压定向,即令以同步速度旋转的三相电网电压空间矢量Us=Eq。若要实现单位功率因数控制,则必须使三相网侧电流空间矢量I=iq,即令id=0。整个控制电路由电压外环和电流内环组成,电压外环经PI调节后的输出作为电流环的给定。其中电压外环保证直流母线电压的稳定,电流内环用于提高系统的动态性能和实现限流保护。
图5为直驱式风力发电系统并网控制框图。系统的仿真参数为:角速度100pi,输入电感0.2m H,输入电阻忽略不计,直流母线电压指令为1100V,输入负载电阻3,开关频率20k Hz,采用可变步长ode23tb,仿真时间为0.3s。仿真结果如图6~8所示。其中,图6为直流母线电压波形图,图7为A相电压、电流波形图,图8为A相输入电流总谐波畸变图。
4 仿真分析
由图6可知,PWM逆变器输出直流电压稳定在给定值1100V左右,超调量小(小于4.5%),调节时间短,而且稳态直流电压误差极小(小于0.13%)。图7是系统并网发电稳态时网侧A相电流电压波形,可见网侧输出电流和电压相位相差1800,实现了单位功率因数并网发电。网侧电流动态响应快,电流与电网电压同相。经检测,稳态时的A相输入功率因数为0.9997。图8为A相输入电流总谐波畸变图。经检测,稳态时的THD=0.39%,由此可见A相电流的畸变非常小。产生以上结果的原因是系统采用了在前馈解耦的基础上产生的电压电流双闭环的控制结构。其中电压外环保证了稳定的直流输出,电流内环提高了电流的动态响应速度,并且这种控制方法使电流的相位和输入电压的相位保持一致,从而保证了输入功率因数接近单位功率因数,减小了电流的畸变,同时开关频率的提高也有利于降低电流的畸变。图9、图10反映了并网变流器直流侧发生功率扰动(例如风力发电系统中风速突然变化)时的交流电流和直流侧电压的响应情况,从中可以看出无论功率是正向阶跃还是由发电状态变为电动状态,并网变流器都能迅速的将直流电能装换为交流电能馈入电网以及在发电和电动状态快速切换以避免直流电压突变和风机在切入风速时发生停机现象。反映出系统具有良好的鲁棒性和稳定性。
5 结束语
本文研究了一种用于直驱式风力发电系统的并网控制策略。仿真结果表明,本文采用的控制策略是行之有效的。具有以下特点:
直驱式风力发电机 篇4
1 直驱式风力发电变流系统概述
双PW M全功率变流器是目前投入商业化运行的直驱式风力发电系统中使用范围最广的变流器。在风力发电技术研究起步比较早的欧美国家, 双PW M全功率变流器控制技术已经成熟。以双风力PW M全功率变流器为变流器, 发电机采用永磁同步发电机是直驱式风力发电系统比较常见的配置。与变流器相对应, 目前最常用的的变流器拓扑是如图1所示的变流器拓扑及其变型。其工作原理是:首先, 由永磁同步电机产生幅值和频率都变化的交流电, 经过机侧变流器转换成直流电, 待直流电经过支撑电容滤波和稳压后输送给网侧变流器, 最后, 通过网侧变流器转换为频率和幅值稳定的交流电馈入电网。
通过实践中对图1所示的变流器拓扑及其变型几种拓扑的对比分析, 发现这几种拓扑的性价比程度都差不多。然而, 考虑到长远的发展, 随着风力发电机的运用范围逐渐扩大, 发电机的维护简易性和性能可靠性对发电机发展越来越重要。因此, 虽然国外对双PW M变流器控制的研究已经比较成熟了, 但是对大型直驱式风电系统变流器的研究还是会不断深入, 根据实际检验挑选出最符合实际需要的拓扑。国内的相关研究机构和企业应该抓住这一机遇, 不断研发自己的核心直驱式技术, 提高直驱式风电系统的性能, 争取在将来的风电技术发展中占有一席之地。一般来说, 控制直驱式风力发电变流系统拓扑的基本原则就是:在尽可能提高单台变流器容量的前提下, 采用变流器的多重化并联技术。
2 直驱式风力发电变流系统拓扑控制策略研究
2.1 基于功率模块并联的变流器扩容方案
要构建大功率的机侧变流系统, 关键在于突破单变流器容量。通过并联数个功率模块, 可以提高系统的容量。由于并联功率模块各自拥有独立的驱动电路, 即使进入功率模块的是同一路驱动脉冲, 各功率模块实际的开关动作时刻仍不可避免地存在一定微小差异, 不同功率模块输出电流存在较大的瞬时差异, 导致各并联功率模块的单变流器扩容方案可能存在瞬间电流峰值超限、器件致损的缺陷。要对这个问题进行控制和避免, 就要需要在并联功率模块间额外串入交流电感来对并联功率模块之间输出电流存在的瞬时差异, 即动态环流进行抑制。功率模块并联的数量是限制的, 当数量超过一定限度时, 就会对主电路结构的对称性产生影响。因此, 要进一步扩大系统容量, 就要从变流器并联入手, 研究变流器并联的方案。
2.2 基于变流器并联的系统扩容方案
2.2.1 网侧变流器系统扩容方案分析
网侧变流器在系统中起着稳定母线电压的作用。网侧变流器对电流的无功、有功功率进行控制, 以保证向电网输送的电流符合要求。
将两网侧变流器直接并联主电路拓扑如图2所示, 将数个变流器并联时, 可以借助错时矢量调制技术现谐波对消, 大大减小注入电网的电流谐波。
网侧变流器并联时会出现零序环流的问题, 即当数个变流器的主电路参数和控制存在一定差异时, 会导致变流器发生过电流保护。要控制零序环流就要从根本上消除零序环流, 切断零序环流通路。主要有两种方法, 一是采用多绕组变压器, 侧隔离两变流器的交流;一是采用独立的直流电源。
2.2.2 机侧变流器并联的系统扩容方案
机侧变流器采用矢量控制, 提高电机使用频率的稳定性。机侧变流器控制电机转速及电机电流波形, 并实现最大转矩/电流比最优控制。通过机侧变流器的控制, 能使发电机电流几乎为正弦, 有效解决由低次谐波和同步电抗所带来的效率低、输出功率低等问题, 提高电机的功率因数, 在设计系统时可减小发电机及变流器的设计容量。机侧变流器并联的设计方案如图3所示:
与网侧变流器不同, 机侧变流器与电机直接相连, 没有交感电流通过。当处于同一拓扑的变流器开关动作不一致时就会导致直流电母直接短路。通过在交流侧额外加入适当大小的交流电感可以抑制这种现象的发生。然而这种解决方法存在一定的缺陷:一方面这种方案必然会使系统主电路复杂化, 加大系统运转的工作量, 带来加大维护难度、噪音、机体发热等问题。另一方面, 这种方案采取两台变流器交流侧和直流侧分别相连的方法, 必然会导致零序环流。要同时解决机侧变流器直流瞬间短路和零序环流, 一个简单有效的解决方案是增加永磁同步发电机定子绕组相数, 对变流器交流侧之间进行电器隔离。
3 结语
综上, 可以采取并联功率模块和并联变流器的变流系统拓扑方案来增大直驱式风力发电变流系统的容量。采用功率模块并联扩大单台变流器容量的方案简单易行, 但是对并联数量有所限制, 功能作用一般。利用变流器并联的方案, 操作难度大, 系统的方案设计比较复杂, 但是可以进一步扩大系统容量, 减小注入电网电流谐波。
参考文献
[1]邓小凌, 冯志文.我国风力发电产业发展的现状问题与对策[J].电力环境保护, 2001.
[2]申洪, 王伟胜, 戴慧珠.变速恒频风力发电机组的无功功率极限[J].电网技术, 2003.
直驱式风力发电机 篇5
随着风力发电技术的不断发展,直驱式风力发电系统因其维护成本低、噪声小、具有较好的低电压穿越能力而受到越来越多的关注。由于永磁材料在性能改善的同时,价格也在不断降低,另外永磁电机不需要电励磁,控制更加简单,用在直驱式风力发电领域具有优势[1,2]。随着电力电子技术的不断发展,原来限制直驱式风力发电系统大力发展的电力电子变换装置已经不再成为难以克服的问题。目前的电力电子变换装置主要有2种结构,一种是不控整流加Boost升压变流器再接并网逆变器;另外一种是背靠背变流器。由于不控整流难以实现对永磁同步发电机的有效控制,发电机侧功率因数不可调,使得发电机的转矩脉动较大,直接影响到发电机的使用寿命[3,4,5]。
利用背靠背变流器可以实现对发电机侧电流的有效控制。其中,控制直轴电流为零可实现发电机最大功率输出,控制发电机的电磁转矩可以控制电机转速,使得风力发电机运行在最佳转速下,以最大的效率捕获风能,同时能够有效减小发电机的转矩脉动,延长发电机的寿命。并且机侧变流器可以提供几乎为正弦的发电机侧电流,因而可以减小发电机侧的电流谐波。直流环节有一个大电容,用以维持电压恒定。电网侧串联电感可用于滤波。电网侧变流器稳定直流侧电压,并且实现电网侧有功、无功功率的解耦控制,实现电网侧功率因数可调。通过对背靠背变流器的控制,将永磁发电机发出的变频、变幅值电气量转化为可以并网的恒频电气量[6]。
以往的仿真大多是利用三相电压源来代替永磁同步发电机,这种方法较为简单但是难以清楚地反映发电机转速、转矩和电流之间的关系。本文在Matlab/Simulink7.1仿真环境下建立了直驱式风力发电系统从永磁同步发电机到电网的模型,完全利用S函数编写的简化SVM控制算法实现了对发电机侧变流器和电网侧变流器的控制。仿真结果表明,直驱式风力发电系统能够在不同风速下稳定运行,永磁同步发电机转矩和转速控制效果良好,发电机侧输出电流近似正弦,谐波含量小,电网侧变流器在风速突变引起的发电机输出功率变化的情况下能够稳定直流侧电压,输出有功和无功功率完全独立可调,既能在单位功率因数下稳定运行,也可以在超前和滞后功率因数下运行。本文最终在实验室搭建的17 kW直驱式风力发电系统平台上验证了所提控制策略的有效性。
1 直驱式风力发电系统工作状态及控制策略
1.1 直驱式风力发电系统的运行状态
图1所示为永磁直驱式风力发电系统示意图。系统大体上包含了3种运行状态[6,7,8,9]。
a.当风速低于系统工作的额定风速时,桨距角基本不变,以保持风能利用系数最大。根据最大功率算法得到系统输入到电网的最大功率,由此得到发电机的最佳转速,通过控制永磁同步发电机的交轴电流使得发电机运行在最佳转速下。电网侧逆变器的无功功率一般给定为零,使得系统工作在最大有功功率输出状态[9],提高系统的效率。当电网需要无功支持时,可以根据需要向电网发送无功功率。有功功率和无功功率能够实现独立调节。
b.当风速高于系统的额定风速时,通过变桨来保持风能利用系数最大[9]。发电机和变流器都运行在额定条件下,系统输出到电网的功率最大。
c.当风速超过系统的切出风速时,系统停机,输出到电网的功率为零。
1.2 永磁同步电机数学模型[10]
根据转子磁场定向得到的同步旋转坐标系下永磁同步发电机的电压方程为
其中,ud、uq和id、iq分别为定子电压和电流在dq轴上的分量,Ld、Lq为定子的dq轴电感,在面装式永磁同步发电机Ld=Lq,ωr为转子角速度,Ψf为永磁体基波励磁磁链,Rs为定子电阻。
转矩方程为
其中,p为转子的极对数。
1.3 电网侧变流器数学模型[11,12,13,14,15]
电网侧变流器的电压方程为
其中,ucd、ucq分别为网侧变流器交流输出电压的dq轴分量,usd、usq分别为电网电压的dq轴分量,isd、isq分别为电网电流的dq轴分量,L为电网侧电感,R为线路等效电阻,ω为电网频率。
根据前面提到的永磁同步发电机和电网侧变流器的数学模型,可以得到整个系统的控制框图如图2所示。发电机侧变流器采样发电机定子电流ia、ib、ic,利用光电码盘或者无速度传感器得到发电机的转子位置角θr,电流经过派克变换(3S/2R)得到dq分量id和iq。机械角速度ωr及其给定值作差后进行PI调节,输出为iq的给定和id给定为,一般为零,使得发电机输出有功功率最大。iq和作差,id和作差后分别进行PI调节后加上各自的前馈补偿项就可以得到电网侧变流器参考电压的dq分量ud和uq,再经过派克反变换(2R/3S)得到uu、uv、uw。最后,经过SVM算法得到发电机侧变流器的控制信号。
电网侧变流器采样电网侧电压usa、usb、usc和输出到电网的电流isa、isb、isc,经过功率计算单元得到实际输送到电网的有功功率P和无功功率Q[8,9,10,11,12]。根据最大功率算法[9],利用有功功率P和发电机机械角速度ω得到发电机最佳机械角速度参考,送到发电机侧变流器参与控制。udc和的误差经过一个PI控制器,得到电网侧变流器的有功电流参考,根据电网侧功率因数的要求确定无功电流给定为。有功和无功电流参考和实际的有功、无功电流分别作差后经过PI调节器再加上各自的前馈补偿项得到电压参考,再经过派克反变换得到ua、ub、uc。最后,经过一个SVPWM控制的PWM发生器控制电网侧变流器工作。电网侧变流器在控制直流母线电压稳定的同时控制并网电流的质量。
2 仿真研究
2.1 仿真模型
为了与实际情况相似,选择多极低速永磁同步发电机,并且令转速缓慢变化到给定值。为观测在发电机转速不变情况下,桨距角变化引起的发电机输出功率变化时系统的响应特性,将发电机驱动转矩给定初始值为-15 N·m,在0.4 s时突变为-25 N·m。为模拟风速变化引起的发电机最佳转速变化时实际转速的跟踪能力,将转速的给定由开始的130 r/min在0.6 s时改为187.5 r/min。为研究在电网侧电流相位与电压相位滞后、相同、超前3种情况下系统的动态特性,电网侧无功电流开始设定为isd=-30 A,在0.8 s时改为isd=0,在1 s时改为isd=30 A。仿真中电容电压初始值设定为560V。选用Matlab/Simulink中的永磁同步发电机模型,电机参数和系统参数分别如下:
a.电机参数额定转速187.5 r/min、额定转矩26.13 N·m、定子电阻0.2Ω、直轴电感9 mH、交轴电感9 mH、磁通0.111 9 Wb、转动惯量0.016kg·m2、极对数16、摩擦系数0.000 2 N·m·s;
b.系统参数母线电压560 V、等效电阻0.01Ω、变流器开关频率2.5 kHz、电容6.8 mF、交流侧电感3.0 mH、电网电压220 V。
S函数程序流程图如图3所示。
2.2 仿真结果
图4和图5所示为发电机转速和转矩的变化曲线。从图4中可以看到,转速n能够很好地跟踪参考值nref,在转矩突变、电网侧无功电流isd突变等情况下,波动很小。从图4和图5中可见,在转速上升期间,电磁转矩小于给定的驱动转矩,这是由于驱动转矩、电磁转矩和机械角速度之间满足[10]Tm-Tc=JdΩ/dt,同样在0.6 s时转速缓慢增加,机械转矩也大于电磁转矩。从图5中还可以看到,系统实现了电磁转矩对给定转矩很好的跟踪,并且电磁转矩脉动很小。从图6中可以看到在0.4 s转矩突变时,有功电流iq也发生突变,这是因为电磁转矩与iq成正比,id在整个过程中基本保持为零,在0.4 s、0.6 s、0.8 s、1 s时id有比较明显的波动,这是由于转矩的突变以及电网侧无功电流isd的突变引起的。图7所示为发电机侧电流ia、ib、ic,可以看出在0.4 s转矩突变时,电流有明显的变化,但是一直保持为近似正弦,谐波含量较小。
图8所示为直流侧电压Udc波形,从图中可以看到不管是发电机侧转速和转矩变化还是电网侧无功电流变化,Udc基本保持在560 V不变。图9所示为电网侧有功电流isq和无功电流isd,从图中可以看到,在发电机转速上升时isq同时增加,在转矩突变时,isq也突变,这是由于有功电流与系统的有功功率成正比,而发电机输入到背靠背变流器的有功功率与发电机转速和转矩的乘积成正比。从图中还可以看到,无功电流isd能够很好地跟踪参考值,并且有功电流的变化基本上不会影响无功电流,反之亦然,系统实现了有功和无功功率的解耦控制。
图10和图11分别为isd从-30 A变到0和isd从0变到30 A时isa与usa波形。从图10中可以看到在isd=-30 A时isa滞后usa,系统在向电网发送有功能量的同时从电网吸收无功能量;在isd=0时,isa与usa同相位,系统向电网只输送有功能量。从图11中可以看到,在isd=30 A时,isa超前usa,系统同时给电网发送无功和有功能量。同时,从2幅图中可以看到,当isd=0时,isa幅值减小,这是由于从0.6 s以后电流有功分量isq保持不变,在无功分量isd的绝对值变大时,电流合成矢量的模变大,isa幅值也相应变大。
3 实验验证
在实验室搭建了17 kW背靠背直驱式风力发电系统实验平台,利用三菱变频器驱动一个异步电动机拖动永磁同步发电机。实验中功率开关管选择三菱IPM,系统母线电压设定为500 V,系统开关频率为5 kHz。考虑篇幅原因,本文只给出发电机侧实验波形,如图12所示。
图12(a)(b)分别为发电机输出16 Hz和40 Hz时发电机定子线电压和定子a、b相电流。图12(a)中交轴电流给定为27 A,直轴电流给定为0,从示波器计算的相电流有效值看基本实现了电流跟踪。图12(b)中有功电流给定为25 A,无功给定为0。从2幅图中可以看到,在发电机输出不同频率时背靠背变流器都能够较好地实现能量向电网的传递。另外,从发电机定子线电压波形可以看出,电网侧变流器基本上将直流母线电压稳定在500 V左右。
4 结论
本文在Matlab/Simulink仿真环境下建立了永磁直驱式风力发电系统的仿真模型,给出了发电机侧和电网侧变流器的控制方法,利用S函数编写了相关控制程序并给出了程序流程图。仿真结果表明,直驱式风力发电系统能够在不同风速下稳定运行,电网侧变流器在风速突变引起的发电机输出功率变化的情况下能够稳定直流侧电压,输出有功和无功功率完全独立可调,既能在单位功率因数下稳定运行,也可以在超前和滞后功率因数下运行。另外,实验表明用S函数编写的控制程序对于实际DSP编程具有一定的可移植性,同时证明文中提出的直驱式风电系统PWM背靠背变流器控制方法可行。
摘要：研究了基于永磁同步发电机的直驱式风力发电系统中PWM背靠背全功率变流器的运行特性，详细介绍了发电机侧和电网侧PWM变流器的运行状态，在数学模型的基础上给出了具体的控制策略。在Mat- lab／Simulink7．1环境下建立了系统从永磁同步发电机到电网的仿真模型，并利用S函数编写了发电机侧和电网侧变流器的控制程序，给出了系统的控制框图及仿真程序流程图。最后，在实验室搭建的17 kW直驱式风力发电实验平台上验证了系统的控制策略。仿真和实验结果都表明系统能够在不同风速下稳定运行，发电机侧输出电流近似正弦，谐波含量小；电网侧变流器在风速突变引起发电机输出功率变化的情况下能够稳定直流侧电压，输出有功和无功电流完全独立可调，并网电流质量较高。
直驱式风力发电机 篇6
关键词：永磁风力发电机,最大风能跟踪,PWM,软件实现
随着电力电子技术的发展和新一代大功率电力电子器件的产生, 直接驱动型的风力发电机组引起研究人员的极大兴趣。传统的齿轮箱是在目前MW级风力发电机组中过载和过早损坏率较高的部件, 而直驱式永磁风力发电系统采用多级异步电机或同步电机与叶轮直接连接进行驱动的方式, 免去齿轮箱这一传统部件, 在今后风力机发展中有很大的发展空间[1,2]。德国西门子公司开发的直驱式 (无齿轮) 同步发电机被安装在世界最大的挪威风力发电场, 据称效率达98%[3]。其中, 直驱式永磁风力发电系统的软件实现中最大风能跟踪 (功率调节) 的控制技术是实现风力系统安全经济运行的关键技术。
1 直驱式永磁风力发电系统结构
永磁同步发电机直接驱动风力发电系统的变流器的主电路结构如图1所示。采用永磁同步发电机作为风力发电机, 经整流将频率不稳、电压不稳的交流电变换为直流电, 再经适当控制的逆变器将其转化为恒频、恒压的交流电, 然后再经升压变压器接入电网。
2 最大风能跟踪的任意波形PWM调制算法
由于风速的随机性, 导致逆变器直流侧母线电压的随机波动, 所以对逆变器提出了更高的要求, 需要在不同直流电压输入情况下, 输出恒定的电压, 故对逆变器的调制波其波形并非严格的正弦波, 而且由一系列不同频率正弦波所组成, 故无法使用SPWM调制生成我们所需要的信号。这时, 需要另外一种方法来实现对任意波形的PWM调制, 而且保证逆变器输出能跟踪最大风能的捕获。
在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上, 其效果基本相同。这一结论是PWM控制的重要理论基础。对于任意波形的实现, 我们知道, 可以在一个周期内, 对信号进行等间距采样, 只要采样频率足够高 (大于两倍的信号频率) , 是可以根据采样点对信号重新进行刻画的。所以当我们采样频率取得足够高的时候, 我们可以将任意相邻两个采样点之间用直线连接起来, 通过与三角载波的比较, 输出PWM波, 从而生成我们所需要的信号。下面将具体介绍实现的过程, 采用规则采样法使每个脉冲的中点与三角波的中心重合, 使得计算大为简化。
如图2所示, A, B为相邻的两采样点。Tc为采样周期。若取载波周期, N为整数, G为三角载波的幅值, K为直流电压的幅值, 则相邻两采样点间有N个三角载波。
取第n个三角波作分析 (1≤n≤N) , 设等腰三角形的中心线与信号线的交点为D点, 过D点做一条跟横轴平行的直线与等腰三角载波相交于E点和F点, 由图2中图b可知, 取tE, tF做为控制时刻, 根据等腰三角形的比例计算得到脉冲的宽度为:
根据面积相等原则, A、B点与横坐标轴组成的面积应该等于响应的脉冲部分的面积, 可以推导出, 即三角载波的幅值是等于直流电压的幅值。从而公式 (1) 中各个变量均可确定, 即可以根据各个变量求得PWM脉冲的宽度。
3 最大风能跟踪控制技术的软件实现
TMS320F2407是当今世界上最先进的16位定点DSP芯片。它不但运行速度快, 功能强大, 而且具有丰富的片内外围设备, 便于接口和模块化设计, 其性价比极高, 尤其适用于数字马达控制、工业自动化和电力电能转换系统。自身具有的特点特别便于本文设计的变流装置的控制系统实现[4]。利用TMS320LF2407A来生成任意波形脉冲的基本思想是利用DSP的事件管理器中的全比较单元、通用定时器、死区发生单元以及输出逻辑来生成PWM波, 经复用的I/O引脚输出。DSP设置在连续增/减计数方式工作时, 产生对称的PWM脉冲输出。在这种计数方式下, 计数器的值由初始值开始增加, 当达到TxPR值时, 开始递减, 直到变成0后又重新增加。在计数器跳变的过程中, 计数器的值与比较寄存器CMPRx的值作比较, 当计数器的值与比较寄存器的值相等时对应的方波输出发生电平转换。在一个定时器周期内, 输出方波将发生2次翻转, 从而形成一个脉冲。根据公式 (1) , 写入DSP CMPR的值应该为:
式中TxPR为DSP中定时器计数系数。
在数字PWM方法中, 必须产生精确的PWM定时信号, 并且对每对控制上下桥臂功率开关的PWM信号必须有一小部分的导通延时 (即死区时间) , 在DSP中, 可通过设置死区控制寄存器来设定死区时间, 死区时间用于保证在任何情况下, 每个比较单元相关的两路PWM输出控制一对正向导通和负向导通设备时没有重叠, 即在一个器件在没有完全关断时, 另一个器件不导通, 避免了发生短路而击穿器件。
最大风能跟踪的任意波形PWM调制程序软件部分分为初始化模块和运行模块, 包括主程序、A/D采样子程序、最大风能跟踪计算子程序、调制生成PWM波子程序、功率驱动模块保护子程序[5~6]。图3为最大风能跟踪控制技术的部分软件流程图, 其他程序在此不再赘述。
4 结语
本文提出的这种基于DSP的任意波形PWM调制技术, 利用了DSP2407的高度集成化, 数字化和高速的运算功能, 用它来做数字直接控制时, 可获得高稳定性, 高可靠性, 小型化、便于维护和提高性能等控制效果。实验证明, 这种方法在应用于直驱式永磁风力发电系统中, 较好的实现了最大风能捕获及跟踪。
参考文献
[1]GRAUERS A.Design of direct-driven permanent- magnet generators for wind turbines[D].Goteborg, Sweden;Chalmers University of Technology, 1996.
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[4]DSP集成开发环境CCS开发指南[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.
直驱式风力发电机 篇7
当前直驱风力发电变流系统的整流部分主要分为不控整流和可控整流两种,其中可控整流又分为晶闸管不控整流加BOOST升压电路和采用绝缘栅双极晶闸管(IGBT)全控桥整流电路两种。早期的并网风机基本都采用晶闸管不控整流,但是晶闸管变换器工作时需要吸收无功功率,定子电流存在很大的谐波,谐波电流会产生脉动转矩造成电机振动。并且不控整流的输出电压低,使并网电压受到限制[1]。为了解决不控整流变换器并网电压较低的缺点,在不控整流器后面加入一级BOOST升压电路,可以有效提高并网电压。但是发电机定子电流仍然存在谐波和转矩脉动问题。PWM整流为全控整流,可以实现定子电流的正弦化,使谐波大大降低,还可以实现单位功率因数整流并控制直流侧电压恒定。
目前广泛应用的电压型PWM整流器,主要采用电压定向矢量控制方式[2],此时需要检测电感前的电压信号,而在永磁同步发电机串联变频器的电路中,该电压等效于永磁同步发电机的电动势,而实际上电动势不可直接测量。本文采用类似变频器供电的三相交流电机的磁链定向矢量控制策略,不需要采集电压信号,省去了电压传感器,降低变流器成本。
1 磁链定向原理及模型
永磁同步发电机串接全功率三相全控整流电路如图1所示。
图中ea、eb、ec为发电机三相交流电动势,La、Lb、Lc为三相漏感,设La=Lb=Lc=L,忽略定子绕组电阻,设发电机发出三相电平衡。设Sa、Sb、Sc为三相开关状态,当上桥臂闭合时值为1,下桥臂闭合时值为0,να、νβ为整流器交流侧电压在αβ轴上的分量,则PWM整流器在αβ坐标系下的电压方程为[3]:
将式(1)中方程两边同时积分,即:
电动势和磁链矢量图如图2所示,E为三相电动势合成矢量,Ψ为磁链合成矢量,电动势矢量超前磁链矢量90°,Eα、Eβ和Ψα、Ψβ分别为电动势和磁链的α、β轴分量,得
三相电压型整流器在同步旋转坐标系下的模型为[4]:
在d轴磁链矢量定向控制时,由图2可知矢量E与q轴重合,则eq=E,ed=0。
2 磁链控制系统
本系统选取dq同步旋转坐标系的q轴为初始参考轴方向,即q轴与电网电动势E重合,则q轴代表有功分量参考轴,而d轴表示无功分量参考轴,从而有利于三相电压型变流器有功、无功分量的独立控制。系统矢量采用电压外环和电流内环控制,电流内环控制为解耦控制,在同步旋转dq坐标系中采取电流矢量解耦控制,可以独立控制有功电流iq和无功电流id。将直流电压实际值与给定值求差后经过PI调节器得到电流内环iq给定值iq*,id给定值id*为0,从而实现单位功率因数整流。在磁链矢量定向控制中eq=E,ed=0,前馈解耦控制方程为[5]:
式中KiP、KiI为电流内环比例调节增益和积分调节增益,id*、iq*为电流给定值,s为积分算子。分量-ωLid和ωLiq实现了d、q轴的前馈解耦。由于Ψα=∫eα=∫ναdt+Liα,即用整流器交流侧电压积分法即可估计磁链,但纯积分器观测法存在要先确定积分初值的问题[6],传统的虚拟电网磁链采用低通滤波器代替纯积分器来克服直流偏移,但会造成一定的幅值和相角误差。在此采用两个一阶低通滤波器代替纯积分器来克服直流偏移[7]。设滤波器截止频率为ωc,传递函数为,式(3)的框图表示见图3。Ns+ωc Ns+ωc
图中L为电感量,要使所得的磁链幅值无差且无相移:,ω为交流电压角频率。由于积分的低通性,n次谐波被消减为n1倍,同时高频开关谐波也被消减,所以采用磁链定向的控制方式对谐波和干扰有良好的抑制作用。
图4为无电压传感器磁链定向空间矢量脉宽调制(SVPWM)整流控制系统框图,该系统中的定向矢量为磁链,磁链由式(3)可求得。
3 仿真结果
图5为a相电压电流波形,谐波很小,均为正弦波,且相位相同,说明该控制方式实现了单位功率因数整流。图6为a相电压和磁链波形,该波形证明了图2中电动势、磁链矢量关系的正确性。
仿真参数为:额定电动势220 2 V,直流母线电容C=2 500μF,定子等效电抗为8 m H。电压外环参数为KP=0.6,KI=15,电流内环参数为KP=6,KI=12。
图7显示在磁链定向正确的情况下,以Ψα、Ψβ分别为横纵坐标轴所得到图形为一个圆,称为磁链圆。
图8为dq轴电流id、iq及直流侧电压的波形,通过解耦控制无功电流id跟踪到了给定值0 A且保持稳定,有功电流iq稳定在13 A,实现了有功无功的解耦控制。电压外环使得直流侧电压稳定在给定值500 V。
4 结语
直驱式风力发电变流器的整流单元,若采用传统电压定向矢量控制存在电动势无法直接测量的问题,本文采用基于磁链定向,由整流器交流侧电压积分得到磁链矢量的方式进行矢量PWM整流控制,采用该方法可以省去交流侧电压传感器,降低成本。经过仿真验证了该控制方式在直驱式风力发电变流器中应用的正确性、可行性,可实现单位功率因数整流,有功无功的解耦控制以及直流侧电压稳定。
参考文献
[1]黄建新.2兆瓦直驱型风力发电变流技术的研究[D].长沙:湖南大学,2008.
[2]毛鸿,吴兆麟.基于三相PWM整流器的无死区空间矢量调制策略[J].中国电机工程学报,2001,21(11):100-104.
[3]赵仁德,贺益康.无电网电压传感器三相PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制研究[J].中国电机工程学报,2005,25(20).
[4]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2002.
[5]Bong-Hwan Kwon,Jang-Hyoun Youm,Jee-Woo Lim.A Line-Voltage-Sensorless Synchronous Rectifier[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1999,14(5).
[6]赵仁德,贺益康.PWM整流器虚拟电网磁链定向矢量控制仿真研究[J].电力系统及其自动化学报,2005,17(5).