永磁直驱

永磁直驱（精选8篇）

永磁直驱 篇1

1 PMSG数学模型

在同步旋转坐标系[3] ( dq0 坐标系) 下, PMSG风力发电机的定子电压方程与磁链方程为

发电机的电磁转矩Te表达式为:

发电机发出的有功功率为

2 PMSG仿真建模

永磁同步机由永磁体励磁, 其磁场基本恒定, 只需对应的电枢导体内通以电流即可产生转矩, 即转矩只取决于电流大小, 与转速无关。

在风电场系统中, 风电机组一般经过690v到35kv, 再通过变电箱, 与220kv电网并网, 而且实际运行中, 最为严重的故障是三相短路[4,5,6]。 因此, 应用PSCAD仿真软件, 构建如图1 所示的D- PMSG仿真系统。 通过对三相短路故障下的暂态特性进行分析, 验证所提出的等效模型是否可以合理的描述系统暂态。

风速稳定在某一定值的情况下, 35 k V的B1 母线处, 在3.0- 3.5 s发生三相短路故障, 时间为0.5s, 此时观察连接690v B2节点的直驱永磁风电机组并网点的母线电压、发出的有功功率及无功功率, 分析在暂态过程中D- PMSG的动态特性。

3 等效模型

由于全功率变流器将电网与发电机组分隔开, 电网侧的故障对风电机组影响较小, 且由于存在风机惯性, 直驱永磁风力发电机组可以等效为发出恒定功率的电流源。 (图2)

摘要：直驱永磁同步风力发电机 (directly driven wind turbine with permanent magnet synchronous generator, D-PMSG) 是风电场中的主要发电机型[1], 具有较好的低压穿越能力 (low voltage ride through, LVRT) 、运行可靠而倍受青睐。由于单台风电机组容量通常很小, 因此, 仅一个大规模风电场就可能包含了成百上千台机组[2]。风电场风机数量众多, 在仿真分析风电场并网对电网的影响时, 如果对每台风机都进行详细建模, 那么系统仿真模型将极其复杂, 仿真时间极其长久, 这几乎是不可能完成的。因此, 需要对机组进行等值。

关键词：等值,直驱永磁,低电压穿越

参考文献

[1]严干贵, 魏治成, 穆钢等.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, 21 (6) :34-39.

[2]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, 31 (15) :61-65.

[3]严干贵, 李鸿博, 等.基于等效风速的风电场等值建模[J].东北电力大学学报, 2011.

[4]马伟娜, 姚万业等.电网电压故障下直驱型风力发电机组运行特性仿真分析[J].华北电力技术, 2014.

[5]徐壮, 李广军, 徐殿国等.永磁直驱风电系统发电机侧变流器的并联控制[J].高电压技术, 2010.

[6]孟明, 靖言, 李和明.变速恒频直驱型风电系统低压穿越技术[J].电工电能新技术, 2011, 30 (2) :53-58.

永磁直驱 篇2

摘 要：在MW级永磁直驱动发电机系统中的变桨系统中，变桨逆变器是变桨系统最为重要的组成部分。本论文主要介绍了变桨逆变器的作用、变桨逆变器各输入输出功能，以及对引发变桨逆变器故障的初步判断和处理办法及改进方法。

关键词：变桨逆变器；运行反馈正常信号；超级电容；数字量输入模块；逆变器监测模块

中图分类号： TM315 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-179-2

0 引言

当今人类生存和发展首要解决的问题就是能源给自然环境带来的污染。可再生能源种类繁多，风能、太阳能、潮汐能、生物质能等，其中风能由于其储量丰富地区广泛受到各个国家的广泛重视，风能已经成为水电之外第二大清洁能源来源。

世界上风力发电机组大致可分为定桨失速型、定桨恒速型、变桨失速型、变桨恒速型四种。在变桨距的风力发电机组中，风机能否正常实现变桨功能是风机正常运行的重要保证。大型风力发电机组变桨系统中的逆变器通过变频变速控制变桨电机，实现变桨功能。同时实现了超级电容为备用变桨电源的变桨控制功能。

1 变桨逆变器的概述及作用

1.1 变桨逆变器概述

变桨逆变器异步电机用高频MOSFET逆变器。变桨逆变器使用了当今最为先进的技术（IMS功率模块，微处理器控制，Flash内存，Can Bus总线），它的最大输出电流是450A。

1.2 变桨逆变器作用

变桨逆变器使用异步电动机专用的高频MOSFET逆变器，然后将60V直流电流直接转换成三相频率可变的29V交流电流。变桨逆变器是通过变频变速来调节变桨电机，控制变桨系统的桨叶旋转角度、桨叶速度和旋转的方向。变桨逆变器通过监测其反馈信号是否正常来实现自我保护的功能。

2 引起逆变器反馈信号丢失的故障分析

2.1 变桨逆变器本体导致故障信号触发

变桨逆变器在运行过程中，在看不到装置本体的情况下，数字量输入模块的闪烁次数得出逆变器运行期的故障信息。

2.1.1 电容器保险熔断导致故障

其中超级电容器的高电压在45V至61V区间变化，低电压为固定值16V左右。分析造成逆变器反馈信号丢失的原因是超级电容器的300A保险熔断了，才使得变桨充电器不断地为超级电容充电。

原因：更换超级电容的时候自锁螺母没有更换。

2.1.2 变桨逆变器本体温度高

变桨逆变器程序中设定的保护定值为65摄氏度，逆变器存温度监测装置点，如超过65摄氏度，便停止工作，并向外发出逆变器反馈信号丢失告警。原因：变桨逆变器散热风扇故障

2.1.3 变桨电机动力电源控制电源接线故障

原因：变桨电动机动力电源接线错误或由于机械、电气原因等导致的短路、过流烧损

变桨电机动力电源接线烧损。

2.2 控制回路中的监测单元故障导致

如果控制回路中的检测单元出现故障也会使逆变器的反馈信号丢失。检测单元出现故障指示检测不到逆变器的反馈信号，而逆变器本身无故障，因此由检测单元导致的逆变器反馈信号丢失，此类情况变桨系统的桨叶都能够正常收桨。

2.2.1 变桨逆变器监测模块损坏

2.2.2 信号总线故障

故障原因：变桨柜开关主断路器损坏。

主断路器开关导致逆变器反馈信号丢失的情况经常发生。变桨控制器与主控的通信主要通过信号总线传输，很容易受到风力发电机和交流的动力线发电时185电缆产生的谐波干扰，也容易导致变桨逆变器发生故障。由信号干扰导致逆变器的反馈信号丢失，往往会伴随其他的故障一起报出来，如变桨控制系统子站总线故障、变桨电容器电容高电压故障、变桨系统限位开关冲限位故障等，我们把这种故障统称为信号总线故障。处理报变桨系统的信号总线故障。

故障处理时首先检并更换变桨柜内的总线接头，如果更换后仍然报变桨系统子站总线故障，则可以判断为滑环故障，此时需要更换滑环，一般而言更换滑环完成以后，风机多数可以正常运行。

其次此类故障可判断是否由于变桨柜开关内断路器辅助触点接触不良导致反馈信号丢失，手动将变桨开关柜内断路器手动闭合，然后用万用表测量断路器辅助触点两端的电压值。如果电压低于55V，就可认定为辅助触点虚接。处理方法时更换变桨开关柜内断路器。运行中的风机变桨系统是随着叶轮不断旋转的，所以此类故障出现的次数较多。当风机停机后会正常，所以用万用表测量值高于55V时，也有可能是变桨柜内主断路器接触不良。此类故障中，如果是3个子站同时报故障而不是单个子站报故障，则可判定为辅助触点问题，单时如果3个子站同时报出，则可判定为信号总线故障。

3 总结

综上所述，导致逆变器反馈信号丢失的主要原因是轮毂内不清洁，现场对风机进行定检时应加强风机内部清洁工作，特别是轮毂内设备，并且针对内蒙地区风沙、浮沉加大地区在风机设计时应有相应的改进设计针对现场恶劣条件。

参 考 文 献

永磁直驱 篇3

风力发电系统可以分为两大类:恒速恒频[1]与变速恒频[2]发电系统。为了在宽广的风速变化范围内实现最大风能捕获, 变速恒频机组应运而生。主流的变速恒频机组可以分为:基于双馈感应发电机和基于永磁同步发电机的直接驱动机组两类。随着电力电子器件的飞速发展以及价格的不断降低。从长远来看永磁直驱风力发电系统将会成为风力发电技术领域的重要发展方向[3]。本文主要讨论背靠背双PWM拓扑结构的永磁直驱风力发电系统。

永磁同步风力发电机是一个多变量、强耦合、非线性的变参数复杂对象[4], 常规的PI控制无法在系统参数变化以及外加干扰时满足高性能控制要求, 并且PI控制易产生超调。为了解决上述问题, 非线性控制被逐渐引入, 例如神经网络控制[5]模糊控制[6]等。神经网络控制的控制效果过分依赖学习样本的质量和数量, 且不易工程实现。模糊控制虽然可以改善超调但是会存在稳态误差, 控制效果有限[6]。滑模变结构控制因其对模型精度要求不高, 对参数摄动、外部扰动具有强鲁棒性等优点而受到越来越多的关注[7]。文献[8]把转速环和电流环结合成一个整体, 设计了滑模控制器, 并且采用常规指数趋近律减小抖振。常规指数趋近率的切换带为带状, 系统最终不能趋近于原点而是趋近于原点的抖振, 这可能激发系统的未建模高频分量。

为了简化控制保证电流的快速性, 文献[9]将转速环PI控制器换为滑模控制器, 将滑模控制器与PI控制器结合起来。文献[10]采用新型趋近律克服了指数趋近律在滑模切换带上为带状的缺点。

为了简化控制保证电流的快速响应, 本文转速环采用滑模控制器代替传统PI控制器, 并且采用变速变指数趋近律, 更好地减小抖振并且加快趋近速度, 在削减抖振的同时, 为了提高系统的鲁棒性。对滑模增益进行了分段设计。在Matlab/Simulink环境下进行了仿真, 仿真结果表明采用本文提出的基于变增益变速变指数趋近律的滑模变结构永磁同步风力发电机控制策略系统可以无超调地跟踪给定转速, 并且响应速度快, 转矩冲击小, 系统鲁棒性强。

2 永磁同步风力发电系统最大风能跟踪控制

永磁同步风力发电系统首先将风能转化为旋转的机械能, 然后发电机将机械能再转化为电能并入电网。

风力机的机械转矩可以表示为

由Pω=Tω×ω, 可以得到相应的机械功率:

式中:ω为风轮的角速度, rad/s;R为风轮半径, m;v为上游风速, m/s;Cp为风能利用系数;λ为叶尖速比;β为节距角。

叶尖速比的公式为

由式 (2) , 式 (3) 可以得到如下结论:当风速一定时, 风机所获得的机械功率与风能利用系数成正比。当风能利用系数取最大值时, 风机获得的风能最大。在定桨距情况下风能利用系数只与叶尖速比有关, 与风速的大小无关。Cp常用的近似计算公式如下[11]:

由式 (4) , 式 (5) 可以得到定桨距角情况下叶尖速比与风能利用系数的关系如图1所示。

由图1可以看出, Cp随着λ的变化而变化。大约在λ=8.1, Cp最大值接近0.5。由此可见无论在不同风速下, 只要保持λ=λopt, 就能维持风力机在Cpmax下运行, 即保持风力机获得机械功率最大。所以在风速变化时, 通过调整风力机的转速, 可以使风力机工作在最佳叶尖速比状态下, 实现最大风能跟踪[12]。

3 永磁同步风力发电机滑模变结构控制策略

3.1 永磁同步风力发电机数学模型

为了便于对永磁同步风力发电机进行分析, 在建模时做如下假设[5]:

1) 忽略空间谐波, 设电机中是对称三相绕组, 在空间互差120° (电角度) 。输出三相正弦交流电相互对称;

2) 忽略磁路饱和和铁心饱和, 忽略整个系统电机中涡流及磁滞损耗的影响;

3) 转子及安装在转子上的永磁体没有阻尼作用;

4) 所产生磁动势沿气隙变化规律呈正弦分布;

5) 不考虑频率及温度变化等外界因素对永磁体和绕组产生的影响。

经过坐标变换, PMSG在dq坐标系下, 定子电压方程、磁链方程和电磁转矩方程分别如下式:

式中:ud, uq为定子电压在dq轴上的分量;id, iq为定子电流在dq轴上的分量;ψd, ψq为磁链在dq轴上的分量;Ld, Lq为等效dq轴电感;ψf为永磁体磁链。

把风力机与永磁同步发电机看作一个整体, 其机械运动方程可以写为

式中:Tm为风力机机械转矩;Te为永磁同步发电机电磁转矩;Bm为转动粘滞系数 (在理想的状态下一般取值为零) ;np为发电机极对数;ωm为风力机机械角速度 (由于是直驱系统, 所以其值与发电机机械角速度相等) ;ω为发电机电角频率。

3.2 变增益变速变指数控制器设计

将旋转坐标系下永磁同步风力发电机改写为如下状态方程:

滑模控制的核心是找到一个控制量, 通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动, 使系统在受到外部干扰和参数摄动的时候具有不变性。通常滑模控制器的设计分3个步骤:

1) 根据所给系统选择合适的滑模面;

2) 计算控制量u;

3) 验证滑模运动的稳定性。以下将详细介绍变增益变速变指数滑模控制器的设计。

3.2.1 滑模面设计

设滑模变结构控制器的输入为转速误差, 输出为q轴电流的给定值。取系统状态变量为

式中:ω*为转子电角速度给定值;ω为发电机实际电角速度。

由式 (10) 、式 (12) 可得:

则上式可改写为如下状态方程:

不失一般性, 为了使系统无超调达到稳定, 选择一阶滑模面为

在滑模控制中滑模面参数c满足Hurwitz多项式, 这里c>0, 对s求导, 则有:

结合式 (13) 可以得出:

3.2.2 滑模控制率求取

滑模控制最大的缺点就是存在抖振问题。在各种抗抖振方法中趋近律方法相对比较简单, 应用广泛[8]。指数趋近律表示如下:

其中, 常数ε为系统的运动趋于切换面s=0的速率;-ks为指数项, 趋近速度从一个较大值逐步减小到零。但是单纯的指数趋近, 运动点逼近切换面是一个渐进过程, 不能满足滑模控制的可达性条件, 切换面上也就不存在滑动模态了。因此增加了等速趋近项, 当s→0时, 趋近速度是ε, 可以保证切换面以外的点在有限时间达到切换面[13]。

指数趋近律虽然可以在一定程度上削弱抖振, 但是由于切换带为带状, 系统在切换带中向原点运动时, 不能趋于原点而是趋于原点的一个抖振, 这一现象可能引发系统未建模高频成分[11]。

为了解决这一问题, 本文采用变增益、变速、变指数趋近律。此趋近律表示式如下:

式中:a, b取值范围为1~4;X为引入的系统状态变量, 为了避免趋近律中有微分项选择X=x1[13], 在本文为转速误差;m, n为根据系统参数经过试验效果确定的。

采用变增益变速变指数趋近律, 系统状态在远离滑模面时, 可以加快状态变量的趋近速度。当接近滑模面时, 系统进入切换带, 此时穿越滑模面的速率与转速误差的幂函数成正比, 因此幅度将越来越小, 在理想情况下会稳定于原点, 控制效果得到优化。另外滑模增益在系统状态量的不同区间采取分段赋值, 可以大幅度削弱抖振, 同时依然使系统具有较强的鲁棒性。

将式 (19) 代入式 (17) , 可得:

3.2.3 稳定性分析

选择李雅普诺夫函数为:V=0.5s2。滑模控制要满足李雅普诺夫稳定性, 则应有:

将式 (15) 、式 (19) 代入式 (21) 有:

式中:k, ε均为大于零的常数, 系统状态变量的幂函数也是大于零的常数, 当s大于零时符号函数sgn (s) 为正可以保证s导数是小于零的;当s小于零时, 符号函数sgn (s) 为负可以保证s导数是大于零的, 从而满足了稳定性条件。

结合上述控制方案, 基于变增益、变速、变指数趋近律的永磁直驱同步风力发电系统, 机侧滑模控制系统结构框图如图2所示。

4 仿真与分析

本文基于Matlab/Simulink, 构建了永磁同步风力发电系统机侧矢量控制仿真模型。并用上述基于变增益变速变指数趋近律的转速控制器代替传统矢量控制中的PI控制器。

风力机参数为空气密度ρ=1.225 kg/m2, 风机半径R=31 m, 桨距角β=0°。永磁同步风力发电机参数:定子电阻0.11Ω, 定子电感2e-4 L, 极对数102, 磁体磁通1.28 Wb, 转动惯量1e3 kg·m2, 粘滞系数0 N·m·s

仿真中风速模拟实际风场中风速的变化, 风速在0.15 s由6 m/s跃升到8 m/s, 再经过0.15 s阶跃到10 m/s。按照最大风能跟踪算法计算出对应的风力机转角速度的给定值分别为1.57 rad/s, 2.09 rad/s, 2.61 rad/s。

传统PI控制与基于变增益变速变指数趋近律控制永磁同步风力发电机转速仿真曲线、定子三相电流仿真曲线以及转矩仿真曲线分别如图3~图8所示。

从仿真结果可以看出基于变增益变速变指数趋近律的滑模变结构控制永磁同步风力发电系统可以无超调地跟踪给定转速, 并且响应速度快, 转矩冲击小, 系统鲁棒性强, 参数选定方便容易。

5 结论

永磁直驱 篇4

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

[1]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,2007,31(15):61-65.

[2]高龙,等.非线性系统的DFL及隐动态[J].清华大学学报,1996,36(9):1-9.

[3]张春朋,林飞,宋文超,等.基于直接反馈线性化的异步电动机非线性控制[J].中国电机工程学报,2003,23(2):99-102,107.

[4]蔡超豪.矢量控制异步电动机的非线性H__∞控制[J].中小型电机,2004,31(1):49-52.

[5]丁刚,王勋先,韩曾晋.感应电机的H__∞抗干扰控制[J].控制理论与应用,1999,16(4):483-486.

[6]申铁龙.H__∞控制理论及应用[M].北京,清华大学出版社,1996:136-151.

永磁直驱 篇5

电网电压的跌落是最常见的电网故障。当风力发电在电网中所占比重较小时,若发生电网电压跌落,一般就直接把风力发电机切出电网,以保证风力发电机不被损坏。但是现在风力发电在电网中所占比重越来越大,随意切出电网有可能造成电网事故扩大及一系列的问题,所以现在一般要求风力发电机有一定的低电压穿越运行能力,即当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时,风力发电机仍能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率支持,直到电网恢复正常,从而“穿越”这个低电压时间(区域)。低电压穿越能力可以使风力发电机躲过继电保护动作时间,等故障切除后恢复正常运行,这样可大大减少风力发电机组在故障时反复并网的次数,减少对电网的冲击[3]。我国2009年颁布的《风电场接入电网技术规定》中明确规定了风电场的低电压穿越要求。基于此,本文对当前直驱式永磁同步风力发电机的低电压穿越方法进行了总结。

1提高低电压穿越能力的方法

因为电网电压跌落相对于发电机转速变化是一个瞬时的过程,在电压跌落的短时间内风力发电机所输出的功率不会变化,所以电网电压的跌落就必然会造成发电机输出电流的增大以保证输出功率的恒定。

在电网电压跌落次数发生较少或者电压跌落比较轻微时,不改变直驱式永磁同步风力发电机的变流器系统原有的拓扑结构,只通过提高变流器功率器件的耐电流等级,能使发电机的低电压穿越能力有所增强。此外,通过适当增加中间直流环节电容的容量可以使功率差的能量在电容上得到缓冲,在一定程度上可以提高低电压穿越能力。但是在电压跌落程度较为严重的情况下,此类方法并不适用,并且会大幅增加成本,所以通常不单独运用。

由于直驱式永磁同步风力发电机的变流器的主要开关器件一般是IGBT这种功率半导体器件,其所能承受的电流有限,如果长时间通过较大的电流很可能造成功率器件的烧毁,因此变流器输出电流一般有一个限定值。如果电网电压跌落的幅度较大、时间相对较长,则变流器输出的功率一定会减小,如果还想保持风力发电机和电网的功率平衡而不损坏器件,只有两种方法,一种是减小风力发电机的输出功率,使其与电网所能吸收的功率平衡;另一种是增强风力发电机后设备吸收过剩功率的能力,如增加Crowbar保护电路来吸收电网电压跌落所造成的功率差。而通常电网电压跌落相对于发电机转速的变化是一个较短的过程,减小风力发电机的输出功率反应较慢,不能适应低电压穿越的需求,所以现在大都采用Crowbar保护电路以增强变流器系统吸收过剩功率能力、从而实现风力发电机低电压穿越的方法[4,5]。Crowbar保护电路可以加在变流器系统的不同部位:发电机侧、中间直流侧和电网侧。

1.1发电机侧加入保护电路

卸荷Crowbar电路可以加在发电机定子侧实现保护作用,一般运用于传统的直驱型风电系统,如图1所示。

Pm—风力机叶片所吸收的功率;Ps—永磁同步发电机所发出的功率;Udc—中间环节电压;Pg—网侧变流器向电 网输出的功率;ug—电网电压。

当风速过大,超过限制的最大值时,可以在定子侧投入卸荷电阻消耗掉多余的能量[6]。故障造成电网电压跌落时,同样可以用这种方法来消耗发电机侧的多余能量,从而消除功率差,稳定输出电流。故障消除后再切除卸荷电阻,恢复正常的功率输出。通常在这种拓扑结构中采用的开关器件为晶闸管,它的电流承载能力和开关速度都符合定子侧保护的需求。保护电路的投入和切除控制方法与双馈式风力发电机定子侧一些保护控制方式类似。

这种Crowbar保护电路的优点是实现简单、成本较低,但是会对发电机的功率输出有一定影响,因此现在的新型直驱型风力发电机已经不采用这种保护电路。

1.2中间直流侧加入保护电路

在中间直流侧加入Crowbar保护电路是现在最常用的一种方法,主要分为3种:加入储能设备、加入辅助网侧变流器和加入卸荷电阻,其中在中间直流侧加入卸荷电阻的方法最常用。

1.2.1 加入储能设备

直流侧加入的储能设备一般为超级电容或蓄电池,如图2所示,直流环节并联储能设备和其控制电路。

在电网电压跌落时,控制电路投入运行,功率开关器件形成降压斩波电路,降低直流环节电压的同时在储能设备中储存能量。电网电压恢复以后,功率开关器件形成升压斩波电路,把储存起来的电能回馈给电网。此过程需要注意避开卸荷电路中功率器件的死区时间,以防止直流环节中的电容发生短路故障[7]。

这种方法面临的主要问题是电网电压跌落的时间一般比较短,而作为储能环节的蓄电池一般充放电时间较长,难以很好地实现保护作用。同时储能设备增加了系统结构的复杂度,额外的储能设备也会增加成本。

1.2.2 加入辅助网侧变流器

如图3所示,直流环节也可以加入辅助网侧变流器来给电网供电。

电网电压跌落之后变流器不能正常工作的主要问题是变流器的IGBT功率开关器件的过流能力有限,所以可以通过增加辅助变流器的方法来提高变流器的过流能力,从而实现低电压穿越。辅助变流器一般采用的功率器件是GTO等成本较低、过流能力较强的开关器件。但是这种方法也有其固有的缺点,例如网侧和辅助两个变流器控制的配合问题以及GTO等器件开关频率较低而造成的谐波问题。同时如果电网电压跌落幅度较大,这种方法同样较难实现低电压穿越。

1.2.3 加入卸荷电阻

在直流环节加入卸荷电阻的方法基本分为两类,一类是功率器件直接连接卸荷电阻与直流侧,另一类是通过Buck电路(降压式变换电路)将卸荷电阻接入直流侧,如图4所示。

系统正常工作时,Crowbar保护电路不投入工作。在电网电压跌落出现功率差时,Crowbar保护电路投入卸荷电阻消耗掉风力发电机和电网间的功率差(见图4(a)),否则有可能因为中间直流环节电压过高而损坏直流侧电容或逆变器中的功率开关器件。卸荷电阻直接接入直流侧较大的缺点是这部分能量通过电阻的发热消耗掉了,另外,功率器件直接与直流侧连接,因为直流母线电压较高,所以需要高压负载。如果通过Buck电路与直流环节相连(见图4(b)),因为Buck电路的降压作用,所以只需要低压负载就可以了,同时这种电路可以很好地限制启动电流。

实现这种控制方案需要单独的直流环节Crowbar保护控制电路,并通过两种不同的标准决定卸荷电阻是否投入工作。一种是以直流环节的直流电压作为判断标准,另一种是以直流环节两侧的功率差作为判断标准。为了避免频繁的投切,以直流侧电压为判断标准的卸荷电阻控制电路需要加上一定的延迟。而以功率差作为主判断标准、直流侧电压作为辅助判断标准的方法可以很好地保证保护电路投入卸荷电阻的准确性和快速性,如图5所示。

ΔP—功率差;ddamp—投入卸荷电阻时间的占空比。

1.3电网侧加入保护电路

保护电路同样可以加在电网侧,如图6所示。

这种情况需要一个与风力发电输出基本相匹配的负载,以在它们之间形成一个微网系统。另外,在电网与负载之间加入三相静态换向开关(一般由晶闸管反并联组成),从而完成微网和并网状态之间的切换。正常运行时,负载功率主要由风力发电提供,风力发电多余的电能输入给电网,负载不足的电能由电网提供。如果电网电压跌落,三相静止开关则断开电网与风力发电和负载的连接,这时风力发电和负载处于微网的状态,等待电网电压恢复之后再与电网相连接。微网状态时网侧变流器采用电压控制方式,并网状态时网侧变流器采用电流控制方式。

这种保护方式增加的硬件较少、成本较低,但是需要选择一个与风力发电输出相匹配的负载,同时控制方式的切换也是难点。

2结论

直驱式永磁同步风力发电机采用了Crowbar保护电路后,可以显著提高其低电压穿越能力。本文通过分析各种应用于直驱式永磁同步风力发电机的保护电路,总结了各种保护方案的优缺点,简单说明了保护电路的控制方法。其中,中间直流侧加入Crowbar保护电路因为可靠性和成本都较符合工业应用的需要,因而应用最为广泛。

摘要：随着风力发电机组容量的迅猛发展,低电压穿越能力成为风力发电机并网运行的必要条件。对于直驱式永磁同步风力发电机而言,可以通过在不同的位置加入撬棒(Crowbar)保护电路来增强其低电压穿越能力。笔者总结了各种Crowbar保护电路的特点和适用环境,并对其控制方法进行了说明,分析了各种保护电路的优缺点。分析结果表明直流环节Crowbar保护电路的实用性和稳定性较好,是目前风力发电机组主要采用的低电压穿越方法。

关键词：直驱式永磁同步风力发电机,低电压穿越,撬棒保护电路

参考文献

[1]Polinder H,Van Der Pijl F F A,De Vilder G-J,et al.Comparison of direct-drive and geared generator conceptsfor wind turbines[J].IEEE Transactions on Energy Con-version,2006,21(3):725-733.

[2]Abbey C,Jocs G.Effect of low voltage ride through(LVRT)characteristic on voltage stability[C]//IEEEPower Engineering Society General Meeting,2005(2):1 901-1 907.

[3]张兴,张龙云,杨淑英,等.风力发电低电压穿越技术综述[J].电力系统及其自动化学报,2008,20(2):1-8.ZHANG Xing,ZHANG Long-yun,YANG Shu-ying,et al.Low voltage ride-through technologies in wind turbine gen-eration[J].Proceedings of the Chinese Society of Univer-sities for Electric Power System and Automation,2008,20(2):1-8.

[4]胡书举,李建林,许洪华.适用于直驱式风电系统的Crowbar电路分析[J].电力建设,2007,28(9):44-47.HU Shu-ju,LI Jian-lin,XU Hong-hua.Analysis of Crowbarcircuits used in direct-drive WTG systems[J].ElectricPower Construction,2007,28(9):44-47.

[5]Alan Mullane,Gordon Lightbody,Yacamini R.Wind-tur-bine fault ride-through enhancement[C]//IEEE Trans.on Power Systems,2005,20(4):1 929-1 937.

[6]赵兴勇.直驱永磁同步风力发电机组低电压穿越控制策略[J].中国电力,2011,44(5):74-77.ZHAO Xing-yong.Control strategies for low voltage ride-through of a direct-drive wind turbine unit with a perma-nent magnet synchronous generator[J].Electric Power,2011,44(5):74-77.

永磁直驱 篇6

目前, 在风力发电系统中应用较多的电机主要为双馈风力发电机和永磁直驱风力发电机。永磁直驱风力发电系统由于受技术发展的限制相对应用较少, 但是随着电力电子技术的发展, 直驱式风力发电系统近年来发展迅速, 由于其结构上不需要齿轮箱, 同时系统中取消了电刷和滑环, 因此运行更可靠, 应用前景更好。当网侧发生电压跌落的时候会引起永磁直驱式风力发电系统的直流母线电压升高, 而过高的直流母线电压又会造成整流器中功率器件击穿, 导致设备损坏。本文提出了一种双PWM三电平永磁直驱风力发电系统的主电路结构, 并在该电路的直流端增加了卸荷电路降低直流母线电压, 最终达到实现低电压穿越的目的。

1 低电压穿越技术

低电压穿越技术是指在风力发电系统并网过程中发生电压跌落现象时, 风力发电系统能够继续实现并网, 并且发电系统会向电网提供无功功率, 支持电网实现恢复的工作, 整个系统维持一个比较低的电压穿越这个故障发生的时间段。

电网发生故障引起的电压跌落时, 风力发电系统会出现电机转速转速升高、电机直流侧电压过高等现象。当风力发电系统在整个电网中起到重要作用时, 电机机组会出现解列现象, 这种现象会增加电网发生故障时, 发电系统恢复能力, 甚至会令发电机组出现故障。

电网的电压发生电压跌落的瞬间, 会导致电网输出功率瞬时减少, 此时发电系统的输出功率保持不变。这种现象导致电网和电机的输出功率不匹配和电机主电路的直流母线电压瞬间增大, 导致主电路中的电力电子器件和控制器的故障。此时如果采取强制措施令直流母线电压处于稳定状态时, 又会导致发电系统输出到电网端的电流增大, 同样会导致整流器的损坏。如果能够在整流端采用控制器, 整流器能够在电压发生额定波动范围内可以实现电磁控制。就能够避免电压跌落现象所产生的影响, 令永磁同步发电机组的低电压穿越达到比较好的效果。

2 永磁直流风力发电系统结构

永磁直驱风力发电系统拓扑结构如图1所示。本系统主电路采用双PWM三电平交流变频调速系统, 在整流部分和逆变部分均由功率器件组成, 能够实先能量的双向流动, 每个桥臂上串联4个功率器件, 其耐压性更好, 同时输出波形更接近与正弦波, 谐波含量更小, 同时其整流和逆变部分分别采用一个控制器以实现两个部分的独立控制, 使发电机运行于其最佳的工作状态。

图中直流卸荷电路由RCD缓冲电路和功率器件串联构成。当电网发生故障时, 启动卸荷电路消耗直流侧多余的能量, 从而提高直驱式风力发电系统的低电压穿越能力。

3 直流卸荷电路

图2为带有RCD缓冲功能的直流卸荷电路结构。如图中所示, 为IGBT功率开关器件;Ca为吸收电容;Ra为吸收电阻;R0为大功率吸收电阻;VDa为快速恢复二极管。卸荷电路的原理是由功率器件和卸荷电阻构成, 其主要原理是通过控制功率器件的开通和关断, 实现卸荷电路的接通和关断, 以实现风力发电系统中直流端电压调节。

4 建模与仿真

根据以上提出的带有直流卸荷电路的永磁直驱风力发电系统结构工作原理, 在Matlab/Simulink软件平台上搭建了仿真模型如图3所示, 并设置仿真参数为:上网侧变换器交流侧频率为50HZ, 线电压有效值为690V, 进线电阻0.001Ω, 直流母线电压1100V。

当存在功率扰动的情况下, 网侧变换器双闭环控制系统的功率因素仿真实验结果如下图所示。

说明当电网电压跌落时直流卸荷电路能很好地发挥泄放直流母线能量, 防止直流母线电压升高的作用。由此可知, 基于直流卸荷电路的永磁直驱风力发电系统具有低电压穿越能力。

5 结论

在双PWM三电平永磁直驱风力发电系统的直流端增加了直流卸荷电路, 介绍了低电压穿越技术和直流卸荷电路控制器的工作原理, 同时搭建了风力发电系统仿真模型。通过实验结果可以看出, 直流卸荷电路起到了抑制发电系统中直流母线在电网跌落过程中受到的能量冲击。电机运行状态稳定, 同时可保证风力发电机在规定的电网跌落幅度内能够保持并网状态。

摘要：建立了直驱型永磁同步风力发电系统的双PWM三电平拓扑结构。同时为了提高永磁直驱风电机组在电网故障下的低电压穿越能力, 在风力发电系统直流侧增加卸荷电路。在Matlab/Simulink仿真软件中对永磁直驱风电机组的建模并对风机在电网跌落情况下的低电压穿越能力进行了仿真研究, 仿真结果表明通过增加卸荷电路, 永磁直驱风电机组的低电压穿越能力的到了有效提高。验证了永磁直驱电机风力发电系统控制方案的正确性。

关键词：永磁直驱电机,风力发电系统,低电压穿越,电网电压跌落

参考文献

[1]Lee S, Kim M S, Jung D S.Fabrication and sagging behavior of three-layer Al-Si/Al-Mn-Zn/Al-Si clad sheets for automotive heat exchanger[J].Materials Science Forum, 2003, 439 (4) :221-226

永磁直驱 篇7

随着风电机组单机容量和风力发电厂总装机容量不断增大,风电机组和电力系统之间的相互影响变得越来越重要。由于目前风力发电厂大多处于偏远地区,与电网的联系相对薄弱,并网点的电压容易发生波动及不平衡,这时容易造成直流电压波动。直流电压波动不但使控制系统的设计和稳定运行变得更加困难,而且还将给直流电容和变流器件的运行带来安全隐患,同时也造成变流器输出发生畸变,影响电网的电能质量[7,8]。另一方面,不论风电机组侧采用不控整流还是脉冲宽度调制(PWM)整流,都将造成风电机组输出电流的畸变,给风电机组运行带来不利影响。

因此,电网电压不对称时,对风电机组的控制,特别是对直驱型永磁同步风电机组的控制是目前风力发电运行过程中亟需解决的问题[9,10,11],本文提出一种保持网侧交流器输出功率恒定的控制策略。

1 直流电压波动抑制策略

基于背靠背变流器结构的直驱型永磁同步风电机组的结构示意图如图1所示,图1中有两个变流侧,分别称为电机侧变流器和网侧变流器,其中Vdc为直流侧电压。

设电网电压为

$\{\begin{array}{l}u{}_{\text{a}}=U{}_{+}\sin \omega \text{t}+U\_\sin (\omega \text{t}+\text{δ})\\ u{}_{\text{b}}=U{}_{+}\sin (\omega \text{t}-2\pi /3)+U{}_{\_}\sin (\omega \text{t}+\text{δ}+2\pi /3)\\ u{}_{\text{c}}=U{}_{+}\sin (\omega \text{t}+2\pi /3)+U{}_{\_}\sin (\omega \text{t}+\text{δ}-2\pi /3)\end{array}(1)$

式中:U+和U-分别表示电网电压中的正序电压和负序电压。

鉴于风力发电系统没有零序电流通路,不考虑其中零序电流分量。网侧变流器的输出电流i为

$\{\begin{array}{l}i{}_{\text{a}}={\rm I}{}_{+}\sin (\omega \text{t}-\phi {}_{+})+{\rm I}{}_{-}\sin (\omega \text{t}+\delta -\phi {}_{-})\\ i{}_{\text{b}}={\rm I}{}_{+}\sin (\omega \text{t}-2\pi /3-\phi {}_{+})+\\ {\rm I}{}_{-}\sin (\omega \text{t}+\delta -2\pi /3-\phi {}_{-})\\ i{}_{\text{c}}={\rm I}{}_{+}\sin (\omega \text{t}+2\pi /3-\phi {}_{+})+\\ {\rm I}{}_{-}\sin (\omega \text{t}+\delta -2\pi /3-\phi {}_{-})\end{array}(2)$

式中:I+和I-分别表示网侧变流器输出电流中正序电流和负序电流分量的幅值。

由式(1)、式(2)可知,瞬时功率P为

P=uaia+ubib+ucic=Pdc+Pac (3)

Pdc=U+I+cosφ++U-I-cosφ (4)

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{a}\text{c}}=\frac{3}{2}(U{}_{+}{\rm I}{}_{-}\cos (2\text{ω}t+\text{δ}-\phi {}_{-})(5)\\ +\frac{3}{2}(U{}_{-}{\rm I}{}_{+}\cos (2\text{ω}t+\text{δ}-\phi {}_{+})\end{array}$

由式(3)可以看出,网侧变流器输出瞬时功率由一个直流量和一个二倍频的交流分量组成。在风电机组输出功率恒定时,该二倍频交流量的存在将引起直流侧电容电能的吞吐,造成电容电压产生相应的二倍频波动。

因此,通过对输出电流的控制,使波动量的幅值为零即可消除直流侧电容的二倍频波动,式(5)可以改写成:

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{\text{a}\text{c}}=\frac{3}{2}(U{}_{+}{\rm I}{}_{-}\cos \phi {}_{-}+U{}_{-}{\rm I}{}_{+}\cos \phi {}_{+})\cos (2\omega \text{t}+\delta )\\ +\frac{3}{2}(U{}_{+}{\rm I}{}_{-}\sin \phi {}_{-}+U{}_{-}{\rm I}{}_{+}\sin \phi {}_{+})\sin (2\omega \text{t}+\delta )(6)\end{array}$

欲要求Pac为零,则有:

U+I-cosφ-+U-I+cosφ+=0 (7)

U+I-sinφ-+U-I+sinφ+=0 (8)

根据能量守恒的原理,欲要求维持电容电压保持稳定,则网侧变流器输出的有功功率应与风力发电机的输入功率相同,设风电机组输入功率恒定为Pin,则有:

Pdc=U+I+cosφ++U-I-cosφ-=Pin (9)

根据式(7)～(9),可以得出变流器输出电流目标值为

$\begin{array}{l}\{\begin{array}{l}{\rm I}{}_{+}\cos \phi {}_{+}=\frac{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}U{}_{+}}{U{}_{+}^2-U{}_{-}^2}\\ {\rm I}{}_{-}\cos \phi {}_{-}=\frac{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}U{}_{-}}{U{}_{-}^2-U{}_{+}^2}\end{array}(10)\\ {\rm I}{}_{-}\sin \phi {}_{-}=\frac{U{}_{-}{\rm I}{}_{+}\sin \phi {}_{+}}{U{}_{+}}(11)\end{array}$

在不考虑无功功率补偿时,即U-I+sinφ+=0时,将式(10)带入式(2)可得:

$\{\begin{array}{l}u{}_{\text{a}}=kU{}_{+}\sin (\omega \text{t}+\delta )\\ u{}_{\text{b}}=kU{}_{+}\sin (\omega \text{t}-2\pi /3)-kU{}_{-}\sin (\omega \text{t}+\delta +2\pi /3)\\ u{}_{\text{c}}=kU{}_{+}\sin (\omega \text{t}+2\pi /3)-kU{}_{-}\sin (\omega \text{t}+\delta -2\pi /3)\end{array}(12)$

式中:$k=\frac{{\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}}{U{}_{+}^2-U{}_{-}^2}$

采用这种方法,网侧变流器输出电流为纯正弦,而且网侧变流器输出功率恒定,直流侧电容恒定,不会产生二倍频波动。

2 对系统不平衡度的影响

下面简单对采用保持网侧交流器输出功率恒定的控制方法后,风电机组并网对电能质量的影响进行分析。

风电机组并网简单示意图如图2所示。图2中,ZI为线路阻抗,为分析方便,假设线路三相阻抗相同;$\dot{{\rm I}}$+pg、$\dot{{\rm I}}$+qg、$\dot{{\rm I}}$-pg、$\dot{{\rm I}}$-qg分别为风力发电输出电流中的正序有功、正序无功、负序有功、负序无功分量;$\dot{{\rm I}}$+pl、$\dot{{\rm I}}$+ql、$\dot{{\rm I}}$-pl、$\dot{{\rm I}}$-ql分别为不平衡负荷的正序有功、正序无功、负序有功、负序无功电流分量。设母线1处电压三相对称为U。

在风电机组没有并网前,由于不对称负荷的存在,母线2处电压含有一定的负序分量,其正序及负序电压分别为

$\begin{array}{l}U{}_{+}=U-(\dot{{\rm I}}{}_{+\text{p}\text{l}}+\dot{{\rm I}}{}_{+\text{p}\text{l}}){\rm Z}{}_{\text{Ι}}(13)\\ U{}_{-}=(\dot{{\rm I}}{}_{-\text{p}\text{l}}+\dot{{\rm I}}{}_{-\text{p}\text{l}}){\rm Z}{}_{\text{Ι}}(14)\end{array}$

当风电机组采用本文提出控制方法,风电机组并网后,母线2处电压的正序及负序电压分别为

$\begin{array}{l}U{}_{+}^{\text{'}}=U-(\dot{{\rm I}}{}_{+\text{p}\text{l}}+\dot{{\rm I}}{}_{+\text{p}\text{l}}-\dot{{\rm I}}{}_{+\text{p}\text{g}}-\dot{{\rm I}}{}_{+\text{p}\text{g}}){\rm Z}{}_{\text{Ι}}(15)\\ U{}_{-}^{\text{'}}=(\dot{{\rm I}}{}_{-\text{p}\text{l}}+\dot{{\rm I}}{}_{-\text{p}\text{l}}-\dot{{\rm I}}{}_{-\text{p}\text{g}}-\dot{{\rm I}}{}_{-\text{p}\text{g}}){\rm Z}{}_{\text{Ι}}(16)\end{array}$

由式(13)～(16)可知:

U'+>U+

U'-<U- (17)

将根据电能质量中对于电压不对称度的定义,可知风电机组并网前后不平衡度ε分别为

$\begin{array}{l}\epsilon =\frac{U-}{U{}_{+}}\\ \epsilon {}^{\text{'}}=\frac{U{}^{\text{'}}}{U{}_{+}^{\text{'}}}(18)\end{array}$

根据式(17)、(18)可知,风电机组并网后,电网电压的不平衡度降低,提高了电能质量。利用同样的分析方法可以得出当风电机组采用传统的平衡控制时,风电机组并网不但不能改善电网的不平衡度,反而存在一定程度的加重。

3 网侧变流器控制系统的实现

3.1 网侧电压序分解

在对电网电压检测后,通过序分解得到电网电流中正序及负序分量[12]:

$\begin{array}{l}\left[\begin{array}{l}u{}_{\text{a}}^{-}\\ u{}_{\text{b}}^{-}\\ u{}_{\text{c}}^{-}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{l}21\\ -11\\ -1-2\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}u{}_{\text{a}\text{b}}^{-}\\ u{}_{\text{b}\text{c}}^{-}\end{array}\right](19)\\ \left[\begin{array}{l}U{}_{\text{a}}^{+}\\ U{}_{\text{b}}^{+}\\ U{}_{\text{c}}^{+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}U{}_{\text{a}}\\ U{}_{\text{b}}\\ U{}_{\text{c}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{l}U{}_{\text{a}}^{-}\\ U{}_{\text{b}}^{-}\\ U{}_{\text{c}}^{-}\end{array}\right](20)\end{array}$

3.2 直流侧电容电压控制

直流侧电容电压维持稳定是直驱型永磁同步风电机组正常运行的基础。

直流侧电容电压调整是通过控制直流侧电容的充放电来实现的。在运行过程中,设发电机侧变流器输入功率恒定为Pin,网侧变流器输出功率为 Pout。在忽略损耗的基础上,根据能量平衡可知电容电压变化取决于Pin与Pout的相对关系,即:

$\frac{1}{2}C\frac{\text{d}(V{}_{\text{d}\text{c}}^2)}{\text{d}t}={\rm P}{}_{\text{i}\text{n}}-{\rm P}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}(21)$

为了使直流侧电容电压稳定在设定值,对其偏差进行比例-积分(PI)控制。将直流侧电容电压控制器的输出来确定网侧变流器的输出电流,控制系统如图3所示。在图3中,i*abc表示注入系统电流的参考值;U+abc、U-abc分别表示系统三相电压的正、负序分量;kpd、kid分别为比例-积分(PI)环节的控制参数。

3.3 变流器输出电流控制

变流器控制方法较多,本文采用电网电流量检测的闭环结构,对电网电流的正序、负序分量分别控制,即通过对其分别进行正序、负序的d、q变换,然后对变换后的d轴和q轴分量分别采用PI控制,这样使得控制器的参考值均为直流量,从而简化了PI参数设计。同时,由于该方法不需要复杂的无功电流检测环节,简化了控制系统的结构[13]。

变流器输出电流控制系统如图4所示,在图4中,uabc表示电网三相电压;Δi+abc、Δi-abc、i+d、i+q、i-d、i-q由电流分解方法进行计算,其中i*abc表示网侧变流器输出电流参考值,为图3所示的直流控制输出,iabc表示网侧变流器实际输出电流。

4 仿真分析

本文在Matlab7.0中建立了一台直驱型永磁风电机系统仿真模型,在电网电压不对称时对文中提出的控制方法进行仿真研究。系统中直流侧电压控制目标为2 400 V,电网电压波形如图5所示,不平衡度为25 %。在相同的系统构成的基础上分别采用常规平衡控制和文中提出的方法进行仿真。

采用常规平衡控制方法时,直流侧电容电压和网侧变流器输出瞬时功率波形图见图6。

从图6中可以看出网侧变流器输出有功功率存在二倍频波动,直流电压也相应存在一个二倍频波动。

利用保持网侧变流器输出功率恒定控制方法时的仿真结果如图7所示。

从图7可以看出,网侧变流器输出电流存在一定的不平衡,但其输出瞬时功率保持恒定,因此直流电容波动约为传统方法的10%,直流侧波动抑制效果明显。

5 结语

通过对本文所提出的保持网侧交流器输出功率恒定控制方法的理论分析、仿真研究可知。

1)在电网不对称故障时,采用网侧输出电流控制能够有效抑制直流侧电容电压的波动。

2)采用本文提出的保持网侧交流器输出功率恒定控制方法,能够改善电网的电能质量,降低电压的不平衡度。

3)无功电流控制与有功电流控制实现方法相同,本文不再详细论述。

永磁直驱 篇8

根据车辆行驶的特点采用高功率因数的直驱永磁同步风力发电机(DDPMG)。该类型的发电机采用永磁体励磁,消除了励磁所损耗,提高了效率,实现发电机无刷化。采用风动机对发电机直驱的方式,取消齿轮箱,可以提高发电机的效率及其可靠性。风力机因有成熟产品,这里不再详述。

由于车辆行驶中速度是不断变化的,所形成的风力也是起伏变化的。发电机所发出的电压极不稳定。因此要设计相适应的控制电路来稳定发电机输出的电压,平抑因风力起伏引起的电势波动。

本发电系统主要由机械部分和电气控制部分组成。

1 机械组成

本系统采用双喇叭口空气导流罩和双风力机的组合方式。这一方式有利于最大限度的获得风力。喇叭口式结构能够促使风力压缩和提高风压。采用双风力机可以提高风能的利用率,增强输入发电机的功率。当车辆高速行驶时,迎面产生的风阻力进入空气导流罩,由双喇叭口导向风力机,并带动发电机运转。

2 电气控制

为平抑发电机因风力起伏引起的电势波动。设计如(图1、2)所示的电气控制系统。(图1)是电气控制组成框图。

主要有:输入滤波电路,VI-ARM可自动调整输入电压范围的整流模块,Vicor DC/DC变换器等组成。电气控制流程为:发电机发出的电压经滤波电路整形后输入到VI-ARM模块,进行电压调整,然后由DC/DC变换器变换成符合车辆使用要求的电源。应用电路如图2所示。

在通用输入电压范围内,VI-ARM模块直流出母线电压可保持在200~375 V之间。该模块可与VICOR公司的VI-260系列和输入电压为300 V的直流变换器模块配套,组成离线式开关稳压电源。VI-ARM模块的输入引脚L和N之间应加入输入滤波器。该滤波器由共模电感L3和Y电容(接在相线到地之间的电容)及两个附加电感L1、L2和X电容(接在相线与相线间的电容)等元件组成。在100 kHz~30MHz之间,该滤波器具有足够的共模和差模插入损耗,完全可以满足传导辐射B级极限值的要求。

引脚ST应接在串联滤波电容C5、C6的中点,以便控制整流器在全波整流与倍压整流状态之间的转换。电容器两端并联的气体放电管V1和V2可实现输入电压的瞬变保护,泄放电阻R1和R2在电流关断时,可谓滤波器电容提供放电通路。为扩大输出功率,可以将多个DC/DC变换器并联。VI-ARM模块的使用引脚EN必须接到所有变换器模块的PC引脚上,这样在电源接通过程中,可将所有变换器模块关断。VI-ARM模块给多个变换器模块供电时,为了消除各个变换器模块之间使能控制信号互相干扰,在每个变换器模块的PC引脚上应串入一个信号二极管。电源接通过程结束后,使能引脚EN对模块的负输出引脚(-V)的电压升高至15 V。当整流器输出母线电压超过400 V时,使能引脚将变为低电平,从而关断变换器模块。变换器模块关断后,VI-ARM电路中的热敏电阻的旁路开关打开,热敏电阻串入输入电路中,使母线电压降到安全值。这样可以限制气体放电管触发时的输入电流。DC/DC变换器采用V375A5C400A模块。该模块具有多块并联功能,并有故障容许能力,可灵活通过并联构成各种不同输出功率的单元。各模块电路的原理及参数数据都有资料可查。

3 结语

本文所述的是把风力发电技术运用在运动车辆上,将车辆运行中产生的可利用空气阻力转化为电能。该技术可用在各种车辆上,特别是当前倡导的混合动力车辆。所发出的电能作为后备电源,可增加电动车辆的行驶里程和车辆电器的耗能补充,是一种降低车辆运行能耗的有效办法。

参考文献

[1]张兆强.MV级直驱永磁同步风力发电机设计[D].上海交通大学,2007.

[2]钟伟强.国内外风力发电简述[J].青海科技,2004(2):25-26.

[3]王星华.变速恒频同步直驱风力发电机控制系统研究[D].上海交通大学,2007.