变速恒频双馈风力发电系统仿真研究
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1 引言

  风力发电是利用风能的一种有效形式,受到了广泛的关注。和常规风力发电系统相比,变速恒频双馈风力发电系统具有功率因数可调、效率高等优点,同时变换器连接在转子回路,仅处理双向流动的转差功率,不仅具有变换器体积小、重量轻、成本低的特点,更可实现机电系统的柔性连接。

  本文采用dfig功率控制来实现最大风能追踪的实施方案。基于最大风能追踪的需要,将磁场定向矢量控制技术应用到dfig运行控制上,形成了基于定子磁链定向的dfig有功、无功功率解耦控制策略;采用双pwm型变换器作为转子的励磁电源,基于电网电压定向矢量控制技术,实现了网侧变换器交流侧单位功率因数控制和直流环节电压控制。

  在建立双馈风力发电系统仿真模型基础上,对整个系统进行了仿真分析,验证了该方案的正确性和可行性。

2 变速恒频双馈风力发电机的运行原理

  双馈型异步发电机(dfig)采用绕线转子感应发电机,定子直接接电网,在转子侧施加交流励磁来控制发电机的转矩。由dfig实现的交流励磁,可以通过调节励磁电流的幅值、频率和相位实现灵活的控制;改变转子励磁电流的频率,dfig可以实现变速恒频控制;改变转子励磁电流的相位,可以调节有功功率和无功功率。

  本文采用双pwm变换器作为dfig转子励磁电源系统,如图1所示。两个三相电压源型pwm全桥变换器采用直流链连接,靠中间的滤波电容稳定直流母线电压。转子侧变换器向dfig的转子绕组馈入所需的励磁电流,实现dfig的矢量控制及输出解耦的有功功率和无功功率进而实现可逆运行。网侧变换器在实现能量双向流的同时,控制着直流母线电压的稳定,以及对网侧的功率因数进行调节。

3 双馈异步发电机的数学模型

  为了实现双馈电机的高性能控制,采用磁链定向的矢量变换技术,通过坐标变换和磁链定向,将dfig定子电流分解成相互解耦的有功分量和无功分量分别控制,从而实现有功功率和无功功率的解耦控制。定子采用发电机惯例,转子采用电动机惯例,建立了同步旋转坐标系下的dfig的数学模型。

  式中:s为dq坐标轴相对于转子的角速度;1为定子频率的同步角速度;usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq分别是定、转子电压和电流在dq轴的分量;sd、sq、rd、rq分别是定、转子磁链的dq轴分量;np为电机极对数。

4 基于定子磁链定向的有功、无功解耦控制策略

  dfig的控制对象为输出有功功率和输出无功功率。为了实现有功、无功功率的解耦控制策略,采用定子磁链定向的矢量控制系统,将dfig定子电流分解成为相互解耦的有功分量和无功分量,实现对定子侧有功功率和无功功率的解耦控制。

  如图2所示整个控制系统采用双闭环结构,外环为功率环,内环为电流环。在功率环中,p1*和q1*与功率反馈值p1、q1进行比较后经pi型功率调节器运算,输出定子电流的有功、无功分量参考值。根据定转子电流之间的关系计算得到转子电流的i*rd、i*rq参考值,与转子电流反馈值比较后,经pi型电流调节器输出电压分量u'rd、u'rq,加上补偿分量urd、urq可以得到转子电压指令u*rd、u*rq。然后转子电压指令经坐标变换后输出两相静止坐标系下的控制电压u*、u*。结合svpwm控制转子侧变换器,实现有功、无功功率的解耦控制。

5 网侧变换器控制

  网侧变换器主要实现交流侧输入单位功率因数控制和在各种状态下保持直流环节电压稳定,确保转子侧变换器和整个dfig励磁系统可靠的工作。本文采用基于电网电压定向的控制策略实现对网侧变换器的控制。

  如图3所示,直流环节给定电压和反馈电压相比较后的误差经pi调解器调节输出i*d,对网侧变换器进行单位功率因数控制,即i*q=0。电流的有功、无功分量给定和电流的反馈值比较后经pi调解器输出u'rd、u'rq,然后与解耦项和补偿项一起构成变换器给定参考电压,然后将其变化到两相静止坐标系下的电压控制相量,通过svpwm调制,产生网侧变换器所需的触发脉冲信号,进而进行网侧变换器的整体控制。

6 系统仿真

  基于matlab中的simulink仿真环境,对双馈风力发电系统进行仿真分析(见图4),以获得一定的指导性结论,并验证前述理论的正确性及可行性。双馈电机参数如下:定子额定功率pn=22kw,额定电压un=220v,电机极对数p=2,额定电流in=6.9a,同步转速n1=1500r/min,折算至定子绕组匝数后的绕组参数:rs=0.435,rr=0.816,ls=0.002h,lr=0.002h,lm=0.693h;直流环节电容为c=2000f,直流环节电压udc=540v,进线电抗器l=0.002h,开关频率f=5khz。

  输入风速为v=7.4m/s时,电机工作在亚同步速条件下,定子侧输出有功、无功功率、相电压和相电流波形如图5~9所示:

  dfig工作于亚同步发电状态下,转子励磁系统提供直流励磁,对应的输出有功功率约为1500w,从有功功率曲线可见,仿真结果理论值相符合;无功功率基本为零,功率因数近似为1。图7为dfig定子电压ua与定子电流ia波形,ua与ia同相位,定子侧相电压和相电流的频率均为50hz,说明了定子侧无功功率几乎为零。

  由仿真波形可知,系统稳定时,整流器直流侧电压稳定在540v。亚同步速时,网侧变换器工作在整流状态下,能量流出电网,输出电流波形为正弦且谐波分量很小,电网电压电流波形同相位,整流器工作在单位功率因数情况下。

  图10为电机工作在超同步速条件下时,网侧变换器交流侧电网电压和电流波形,网侧变换器工作在逆变状态下,电网电压和电流反相位,能量流入电网。从而说明本文采用的双pwm型变换器具有能量双向流动的能力,并且变换器输入、输出特性较好。

7 结束语

  在阐述了变速恒频双馈风力发电系统基本原理的基础上,给出了基于定子磁链定向的矢量控制策略和基于电网电压定向的网侧变换器控制方法,结合双pwm型变换器运用于变速恒频双馈风力发电系统,基于matlab/simulink软件平台,搭建了变速恒频双馈风力发电系统仿真模型,进行了验证性实验分析,仿真结果表明,采用所述控制策略能够实现最大风能的追踪和解耦控制,同时采用的双pwm型变换器具有能量双向流动、输入和输出特性好的特点。证明了所述控制策略的正确性和有效性,具有良好的工业应用前景。

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