變速恒頻雙饋風力發(fā)電柔性并網(wǎng)控制策略及建模仿真

1、變速恒頻雙饋風力發(fā)電柔性并網(wǎng)控制策略及建模仿真 Research on Flexible Grid-connection Control Strategy and modeling-simulation for VSCF Wind Power Generation吳國祥 1,2 陳國呈 1 馬祎煒 1 俞俊杰 1 蔚蘭 11上海大學機電工程與自動化學院、上海市電站自動化技術重點實驗室 上海 200072 2南通大學電子信息學院 江蘇南通 226007Wu Guoxiang1,2 ,Chen Guo-cheng1 ,Ma Yi-wei1, Yu Jun-jie1 , Yu Lan11. Shan

2、ghai University shanghai 200072 China2. Nantong University Nantong Jiangsu 226007 China摘要:傳統(tǒng)的風力發(fā)電并網(wǎng)方式為“剛性并網(wǎng)”,在并網(wǎng)瞬間會產(chǎn)生很大的沖擊電流。本文根據(jù)交 流勵磁變速恒頻風力發(fā)電的運行特點, 將矢量控制的定子電壓定向技術應用在雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)控制上, 對風力發(fā)電的“柔性并網(wǎng)”進行了分析,即根據(jù)電網(wǎng)電壓和電機轉速來調節(jié)轉子的勵磁電流,在變速條 件下實現(xiàn)無沖擊電流并網(wǎng),實現(xiàn)了輸出有功和無功功率的解耦控制。建立了交流勵磁發(fā)電機空載并網(wǎng)、 負載并網(wǎng)、并網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)運行和電網(wǎng)波動情況下的不脫網(wǎng)控制模型

3、,完整的仿真研究驗證了變速恒頻風 力發(fā)電柔性并網(wǎng)控制策略的正確性與有效性。Abstract: Traditional wind power generation was rigidly cut in, the current impact on grid connection is extremely high. In this paper,by analyzing run characteristic of AC-excited variable speed constant frequency(AEVSCF wind power generator ,stator voltage orie

4、nted vector control technique is used in doubly fed induction generator(DFIG, flexible grid-connection technique is analysed ,grid voltage and rotor speed are calculated to make generator output voltage meet grid-connection condition without overshoot current by excitating rotor current control, and

5、 obtain decoupling control of active power and reactive power .The modes of idle-load and on-load grid connection, running in ready state and fault ride through are established, complete simulation confirms the accuracy and validity of flexible grid-connection control strategy for VSCF wind power ge

6、neration.關鍵詞:變速恒頻 柔性并網(wǎng) 解耦 定子電壓定向 建模仿真Keywords: variable speed constant frequency (VSCF, flexible grid-connection, decoupling , stator voltage oriented, modeling and simulation1 引言風能是一種非常具有開發(fā)潛力的可再 生能源 , 隨著風力發(fā)電技術的大力發(fā)展,其 并網(wǎng)技術也越來越得到重視 1,2。風力發(fā)電 的并網(wǎng)系統(tǒng)是一個多變量、 時變、 復雜的非 線性系統(tǒng) 3。 傳統(tǒng)的風力發(fā)電并網(wǎng)技術主要 有直接并網(wǎng)、 準同期并網(wǎng)和降壓并

7、網(wǎng), 而發(fā) 出電能的頻率完全取決于原動機的速度, 與 勵磁無關,并網(wǎng)后要求原動機為精確同步 速, 且在并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生很大的沖擊電流和引 起電網(wǎng)電壓的波動。近年來變速恒頻雙饋風力發(fā)電得到了 各國學者的廣泛關注和重視 4,5。為此,變 速恒頻雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)特別是柔性并網(wǎng) 技術更是成為研究的熱點 6,7。變速恒頻雙 饋風力發(fā)電的柔性并網(wǎng)包括并網(wǎng)前的控制 策略和并網(wǎng)后的控制策略, 并網(wǎng)前的控制主 要是調節(jié)轉子的勵磁電流, 使定子電壓滿足 無沖擊電流并網(wǎng)條件, 而并網(wǎng)后又分為三大 運行區(qū):最大風能追蹤區(qū)、 轉速恒定區(qū)和功 率恒定區(qū), 其中最大風能追蹤區(qū)是主要的運 行區(qū), 其目的是追蹤最大風能, 最大限度

8、地 提高風力發(fā)電系統(tǒng)的運行效率。目前, 國內外相關研究主要集中于并網(wǎng)后 基于定子磁鏈定向雙饋電機有功功率和無功功率的解耦控制 8,9,對并網(wǎng)前定子電壓控制 的研究很少 , 且限于定子磁鏈定向 10 。 本文對 變速恒頻雙饋風力發(fā)電柔性并網(wǎng)控制策略進 行了較為系統(tǒng)的研究, 對其空載并網(wǎng)、 負載并 網(wǎng)、 并網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)運行和電網(wǎng)波動情況下的不 脫網(wǎng)控制策略進行了深入的分析, 且采用定子 電壓定向控制技術,避免了定子的磁鏈觀測, 簡化了控制策略。1 柔性并網(wǎng)控制策略研究 圖 1 雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)框圖雙饋電機風力發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖 1所示, 當風速發(fā)生變化時, 發(fā)電機轉速變化, 若控制 轉子勵磁電流的

9、頻率, 可使定子頻率恒定, 即:21±=m n (1式中 1為定子磁勢的角頻率, m 為轉子 的機械旋轉角頻率, 2為轉子電流角頻率。 當 1與 m 旋轉方向相同時,(1式取正號, 反之取負號。 此式為風力發(fā)電實現(xiàn)變速恒頻的 依據(jù)。轉子勵磁電流的相序取決于 m n 1的 符號,次同步運行時 0>1m n ,相序為正, 即轉子磁勢的旋轉方向與其機械旋轉方向相 同; 超同步運行時 0<1m n ,相序為負, 轉 子磁勢的旋轉方向與其機械旋轉方向相反。 恒 壓控制可以通過調節(jié)轉子繞組電流的幅值、 相 位并由其矢量方程來實現(xiàn)。雙饋風力發(fā)電柔性并網(wǎng)是通過檢測電網(wǎng) 電壓和電機轉速來調

10、節(jié)轉子電流,進而調節(jié)發(fā) 電機輸出電壓的幅值和相位來滿足并網(wǎng)條件, 因而可在變速條件下實現(xiàn)柔性并網(wǎng), 使并網(wǎng)瞬 間定子無沖擊電流產(chǎn)生。 變速恒頻風力發(fā)電柔 性并網(wǎng)方式主要有空載并網(wǎng)和負載并網(wǎng)。1.1 定子電壓定向空載并網(wǎng)控制策略空載并網(wǎng)方式并網(wǎng)前發(fā)電機不帶負載,不參與能量和轉速控制,完全由原動機來控制發(fā) 電機轉速 11。并網(wǎng)瞬間雙饋機向電網(wǎng)輸出電 能, 但在并網(wǎng)后由于定子端電壓受控, 使其等 于電網(wǎng)電壓, 所以定子電流逐漸減小到零。 并 網(wǎng)后需切換到穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)控制策略, 并實現(xiàn)最大 功率點跟蹤。根據(jù)三相靜止坐標系和同步旋轉 dq 坐標 系下 DFIG 數(shù)學模型,導出其并網(wǎng)前的簡化形 式, 并采用同

11、步旋轉坐標系下矢量形式的 DFIG 模型來進行分析與控制。 若定轉子均為電動機 慣例,則其兩相同步模型為 12+=+=r s r r r rs s s s s j p i R u j p i R u 1 (2定轉子的磁鏈方程為+=+=rr s m r rm s s s i L i L i L i L (3 在定子側開路時, 0=s i , 定轉子磁鏈方 程可簡化為=r r rr m s iL i L (4將 0=s i 和簡化磁鏈方程代入定轉子的 電壓方程可得+=+=rr s r r r r r r m r m s i L j dt di L i R u i L j dt di L u 1 (

12、5 采用定子電壓定向技術且忽略定子電阻時有:s sd U U =, 0=sq U ,因為并網(wǎng)過程對定 子側動態(tài)性要求不高 13,故再忽略其動態(tài)過 程,只考慮起靜態(tài)模型時有sd r m s u i L j u =1 (6 由(6式可得ms rq rd r L u j ji i i 1=+= (7將(7式代入(5式的后項,忽略其動 態(tài)過程可得+=dt di L i R j i L u rq r rqr rq r s r (8 此式可以作為變速恒頻風力發(fā)電定子電 壓定向空載并網(wǎng)行時 DFIG 控制的電流內環(huán)控 制器的設計依據(jù)。其控制框圖如圖 2所示 圖 2 定子電壓定向空載并網(wǎng)控制框圖1.2 定子電

13、壓定向負載并網(wǎng)控制策略負載并網(wǎng)的特點是并網(wǎng)前已經(jīng)帶有獨立負載 , 定子有電流 , 因此并網(wǎng)控制所需要的 信息不僅取自于電網(wǎng)側 , 而且還取自于定子 側。發(fā)電機參與原動機的能量控制 , 表現(xiàn)在 一方面改變發(fā)電機的負載即可調節(jié)發(fā)電機 的能量輸出; 另一方面在負載一定的情況下 , 改變發(fā)電機轉速 , 也可改變能量在電機內部 的分配關系,但是控制策略較為復雜 14 。 圖 3負載并網(wǎng)矢量形式等效電路圖在純電阻負載并網(wǎng)時 , 其等效矢量圖如圖 3所示,則其靜態(tài)模型為(01=+s s s j i R R (9 在定子電壓定向并網(wǎng)時有sd s s u Ri u =, sd s s i R u i =, 定子

14、電阻很小, 可以忽略,穩(wěn)態(tài)時 s s s s s s j j p i R u 11+= (10 當同步旋轉的 dq 坐標定向于 s u 時,( (11rd m sd s rq m sq s s i L i L j i L i L u +=,則sm ssd m s rd u RL L i L L i = (11 上式為定子電壓定向負載并網(wǎng)相位匹 配的充要條件。 將 s i 和 s 代入 (9中可得(ms s rq RL u R R i 1+= (12上式為定子電壓定向負載并網(wǎng)幅值匹 配的充要條件。而頻率匹配則由 2s/2r中的 旋轉角確定。將 s i 、 r i 代入轉子電壓方程得rq r s

15、rdrrd r r i L dt di L i R u += +rd s m r s rq r rq r i L L L dt di L i R j 2 (13此式可以作為變速恒頻風力發(fā)電定子 電壓定向負載并網(wǎng)運行時 DFIG 電流內環(huán)控 制器的設計依據(jù)。 但這種方法過于依賴電機的參數(shù) s L 、 r L 、 m L ,對于空載并網(wǎng)同樣 存在此問題,其控制框圖如圖 4所示 圖 4 定子電壓定向負載并網(wǎng)控制框圖1.3 雙饋風力發(fā)電并網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)運行控制雙饋電機穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)運行時, s u 為恒定的電網(wǎng)電壓,其幅值、頻率、相位皆不變, s 也是穩(wěn)定的,令定子磁鏈 msm s i L =,聯(lián)立(3式可得(

16、r ms sm s i i L L i = (14 r r ms smri L i L L +=2 (15 其中, sr m L L L 21=為電機的漏磁系數(shù),此時 0=dt d s ,將 s 、 r 代入(2式,并忽略 其動態(tài)過程可得定轉子電壓矢量方程為+=+=rs rrr r r ss s s j dtdi L i R u j i R u 1 (16 此式可作為變速恒頻風力發(fā)電 DFIG 穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)后的矢量控制策略, 按照不同的矢量定向 就得到不同的矢量控制方案。 穩(wěn)態(tài)時忽略定子 電阻, s s j u 1,當采用 定子電壓定向 時有(=+=+=0(1111rd m sd s sd sqr

17、q m sq s sq s sd i L i L u i L i L u u (17 由此可得=10s sqsd u (18 =s s rq s m sq rd s m sd L u i L L i i L L i 1 (19 將 sd i 、 sq i 代入 r 可得+=rq r s s m rd r r i L u L L j i L 1 (20將其代入(5式中的 r u ,則rq r s s sm s rd r rd r r i L u L L dt diL i R u +=1+rd r s rq r rq r i L dt di L i R j (21此式可以作為變速恒頻風力發(fā)電 DF

18、IG 穩(wěn) 態(tài)并網(wǎng)后電流內環(huán)控制器的設計依據(jù)。 其控制 框圖如圖 5所示,由此可見這種基于定子電壓 定向的變速恒頻風力發(fā)電 DFIG 穩(wěn)態(tài)運行控制 策略, 在轉子電壓補償?shù)臈l件下, 實現(xiàn)了有功 功率和無功功率的解耦控制,從而根據(jù)最大功 率點與風速的關系曲線, 可以實現(xiàn)最大風能跟 蹤。 圖 5并網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)控制框圖1.4 電網(wǎng)波動情況下的不脫網(wǎng)控制策略電網(wǎng)穩(wěn)定時可以忽略 DFIG 定子勵磁 電流動態(tài)過程, 上述矢量控制方案可使雙饋 風力發(fā)電系統(tǒng)在變速恒頻運行中獲得良好的穩(wěn)態(tài)性能。但在電網(wǎng)電壓波動情況下, DFIG 簡化模型的前提己不存在,以此為基礎導出的矢量控制方案的有效性也會受到 影響,應依據(jù) D

19、FIG 的精確模型,對這種矢量控制方案進行改進,以提高轉子側 PWM 變換器對 DFIG 轉子電流的控制能力, 從而提 高雙饋電機在電網(wǎng)電壓波動情況下的不間斷運行能力。定子勵磁電流動態(tài)過程的 DFIG 精確模型 矢量形式為 +=+=r s ms s m r r r r r s ms m s s s j dt di L L dt di L i R u j dt di L i R u 21(22 式中, s u 和 s 不再恒定, 由上式的第一 個方程得(11s s s s mms j i R u L dt di = (23 將其代入(22式的第二個方程得(1S S S s sm r s rrr

20、r r j i R u L L j dt di L i R u +=(24將(18 、 (20式代入(24得+=+=s s m s rd r s rq r rq s s m r rq rq r s s m s rd r rd s s mr rd u L L R i L dt di L i R L L R u i L u L L dt di L i R L L R u 2122122(25圖 6 電網(wǎng)電壓波動情況下的不脫網(wǎng)控制框圖上式可以作為電網(wǎng)電壓波動情況下定子電壓定向時改進的電流內環(huán)控制器的設計依據(jù)。 控制器改進的思路是在原來控制器的基礎 上 再 加 上 定 子 勵 磁 電 流 變 化 的

21、補 償 量 :s S S S s m L j i R u L (1,其控制框圖如圖 6所示。2 控制策略比較及仿真2.1 不同控制策略的比較分析 空載并網(wǎng)和負載并網(wǎng)控制策略的差別在 于并網(wǎng)前控制方式不同。 空載并網(wǎng)方式并網(wǎng)前 其轉速由原動機來控制, 發(fā)電機不參與能量和 轉速的控制, 以免發(fā)電機因能量失衡而引起轉 速失控,所以要求原動機有足夠的調速能力。 而負載并網(wǎng)控制策略并網(wǎng)前接有負載,發(fā) 電機參與原動機的能量控制,改變負載即可調 節(jié)發(fā)電機的能量輸出,在電機調速時,也改變 了能量在電機內部的分配關系。 改變負載即可 實現(xiàn)發(fā)電機能量的粗調, 調節(jié)速度即可實現(xiàn) 能量的細調。 因此負載并網(wǎng)時,發(fā)電機

22、具有一定的能量 調節(jié)作用,可與原動機配合實現(xiàn)轉速的控制, 降低了對原動機調速能力的要求,但控制策略 較為復雜。并網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)運行和電網(wǎng)波動情況下的 不脫網(wǎng)運行相比, 穩(wěn)態(tài)時定子磁鏈值恒定, 而 電網(wǎng)波動時定子磁鏈值為變化量, 所以控制器 必須加上計及定子勵磁電流變化的補償量。 2.2 不同并網(wǎng)控制策略的仿真結果 雙饋電機的額定功率 P=4kw,2對極, =S R 1.405, lS L =0.005839H, =r R 1.395,lrL =0.005839H,1722. 0=m L H, =J 0101312. m kg ,利用 Matlab仿真軟件進行仿真,最大仿真步長為 s 410, 相對

23、允許誤差為 %1. 0,仿真結果如下: 由圖 7可見傳統(tǒng)的直接并網(wǎng)和降壓并網(wǎng) 都會在并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生極大的沖擊電流, 引起電 網(wǎng)的嚴重波動和產(chǎn)生大量的高次諧波。 由圖 8、 10可見空載和負載并網(wǎng)的瞬間,定子和電網(wǎng) 電壓之差幾乎為 0,沒有產(chǎn)生沖擊電流,波形 非常完美,從而實現(xiàn)柔性并網(wǎng)。由圖 14可知 穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)時轉速、 電磁轉距恒定, 功率因數(shù)為 -1。圖 15 、16、17為電網(wǎng)頻率、幅值、相位嚴重偏離正常值時的不脫網(wǎng)運行情況,其中Hz f 2=, V 40=u , o 2=,為了使定 子側的電流接近正弦波、 功率因數(shù)接近-1, 定 子側向電網(wǎng)輸送的有功功率、 無功功率、 電機 轉速和電磁轉距必

24、須跟隨電網(wǎng)的波動而隨動,從而使定子和電網(wǎng)之間實現(xiàn)能量平衡。圖 7 直接并網(wǎng)和降壓并網(wǎng)定子側的沖擊電流圖 8 空載并網(wǎng)時定子電流、電壓和電網(wǎng)電壓之差圖 9 空載并網(wǎng)時定子和電網(wǎng)之間的有、 無功功率的交換圖 10 負載并網(wǎng)時定子電流、電壓和電網(wǎng)電壓之差圖 11 負載并網(wǎng)時定子和電網(wǎng)之間的有、無功功率的交換圖 17 電網(wǎng)嚴重波動時的轉速和電磁轉距 3 結論 圖 12 穩(wěn)態(tài)運行時定子電壓、電流的 dq 分量 本文對雙饋風力發(fā)電的“剛性并網(wǎng)”和 “柔性并網(wǎng)”進行了對比分析， 建立了空載并 網(wǎng)、負載并網(wǎng)、并網(wǎng)后的穩(wěn)態(tài)運行和電網(wǎng)波動 情況下的不脫網(wǎng)控制模型，仿真結果表明，雙 饋電機定子電壓可以得到有效的控制

25、， 其并網(wǎng) 過程平穩(wěn)， 實現(xiàn)了無沖擊電流的單位功率因數(shù) 并網(wǎng)和有功功率、無功功率的解耦控制，從而 提高了電力系統(tǒng)調節(jié)的柔性， 并可根據(jù)最大功 圖 13 穩(wěn)態(tài)運行時轉子電壓、電流的 dq 分量 率點與風速的關系曲線來實現(xiàn)最大風能跟蹤。 此并網(wǎng)控制策略采用定子電壓定向技術可以 達到與定子磁鏈定向相同的控制性能， 但避免 了對定子磁鏈的觀測，簡化了控制策略。 參 考 文 獻 1 王野平,高俊,李金東. 風力發(fā)電的現(xiàn)狀J. 機械 設計與制造,2006,5:154-156 圖 14 穩(wěn)態(tài)運行時的轉速、電磁轉距、功率因數(shù) 2 孟 慶 和 . 風 力 發(fā) 電 技 術 J. 風 力 發(fā) 電 , 2002(2:

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