多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)_百度文庫

1、多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)運行并網控制策略Control Strategy of parallel Grid-connected inverter for Multiple Armature-winding Hybrid-excitation Generator in wind power generation system上海大學 湯燕燕，阮毅，楊勇，葉斌英 Email: tyyasami摘要：為了提高系統(tǒng)的可靠性和容錯能力，針對多重電樞混合勵磁發(fā)電機，提出了一種多重電樞直流側電壓關聯(lián)運行的控制方案。詳細分析了單套逆變器數學模型和控制策略，運用CAN 通訊和上位機控制，實現多重逆變

2、器并聯(lián)運行并網，實驗結果與理論分析結果相吻合。ABSTRACT: The paper proposes a novel control strategy that can make the DC voltage flexibly run in parallel based on the multiple armature-winding hybrid-excitation generator (MAHEG, which makes the system more reliable and more robust. The mathematical model and the control s

3、trategy for the grid-connected inverter is described and grid-connecting is realized via the CAN communication by the computer. The experimental results agree with the theoretical analyses.關鍵詞：多重電樞繞組混合勵磁發(fā)電機；并聯(lián)；數學模型；控制策略KEY WORDS: MAHEG ; in parallel ; mathematical model; control strategy1 引言隨著環(huán)境與發(fā)展的

4、時代問題的提出，綠色能源的研究與發(fā)展越來越收到關注，風力發(fā)電在未來的能源結構中將占有越來越重的地位。 混合勵磁，也稱組合勵磁或復合勵磁，它結合了電勵磁電機和永磁電機的優(yōu)點，在保持電機較高效率的提前下，改變電機的拓撲結構，由兩種勵磁源共同產生電機主磁場，實現電機的主磁場調節(jié)和控制，改善電機調速、驅動性能或調壓特性的一類新型電機。在風力發(fā)電、電動汽車、航空航空等領域有著良好的應用前景。由于混合勵磁電機研究處在研發(fā)階段，國內外文獻關于混合勵磁的風力發(fā)電系統(tǒng)的報道相當少?；旌蟿畲诺娘L力發(fā)電系統(tǒng)的研究在起步階段，開展對混合勵磁的風力發(fā)電系統(tǒng)的研究，具有重要意義。 為了最大限度捕捉風能，提高風力發(fā)電系統(tǒng)的

5、市場競爭力，以低成本、高可靠性、高容錯、高性價比為目標，上海大學提出了多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)。額定運行下，通過調節(jié)勵磁電流的大小調整發(fā)電機輸出合適的電壓以配合電網側逆變器的正常工作；低速運行下，多重電樞并聯(lián)運行以提高風能利用率和確保系統(tǒng)發(fā)電量；正常運行下，可以選擇單套個別運行和多套全部投入運行；故障發(fā)生時，可撤去故障電樞單元進行檢修，維持發(fā)電系統(tǒng)持續(xù)運行。下文將具體介紹多重電樞繞組混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)以及風力逆變器的數學模型和控制策略，并將以實驗波形驗證理論分析。2 多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)的結構框圖，見圖1。用小容量副勵磁機混合勵磁調節(jié)裝置代替大

6、容量的主回路直流調節(jié)裝置，有效地降低成本，提高系統(tǒng)效率；采用多重電樞的可靈活調節(jié)的單元串、并聯(lián)運行方式，降低電力電子器件直接并聯(lián)的難度，擴展風力發(fā)電系統(tǒng)的風能捕捉和低速運行范圍，又提高系統(tǒng)的容錯能力；采用多極少槽的混合勵磁同步發(fā)電機直接驅動，避免使用故障率很高的減速齒輪箱，提高了系統(tǒng)的可靠性。多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖，見圖2。風力發(fā)電系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)主要有：1）電網側電流控制：根據電網的電壓矢量，實時控制風力發(fā)電系統(tǒng)輸出電流的有功分量和無功分量。有功分量作為內環(huán)，實際上控制了同步發(fā)電機的轉矩；而無功電流則控制系統(tǒng)的功率因數。將給定電流分配給圖2所示各控制單元實施電流閉環(huán)控制，并

7、有效抑制電流的諧波分量。2）直流側電壓控制：根據轉速的變化控制同步發(fā)電機勵磁電流，以維持足夠的直流電壓，保證PWM 逆變器正常工作。 圖1多重電樞繞組混合勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Wind-power System with Multiple Armature-windingsand Hybrid Excitation圖2風力發(fā)電系統(tǒng)控制策略 Fig.2 Control Strategy of Wind-power System3 并網逆變器數學模型和控制策略3.1 并網逆變器的數學模型 三相電壓型的并網逆變器的拓撲結構如圖3所示，其中A i 、B i 、C i 為并網逆變器輸出電流，A u

8、 、B u 、C u 為并網逆變器輸出電壓，A e 、B e 、C e 分別為三相電網電壓，L 、R 為連接并網逆變器與電網的電感和電阻。 AB C圖3 三相電壓型的并網逆變器Fig.3 Three-phase voltage source of grid-connected inverter設三相電網電壓為：cos( cos(2/3 cos(2/3A B C e E t e E t e E t =+ （1）其中E 為相電壓的峰值，為電網角頻率。在三相靜止坐標系abc 中有：1001010001A A A AB B B B C C C C di dt i u e di R i u e dt L

9、 L i u e di dt =+（2）坐標變換從三相靜止ABC 坐標系變到兩相靜止坐標系（等匝數變換）如下：111cos 22sin 0A B C e e t e e t e =（3） 由（2）和（3）可得：1Ri e e Ri =（4） 通過從兩相靜止坐標系到兩相旋轉dq 坐標系變換，旋轉坐標系的同步旋轉頻率為，則可得：cos sin sin cos d q e e t t e e t t =（5）由式（4）和式（5）得到：cos sin cos sin sin cos sin cos cos sin cos sin sin cos sin cos d q e e u t t t t e

10、e u t t t t di L Ri t t t t dt Ri di t t t t L dt =（6） 1cos sin cos sin sin cos sin cos d q d d d d d q q q q q q d u t t t t d L u t t t t dt i i u i i i d R L R L i i u i i i dt =+（7）則d d d d q q q q q d u i i e i d L R L u i i e i dt =+ （8）3.2 并網逆變器的控制策略圖4 空間矢量圖Fig.4 Space Vectors采用電網電壓矢量定向控制，將同步

11、旋轉dq 坐標系的d 軸定向于電網電壓合成矢量sE方向上，q 軸超前d 軸090，空間矢量圖如圖2所示，sE 為電網電壓合成矢量，sU 為并網逆變器輸出電壓合成矢量，sI 為并網逆變器輸出電流合成矢量，LV 為電感電壓的合成矢量，為功率因數角。則dt=為s E 與軸的夾角。因此可得：d sqe Ee=（9）其中sE 為電網電壓合成矢量的幅值。將式（9）代入由式（8）整理得到：dd d s qqq q ddiL Ri u E LidtdiL Ri u Lidt+=+=（10）令''d d s qq q du u E Liu u Li=+=（11）代入式（11）得：'

12、9;dd dqq qdiL Ri udtdiL Ri udt+=+=（12）實現了有功電流di 和無功電流qi 解耦控制。為了使輸出電流快速跟蹤給定電流，采用電流PI 調節(jié)器實現閉環(huán)控制。PI 調節(jié)器輸出為：' *' *( ( (d p d d d diq p q q q qiu K i i K i i dtu K i i K i i dt=+=+（13）根據式（11）解得并網逆變器d 軸電壓和q 軸電壓給定：*'*'d s q dq d qu E Li uu Li u=+=+（14）并網逆變器的控制系統(tǒng)如圖5所示，按照圖1電流所標的參考方向（發(fā)電機慣例），當d

13、i 為正，q i 為零時，功率因數為15，僅向電網發(fā)送有功功率；當di 為正，qi 為負時，同時向電網發(fā)送有功功率和無功功率。改變di 和qi ，可以控制輸出的能量和功率因數。 ee圖5 并網逆變控制系統(tǒng)Fig.5 the control of the grid-connected inverter4 并聯(lián)運行并網逆變實驗為了驗證該控制策略的可行性和并網逆變器的性能，研制了基于英飛凌公司DSP 芯片(XC167CI的實驗平臺，整個系統(tǒng)由兩塊XC167CI 芯片來實現，分別控制上、下套并網逆變器，兩塊DSP 通過CAN 與電腦進行通訊，由上位機軟件統(tǒng)一控制。并網逆變實驗分兩部分：第一步為單套逆變

14、運行，第二步為并聯(lián)逆變運行。 圖6 多重電樞風力發(fā)電系統(tǒng)結構圖Fig.6 Diagram of the System 圖7 上位機界面Fig.7 Interface of the upper station4.1 單套逆變實驗圖8,圖9分別為0q i =和0q i 兩種情況下電流給定突變的系統(tǒng)電流響應圖?？梢钥闯鱿到y(tǒng)動態(tài)響應快、波形正弦度好、系統(tǒng)性能良好，電流有功分量和電流無功分量能夠很好的解耦控制，實現并網逆變器的能量傳輸和功率因數可調控制，為下一步并聯(lián)逆變運行奠定了良好的基礎。d 軸電流給定 圖8 A相電壓和電流的實驗波形(PF=1Fig.8 Waveform of A phase vol

15、tage and current (PF=1圖9 A相電壓和電流的實驗波形(PF1Fig.9 Waveform of A phase voltage and current(PF14.2 并聯(lián)逆變實驗圖10,圖11分別兩套并聯(lián)運行下(1兩套都為有功電流給定(2一套有功電流給定一套無功電流給定情況下的系統(tǒng)電流響應圖?？梢钥闯霾ㄐ握叶群谩⑾到y(tǒng)性能良好，諧波分量較小，實現了并聯(lián)并網運行。圖10 兩套A 相電流的實驗波形(都為有功 Fig.9 Waveform of A phase currents(two passive圖11 兩套A 相電流的實驗波形(一套有功一套無功Fig.9 Waveform

16、 of A phase currents(one passive, one negtive5 結論本文針對多重電樞混合勵磁發(fā)電機，提出一種多重電樞直流側電壓關聯(lián)并網的控制方案，根據并網逆變器的數學模型，采用空間矢量脈寬調制(SVPWM方式和電網電壓合成矢量定向的控制策略，實現有功功率和無功功率的解耦控制。為了提高并網逆變器的可靠性和抗電網電壓波動，同時進一步降低并網逆變器的成本，通過分析多種電網電壓合成矢量定向的方法，正在研究并驗證一種基于軟件鎖相環(huán)的電網電壓實時檢測的電網電壓合成矢量定向方法和基于虛擬磁鏈的電網電壓合成矢量定向方法。以后將會陸續(xù)給出該控制策略和實驗結果。致 謝十分感謝臺達電力

17、電子科教發(fā)展基金對此項目的重點支持！參 考 文 獻1 Amara Y, Lucidarme J, Gabsi M. A new topology of hybrid synchronous machineJ. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(5: 1273-1281.2 Fan Ying, Chau K T, Cheng Ming. A new three-phase doubly salient permanent magnet machine for wind power generationJ. IEEE Tran

18、sactions on Industry Applications, 2006, 42(1: 53-60.3 Holtz, J. Pulsewidth modulation for electronic power conversionC. Proceeding of the IEEE.1994,82(8:1194-1214.4 Chinchilla M, Arnaltes S, Burgos J C. Control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected t

19、o the gridJ. IEEE Transactions on Energy conversion,2006,21(1:130-135.5 尹明, 李庚銀, 張建成等. 直驅式永磁同步風力發(fā)電機組建模及其控制策略J. 電網技術，2007，31(15:61-65YIN Ming1,LI Geng-yin, ZHANG Jian-cheng et al. Modeling and Control Strategies of Directly Driven Wind Turbine with Permanent Magnet Synchronous GeneratorJ. Power Syste

20、m Technology，2007，30(15：61-65(in Chinese.6 黃蘇融, 張琪, 謝國棟, 阮毅. 混合勵磁隔離磁路徑，中國發(fā)明專利，專利號：2008100323624，2008.S.Huang, Q.Zhang, W.Hong, Y.Yuan. Hybrid ExcitationMachine with Isolated Magnetic Path, ChineseInvention Patent, patent No：2008100323624, 2008(inchinese.7 Blasko, V.; Kaura, V. A new mathematical model andcontrol of a three-phase AC-DC voltage sourceconverterJ. IEEE Transactions on PowerElectronics,1997,12(1:116-123.8 Malinowski M, Kazmierkowski M P， TrzynadlowskiA M. A comparative study of contro