垂直軸永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)建模與瞬時控制策略

垂直軸永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)建模與瞬時控制策略

0轉速型：恒轉速型、變轉速型目前，水平軸風力機的技術發(fā)展相對成熟，但由于其自身的一些固有特點，制造成本、運營維護成本都很高。由于其高維護成本，垂直軸風力機的優(yōu)點越來越受到關注。因為它不需要風、結構簡單、維護方便等。目前,風電場的機組主要分恒轉速型和變轉速型:恒轉速型發(fā)電機組主要用在早期的風力發(fā)電中;變轉速型風電機組主要包括當前應用廣泛的雙饋感應發(fā)電機組DFIG(DoublyFedInductionGenerators)和很有發(fā)展前景的永磁體勵磁多極直驅式同步發(fā)電機組(D-PMSG)。與其他類型的風電機組相比,D-PMSG因沒有變速箱而具有機組壽命長、維護方便、效率高等優(yōu)點,但缺點是機組電磁結構復雜、制造工藝要求高、必須采用全功率變頻器實現變速運行。本文將建立完整的垂直軸D-PMSG模型,包括空氣動力學部分模型(垂直軸風力機模型和傳動系統(tǒng)模型)、發(fā)電機模型,提出對有功功率、無功功率進行瞬時控制策略,并用Matlab/Simulink仿真驗證該模型和控制策略的正確性和有效性。1系統(tǒng)結構與數學模型1.1永磁同步發(fā)電機及三元變壓器含不控整流橋和三相逆變器的垂直軸直驅永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結構見圖1。圖中:PMSG為永磁同步發(fā)電機;Cdc為直流電容;E為儲能蓄電池電勢;三相逆變器由6個IGBT管橋式聯(lián)接組成;逆變器和負載間電感和電容組成LC濾波器;由PWM控制器控制的三相逆變器控制有功和無功功率?，F重點分析垂直軸永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)各部分數學模型及對有功、無功功率的瞬時控制策略。1.2u3000葉型風力機傳動模型垂直軸風力機的機械輸入轉矩Tw與風速vw的關系為Tw=0.5CmρRSv2w2w式中Cm為風力機轉矩系數;ρ為空氣密度;R為風力機轉子半徑;S為風輪掃過有效面積;vw為風速。垂直軸風力機從風中捕獲的功率為Ρ=ΤwΩ=CΡ(λ)ρSv3w/2λ=RΩvw?vw=ΩRλS=2RΗP=TwΩ=CP(λ)ρSv3w/2λ=RΩvw?vw=ΩRλS=2RH式中P為風力機獲得的軸功率;CP為風能利用系數;λ為葉尖速比;Ω為風輪旋轉速度;R為風輪半徑;H為風輪高度。風力發(fā)電機組傳動系統(tǒng)模型為ΔΤ=Τwt-Τem=JdΩdt+fΩΩ=1J∫(ΔΤ-fΩ)dtΔT=Twt?Tem=JdΩdt+fΩΩ=1J∫(ΔT?fΩ)dt式中J為機組的等效轉動慣量;f為總轉動粘滯系數;Tem為電磁轉矩。以上方程中CP和Cm均為葉尖速比λ的函數。如圖2所示為理想Savonius型風力機的風能利用系數CP及風力機轉矩系數Cm隨葉尖速比λ的變化曲線。由圖2可知,葉尖速比取值0.8～1.0時,能得到相對良好的風能利用系數和風力機轉矩系數。1.3u3000ldiqcd本文在dq同步旋轉坐標系下建立的永磁同步發(fā)電機組數學模型為{diddt=-RaLdid+ωeLqLdiq+1Lduddiqdt=-RaLqiq-ωe(LdLqid+1LqΨ0)+1Lquq(1)?????diddt=?RaLdid+ωeLqLdiq+1Lduddiqdt=?RaLqiq?ωe(LdLqid+1LqΨ0)+1Lquq(1)式中id、iq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電流;Ld和Lq分別為發(fā)電機的d軸和q軸電感;Ra為定子電阻;ωe為電角頻率,ωe=npωg,np為發(fā)電機轉子的極對數;Ψ0為永磁體的磁鏈;ud和uq分別為ug的d軸和q軸分量。定義q軸的反電勢eq=ωeΨ0,d軸的反電勢ed=0,假設發(fā)電機d軸和q軸電感相等,即Ld=Lq=L,則式(1)可寫為{diddt=-RaLdid+ωeiq+1Luddiqdt=-RaLiq-ωe(id+1LΨ0)+1Luq(2)???diddt=?RaLdid+ωeiq+1Luddiqdt=?RaLiq?ωe(id+1LΨ0)+1Luq(2)PMSG的電磁轉矩表達式為Tem=1.5np(3)若Ld=Lq=L,則式(3)簡化為Tem=1.5npiqΨ02無功成分幅值idm如圖3所示,本文所提的瞬時功率控制策略是以逆變器輸出電流參考值(irsarsa,irsbrsb,irscrsc)的產生為基礎。逆變器輸出電流參考值有2種成分:一種是無功成分(irqarqa,irqbrqb,irqcrqc),控制著逆變器輸出電壓的幅值;另一種是有功成分(irdarda,irdbrdb,irdcrdc),調制電壓的頻率。逆變器輸出電流有功成分的幅值(Idm)是由濾波后的負載功率與頻率PI控制器輸出的功率之差除以終端電壓(Utm)的幅值得到的。Idm與負載電壓d軸矢量計算量(da,db,dc)可計算出逆變器輸出電流參考值有功成分(irdarda,irdbrdb,irdcrdc)。逆變器輸出電流無功成分幅值(Iqm)是交流電壓PI控制器輸出的。Iqm與負載電壓q矢量計算量(qa,qb,qc)相乘得到逆變器輸出電流參考值的無功成分(irqarqa,irqbrqb,irqcrqc)。逆變器輸出電流瞬時有功和無功相加可得到電流參考值(irsa,irsb,irsc),與實際的逆變器輸出電流測量值比較后產生控制波,再與三角載波(10kHz)信號比較,產生各橋臂的PWM控制信號來控制逆變器的各橋臂導通和關斷。2.1控制策略的各種數學模型2.1.1功率譜和頻率pi控制器逆變器輸出電流有功成分的計算是由濾波后的瞬時負載功率與頻率PI控制器輸出的功率之差除以終端電壓(Utm)的幅值得到的。負載功率是按下面三相-二相的變換得到。uα=√23(uLa-12uLb-12uLc)uβ=√23(√32uLb-√32uLc)iα=√23(iLa-12iLb-12iLc)iβ=√23(√32iLb-√32iLc)瞬時負載有功功率計算:pL=uαiα+uβiβ濾波后得到它的直流成分PLf。頻率誤差按如下定義:fer(n)=fref(n)-f(n)式中fref是參考頻率(50Hz),f是永磁同步發(fā)電機的電壓頻率,瞬時值f通過鎖相環(huán)(PLL)計算。頻率PI控制器輸出的功率第n次采樣的瞬時值為pc(n)=pc(n-1)+Kpf+Kiffcr(n)式中Kpf、Kif是頻率PI控制器的比例和積分增益。逆變器輸出電流有功成分的幅值Idm計算如下:Ιdm=2ΡLf-Ρc3Utm永磁同步發(fā)電機終端線電壓(即負載電壓uLa、uLb、uLc)的幅值為Utm={[23(u2La+u2Lb+u2Lc)]}1/2負載電壓d軸矢量計算量為da=uLaUtm?db=uLbUtm?dc=uLcUtm逆變器輸出電流參考值的有功成分瞬時值計算如下:irda=Idmda,irdb=Idmdb,irdc=Idmdc2.1.2i控制器的輸出交流電壓第n次采樣誤差為Uer(n)=Utmref(n)-Utm(n)式中Utmref(n)為永磁同步發(fā)電機終端參考線電壓幅值,Utm(n)為永磁同步發(fā)電機終端線電壓測量值。交流電壓PI控制器的輸出Iqm(n)是為了保持交流終端電壓采樣值的恒定,第n次采樣值的表達式如下:Ιqm(n)=Ιqm(n-1)+Κpa[Uer(n)-Uer(n-1)]+ΚinUer(n)式中Kpa和Kin是交流電壓PI控制器比例和積分增益。逆變器輸出電流參考值的無功成分瞬時值計算如下:irqa=Iqmqa,irqb=Iqmqb,irqc=Iqmqc其中,qa、qb和qc是單位矢量,相對于da、db和dc矢量有90°的相位移。計算如下:qa=-db/√3+dc/√3qb=√3da/2+(db-dc)/(2√3)qc=-√3da/2+(db-dc)/(2√3)2.1.3電流u3000逆變器輸出電流瞬時有功成分和無功成分相加可得到電流參考值,如下:irsa=irqa+irda,irsb=irqb+irdb,irsc=irqc+irdc2.1.4電流誤差的計算電流參考值irsa、irsb、irsc與電流測量值isa、isb、isc相比較,電流誤差計算如下:isaerr=irsa-isa,isberr=irsb-isb,iscerr=irsc-isc電流的誤差信號被放大K倍增益,并與定頻(10kHz)三角載波相比較,產生三相逆變器的IGBT的門極信號。2.2風力發(fā)電系統(tǒng)電壓波動為了最大限度地利用風能,使直驅永磁發(fā)電系統(tǒng)工作在一個較寬的風速范圍內,即使發(fā)電系統(tǒng)在較低的風速時也可以工作,必須引入DC-DCBoost升壓電路。由于永磁同步發(fā)電機輸出電壓有效值近似正比于發(fā)電機的轉速,因而經過不可控整流后,直流電壓值和轉速也近似成正比,因此當風速較低時,直流電壓會很低;然而風力發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的輸出電壓幅值是有一定要求的,這樣過低的直流電壓將引起電壓源逆變器無法完成有源逆變過程,進而無法將功率輸出或饋入電網。同時,如果沒有DC-DC電路升壓,也會使系統(tǒng)消耗較高的無功功率,引起電網電壓波動。所以需要引入升壓電路,并使該電路在一定輸入范圍內保持輸出電壓恒定,具體分析可參考文獻。3風力機參數在上述數學模型的基礎上,對整個控制系統(tǒng)進行仿真研究,取一組參數:額定功率PN=2.1kW,UN=220V,額定頻率f=50Hz,極對數np=17,磁通212mWb,定子繞組電阻r1=1.14Ω,定子繞組電感Ls=2.7mH,轉動慣量J1=0.089kg·m2。所用風力機參數:風輪轉動慣量J2=16kg·m2,風輪掃過面積S=4m2,最佳葉尖速比λopt=0.9,最大風能利用系數值CPmax=0.3。用Matlab仿真得到曲線如圖4～8所示。4時鐘控制策略多采用頻率控制環(huán)和無功功率調節(jié)本文建立了垂