雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組建?？刂品抡?/h1>

2011-06-13 02:08:42李國(guó)慶張宇陽張萬林

東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)訂閱 2011年4期 收藏

關(guān)鍵詞：距角變流器定子

張 帆，李國(guó)慶，張宇陽，張萬林

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012;2.吉林市供電公司，吉林 吉林132011)

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，雙饋風(fēng)電機(jī)組逐步成為兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主力機(jī)型，雙饋風(fēng)電機(jī)組與傳統(tǒng)定速風(fēng)電機(jī)組相比有顯著的優(yōu)越性:通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小、頻率和相位，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié);可在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持最佳葉尖速比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大轉(zhuǎn)換效率;可以采用一定的控制策略靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功、無功功率，減少損耗，提高系統(tǒng)效率［1，2］。勵(lì)磁技術(shù)和槳距調(diào)節(jié)技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)與性能的特性對(duì)DFIG風(fēng)機(jī)的控制提出了更高的要求，性能優(yōu)良的控制策略是提高風(fēng)能利用效率及電能質(zhì)量的可靠保證［3］。文獻(xiàn)［4］采用氣隙磁場(chǎng)定向的控制策略，實(shí)現(xiàn)了定子端口有功和無功的解耦，然而在實(shí)際系統(tǒng)中準(zhǔn)確定向氣隙磁場(chǎng)并不容易，這增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。文獻(xiàn)［5］采用直接功率控制，研究結(jié)果表明系統(tǒng)具有很好的魯棒性，然而由于采用滯環(huán)比較器，導(dǎo)致勵(lì)磁控制器的調(diào)節(jié)對(duì)發(fā)電機(jī)及其系統(tǒng)的沖擊較大。本文采用定子磁鏈定向的控制策略，結(jié)合應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)部份的槳距角限速控制策略，實(shí)現(xiàn)了DFIG發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行、有功功率、無功功率的解耦控制以及原動(dòng)機(jī)最優(yōu)效率跟蹤運(yùn)行等基本性能，且動(dòng)態(tài)性能良好。

1 基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組模型

1.1 空氣動(dòng)力模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動(dòng)力數(shù)學(xué)模型為［6］

式中:Pmec為風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中抽取的機(jī)械功率;ρ為空氣密度;R為風(fēng)力機(jī)槳葉半徑;v為風(fēng)速;λ為葉尖速比;β為槳距角;Cp為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)，是λ和β的函數(shù)。

1.2 軸系模型

文獻(xiàn)［7］指出，只有采用風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)兩質(zhì)塊模型，才能滿足在電網(wǎng)故障情況下對(duì)風(fēng)機(jī)暫態(tài)過程的精確描述。其數(shù)學(xué)模型為:

其中，Jrot，Jgen為風(fēng)力機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ωrot，ωgen為風(fēng)力機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，Taero，Tshaft，Tmec，Tele為空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，軸系轉(zhuǎn)矩，機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩。其中，Tshaft，Tmec滿足Tshaft/Tmec=ngear，ngear，為變速比。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，Taero=Tshaft，Tmec=Tele，而在暫態(tài)時(shí)，該模型將表現(xiàn)出類似彈簧一樣的扭矩特性。

1.3 DFIG電機(jī)及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器模型

在DFIG風(fēng)電機(jī)組中，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出的電壓即為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓，因此將DFIG電機(jī)及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器一起建模。文獻(xiàn)［8］給出了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系中的模型，經(jīng)過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成同步旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系下的模型，其中同步角速度取為電網(wǎng)頻率ω1，定向方式采用定子磁鏈定向。

其磁鏈方程為:

功率方程為:

(3)～(5)式中，ωs為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度，即同步轉(zhuǎn)速;v、i、ψ為繞組的電壓、電流及磁鏈;R為繞組電阻;P、Q代表有功和無功;Ls、Lr為定子繞阻與轉(zhuǎn)子繞組的自感;Lm為定、轉(zhuǎn)子繞組互感;下標(biāo)s、r代表電機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子;下標(biāo)d、q分別代表電機(jī)d、q的繞組;s為轉(zhuǎn)差率。

1.4 網(wǎng)側(cè)變流器模型

網(wǎng)側(cè)變流器的運(yùn)行狀態(tài)與Statcom類似，文獻(xiàn)［9］給出了VSC變流器在三相坐標(biāo)系中的模型，經(jīng)過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成同步旋轉(zhuǎn)的dq0坐標(biāo)系下的模型，其中同步角速度取為電網(wǎng)頻率ω1，定向方式采用電網(wǎng)電壓。

功率方程為:

(6)～(7)式中:C為直流側(cè)電容值;Udc電容電壓值;L、R為電容與電網(wǎng)之間的連接電感及等值電阻;Ud、Uq為電網(wǎng)電壓d、q的分量;ed、eq為變流器d、q輸出的有效值。

2 雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制策略

2.1 風(fēng)力機(jī)動(dòng)力部份控制策略

風(fēng)力機(jī)動(dòng)力部份控制的核心是對(duì)DFIG風(fēng)機(jī)的槳距角進(jìn)行控制。槳距角限速控制的原理簡(jiǎn)單，效果良好且容易實(shí)現(xiàn)。其中心思想是把發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為槳距角控制的唯一指標(biāo)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速因?yàn)轱L(fēng)速過大或電網(wǎng)發(fā)生故障而上升時(shí)，控制槳距角增大以減小風(fēng)機(jī)從風(fēng)中捕獲的電能，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)]有越限時(shí)，控制槳距角恒為零度，以最大程度獲取風(fēng)能。槳距角控制框圖如圖1所示。其調(diào)節(jié)功能是通過PI控制器實(shí)現(xiàn)的，為了使控制系統(tǒng)更接近真實(shí)情況，計(jì)及了伺服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)Tservo以及槳距角變化率限制，并設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)劃增益表格以補(bǔ)償Cp(λ，β)中關(guān)于β的非線性特性［10］。

2.2 DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略

DFIG的交流勵(lì)磁調(diào)速控制是通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器產(chǎn)生合適的變頻電源來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)采用定子磁鏈定向(ψsd= ψs，ψsq=0)，并忽略定子電阻，結(jié)合式(4)、(5)可導(dǎo)出:

圖1 槳距角控制框圖

由上式可知，轉(zhuǎn)子電流的有功電流分量irq可以控制定子輸出的有功功率Ps，而無功電流分量ird可以控制定子輸出的無功功率Qs，它們之間不存在耦合關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了對(duì)定子繞組有功功率Ps與無功功率Qs的解耦控制。由于控制系統(tǒng)的控制作用最終都是通過作用在變流器上的電壓相量來實(shí)現(xiàn)的，所以必須建立轉(zhuǎn)子電流相量與轉(zhuǎn)子電壓相量之間的關(guān)系。

由式(3)、(4)、(8)可導(dǎo)出:

從式(9)可以看出，雖然在采用定子磁場(chǎng)定向時(shí)，轉(zhuǎn)子有功電流分量與無功電流分量是解耦的，但是轉(zhuǎn)子電壓控制分量卻不完全解耦，如果用vrd控制ird，viq控制irq，則需要分別加入前饋補(bǔ)償△vrd，△vrq，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的解耦控制［11］?！鱲rd，△vrq分別為:

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制框圖如圖2所示。其中Ps_ref按照風(fēng)力機(jī)的最大風(fēng)能捕獲功率計(jì)算給出，Qs_ref根據(jù)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)不同的無功功率控制策略計(jì)算給出:當(dāng)要求雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)按恒功率因數(shù)控制時(shí)，控制機(jī)組的無功功率，使機(jī)組按規(guī)定的功率因數(shù)運(yùn)行;當(dāng)要求機(jī)組按恒電壓控制時(shí)，則根據(jù)系統(tǒng)的無功功率要求，調(diào)節(jié)機(jī)組的無功功率，可使機(jī)端電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。

2.3 DFIG網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器相似，不同的是采用了電網(wǎng)電壓定向的方式(Ud=U，Uq=0)。在該定向方式下，由式(6)、(7)可導(dǎo)出:

基于式(11)、(12)可以設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制框圖如圖3所示。其中Udc_ref為電容電壓的給定值，恒為電容器的額定電壓，Qref根據(jù)不同的無功功率控制策略計(jì)算給出，正常情況下恒為零，在故障時(shí)可發(fā)出適當(dāng)無功以支持電網(wǎng)電壓。

3 模型與控制策略的仿真驗(yàn)證

在DIgSILENT仿真平臺(tái)應(yīng)用上文所述的DFIG模型及控制策略。其風(fēng)機(jī)參數(shù)為Prate=5MVA，Rs=0.003，Xs=0.125，Rr=0.004，Xr=0.05，Rcr=0.01，Xm=2.5，以上參數(shù)未標(biāo)明單位的皆為標(biāo)幺值，搭建DFIG模型接入220 KV電網(wǎng)，接入點(diǎn)的短路容量為150 MVA。

3.1 DFIG對(duì)調(diào)度變化的響應(yīng)仿真

圖4為DFIG在正常運(yùn)行情況下，分別改變定子有功，定子無功，及網(wǎng)側(cè)變流器參考值時(shí)，實(shí)際值隨參考值的響應(yīng)變化，從圖中可知，無論是有功減少還是無功的增加，DFIG風(fēng)機(jī)都能迅速響應(yīng)調(diào)度的要求，并且過渡過程比較平穩(wěn)，這充分體現(xiàn)了DFIG風(fēng)機(jī)可控性強(qiáng)這一優(yōu)點(diǎn)，充分利用這一優(yōu)點(diǎn)可以有效地增加電網(wǎng)的穩(wěn)定性。其中網(wǎng)側(cè)變流器無功功率變化速度快且?guī)缀鯖]有暫態(tài)過程，這是因?yàn)槎ㄗ佑泄o功的變化伴隨著機(jī)電暫態(tài)過程，而網(wǎng)側(cè)變流器無功功率的變化通過電力電子器件即可完成，這也體現(xiàn)了柔性交流輸電的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 DFIG對(duì)調(diào)度變化的響應(yīng)仿真

3.2 DFIG對(duì)階越風(fēng)速變化的響應(yīng)仿真

圖5為DFIG在每5 s增加1 m/s的風(fēng)速下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，槳距角以及有功功率變化的仿真。由仿真結(jié)果可以看出，隨著風(fēng)速的不斷增加，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及定子發(fā)出的有功功率均在不斷地上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1.1pu時(shí)，定子有功功率變?yōu)?pu后，在此運(yùn)行點(diǎn)風(fēng)速再上升時(shí)，槳距角開始逐漸升高，以減少風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中汲取的能量，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及定子有功功率不再繼續(xù)上升而保持相對(duì)平穩(wěn)。而槳距角為變化的速度由快到慢則體現(xiàn)了風(fēng)輪機(jī)本身的非線性特性，這一點(diǎn)已在槳距角限速策略中予以考慮。由此看出，DFIG風(fēng)機(jī)可在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)發(fā)電，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也可在較寬范圍(s=-0.1～0.3)內(nèi)運(yùn)行，這充分體現(xiàn)出變速恒頻風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 DFIG對(duì)階越風(fēng)速變化的響應(yīng)仿真

圖6 DFIG低電壓穿越能力仿真

3.3 DFIG低電壓穿越能力仿真

隨著風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量在電網(wǎng)中所占比例越來越高，各國(guó)電網(wǎng)公司都要求并網(wǎng)風(fēng)機(jī)具有低電壓穿越能力(LVRT，low voltage ride through)。即在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間。在嚴(yán)重故障下，DFIG風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器容易因轉(zhuǎn)子過電流損壞。所以普遍使用Crowbar電路為轉(zhuǎn)子過電流提供旁路以保護(hù)變流器，以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻重新投入運(yùn)行。

為研究所建風(fēng)機(jī)的LVRT能力，0 s時(shí)在風(fēng)電場(chǎng)出口通制短路制造電壓跌落為85%的電壓降，0.3 s時(shí)故障消失，圖6分別為轉(zhuǎn)子電流、定子有功以及定子無功的暫態(tài)過程。觀察知，在故障發(fā)生瞬間，轉(zhuǎn)子電流迅速增大，觸發(fā)了Crow2bar保護(hù)，DFIG電機(jī)作為普通感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行，0.3 s故障消失后一到兩個(gè)周波Crowbar保護(hù)退出運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)二次峰值，這容易再次觸動(dòng)Crowbar電路的投入。定子有功與無功在震蕩中逐漸恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。仿真結(jié)果表明采用槳距角限速控制及基于定子磁鏈定向的矢量控制的DFIG風(fēng)機(jī)具備了一定的低電壓穿越能力。

4 結(jié) 論

(1)建立了DFIG風(fēng)機(jī)的9階數(shù)學(xué)模型，該模型在暫態(tài)仿真中具有足夠精度。在風(fēng)力機(jī)動(dòng)力部分采用槳距角限速控制策略，在發(fā)電機(jī)電氣部分采應(yīng)用定子磁鏈定向的矢量控制策略。

(2)DFIG風(fēng)力發(fā)電機(jī)可通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器改變勵(lì)磁控制發(fā)電機(jī)定子有功與無功功率，通過網(wǎng)側(cè)變流器維持直流母線電壓并向電網(wǎng)發(fā)出一定的無功。

(3)DFIG可以在較寬的風(fēng)速范圍內(nèi)運(yùn)行，可工作在超同步速與次同步速兩種狀態(tài)，具有良好的可控性，且在各種工況下保持較高效率。

(4)采用該控制策略的DFIG風(fēng)機(jī)具備一定的低電壓穿越能力，但轉(zhuǎn)子電流抑制效果較差。

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