高速永磁同步風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的研究

李 昊，莊圣賢，許永衡，周 蘭

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引言

近幾年來，在變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)占市場(chǎng)份額最大，而使用永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直驅(qū)型及高速永磁電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展也很快。其中采用高速永磁同步電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，因?yàn)椴捎昧烁咚儆来磐桨l(fā)電機(jī)，使得電機(jī)的體積相比永磁直驅(qū)型電機(jī)明顯地縮小，其電機(jī)的成本也大大降低。高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、成本、經(jīng)濟(jì)效益以及應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，電網(wǎng)故障對(duì)風(fēng)機(jī)的影響受到越來越多的重視。在電網(wǎng)電壓跌落到一定深度時(shí)，必須保證風(fēng)機(jī)在曲線上方不脫網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)提供無功支持，直至電壓恢復(fù)，要求風(fēng)電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力［1］。目前國內(nèi)外對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓穿越特性研究的較多［2］，但對(duì)高速永磁同步風(fēng)電機(jī)組變流器的整體建模和研究還不是很多，對(duì)其低電壓穿越特性的研究也少。

因此，本文從研究高速永磁同步發(fā)電機(jī)組低電壓穿越特性出發(fā)，對(duì)發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)側(cè)變流器、電網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行了建模，詳細(xì)分析了各部分的工作原理。基于Matlab／Simulink構(gòu)建了高速永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組的仿真模型，以及低電壓穿越函數(shù)，對(duì)其在電網(wǎng)跌落時(shí)的穿越特性進(jìn)行了分析。通過對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)定子電流的解耦，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子電壓的控制。在低電壓跌落時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器通過控制直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，在直流母線側(cè)卸載負(fù)荷，在網(wǎng)側(cè)提供無功功率支持電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，使系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

2 高速永磁同步風(fēng)電機(jī)組工作原理

高速永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組模型如圖1所示。風(fēng)輪機(jī)經(jīng)增速齒輪箱與永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相連接，能夠更好地吸收利用低風(fēng)速時(shí)的風(fēng)能。在發(fā)電機(jī)定子和電網(wǎng)間采用雙PWM背靠背的全功率變流器，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的完全解耦，對(duì)電網(wǎng)適用性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)低電壓穿越［3］。

圖1 高速永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電機(jī)組模型

通過機(jī)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)機(jī)組的有功功率跟蹤，對(duì)電網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)直流母線電壓恒定和流向電網(wǎng)的無功功率。直流母線側(cè)加有卸荷電阻，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)消耗直流側(cè)的多余能量。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)，只需在網(wǎng)側(cè)逆變器和和直流側(cè)采取措施，而不影響到機(jī)側(cè)變流器和發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行［4］。

3 仿真模型的建立

3.1 永磁同步發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)模型

發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)模型之間的關(guān)系是通過轉(zhuǎn)矩和角速度來連接的。

利用坐標(biāo)變換理論，在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立永磁同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。取永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極為 d軸，q軸超前d軸90°，則其在穩(wěn)態(tài)下的電壓方程為：式中：usd、usq為電機(jī)端電壓 dq 軸分量；ψsd、ψsq為定子磁鏈dq分量；isd、isq為定子電流dq軸分量；Rs為發(fā)電機(jī)定子繞組每相電阻。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中：p為極對(duì)數(shù)。

運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：ωr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，單位 rad／s，且ωr＝ωe／p；J為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位 kg·m2；F 為粘滯系數(shù)；Tm為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，單位N·m。

由公式（2）可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)參數(shù)一定時(shí)，控制發(fā)電機(jī)定子電流isd、isq就可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te的控制。由式（3）能看出，轉(zhuǎn)速ωr的加速度值由輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm和輸出電磁轉(zhuǎn)矩Te之差決定。發(fā)電機(jī)的電壓ud、uq和轉(zhuǎn)速ωe成固定比例。因此，控制發(fā)電機(jī)的交直電流就能實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電壓的控制。

3.2 機(jī)側(cè)變流器模型

圖2所示為采用電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)矩外環(huán)的雙環(huán)控制方式的機(jī)側(cè)變流器控制框圖。通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)的三相電流值和機(jī)側(cè)變流器的空間矢量調(diào)制狀態(tài)，計(jì)算出發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈大小，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。轉(zhuǎn)矩和磁鏈大小與轉(zhuǎn)矩參考值T＊、定子磁鏈參考值相比較，通過電壓開關(guān)矢量表，控制機(jī)側(cè)變流器IGBT的開關(guān)狀態(tài)，使發(fā)電機(jī)輸出要求調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)速的目的。

3.3 網(wǎng)側(cè)變流器模型

圖2 機(jī)側(cè)變流器的控制框圖

圖3 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖

圖3所示為網(wǎng)側(cè)變流器的雙環(huán)控制模型。直流電壓回路用狀態(tài)向量控制方法，傳輸有功功率，能夠?qū)崿F(xiàn)有功功率的恒穩(wěn)態(tài)精確和較高的動(dòng)態(tài)控制。閉環(huán)控制能快速抑制負(fù)載變化，控制負(fù)載階躍變化時(shí)間＜10ms。內(nèi)環(huán)采用電流滯環(huán)控制，該控制對(duì)輸出電壓突變具有不敏感性，它獨(dú)立于電網(wǎng)電壓，甚至在短路時(shí)電流控制環(huán)仍然能運(yùn)行。電流參考值是和線電壓相匹配的，因此變換出有功和無功電流部分，在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，能夠靈活調(diào)節(jié)功率因數(shù)，滿足電網(wǎng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的無功需求。

低電壓穿越主要依靠網(wǎng)側(cè)逆變器來實(shí)現(xiàn)的。在電網(wǎng)電壓瞬間跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的瞬時(shí)功率不變，而變流器輸出功率會(huì)減小，這樣功率不平衡將導(dǎo)致DC-link（直流母線）電壓上升［5］。電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，機(jī)側(cè)變流器只需保持永磁發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，發(fā)電機(jī)發(fā)出的多余能量通過直流母線的卸載負(fù)荷來卸載，網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

3.4 電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)跌落模型

電網(wǎng)模型由電壓源、電網(wǎng)故障阻抗、風(fēng)機(jī)變壓器和變電站變壓器構(gòu)成。根據(jù)E.ON2006低電壓穿越技術(shù)要求，在Matlab M文件里創(chuàng)建出了滿足其跌落要求的電壓曲線的函數(shù)。

4 系統(tǒng)仿真研究

為了驗(yàn)證理論分析的正確性，建立了高速永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)不同深度的電壓跌落進(jìn)行仿真。電壓跌落前，風(fēng)電系統(tǒng)以單位功率因數(shù)運(yùn)行，即網(wǎng)側(cè)變流器無功給定為0。對(duì)于不對(duì)稱的電壓跌落，通過監(jiān)視逆序電網(wǎng)電壓分量來識(shí)別不對(duì)稱故障，并對(duì)有功和無功功率用分離參數(shù)表進(jìn)行調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。本仿真中的電壓跌落是指三相對(duì)稱電壓跌落。從3.0s跌落開始到3.6s跌落結(jié)束，電壓跌落的幅度為30%。在8.0s到10s，電壓跌落的幅度是60%。仿真中各參數(shù)以標(biāo)幺值表示。

永磁同步發(fā)電機(jī)的具體參數(shù)設(shè)置如下：P＝2MW，U＝690V，T＝16KN·m，極對(duì)數(shù)為 3。

在風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，網(wǎng)側(cè)無功功率設(shè)置0，實(shí)際無功功率也為0，在電網(wǎng)無故障時(shí)，線電壓沒有跌落。圖4所示為轉(zhuǎn)矩參考值的控制。從圖4可以看出，高速永磁同步發(fā)電機(jī)的有功功率能夠很好地跟蹤有功功率參考。

圖5所示為30%電壓跌落時(shí)的仿真波形。從圖5的波形可以看出，網(wǎng)側(cè)電壓跌落到額定值的30%，有功電流變?yōu)?，而無功電流為1，電流全部由無功電流提供，保持總的線電流不變。視在功率從1變?yōu)?.3。無功功率的支持必須以有功功率的減少為代價(jià)。變流器全部輸出無功，支持電網(wǎng)電壓。實(shí)際中，有功功率為0，電流來不及突變，在電壓跌落時(shí)，有功功率降低很多，電壓恢復(fù)時(shí)，有功功率升高很多。無功功率在電壓跌落時(shí)突然升高到0.3，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。

電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí)，有功功率經(jīng)短暫的尖峰振蕩后，迅速恢復(fù)到額定值。無功電流在電壓跌落和恢復(fù)的瞬間都出現(xiàn)一個(gè)小的波動(dòng)。

仿真表明，網(wǎng)側(cè)變流器能夠持續(xù)工作，并且提供無功功率。

圖4 轉(zhuǎn)矩參考值的控制

圖5 30%電壓跌落時(shí)的仿真波形

圖6 60%電壓跌落時(shí)的仿真波形

如圖6所示，電網(wǎng)電壓跌落到額定電壓的60%時(shí)，由于電流來不及驟變，變流器輸出的有功功率跌落至40%左右。無功參考值雖然為0，但為支持電網(wǎng)電壓，變流器調(diào)節(jié)功率因數(shù)，輸出無功功率到50%左右。有功電流從1降低到0.58，跌落期間變流器提供無功電流，無功電流從0升高到0.78，總的線電流為0.95。同時(shí)改變無功功率的設(shè)定值，變流器能迅速為系統(tǒng)發(fā)出無功功率，從而保持電壓跌落時(shí)的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看出，在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)變流器仍然能繼續(xù)運(yùn)行，表明該控制策略的正確性和有效性。網(wǎng)側(cè)變流器能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率因數(shù)的調(diào)整，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)穩(wěn)定起到作用。高速永磁同步發(fā)電機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力，尤其能滿足低電壓穿越期間的無功支持、故障后有功功率的迅速恢復(fù)。

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