基于電勵磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)低電壓運(yùn)行特性的研究

鄭榮美，朱 凌

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定071003）

前言

近年來，能源和環(huán)境問題得到了高度重視，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展。直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)和風(fēng)機(jī)直接相連，省去了易出現(xiàn)故障的齒輪箱，機(jī)械損耗小，發(fā)電效率高，得到了廣泛的應(yīng)用。

低電壓穿越是指當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量的比例較大時，在一定的電網(wǎng)電壓跌落范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠保持不脫網(wǎng)，并向電網(wǎng)提供一定的無功支持，直到電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。本文針對電勵磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)，提出一種限制機(jī)側(cè)變流器的有功電流分量且使網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于無功優(yōu)先輸出模式的控制策略。

1 直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)最大功率追蹤

風(fēng)機(jī)獲得的機(jī)械功率為[1-2]：

把（2）代入（1）可得到：

ρ為空氣密度，CP為功率系數(shù)，θ為槳距角，λ為葉尖速比，v為風(fēng)速，R為風(fēng)輪半徑，ω為風(fēng)機(jī)角速度，Pm為機(jī)械功率。

當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時，實(shí)行定槳距調(diào)節(jié)，此時CP僅與λ有關(guān)，在特定的葉尖速比λopt下風(fēng)機(jī)捕獲最大功率，此時公式（3）中k為常數(shù)，故風(fēng)機(jī)最佳捕獲功率和轉(zhuǎn)速呈三次方的關(guān)系。圖1中Popt為風(fēng)機(jī)的最佳功率捕獲（最佳功率輸出）曲線。ν1,v2,v3,v4是一組在不同風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的輸出功率特性曲線。

圖1 功率曲線

實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤的目標(biāo)是在風(fēng)速變化時及時調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改變?nèi)~尖速比，保證系統(tǒng)運(yùn)行于最佳功率曲線上。

2 勵磁控制系統(tǒng)

勵磁控制框圖如圖2所示：

圖2 勵磁控制

當(dāng)轉(zhuǎn)速在額定值以下時，調(diào)節(jié)磁鏈和勵磁電壓來保持磁場的恒定，即采取定磁場控制；當(dāng)轉(zhuǎn)速在額定值以上時，為弱磁控制。

采用電勵磁同步電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩公式如式（5）所示[3]。

ω代表同步機(jī)械角速度，U代表電網(wǎng)電壓，E0代表空載電動勢（勵磁電動勢），θ代表功率角，Xd代表直軸電抗，Xq代表交軸電抗。

電勵磁電機(jī)的直軸電感一般大于交軸電感，而本文電機(jī)側(cè)采取isd=0控制，由公式（5）可知，控制交軸電流isq可直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。

3 機(jī)側(cè)控制策略

通過對直流側(cè)電壓的判斷，采用PI控制環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié)卸荷電路中功率器件的導(dǎo)通比，控制卸荷電路的通斷來穩(wěn)定直流電壓，從而實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。其控制框圖如圖3所示。

圖3 直流側(cè)控制

本文采用的控制策略是將電網(wǎng)電壓和電流通過前饋控制加入到有功電流內(nèi)環(huán)控制中，從而限制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而達(dá)到快速限制發(fā)電機(jī)的有功輸出的目的。同步發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

其中np為極對數(shù)，isq為機(jī)側(cè)變流器的有功電流分量，ψ為磁體的磁鏈?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)q軸有功電流isq控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩[4]。有功電流的參考值如式（7）。

電網(wǎng)電壓正常運(yùn)行時并網(wǎng)電壓為uN，有功電流為igdN。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落期間并網(wǎng)電壓為ugrid，有功電流為igd。通過限制機(jī)側(cè)有功電流可減少發(fā)電機(jī)的有功輸出，從而減少直流過電壓?？刂瓶驁D如圖4所示。

圖4 機(jī)側(cè)變流器控制策略框圖

4 網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先輸出控制策略

傳統(tǒng)控制策略下，直流環(huán)的輸出經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到網(wǎng)側(cè)變流器的有功電流參考值，為保持網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于有功優(yōu)先輸出模式，把網(wǎng)側(cè)變流器的最大值imax設(shè)定為輸出限幅值。電網(wǎng)電壓外環(huán)輸出作為無功功率的參考值。

5 仿真驗(yàn)證及分析

仿真參數(shù)如下：

5臺額定容量為2MW的風(fēng)機(jī)，網(wǎng)側(cè)電壓為575V，直流電容為0.09F，直流電壓參考值為1100V，定子電阻是0.0066?，極對數(shù)為1，摩擦系數(shù)為0.01。boost升壓電路的電感為 0.0021H。逆變器的開關(guān)頻率為3000Hz。逆變器的最大限流值為 1.1p.u.。額定風(fēng)速15m/s，跌落幅度為50%，持續(xù)時間為0.5s。當(dāng)直流側(cè)加卸荷電路，網(wǎng)側(cè)變壓器運(yùn)行于無功優(yōu)先模式控制策略的仿真圖如圖6所示。機(jī)側(cè)變流器運(yùn)行于限流模式，網(wǎng)側(cè)運(yùn)行于無功優(yōu)先輸出模式的仿真圖如圖 7所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)逆變器的外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖6 直流側(cè)加卸荷電路的仿真圖

圖7 機(jī)側(cè)變流器運(yùn)行于限流模式的仿真圖

由圖6（a）可知，在0.5s時電網(wǎng)電壓跌落50%，電網(wǎng)電壓提升到 0.8p.u.左右。表明網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于無功優(yōu)先模式。圖6（b）表明在額定風(fēng)速下，正常運(yùn)行時，輸出功率為1p.u.，電網(wǎng)電壓跌落50%時，網(wǎng)側(cè)有功輸出為0.75p.u.左右。由圖6（c）可知傳統(tǒng)控制策略下，無功功率輸出為零，與給定值保持一致。網(wǎng)側(cè)無功優(yōu)先模式下輸出的無功為6MVar左右。由圖6（d）可知控制策略改進(jìn)后直流電壓值由 3500V降低到1100V左右。表明直流側(cè)增加卸荷電路后，迅速消耗直流側(cè)多余的能量，從而大大降低直流過電壓。由圖6（e）可知直流側(cè)增加卸荷電阻并不影響風(fēng)機(jī)進(jìn)行最大功率追蹤。機(jī)側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)的輸出功率等于風(fēng)機(jī)輸入的機(jī)械功率，轉(zhuǎn)速不變。

綜上可知，直流側(cè)增加卸荷電路可降低直流過電壓，網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行于無功優(yōu)先輸出，提升了故障期間的電網(wǎng)電壓。此控制策略需增加額外硬件，同時會帶來散熱等問題。

由圖7可知，限制發(fā)電機(jī)側(cè)有功電流輸出，同時使網(wǎng)側(cè)變壓器運(yùn)行于無功優(yōu)先模式，可達(dá)到同樣良好低電壓穿越的效果，且無需增加額外硬件。由圖7（e）可知電網(wǎng)電壓跌落期間，發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率不變，輸出的電磁功率減少，轉(zhuǎn)速有所上升，捕獲的風(fēng)功率降低。由于風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量很大，故波動很小，不影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

本文提出了一種限制機(jī)側(cè)變流器有功電流，同時網(wǎng)側(cè)變壓器運(yùn)行于無功優(yōu)先輸出的控制策略，有效抑制了直流過電壓，提升了電網(wǎng)電壓。然而轉(zhuǎn)速有輕微波動，輸出有功功率的波形有顯著波動，如何降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和有功功率輸出的波動有待進(jìn)一步研究。

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