2.5MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)特性分析

張建生,宋朋飛，張永華

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098; 2.常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院,江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著能源的不斷消耗與即將面臨的能源枯竭問題，各國政府都在努力尋求新的能源方式。風(fēng)能由于其獨特優(yōu)勢，自然受到關(guān)注，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在世界各國蓬勃發(fā)展?，F(xiàn)今最常用的風(fēng)力發(fā)電機為雙饋式異步電機，采用變速恒頻方式，轉(zhuǎn)子和定子各有一套繞組，通過雙PWM功率變換器向電網(wǎng)進行饋電。針對雙饋式異步電機的工作方式，國內(nèi)外很多學(xué)者對其已進行了詳細的建模及仿真[1,2]。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機也越來越受到關(guān)注，與DFIG相比，它省去了齒輪箱，因而在工作效率和日常維護方面得到了改善。預(yù)計在不久的將來，D-PMSG必將能在風(fēng)電技術(shù)中得到廣泛應(yīng)用[4,6]。

隨著風(fēng)力發(fā)電機單機容量的不斷變大以及風(fēng)力發(fā)電在整個供電網(wǎng)絡(luò)中的比例增加，這就要求風(fēng)電機組具有低電壓穿越能力。常用的技術(shù)手段有兩種：1) 尋求更好的控制策略，使系統(tǒng)能夠依靠自身調(diào)節(jié)就能完成低電壓穿越；2) 通過增加保護裝置，并不斷改進拓撲結(jié)構(gòu)完成低電壓穿越要求。顯然，增加其他裝置必然會導(dǎo)致成本的激增。因此，尋找更好的控制方法成為研究首選。目前背靠背式PWM全功率轉(zhuǎn)換器件的電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)多采用PI控制，常規(guī)的比例積分控制在系統(tǒng)正常運行情況下基本可以滿足運行需求，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障或存在大的擾動，將會導(dǎo)致系統(tǒng)的響應(yīng)速度降低，控制性能下降。針對上述問題，本文提出了變參數(shù)PID控制方案。

變參數(shù)PID控制的基本原理及其在系統(tǒng)中的應(yīng)用，建立了PMSG的完整數(shù)學(xué)模型，結(jié)合風(fēng)力機的槳距角控制，在PSCAD/EMTDC中搭建了風(fēng)力發(fā)電機的各部分仿真模型，參照IEEE14節(jié)點模型算例，對系統(tǒng)進行了詳細分析。仿真結(jié)果表明，PMSG的模型搭建合理，變參數(shù)PID控制策略對故障做出了良好的響應(yīng)，系統(tǒng)低電壓穿越性能顯示良好，與分析結(jié)果一致。

1 變參數(shù)PID控制原理

對于PMSG而言，由于風(fēng)機捕獲的風(fēng)能在不斷變化，發(fā)電機輸出的功率、電壓、電流也在不斷變化，固定的PI參數(shù)調(diào)節(jié)不可能滿足時變系統(tǒng)控制要求，動態(tài)性能不好，抗干擾性能也差。

與傳統(tǒng)的PID控制不同，變參數(shù)PID控制系統(tǒng)加入了參數(shù)數(shù)據(jù)庫，利用S函數(shù)編寫出參數(shù)調(diào)整的一般規(guī)則，根據(jù)系統(tǒng)誤差情況選擇合適的控制參數(shù)，從而達到快速控制目的，如圖1所示。

圖1 變參數(shù)PID控制結(jié)構(gòu)框圖

2 風(fēng)力發(fā)電機的整體模型

圖2為該系統(tǒng)包括風(fēng)力機、磁懸浮軸承、永磁同步發(fā)電機以及背靠背式PWM電壓源型逆變器，發(fā)電機發(fā)出的功率經(jīng)全功率變換器件SVPWM整流逆變后，傳遞給電網(wǎng)。

圖2 磁懸浮風(fēng)力發(fā)電機的整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 空氣動力系統(tǒng)模型

根據(jù)風(fēng)力機的空氣動力學(xué)理論，風(fēng)力機輸出的機械轉(zhuǎn)矩為：

(1)

式中：PT為風(fēng)力機輸出功率[W]，ρ為空氣密度[kg/m3]，R為風(fēng)機葉輪半徑[m]，vw為等效風(fēng)速[m/s]，β為葉片槳距角[deg]，λ=ωR/vw稱為葉尖速比，ω為葉片機械轉(zhuǎn)速[r/min]，CP為風(fēng)力機的功率系數(shù)。

2.2 槳距角控制模型[3,5]

風(fēng)力發(fā)電機組的槳距角控制經(jīng)常與雙PWM控制器以及風(fēng)功率系數(shù)配合使用。一方面在較低風(fēng)速情況下，使風(fēng)力發(fā)電機始終能夠捕獲最大的風(fēng)功率，實現(xiàn)最大功率追蹤；另一方面，槳距角控制能夠抑制過高風(fēng)速，保證風(fēng)力機組不至于失控，同時保證恒定功率輸出。槳距角控制的數(shù)學(xué)模型為：

(2)

式中:β為槳距角；βref為對應(yīng)風(fēng)速的初始槳矩角；τβ為槳距控制系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)。漿距角控制仿真結(jié)果如圖3。

圖3 槳距角控制仿真結(jié)果

2.3 風(fēng)力發(fā)電機及傳動模型

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機，在結(jié)構(gòu)上省去了齒輪箱，使得風(fēng)機轉(zhuǎn)軸和電機轉(zhuǎn)軸直接相連。沿轉(zhuǎn)子磁極軸線建立坐標系d軸，q軸超前d軸90o，假設(shè)dq軸可以隨轉(zhuǎn)子磁極同步旋轉(zhuǎn)，那么在此坐標下可以給出直驅(qū)型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的數(shù)學(xué)模型：

(3)

發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩方程可以寫成：

(4)

式中：uds、uqs分別為定子電壓d軸和q軸分量；Rs為定子電阻；ids、iqs分別為定子d軸和q軸電流分量；Lds、Lqs分別為永磁同步發(fā)電機的d軸和q軸電感；ωe為轉(zhuǎn)子的電角速度；ψf為轉(zhuǎn)子永磁體的磁鏈；Te為同步發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；P為磁極對數(shù)；采用ids=0控制策略，因此上式可以寫成：

(5)

式中N和ψf值都是一定的，電磁轉(zhuǎn)矩大小只和定子電流q軸分量相關(guān)。

機械傳動模型為：

(6)

式中：Bm為轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)；ω為電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；J為轉(zhuǎn)動慣量。

3 各部分控制策略

3.1 機側(cè)變流器控制

同步電機在規(guī)定方向下發(fā)出的有功功率為：

(7)

改變q軸電流分量就可以對定子有功功率進行控制，定子d、q軸電壓在分別加入前饋輸入量-ωeLqsiqs和ωe(Ldsids+ψf)的情況下，可以實現(xiàn)解耦控制。由式(3)可以建立電流和電壓向量之間的關(guān)系：

(8)

根據(jù)變參數(shù)PID控制原理，可以對系統(tǒng)進行快速精準的在線控制。

圖4 發(fā)電機側(cè)PWM控制策略圖

3.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

電網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標是：1) 保持直流側(cè)電壓恒定；2) 保持交流側(cè)相電流為正弦波形；3) 保持對網(wǎng)側(cè)無功的控制，盡量避免網(wǎng)側(cè)變流器與電力系統(tǒng)發(fā)生無功交換[7,8]。

網(wǎng)側(cè)變換器數(shù)學(xué)模型為：

(9)

式中：udg、uqg分別為電網(wǎng)電壓在d、q軸的分量；idg、iqg分別為網(wǎng)側(cè)變流器在d、q軸的電流分量；R、L為網(wǎng)側(cè)變流器與電力系統(tǒng)間的阻抗值；ωc為電網(wǎng)電壓角速度，Udc為直流側(cè)電壓。

(10)

同理，利用變參數(shù)PID控制原理可以得到控制策略如圖5所示。

圖5 網(wǎng)側(cè)變換器控制策略圖

4 仿真結(jié)果與分析

運用PSCAD/EMTDC建立上述各部分模型，并結(jié)合IEEE14節(jié)點模型(圖6)進行了仿真驗證，試驗參數(shù)如表1。

表1 仿真參數(shù)

續(xù)表1

額定頻率Hz16定子電阻pu0.08極對數(shù)—32風(fēng)力機槳葉半徑m40等效轉(zhuǎn)動慣量kgm216000轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)—0

在額定風(fēng)速13m/s情況下正常運行，選取節(jié)點12作為風(fēng)電接入點，得到其他節(jié)點注入功率與PSS/E仿真結(jié)果對比如表2所示，母線間的潮流分布如表3所示。

表2 母線節(jié)點測試結(jié)果對比

表3 母線潮流測試結(jié)果對比

圖6 IEEE14節(jié)點算例

從表2和表3不難看出，兩種仿真軟件測試所得結(jié)果基本保持一致，說明正常情況下，該風(fēng)力發(fā)電機組模型能夠比較接近工況實際值，仿真結(jié)果真實可信。

假設(shè)電網(wǎng)在t=1.0s時發(fā)生三相短路故障，PCC電壓下降額定值的20%，仿真結(jié)果如圖7所示：

從圖7中可以看出，在額定風(fēng)速情況下，PCC節(jié)點下降20%時，系統(tǒng)可以通過槳距角控制以及全功率變流器件的控制保持系統(tǒng)正常運行。(圖7b)無功功率由于采取了Ids=0控制策略，基本保持不變；發(fā)電機向電網(wǎng)輸送的有功功率減小約為穩(wěn)定值的2%，故障排除后迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。 圖(7c)中發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度基本維持在ω=7附近，保證恒功率輸出。圖(7d)中直流側(cè)電壓在故障時出現(xiàn)小幅升高，原因是網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)跌落時，網(wǎng)側(cè)變流器就會減小從直流側(cè)轉(zhuǎn)換的有功功率，而機側(cè)變流器此時并不會停止向直流側(cè)轉(zhuǎn)換電能，多余的電能就累積到電容兩端導(dǎo)致直流側(cè)電壓上升。

圖7 (a)網(wǎng)側(cè)電壓響應(yīng)；(b)為注入電網(wǎng)有功功率；無功功率曲線； (c)為發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度；(d)為直流側(cè)電壓響應(yīng)；(e)網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器電流響應(yīng)

PCC電壓跌落至額定值的90%時，仿真曲線如圖8所示。比較圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著電壓跌落程度的加深，向電網(wǎng)輸送的有功功率，以及直流側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流都會出現(xiàn)大幅波動，一旦故障情況加重，勢必會對整個電網(wǎng)帶來極大的沖擊，嚴重危及電網(wǎng)安全與電能品質(zhì)穩(wěn)定。

圖8 (a)網(wǎng)側(cè)電壓響應(yīng)；(b)為注入電網(wǎng)有功功率、無功功率曲線； (c)為發(fā)電機轉(zhuǎn)子角速度；(d)為直流側(cè)電壓響應(yīng)； (e)網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器電流響應(yīng)

4 結(jié)論

文章建立了直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的詳細模型，針對并網(wǎng)要求進行了仿真，結(jié)合IEEE14節(jié)點算例的仿真研究結(jié)果表明，文章采用的模型及控制方法正確可行，基本可以反映系統(tǒng)的真實運行狀況，對今后直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的并網(wǎng)運行提供參考依據(jù)。

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