國網(wǎng)安徽省電力公司 李 淼 吳德花 王麗萍 宋祥春 魏 霞 魯 偉
考慮風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)載荷特性的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)研究
國網(wǎng)安徽省電力公司 李 淼 吳德花 王麗萍 宋祥春 魏 霞 魯 偉
隨著單臺風(fēng)機(jī)容量的逐漸增大,風(fēng)機(jī)風(fēng)輪受風(fēng)不均勻特性和葉片不平衡特性(即風(fēng)機(jī)的載荷特性)對于風(fēng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)及并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響越來越嚴(yán)重。本文在風(fēng)機(jī)整體模型基礎(chǔ)上,建立了風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)載荷模型,針對載荷特性的影響進(jìn)行了深入研究分析,了解到傳統(tǒng)的電壓電流雙閉環(huán)并不能得到良好的效果,所以在此基礎(chǔ)上加入了輸入功率前饋環(huán)節(jié),經(jīng)過對1.5Mw風(fēng)電機(jī)組的試驗(yàn)檢測,證明了具有輸入功率前饋環(huán)節(jié)的改進(jìn)雙閉環(huán)控制有效的抑制輸出功率中由氣動(dòng)載荷帶來的波動(dòng),避免了在特定頻率的并網(wǎng)諧振,提高風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。
風(fēng)電機(jī)組;氣動(dòng)載荷;塔影效應(yīng);并網(wǎng)控制策略
觀察圖1可以發(fā)現(xiàn),在直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,永磁同步發(fā)電機(jī)與葉片直接連接,可以不用齒輪箱來增加速度是由于永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子極對數(shù)比較多,變流器與永磁同步發(fā)電機(jī)的定子側(cè)直接相連,變流器將發(fā)電機(jī)發(fā)電量進(jìn)行整流,然后通過電網(wǎng)端變流器進(jìn)行調(diào)壓,調(diào)相,逆變后,并入電網(wǎng)通過對永磁同步發(fā)電機(jī)和直驅(qū)電機(jī)側(cè)變流器進(jìn)行控制,來捕獲最大風(fēng)能。
根據(jù)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電轉(zhuǎn)換器技術(shù)的條件,設(shè)計(jì)的元件主要有電機(jī)側(cè)濾波器,網(wǎng)側(cè)濾波器,電源轉(zhuǎn)換器,共模抑制電路,而且放置開關(guān)器件預(yù)充電過量,輔助設(shè)計(jì)了制動(dòng)單元。
2.1 并網(wǎng)端濾波電路
在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中,變流器整流后的波形都是PWM 波,由于開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷等控制,電量中存在著大量的諧波,因此需要在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)相關(guān)濾波器。傳統(tǒng)并網(wǎng)系統(tǒng)濾波器為L濾波器,該電路相對簡單,同時(shí)具有運(yùn)行可靠性。隨著風(fēng)電并網(wǎng)功率逐步提升,開關(guān)器件控制精度提高,開關(guān)頻率的降低,系統(tǒng)中出現(xiàn)更多的諧波,傳統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)面對此情況需要不斷加大電感,帶來設(shè)備體積增大,電流調(diào)節(jié)減慢等問題,本文設(shè)計(jì)了LCL濾波器,該電路設(shè)計(jì)有效的減小了電感,并有效濾除了高頻信號。
如圖1所示為本文所設(shè)計(jì)LCL濾波器,其中L1是變流器端電感,CF為濾波電容,L2為變壓器端漏感。
圖1 網(wǎng)側(cè)變流器L C L結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)系統(tǒng)功率因數(shù)為單位功率因數(shù)時(shí),由并網(wǎng)系統(tǒng)矢量關(guān)系可以得出:
公式中Um為輸出電壓最大值,EM是電網(wǎng)電壓最大值,Im為交流流輸出的最大值。經(jīng)過計(jì)算可以得出:L11 < 652uH
當(dāng)并網(wǎng)系統(tǒng)工作在無功輸出狀態(tài)中時(shí),由式
經(jīng)過計(jì)算有: L11 < 210uH
圖2 L C L濾波單相電路圖
如圖2所示,并網(wǎng)系統(tǒng)工作時(shí),電網(wǎng)電量設(shè)定為理想狀態(tài),沒有諧波,系統(tǒng)正常工作L11 還要滿足以下條件,
其中ω為基波角頻率,U(n)為n次諧波電壓,I(n)為諧波電流的最大值。
在濾波電容的設(shè)計(jì)中,該值因系統(tǒng)傳感器位置不同而選取方法不同,本文設(shè)計(jì)中電流傳感器為電網(wǎng)端變流器電流,電壓傳感器為濾波電容電壓,系統(tǒng)單位功率狀態(tài)運(yùn)行時(shí)變流器等效阻抗為:
其中,P為額定功率,E為電網(wǎng)電壓峰值。
系統(tǒng)并網(wǎng)工作時(shí)X21=ωL21,X11=ωL11,Xc=1/ωCF1,可得:
系統(tǒng)并網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行條件為X21Xc2 +X21Xb2-XcXb2=0,因此經(jīng)過計(jì)算可得濾波電容值。LCL濾波器通常利用變壓器的漏感當(dāng)做L21,因此不再重復(fù)設(shè)計(jì)。
通過仿真軟件,針對以上理論進(jìn)行仿真,如圖3所示,諧波主要分布在開關(guān)頻率fs1=2.1kHz 周圍,THD=3.92%,仿真結(jié)果表明諧波滿足并網(wǎng)的要求。
圖3 網(wǎng)側(cè)電流諧波分析圖
2.2 電機(jī)側(cè)d u/d t 濾波器
風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中,變流器和發(fā)電機(jī)的位置不同,其中變流器位于塔底,而發(fā)電機(jī)置于在塔頂,因此要想把PWM驅(qū)動(dòng)脈沖傳輸?shù)桨l(fā)電機(jī)接線端,需要有較長的電纜線來輔助變流器發(fā)電機(jī)定子。長線電纜的漏感和耦合電容,在變流器輸出的高頻PWM波作用下,形成電壓反射高頻差模du/dt,造成高壓破環(huán)電機(jī)絕緣。
為解決長電纜和高頻波帶來的問題,本文設(shè)計(jì)了RLC電路對變流器高頻信號進(jìn)行濾波,如圖4所示。
圖4 d u/d t濾波電路
電壓反射原理要求當(dāng)tt< tr / 3時(shí),電壓峰值為:
其中v為脈沖速度;l為電纜長度;tt為輸出脈沖到整流變流器時(shí)間;tr為脈沖上升時(shí)間;N2為電機(jī)反射系數(shù)。在本文所設(shè)計(jì)并應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺中,du/dt為800V/us,計(jì)算得出線電壓峰值2060V。輸出脈沖的上升時(shí)間大于1.375us,但系統(tǒng)開關(guān)器件開斷時(shí)間為100ns,超過要求系統(tǒng)有電壓反射的危險(xiǎn)。因此本文設(shè)計(jì)了RLC電路對變流器高頻信號進(jìn)行濾波,R起阻尼作用。LC諧振周期計(jì)算如下:
為了抑制諧振產(chǎn)生的過電壓,同時(shí)限制電容的電流脈沖峰值,考慮到設(shè)置阻尼電阻,研究發(fā)現(xiàn)阻尼電阻的阻值選取不能過大也不能過小,所以通常要將其限制在臨界電阻附近較好
2.3 共模抑制電路
在風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中,系統(tǒng)輸出電壓主要分為三個(gè)部分,其中包括正序分量,零序分量和負(fù)序分量。電機(jī)端整流變流器輸出高頻電壓在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙電容的作用下,電機(jī)定子中點(diǎn)的高頻共模電壓將,該電壓將在電機(jī)上感應(yīng)軸電壓和軸電流,在電機(jī)電磁場中產(chǎn)生較大電動(dòng)力,破壞電機(jī)結(jié)構(gòu)。為解決以上問題,本文在傳統(tǒng)抑制電路中加入Y電容抑制共模電壓。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)物平臺實(shí)驗(yàn)Y電容選取值為8uF。
為驗(yàn)證本文所提出的相關(guān)理論和電路,利用實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了互饋功率實(shí)驗(yàn),為驗(yàn)證電機(jī)性能及系統(tǒng)狀態(tài),利用變流器能量回饋實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及并網(wǎng)效率。系統(tǒng)試驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示,利用變壓器T1升壓380V升至10KV,進(jìn)而通過降壓變壓器T2、T3分別將10KV交流電變?yōu)?90v。T3出線通過斷路器S2接到機(jī)側(cè)變流器,而T2出線經(jīng)過斷路器S1與變流器相連。
圖5 變流器回饋實(shí)驗(yàn)平臺拓?fù)錁?gòu)
圖6 1 MW 下網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖
圖7 1 MW 下機(jī)側(cè)電壓電流波形圖
本文所采用背靠背功率實(shí)驗(yàn)分為三步,第一步是從電網(wǎng)吸收功率輸入到風(fēng)電機(jī)組整流后直流端,第二步變流器進(jìn)行逆變注入功率,第三步將利用變流器逆變將電量并網(wǎng)。與此同時(shí),變壓器沒辦法做到滿功率,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)臺變壓器功率受到限制,同時(shí)如圖7所示我們給出了在1MW情況下變壓器工作波形,正方向?yàn)椴⒕W(wǎng)變流器電流方向。如圖6所示,中間直流電壓平穩(wěn),電壓值為1100v,電流波形完整,有效值為857A,電流超前電壓90°,滿足風(fēng)電并網(wǎng)要求。
圖8 機(jī)側(cè)交流電壓波形圖
觀察圖7中的PWM脈沖波形可以看出風(fēng)電機(jī)組側(cè)電流波形狀況良好,同時(shí)相間電壓Ubc滯后A相電流Ia 90°,能夠?qū)崿F(xiàn)將風(fēng)電機(jī)組發(fā)電正常的整流工作。圖8為電機(jī)端變流器輸出PWM波形的上升沿。
在1.5Mw風(fēng)電機(jī)組的試驗(yàn)檢測,證明了具有輸入功率前饋環(huán)節(jié)的改進(jìn)雙閉環(huán)控制有效的抑制輸出功率中由氣動(dòng)載荷帶來的高次諧波的擾動(dòng),避免了在特定頻率的并網(wǎng)諧振,提高風(fēng)電并網(wǎng)的電能質(zhì)量。同時(shí)永磁直取風(fēng)機(jī)具有良好可靠性,在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景會越來越好。
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