風(fēng)電系統(tǒng)變流器控制策略研究

李春亞，陳光偉

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460)

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組由于發(fā)電成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)成為風(fēng)電系統(tǒng)新的發(fā)展方向。作為風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)的唯一通道，變流器控制技術(shù)對于風(fēng)電系統(tǒng)至關(guān)重要。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變流系統(tǒng)已由不可控整流+Boost升壓電路+PWM逆變結(jié)構(gòu)逐漸被雙PWM結(jié)構(gòu)所替代[1]。機(jī)側(cè)變流器通過調(diào)節(jié)定子d、q軸電流，在額定風(fēng)速以下實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤，控制發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩和有、無功功率的大小，提高風(fēng)能利用率。網(wǎng)側(cè)通過對d、q軸電流調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定和有、無功功率的解耦控制。本文對額定功率2 MW的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制策略的可行性。

1 永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)及雙PWM變流器幾部分組成。本文重點(diǎn)研究風(fēng)速低于額定風(fēng)速的階段，即實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤[2]。

1.1 風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)力機(jī)輸出功率P(W)與風(fēng)速v(m/s)的關(guān)系表示為：

(1)

1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

機(jī)側(cè)變流器采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制技術(shù)[3]。在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下永磁同步發(fā)電機(jī)定子的電壓方程為：

(2)

其中：ud、uq和id、iq分別為定子端電壓和電流的d、q軸分量；Rs、Ls分別為定子繞組電阻、電感；ωr為發(fā)電機(jī)同步電角速度；Ψf為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈。

永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩為：

(3)

其中：p為電機(jī)極對數(shù)。

2 雙PWM變流器控制策略

2.1 機(jī)側(cè)變流器控制策略分析

通過式(3)可知，電磁轉(zhuǎn)矩Te與iq成正比，通過控制電流iq即可實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)一步控制電機(jī)轉(zhuǎn)速ωm，實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤控制。由式(2)可知，定子電流id、iq是相互耦合的，為實(shí)現(xiàn)線性化控制，對兩個(gè)新的輸入量重新定義并進(jìn)行拉氏變換可得：

(4)

2.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略分析

風(fēng)速變化時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器控制目標(biāo)在保證并網(wǎng)電能質(zhì)量達(dá)到并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制。

本文研究選取電網(wǎng)側(cè)電壓矢量方向?yàn)閐軸，可得到電網(wǎng)側(cè)變流器電壓方程為：

(5)

其中：Rg、Lg分別為電網(wǎng)側(cè)線路等效電阻、電感；ωg為電網(wǎng)同步電角速度；Vgd為電網(wǎng)電壓Vg的d軸分量；ugd、ugq和igd、igq分別為網(wǎng)側(cè)變流器控制電壓和電流的d、q軸分量。

圖1 機(jī)側(cè)變流器控制原理圖

選取d軸電網(wǎng)電壓定向，Vgq=0，Vgd=|Vg|，輸送到電網(wǎng)的有、無功功率分別表示為：

(6)

3 仿真結(jié)果分析

通過對變流器控制策略的分析，基于MATLAB/Simulink仿真平臺，搭建永磁風(fēng)電機(jī)組整機(jī)仿真模型。風(fēng)電機(jī)組仿真參數(shù)為：額定風(fēng)速v=12 m/s，機(jī)組額定功率為2 MW，風(fēng)輪半徑R=38.7 m，電機(jī)極對數(shù)p=40，直流側(cè)電壓為1 500 V。仿真時(shí)間為2.5 s，風(fēng)速變化曲線如圖3所示，風(fēng)速在1 s～2 s內(nèi)，由8 m/s漸變至額定風(fēng)速12 m/s。直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)仿真曲線如圖4所示。

圖2 網(wǎng)側(cè)變流器控制原理圖

圖3 風(fēng)速變化曲線

圖4 直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)仿真曲線

通過圖4(a)、同4(b)仿真曲線可知，在1 s～2 s風(fēng)速漸變上升中，整個(gè)過程發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠很好地跟蹤參考轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)較快，擾動(dòng)結(jié)束后，風(fēng)能利用系數(shù)很快恢復(fù)到最佳狀態(tài)，穩(wěn)定在0.48左右，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制；由圖4(c)、圖4(d)曲線可知，有功輸出隨著風(fēng)速的升高逐漸平穩(wěn)上升，達(dá)到額定風(fēng)速12 m/s時(shí)，輸出功率達(dá)到額定值2 MW左右，無功功率維持在0附近；由圖4(e)、圖4(f)可知，風(fēng)速變化時(shí)，直流側(cè)電壓會(huì)有微小波動(dòng)，達(dá)到額定風(fēng)速時(shí)，很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，維持在1 500 V左右，并網(wǎng)電流諧波失真較低，THD=1.12%，達(dá)到了并網(wǎng)的要求(THD<5%)。仿真結(jié)果證明了控制策略的有效性。

4 結(jié)論

本文給出雙PWM變流器的控制策略，基于MATLAB/Simulink仿真平臺搭建了永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的整機(jī)仿真模型。仿真結(jié)果表明：風(fēng)速變化時(shí)，該控制系統(tǒng)能夠保證風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，變流器控制實(shí)現(xiàn)了最大風(fēng)能的捕獲和直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。本文建立仿真模型對控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，對實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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