變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機空載并網(wǎng)控制研究

宋錚 呂敬高

摘 要：文章通過對變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電原理研究的基礎(chǔ)上，運用矢量變換控制技術(shù)對空載并網(wǎng)進行控制，并探討了控制策略;通過仿真實驗證明了空載并網(wǎng)方式對變速恒頻發(fā)電機的有效性，本文所開發(fā)的空載并網(wǎng)技術(shù)是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的一種較理想并網(wǎng)方式。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機;變速恒頻;空載并網(wǎng)

中圖分類號：TM614 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0142-02

0 引言

變速恒頻發(fā)電是二十世紀(jì)末期研發(fā)的一種適用于可再生能源開發(fā)的新型發(fā)電方法，該種發(fā)電方式對于風(fēng)力發(fā)電的效果尤為明顯。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：第一，能夠提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的效率，降低風(fēng)力施的機械應(yīng)力，有效的保護渦輪機的運作;第二，本次空載并網(wǎng)中運用的矢量控制措施，可以實現(xiàn)電網(wǎng)的有功和無功功率的輸出，實現(xiàn)變速下恒定頻率操作，并且，可以根據(jù)發(fā)電情況，對發(fā)電轉(zhuǎn)子進行交流勵磁，從而調(diào)節(jié)電流的幅度、頻率等，最終提升電力系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。

1 VSCF風(fēng)力發(fā)電原理

1.1 發(fā)電原理

如圖1所示，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子由PWM逆變器作用，該逆變器可以實現(xiàn)雙向能量流。在風(fēng)速變化時，要想將定子頻率穩(wěn)定在電網(wǎng)頻率中，就必須要改變轉(zhuǎn)子逆磁電流的頻率。

（1）

式中：代表的是電網(wǎng)頻率;

代表的是轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)角頻率;

代表的是轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率;

P代表的是極對數(shù)。

的符號變換會影響轉(zhuǎn)子勵磁電流的相序，當(dāng)>0時，次步運行的相序為正，簡單來說，轉(zhuǎn)子電磁電勢的旋轉(zhuǎn)方向與機械旋轉(zhuǎn)方向呈正相關(guān)關(guān)系;當(dāng)<0時，轉(zhuǎn)子電磁電勢的旋轉(zhuǎn)方向與機械旋轉(zhuǎn)方向呈負相關(guān)關(guān)系，即次步運行的相序為負。而恒壓控制在此時發(fā)揮作用，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組電流的幅度值、相位來實現(xiàn)矢量方程。

通過調(diào)整發(fā)電機輸出電壓的幅值和相位，檢測電網(wǎng)電壓和電機的轉(zhuǎn)速，并根據(jù)電壓和電機轉(zhuǎn)動的實際情況來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，從而滿足電網(wǎng)連接需求，實現(xiàn)靈活并網(wǎng)。

1.2 磁場定向下發(fā)電機空載并網(wǎng)控制策略

空載并網(wǎng)的前提條件是，發(fā)電機在電網(wǎng)連接之前不參與能量和速度的控制，即沒有任何負載，其原動機完全控制發(fā)電機速度。由于電壓對定子端子的作用，在連接電網(wǎng)時，定子電流逐漸減小，直至與電網(wǎng)電壓相同。電網(wǎng)連接后，為例實現(xiàn)最大功率點，有必要切換到穩(wěn)態(tài)并網(wǎng)控制方案。

本次空載并網(wǎng)系統(tǒng)主要是由DFIG的功率控制，轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器實現(xiàn)。所以，對于轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器的研究也是十分有必要的。空載電網(wǎng)連接之前，定子側(cè)是開路的，其約束管轄表現(xiàn)為：，將其帶入方程：

（2）

如果采用電網(wǎng)電壓定向且忽略定子電阻，因為并網(wǎng)過程對定子側(cè)動態(tài)性要求不高，故忽略其動態(tài)過程，只考慮起靜態(tài)模型，有：

（3）

由此可得：

（4）

上述公式可以作為DFIG轉(zhuǎn)子電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計依據(jù)，在電網(wǎng)電壓定向變速恒頻風(fēng)電并網(wǎng)之前。

2 空載并網(wǎng)仿真與實驗研究

通過仿真和實驗來檢驗空載并網(wǎng)措施的效用，使用參數(shù)為：P=3kW代表的是雙饋電機額定功率;f=50Hz代表的是頻率;定子聯(lián)結(jié)方式Y(jié)接，電阻1.95Ω，電感9.04mH;轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)方式Y(jié)接，電阻3.54Ω，電感9.04mH;勵磁電阻9.42Ω;激磁電感258.5mH;參數(shù)均折算到定子側(cè)。

如圖1-4所示，是t=0.5s時的并網(wǎng)控制模擬波形。其中，圖2顯示的是定子的有功和無功功率。在電網(wǎng)連接過程中，由于定子和轉(zhuǎn)子之間磁場的波動，加上電源發(fā)送到電網(wǎng)P=3kW，Q=0kvar的作用下，使得定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生無功功率的交換;圖3顯示的是電機速度和電磁轉(zhuǎn)矩情況。其中，=0時表示的是發(fā)電機帶了負載，當(dāng)?shù)臄?shù)值穩(wěn)定在-38N.m上，P值會產(chǎn)生一定的波動，其轉(zhuǎn)速會由原來的1400r/min降低到1000r/min。圖4顯示的是定子的電壓和轉(zhuǎn)子的電流變換情況。定子的電壓相對穩(wěn)定，不會受電網(wǎng)連接的影響，而轉(zhuǎn)子電流頻率會隨著電動機速度的波動而波動。仿真實驗表明，本次電機空載并網(wǎng)設(shè)計具有較好的動靜態(tài)性能和控制精度，且并網(wǎng)過程相對穩(wěn)定。

如圖5所示，實驗的整個系統(tǒng)由TMS-320LF2407A定點DSP控制。其中，直流電動機模擬風(fēng)機，完成變速恒頻雙饋電機控制系統(tǒng)的功能性實驗。

本次實驗中使用的不是專門設(shè)計的發(fā)電機，而是一種普通的繞線異步電動機—DFIG。在轉(zhuǎn)子激勵發(fā)電增強情況下，轉(zhuǎn)子磁路達到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流失真，定子電壓也因此無法發(fā)揮作用。要解決這一問題，就必須以等效地降低定子端電壓和相應(yīng)磁路的飽和，只需要在DFIG的網(wǎng)格中增加一個200V/380V升壓變壓器即可。

當(dāng)定子AB、轉(zhuǎn)子ab相上直流電壓增加時，便可確定轉(zhuǎn)子的起始角度，這時候的定子和轉(zhuǎn)子相當(dāng)于兩個磁鐵，處于一個相對固定的位置。此時用光電編碼器記錄下的位置便是轉(zhuǎn)子的起始角。

并網(wǎng)前電機速度的增加對電網(wǎng)連接的影響較小。轉(zhuǎn)子電流外的電壓增加，能夠影響定子電壓和電網(wǎng)電壓匹配的精確程度。由于控制模型中Lm的影響，使得抑制定子電壓上升的負反饋允許系統(tǒng)的作用范圍更加寬泛，Lm參數(shù)的動態(tài)識別，能夠促使負反饋系統(tǒng)實現(xiàn)靈活的電網(wǎng)連接。

3 結(jié)語

本文主要采用了PWM逆變結(jié)構(gòu)實現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的空載并網(wǎng)，在矢量控制技術(shù)的支撐下，簡化了控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了定子磁鏈?zhǔn)噶靠刂频墓δ?。通過DFIG有功、無功功率的控制，有效的補償了電網(wǎng)中的無功功率需求，并提升了電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性。在換擋的情況下，空載并網(wǎng)系統(tǒng)中幾乎沒有涌入電流，而發(fā)電機和電網(wǎng)之間的連接，有效的控制了發(fā)電機的定子電壓，從而滿足并網(wǎng)需求。仿真實驗證明，該種并網(wǎng)方式是最理想的。

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