交流励磁变速恒频风力发电系统的实验

1、第26卷第6期2005年12月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol126,No16Dec1,2005文章编号:025420096(2005)20620772208交流励磁变速恒频风力发电系统的实验相会杰1,卞松江1,吕晓美1,郑洪涛2(11辽宁工程技术大学电气工程系,阜新123000;21株州时代集团研发中心,株州412001)摘要:介绍了交流励磁变速恒频风力发电系统运行的基本原理及发电机的定子磁链定向向量控制技术。构建了基于DSP+IPM的系统实验平台,进行了发电机空载运行及并网过渡过程、亚同步、同步、超同步3种状态下的变速恒频发电等工况的仿真和实验,通过对实验

2、结果的分析验证了理论分析的正确性,为该系统的进一步深入研究建立了一定的实验基础。关键词:变流励磁;变速恒频;风力发电;定子磁链定向;向量控制;仿真中图分类号:TM303文献标识码:A0引言随着能源消耗日益增长,的污染,源,量以40%。目前,世界风电市场上风力发电机组的控制技术有定浆距失速调节技术、变浆距调节技术、主动失速调节技术、变速恒频技术4种。我国风能资源丰富,为了能高效的利用这些能源为生产服务,因此对先进的变速恒频技术展开研究并使之转化为生产力乃是风力发电领域研究的当务之急。为此,我们对交流励磁变速恒频风力发电系统进行了详细的理论分析并构建了系统完整的软、硬件实验平台,并对系统空载、并网

3、及3种速度下发电等运行工况进行了深入的实验研究。Hz图1风力发电系统结构框图Fig11Thestructureframeofthewindpowergenerationsystem当发电机的转速n小于定子旋转磁场的同步转速n1时,处于亚同步运行状态,此时变频器向发电机转子提供交流励磁,定子发出电能给电网,式(1)中f2取正号;当n大于n1时,处于超同步运行状态,此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网,变频器的能量流向逆向,式(1)中f2取负号;当n等于n1时,处于同步运行状态,此时发电机作为同步电动机运行,f2=0,变频器向转子提供直流励磁。图中PWM整流PWM逆变双PWM变频器能够满足交流

4、励磁发电机的运行要求,实现转差功率在发电机转子与电网间的双向流动。由式(1)可知,当发电机转速n变化时,若控制转子供电频率f2相应变化,可使f1保持恒定不变,与电网频率保持一致,就实现了变速恒频控制,这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。1变速恒频运行的基本原理交流励磁变速恒频风力发电系统结构如图1所示。由风力机、齿轮箱、变压器、双PWM变频器、双馈异步发电机滤波器几部分构成。由交流异步发电机的基本原理可得下列关系式:f1=60±f2(1)式中,f1定子电流频率,与电网频率相同,Hz;n转子转速,r/min;p电机的极对数;f2收稿日期:2004203209© 199

5、4-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相会杰等:交流励磁变速恒频风力发电系统的实验7732定子磁链定向向量控制策略研究按发电机惯例列写的定子同步速MT两相坐标系下发电机的数学模型为:定子电压方程uMs=-rsiMs+ 1Ts-Ms(2)uTs=-rsiTs- 1MsTs转子电压方程uMr=rriMr-sTr+ MruTr=rriTr+sMr- Tr(3)u1=e1=-dt(8)那么相电压向量将比磁链向量滞后90°,正好落在T轴的负方向上。由于定子接于恒定的电网

6、上,电压综合向量将是常数,保持不变的。由于采用的是模不变型变换矩阵,在两轴坐标系中,相电压的综合向量的模仍为三相系统的相电压幅值um。所以有:uMs=0(9)uTs=-um(9)式代入(2)式中并略去定子电阻,可得:将(7)、 1=0(10)1=um/1定子磁链方程Ms=lsiMs-lmiMrTs=lsiTs-lmiTr转子磁链方程Mr=-lmiMs+lriMrTr=-lmiTs+lriTr电磁转矩方程Te(4)可见定子磁链也是恒定不变的。:p+uTsuMs+uTsiTs)i(5)iTsimiMsTs-uMs=(uTsiMs-uMsiTs)2i(6)(11)由于交电的子总是接在工频50Hz,这

7、样的频率下定子绕组的电阻比其电抗小很多,可忽略不计。这样,以定子磁链来定向,定子磁链与定子电压向量间的相位正好差90°电角度,使得控制相当简单,在实时控制系统中得到广泛应用。由于两相系统中定子的MT分量均为直流量,所以上式也可以认为是平均功率的表达式。将(9)式代入上式,可得平均功率:P=-ui2mTs(12)Q=-ui2mMs由(4)式得:iMr=(-1+lsiMs)/lm(13)iTr=lsiTs/lm再由转子磁链方程式(5)得:Mr1+lr1-=-i=-a1+biMrlslslrMrTr=lr1-iTr=biTrlslr(14)图2定子磁场定向示意图Fig12Thesketch

8、mapofstatorsmagneticfield再由转子电压方程式(3)得:uMr=rriMr-sTr+ Mr=rr+bsiTr=ui-bMr+uMrdMrsi+bsiMr=ui-aTr+uTrdtTr(15)如图2所示,当选择定子磁链1方向为同步旋转坐标系M轴方向后,有:MS=1TS=0略去定子电阻后,对发电机惯例来说有:(7)uTr=rriTr+sMr+ Tr=rr+b© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 774太阳能学报26卷式中,uu实现转子电

9、压、电流解耦控制的项后,既简化了控制,又能保证控制的精度和动态响Mr、TruTr解耦项;uMr、消除转子电压、电流交叉耦应的快速性。有了uMr、uTr后,就可通过2</3<变换合的补偿项。这样将转子电压分解为解耦项和补偿得到三相坐标下的转子电压量。cos(-sin(s-r)s-r)uaruubr=T-1(s-r)uMruTr=coss-r-sins-r-uMru(16)coss-r+3-sins-r+3这个转子三相电压分量值就可以用作产生PWM波所需的指令信号,用于控制逆变主电路的开关管的通断,产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电源。(11)(16)式组成了交流励磁发电机定子磁

10、链定向向量控制的基本关系式,系统的控制框图如图3所示。可见整个系统采用双死循环结构,外环为功率控制环,内环为电流控制环。在功率环中,有功功率指令P、无功功率指令Q与功率反馈值P、Q进行比较,差值经PI型功率调节器运算,3333子电流无功分量及有功分量指令iTsiMs和3按(13)式计算得到转子电流的无功分量和有功分量3333指令iMr和iTr;iMr、iTr和转子电流反馈量比较后的差值送入PI型电流调节器,调节后输出电压分量uMr、uTr;加上电压补偿分量后就可获得转子电压指33令uMr、uTr,经旋转变换后得到发电机转子三相电压333控制指令uar、ubr、ucr;SPWIG2BT,。图3交

11、流励磁变速恒频发电机定子磁链定向向量控制框图Fig13ThevectorcontroldiagramorientedbythestatorfluxoftheACexcitedVSCFgenerator© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相会杰等:交流励磁变速恒频风力发电系统的实验7753交流励磁变速恒频风力发电系统的仿真及仿真结果以前面所述的控制策略及为解决实验室中风力机的模拟问题,提出了直流机模拟风力机的方法,建立了交流励磁变速恒发电系统的仿真模

12、型,进行了并网前发电机空载电压调节,并网条件检验,并网过渡过程及追踪最大风能捕获的变速恒频发电运行仿真研究。系统仿真模型能很好地模拟实际的运行工况,仿真结果证明了本篇提出的控制策略、构建的风力发电系统可以实现定子磁链定向的解耦控制,实现发电机的有功功率和无功功率的独立调节,满足变速恒频风力发电的需要,构建了基于DSP+IPM的系统实验平台。311并网过程仿真发电机在1200rpm转速下空载稳态运行3s后并网,空载调节过程、效果及并网时刻转子电流过渡3)中iMr很快跟到iMr过程波形如图4a所示,可见(上,iTr也很快稳定且几乎为零,这与前述的控制策)中定子A相输出电压与电网A相略是相符的;(电

13、压的误差在半个周波之内就达到10V以内,说明)可见并网过程中,调节过程较快、精度较高;由(转子电流没有太大的冲击,过渡比较平稳,对电网不会造成太大影响,完全满足并网要求。图4交流励磁变速恒频风力发电系统仿真波形Fig14ThesimulationcurvesoftheACexcitedVSCFwindpowergenerationsystem312无功调节过程仿真并网后,无功功率给定为600Var,815s时无功给定由600Var上升至1200Var,1215s后下降为600Var,1515s时仿真结束。仿真期间,保持风速为615m/s)给出了只改变无不变。仿真结果如图4b所示,(功功率的给定

14、时,有功功率P和无功功率Q的变化情况,可见有、无功功率的实际值很好地追踪了各给定值,调节中相互不干扰,很好地实现了解耦;相应)所示,也只有的转子电流MT分量变化情况如(无功分量iMr绝对值有所增大,而有功分量iTr不变,说明无功功率可独立调节,同时可以看到转子电流两分量也很好地追踪了给定的变化;发电机转速波)所示,基本上没变化,保持615m/s风速所形如(对应的最佳转速1300rpm,这进一步说明了无功调节过程中,有功功率的确不变化。313有功调节过程仿真© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. A

15、ll rights reserved. 776太阳能学报26卷并网后,风速给定为615m/s,815s时风速由615m/s改变为7m/s,1215s又变回615m/s,1615s时仿真结束。仿真期间,设定无功功率为600Var不变。仿真结果如图8所示,只改变风速的给定,当风速由615m/s变为7m/s时,有功功率P将有所增)所大,有功功率P和无功功率Q的变化情况如(示,有、无功功率的实际值很好地追踪了各给定值;)所示,也相应的转子电流MT分量变化情况如(只有有功分量iTr绝对值有所增大,而无功分量iMr不变,说明有功功率可独立调节,同时可以看到转子电流两分量也很好地追踪了给定的变化;发电机转速

16、)所示,当风速给定由615m/s变为7m/s波形如(时,电机转速由615m/s风速所对应的最佳转速1300rpm变为7m/s风速所对应的最佳转速1400rpm,当风速给定由7m/s变回615m/s时,电机转速也由1400rpm变回615m/s风速对应的最佳转速1300rpm。说明在风速的变化过程中,机理运行。组为模拟风力机的直流电机2拖动一个绕线式双馈电机。由IPM1和IPM2组成的双PWM变流器充当发电机转子的励磁电源,它们分别由DSP1和DSP2进行控制,且两者间需进行必要的通讯配合,以完成前述的定子磁链定向的向量控制策略。由于发电机的转子能量是在电网和电机之间双向流动的,因此接于转子回路

17、、用作交流励磁的电源必须是一个能量能够双向流动的变频器。于是采用PWM整流PWM逆变形式的双PWM交直交变频器不仅有良好的输出性能,更大大改善了输入性能,可获得任意功率因子的正弦输入电流,且具有能量双向流动的能力,是一种能满足变速恒频风力发电机交流励磁要求的理想变频电源。)、降压变压器、光电编码器、并网装置、直流电机的控制器及电压、电流霍尔传感器等硬件设备。412系统的软件编程发电机的定子磁链定向矢量变换控制策略是由接于电机侧PWM变换器上的DSP来实现的,其控4411系统的硬件构成实验系统的总体硬件框图如图5所示。实验机图5实验系统的总体硬件框图© 1994-2007 China

18、Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相会杰等:交流励磁变速恒频风力发电系统的实验Fig15Thehardwareframeofexperimentsystem777制程序框图如图6所示。a为主程序框图,b为中断程序控制框图。该软件程序主要包括以下几个功能模块:与上位机的通讯、计算速度交流量的检测计算、坐标变换、电压矢量及定子磁链空间位置角、转子机械位置角及相对于定子的电角度、PI调节的数字算法、由电网线电压计算三相相电压、有无功功率的计算。413系统实验结果41311并网过程实验并网前发电机空

19、载运行时的控制效果及并网时的过渡过程波形如图7所示。a图为定子输出线电压uabs与电网线电压uabn的对比波形,可见在控制器的作用下定子输出电压与电网电压基本一致,说明控制策略是正确可行的。此时并网,引起的定、转子电流过渡过程波形如图b所示,从中可见定、转子电流冲击不大,控制效果较好。41312同步速并网电运行状态实验发电机运行在同步速下,并网发电的定、转子电流波形及各自频谱如图7所示。a图为转子电流波形,同步速时,这点从该图及其对应的频谱b图为定子电流。在前面所构建的软、硬件实验平台上,先由模拟风力机的直流电动机将双馈异步发电机(同步速为1500rpm)带动到1200rpm空载运行,施加转子

20、励磁,观察控制效果。当定子发出的电压与电网电压波形一致,满足并网条件时,由并网装置将发电机并入电网。然后,可将发电机的转速升至1500rpm、1650rpm,分别观察亚同步速、同步速、超同步速3种运行状态下的发电情况。实验结果如下图6转子侧变换器控制程序框图Fig16Thecontrolframediagramofrotor© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 778太阳能学报26卷图77Theof41313发电机的定子磁链定向矢量控制技术理论分析的正确

21、性,为系统的进一步深入研究建立了一定的实验基础。参考文献1卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究D.浙江定、7所示。a图为转子电流波形,转子电流应为反相序5Hz的交流电,这点从该图及其对应的频谱b图得到验证。c图为定子电流波形,d图为其对应的频谱图,可见定子电流波形正弦性较好,频谱分析中50Hz基波占绝对主要成分。大学博士学位论文,2003.2卞松江,潘再平,贺益康.风力机特性的直流电机模拟J.太阳能学报,2003,24(3):360364.3倪受元.风力发电讲座第二讲风力机的工作原理和5结论本文针对交流励磁变速恒频风力发电系统构建了基于DSP+IPM的系统实验平台,进行了发电机空载运行及并网过

22、渡过程、亚同步速、同步速、超同步速3种运行状态下的变速恒频发电实验研究。从实验结果看出,每种运行状态均保证定子输出电压频率为50Hz,实现了变速恒频发电运行,证明了对气动力特性J.太阳能,2000,21(3):1216.4PenaR,ClareJC,AsherGM.Doublyfedinductiongenera2torusingback2to2backPWMconvertersanditsapplicationtovariable2speedwind2energygenerationJ.IEEProc2ElectrPowerAppl,1996,143(3):231241.© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相会杰等:交流励磁变速恒频风力发电系统的实验779THESTUDYONTHEEXPERIMENTOFACECITEDVSCFWINDPOWERGENERATIONSYSTEMXiangHuijie1,BianSongjiang1,LüXiaomei1,ZhengHongtao2(11DepartmentofElectricalEngineeringofLiaoningEngineeri