直驱永磁风力发电系统的建模与控制

直驱永磁风力发电系统的建模与控制

0基于pscad/emtcd的直驱永磁发电系统建模研究关于直驱风机发电系统的研究已在国内外进行。文献[1-2]详细比较两种风力发电系统的区别,指出直驱风力发电系统由于取消中间齿轮箱,降低机组的运行速度,延长机组的运行寿命,提高机组的风能利用率和运行稳定性;文献[3-4]研究直驱永磁风力发电系统(D-PMSG)的变流器控制策略,对比间接电流控制和直接电流控制的不同和各自的特点;文献[5]采用双PWM变换,使用SVPWM控制原理实现发电机整流部分的稳压控制;文献[6-7]详细介绍直驱永磁风力发电系统发电机的设计。上述文献单独分析该系统的主要组成部分模型,并没有给出整个系统的模型。本文将给出整个系统的模型,包括风速、风力机、永磁发电机、变流器,提出该系统最大功率获取的发电机转速控制策略,在电力仿真软件PSCAD/EMTDC中建立直驱永磁风力发电系统模型。通过对不同风速以及电网故障仿真,验证模型的正确性以及控制系统的可行性。1直驱风电系统的数学模型1.1风力发电系统的并网设计图1为所用直驱永磁风力发电系统的结构。发电机采用永磁同步发电机,电机侧电力变换器采用不控整流和Boost升压斩波稳压电路,电网侧变换器采用可控器件,完成风力发电系统的并网以及该系统最大风能跟踪的转速调节。1.2风力发电系统运行状态风能是风力发电系统的原动能,风能直接影响着风力发电系统的正常运行和其运行的状态,同样的风力发电系统在不同的风速下所呈现的各方面性能差别也很大。风速的数学模型用4种风速的组合来表示式中:v1基本趋势基本风可以由风电场测得的风速数据所得到的威布尔(Weibull)分布参数近似确定:式中:A为平均风速;K为威布尔分布参数。2风逐渐减弱。风也在改变对风速的渐变特性可以用数学的渐变成分来模拟:式中:T3好的描述风速的突然的变化特性,用数学的阵风特性来表示:式中:T4风能转化模型风速中的随机分量可以使用随机过程数学里面的噪声模型来模拟:式中:P风力发电系统中,风力机通过叶片捕获风能,将风能转化为作用在发电机转子上的机械能,考虑到实际情况中风机对启动风速和切出风速的要求,风轮吸收的机械能可以表示为式中:V由式(6)可以看出,对于风力机而言,当风速一定时,风轮获得的机械能将主要取决于风能利用系数C式中:由图2可知,桨距角β一定时,对于一台确定的风力机总有一个最佳叶尖速比,使得风能利用系数C1.3永磁同步发电机模型永磁同步发电机的工作原理和电励磁同步发电机的工作原理相同。其频率和转速是对应的,其关系为式中:f为了对发电机的有功无功解耦,对发电机的功率因数进行控制,在dq旋转坐标下建立的同步发电机数学模型为式中:P在永磁电机中,由于转子的励磁不是通过励磁电流来实现的,而是以永磁体来代替,因此上式中pψ永磁同步发电机的运动方程如下:式中:ω为发电机实际转速,rad/s;ψ利用式(11)和(12)可以通过控制发电机输出电流的大小,来控制发电机的转速,进而实现风力机的转速控制,完成风力机的最大风能获取。2发电机转速控制模型直驱永磁风力发电系统的控制策略是整个风力发电系统的重点,控制系统的优劣将直接关系风力发电系统的运行稳定性。控制系统主要包含变桨距控制、升压斩波稳压控制、逆变并网控制等,控制的主要目标首先是风力发电系统的稳定运行,并保证系统对最大风能的跟踪,同时能对系统有功无功解偶,在系统运行在小电网系统时,该控制方式的实现对于稳定系统电压,防止电压崩溃具有重要意义根据发电机的工作原理以及最大风能获取的原理,重点设计了发电机转速控制,和风能最大获取的控制方法。图4为永磁同步发电机转速控制的基本模型,积分时间常数T=1。根据永磁同步发电机的运动方程,针对直驱风力发电系统的特点,利用PI控制设计了风力发电系统的转速控制器。风机的最大风能获取通过逆变器的控制来实现,控制原理如图5,根据风机的输入风速确定最佳叶尖速比,得到风机的最优转速,调整发电机的输出功率,使得发电机的转速能跟踪最佳叶尖速比,达到风能的最大获取。如图5所示,根据风机的风速V当处于最佳叶尖速比时对应的转速ω3最大风能发电系统模型的建立及仿真直驱永磁风力发电系统为并网型风力发电系统,通过10kV输电线路并入电网,系统结构如图6所示。图7为采用的升压斩波稳压电路前后的波形,从图中可以看出,经过升压斩波电路以后,系统的直流母线电压能更好的稳定在相对理想的值附近,即便是在受到较大的扰动时,如图中5.0s时,在系统整流后的电压发生突变时,电压仍能保持较好的稳定性。验证了本文采用的升压斩波稳压控制的可行性。利用电力系统电磁暂态仿真软件PSCAD,建立直驱永磁风力发电系统的仿真模型,具体参数为:极对数为48,额定线电压为0.77kV,额定容量为1.26MVA,额定频率为16Hz,风机半径为31m,额定风速为12m/s,风轮相对地高度为67m。为了验证所建立的永磁直驱风力发电系统模型的正确性,以及提出的最大风能跟踪控制原理的有效性,在仿真软件PSCAD中对本文模型进行了仿真,结果如图8~10所示。由图9(a)、(b)可以看出,该系统在阵风时风机的有功出力跟随风速的变化而变化,验证了本文提出的最大风能跟踪的正确性;图9(c)为风力机转速波形,可以看出在阵风时,系统的转速可以自动调整以跟踪最优转速,完成了风能的最大获取,验证了提出的基于全额变流装置转速控制器的正确性;相对于异步风力发电系统,所研究的直驱同步风力发电系统在阵风时,并不吸收系统的无功,不会导致阵风时由于吸收系统大量的无功所引起的电压的下降。由图8、图9可以看出,风机等发电机转速达到一定的值时,并网开关闭合,该系统中并未采用软并网装置,但其并网冲击电流可以控制在额定电流以内,相比普通异步风力发电系统中并网的冲击电流高达6~8倍的额定电流由图10可以看出,在系统母线发生故障时,风力发电系统能根据母线电压的实际水平,自动选择风电机的投切,保护风机的正常运行,系统在检测到母线电压恢复后,能迅速投入运行,系统的电压频率在经过短暂的振荡后可以恢复稳定。可见,基于PSCAD所建立的并网型直驱永磁风力发电系统能够正确的反应系统各物理量的变化关系。4最大风能获取转速控制原理首先给出了整个直驱永磁风力发电系统的数学模型,研究了直驱永磁风力发电系统的变流器控制策略,并提出了直驱永磁风力发电