变速恒频双馈风力发电机组的空载并网技术

变速恒频双馈风力发电机组的空载并网技术 变速恒频双馈风力发电机组的空载并网技 术 发电机组及控制jEIilIcA迫币乙与粒芾J应闭2010,37(3) 变速恒频双馈风力发电机组的空载并网技术米 郭家虎,张鲁华,马斌,蔡旭 (1.安徽理工大学电气学院,安徽淮南232001; 2.上海交通大学风力发电研究中心,上海200240) 摘要:传统的风力发电机组直接并网和降压并网都会在并网瞬间产生很大的冲击 电流,基于定子磁链 定向的双馈发电机组空载并网,由于并网前定子磁链的检测不准确也会对电网造 成冲击.根据变速恒频双馈 风力发电机组的运行特点,通过对其数学模型的分析,建立了双馈异步发电机的空 载数学模型,研究了其基于 电网电压定向的空载并网控制策略,避免了由于定子磁链检测不准确造成的电网 冲击.试验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,该控 制策略可以实现大容量风电机组的无冲击软并网,是一种理想的风电机组并网方 式. 关键词:双馈发电机;空载并网;电网电压定向 中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号:1673-6540(2010)03-0046-04 IdleLoadGrid.ConnectionControlofVariableSpeed ConstantFrequencyDoublyFedWindPowerGeneration GUO.一hu,ZHANGLu—hua,MABing,CAIXu (1.DepartmentofAutomation,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan23200 1,China; 2.WindPowerResearchCenter,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China) Abstract:Thecurrentimpactofdirectlyorstep—downcutting— inoftraditionalwindpowergenerationisextremely high,andthestatorfield—orientedvectorcontrolisinthesamewayduetoinaccuratestatorflux.Byanalyzingtheop— erationbehaviorandmodelofvariable—speedconstant—frequency(VSCF)windpowergenerationbasedondoublyfed inductiongenerator(DFIG),themodelofDFIGwithnotoadwasfounded,andaidleloadcutti ng—incontrolstrategy wasdevelopedbasedonmdvoltageorientation.Theexperimentalresultsvalidatedthepropo sedidleloadcutting—in schemeisanrelativelyidealcutting—inapproachfortheVSCFwindpowergenerationbasedonDFIG. Keywords:doublyfedinductiongenerator(DFIG);idleloadgridconnection;gridvoltageori entation 0引言 传统的风力发电并网技术主要有直接并网和 降压并网两种形式,在并网瞬间会产生很大的冲 击电流,进而引起电网电压波动?.随着风电机 组的单机容量越来越大,这种冲击是必须要避免 的.变速恒频双馈风力发电机组在发电机和电网 之间构成了柔性连接J,可以通过调节转子励磁 电流实现在不同转速下的软并网,避免并网时发 生电流冲击和过大的电压波动』. 变速恒频双馈风力发电机组的并网方式主要 有负载并网和空载并网两种形式,oJ.这两种并 安徽省高校省级自然科学研究项目(KJ2007B006) --—— 46--—— 网方式都允许机组转速在较大的范围内变化,并 且其定子电压均能迅速向电网电压收敛,对电网 的冲击较小.其中负载并网形式下,并网前,发电 机参与原动机的能量控制,定子有电流,并网控制 所需要的信息不仅取自电网侧,还取自定子侧,控 制策略较为复杂.而空载并网使用设备少,并网 前发电机不参与原动机的能量控制,定子电流为 0,所以其控制方程可以降阶,简化算法.目前的 双馈风力发电机的空载并网大多采用定子磁链定 向的空载并网方式J,它通过调节转子励磁电流 对双馈异步电机的定子电压进行调节,在双馈异 步电机的定子电压和电网电压的幅值,频率和相 迫札与控制应用2010,37(3)发电机组及控{扫|;E^_cA 位完全相同时进行并网,并网完成后将其从并网 控制切换到发电控制,根据实际风速进行功率的 实时调整.但是在双馈异步电机没有并网之前, 定子磁链并不是恒定不变的,定子磁链的检测和 定向都不可能做到十分准确,从而使得空载并网 的控制性能恶化,不可避免地对电网产生冲击. 而采用电网电压定向的空载并网方式不需要观测 定子磁链,避免了由于定子磁链检测不准确而造 成的并网性能恶化,使并网过程更加顺滑,真正实 现不同转速下的无冲击并网. 本文对变速恒频双馈风力发电机在电网电压 定向下的空载并网策略进行了深人的分析和研 究,并建立了一套7.5kW的风力发电试验平台, 对整个并网过程进行了详细的试验研究,试验结 果表明本文提出的空载并网控制策略可以有效地 实现双馈风力发电机的无冲击并网. 1双馈异步发电机的空载数学模型 双馈电机定子侧,转子侧均采用电动机惯例, 在同步旋转d—q坐标系下的数学模型由下述电压 方程,磁链方程,电磁转矩方程及运动方程组 成【,. Msd=Ri+p一l M=s即+p+,?(1) =尺i+p一.'/'rq "rq=Riw+pqtrq+ccJ = ?n(一)(3) 一 =++4, 式中:""u小Urq——分别为定,转子d,q轴电 压; ii,i,ira——分别为定,转子d,q轴电 流; ,,,一 分别为定,转子d,q轴 磁链; R,——分别为定子的电阻和自感; ,,——分别为转子的电阻和自感; —— 定,转子间互感; 凡.——电机极对数; ,?.——分别为工频,转差角速度; 71L——风力机提供的拖动转矩; -,——发电机的转动惯量; D——与转速成正比的阻转矩阻尼系数; —— 扭转弹性系数; —— 发电机的电磁转矩. 空载并网方式是在并网前发电机不带负载, 不参与风电机组的能量和转速控制,发电机定子 端开路,此时有式(5)成立: 0 = 0(5) 【:0 在式(5)约束下,双馈异步发电机的磁链方 程变为: 将式(5)所示的约束关系及空载时的磁链方 程式(6)代人到双馈异步发电机的电压方程中, 可得: 1LsdLmpied—tolLi M=lmId+mp(7) "rd=Rird一.Lirq+,prd r叮 =Ri+.Lira+Lr piq 而双馈异步发电机在空载时的运动方程可表 示为: 一 = 鲁++? 式(6),(8)构成了双馈异步发电机的空载 数学模型. 2空载并网策略 在二相同步旋转坐标系下将d轴与电网电压 矢量重合,以实现双馈异步发电机的电网电压定 向,此时有u=,=0,忽略定子电阻,于是空 载状态下的双馈异步发电机的定子电压方程可以 简化为: 6 . w ==== ,.一. 帅 +十++ . .. ==== 发电机组及控制睡锻迫札再植希J应田2o1~37(3) IUsd:LmP一w]Lmirq=sf9) L=?1Lir,!+,pi=0 于是可得: ff:一1pi Jl'(10) 1.1.1一 s 忽略转子电流的动态变化,有式(11)成立: rrfi=0 {1(11) =一 由式(11)可见,并网前双馈异步发电机空 载,定子电流为零,提取电网的电压信号(包括频 率,相位,幅值)作为依据,通过变频器对发电机 转子电流i,irq进行控制,可以建立额定的定子励 磁和调节双馈异步电机的定子电压,当双馈异步 电机的定子电压和电网电压在幅值,频率和相位 上完全相同时进行并网. 转子电流的控制可由双脉宽调制(PWM)变 频器输出的转子激励电压实现.由双馈异步发电 机的转子电压方程可得: Mfl2) IUrd=(尺r+己rp)rd一2rq=M+? Lu=(尺+LP)i呻+2Li="r叮+?『上q 式(12)可作为电网电压定向的双馈变速恒 频风力发电空载并网前,双馈异发电机转子电流 内环控制器的设计依据,其中U,U为实现转 子电压,电流解耦控制的解耦项,?",?u为消除 转子电压,电流交叉耦合的补偿项.有了u,U 后,就可以通过2/3变换得到三相坐标下的转子 电压量,用作产生PWM波转子励磁电源控制所 需要的指令信号,用于控制逆变主电路开关管的 通断,产生所需频率,大小,相位的三相交流转子 励磁电流,以保证双馈异步发电机的定子端电压 和电网电压在幅值和相位上一致,从而顺利实现 无冲击并网. 转子电流和定子电压的关系由式(11)确定, 定子电压的参考值取为电网电压经过3s/2r变换 之后的d,q轴分量: 』"sds(13)【 M=钾 s口 为了抑制电网电压波动带来的影响,对定子 电压的d,q轴分量进行PI控制,其调节器的输出 ..—— 48..—— 分别作为转子电流d,q轴分量参考值的给定,即: rd=(+)("一u)f141 = (k+k/s)(Usd—ud) 综上所述,可以得到转子侧变频器空载并网 的控制框图,如图1所示.并网前,采用外环定子 电压环,内环转子电流环的并网控制策略. 图1空载并网控制框图 空载并网控制时,首先检测电网的三相电压 U—uU,经锁相环和3s/2r变换后分别计算出 电网电压矢量相角0和电网电压的d-q轴分量 幅值"H.检测定子三相电压Uu,"..后, 计算出定子电压矢量的幅值和相角0,经3s/ 2r变换得到定子电压d.q轴分量的幅值un. ",u与",经PI调节器后分别得到转子电 流无功参考值:和转子电流有功参考值.二, 与转子电流反馈量比较后的差值经PI调节器 输出,加上补偿电压得到转子控制电压,. 最后经过2r/3s变换即可得到发电机转子三相控 制电压量,实现对双馈异步发电机的空载并网控 制.当定子电压建立且满足并网条件时,通过控 制并网接触器闭合实现双馈电机并网. 3样机试验研究 为了验证本文提出的空载并网控制策略的有 效性,建立了一套7.5kW的双馈风力发电机试 验平台,整个系统主要由虚拟风机,双馈发电机, 迫札与柱制应用201937(3)发电机组及控制iEMCA 电压型交直交PWM变频器,数字信号处理器 (DSP)等组成,其系统框图如图2所示. P 电网一D JJ网侧转子侧' 变换器变换器 该韬 驱动Il驱 电路Il电 DSP控制器 图2DFIG试验平台框图 其中,虚拟风机主要由一台直流电机和SIE— MENS公司的SIMOREG6RA70直流调速装置组 成.双馈电机采用绕线式异步电动机.AC.DC— AC变频器由背靠背的三相整流/逆变器智能功率 模块(IPM)组成,两者之间通过带电容的平面母 线相连.变频器一侧通过电感与电网相连,另一 侧接到双馈电机的转子侧.DSP采用TI公司的 定点DSP—TMS320LF2812,DSP从光电编码器,电 流传感器(CT),电压传感器(trI')采样,执行交流 励磁变速恒频风力发电的电网电压定向的空载并 网控制策略. 图3,4为并网过渡过程的试验波形.其中图 3是并网时刻定子线电压和电网线电压的波形, 从图中可以看出,在并网之前定子电压和电网电 压在频率,幅值和相位上都高度吻合,完全满足了 无冲击软并网的条件.图4是并网时刻定子线电 压,定子相电流和转子电流的波形,从图中可以看 到,在并网时刻,没有冲击电流出现,说明该并网 方式可以实现变速恒频双馈风力发电机组的软并 网,使其对电网的冲击为零. 蹿 \ > 0 0 寸 图3空载并网过渡过程定子电压与电网电压波形 蜒 \ < 譬 I 蛙 \ > [1]刘其辉,贺益康,卞松江.变速恒频风力发电机空 载并网控制[J].中国电机工程,2004,24(3): 611. [2]李建林,赵栋利,李亚西,等.几种适合变速恒频风 力发电机并网方式对比分析[J].电力建设,2006, 27(5):8一l0. [3]DattaR,RanganathanVT.Variable—speedwindpow— ergenerationusingdoublyfedwoundrotorinduction machine.Acomparisonwithalternativeschemes『J]. IEEETransOI1EnergyConversion,2002,17(3): 414-421. 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