2.5MW永磁直驱同步风力发电机并网特性分析

电气与自动化张建生，等25MW永磁直驱同步风力发电机并网特性分析25MW永磁直驱同步风力发电机并网特性分析张建生，宋朋飞，张永华1河海大学能源与电气学院，江苏南京210098；2常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏常州213002摘要针对并网电能品质要求安全、可靠、快速性要求，提出了用变参数PID控制实现PMSG的背靠背式PWM中电流环及电压环的控制方案，该方法依靠参数数据库对被控对象进行参数辨识，从而提高风电机组的动态响应速度。在建立完整的数学模型基础上，用PSCADEMTDC进行并网仿真模型的搭建与仿真，结合IEEE14节点模型，对风电机组的并网特性进行了仔细的研究。仿真结果表明，PMSG的模型搭建合理，变参数PID控制策略对故障做出了良好的响应，系统低电压穿越性能显示良好，与分析结果一致。关键词风力发电机；并网；特性；建模；分析中图分类号TM614文献标志码B文章编号16715276201403017904GRIDCONNECTIONFEATUREANALYSISOF25MWPMSGZHANGJIANSHENGSONGPENGFEIZHANGYONGHUA1COLLEGEOFENERGYANDELECTRICALENGINEERING，HOHAIUNIVERSITY，NANJING210098，CHINA；2SCHOOLOFELECTRONICINFORMATIONANDELECTRICENGINEERING，CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY，CHANGZHOU213002，CHINAABSTRACTACCORDINGTOTHEREQUIREMENTSOFTHEPOWERGRIDSAFETY，RELIABILITYANDRAPIDITY，THISPAPERPROPOSESTHATTHEVARIABLEPARAMETERPIDCONTROLISUSEDTOREALIZETHELOOPCONTROLOFCURRENTANDVOLTAGERINGPLANONTHEPMSGBACKTOBACKPWM，SOASTOIMPROVETHEWINDGENERATORDYNAMICRESPONSESPEEDBASEDONACOMPLETEMATHEMATICALMODE1ITALSOUSESPSCADEMTDCTOSTRUCTUREANDSIMULATETHEMODELANDCOMBINEDWITHIEEE14NODEMODELOFWINDGENERATOR，RESEARCHESONTHECHARACTERISTICSOFTHEGRIDCONNECTIONTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEPMSGMODELISSETUPREASONABLY，CONTROLSTRA1EGIESONFAULTSAREMADEHAVEAGOODRESPONSE，THESYSTEMLOWVOLTAGETHROUGHPERFORMANCEISSHOWNTOBEGOODANDTHERESULTSARECONSISTENTKEYWORDSWINDDRIVENGENEROR；POWERGRID；CHARACTERISTICS；MODELING；ANALYSIS0引言随着能源的不断消耗与即将面临的能源枯竭问题，各国政府都在努力寻求新的能源方式。风能由于其独特优势，自然受到关注，风力发电技术也在世界各国蓬勃发展。现今最常用的风力发电机为双馈式异步电机，采用变速恒频方式，转子和定子各有一套绕组，通过双PWM功率变换器向电网进行馈电。针对双馈式异步电机的工作方式，国内外很多学者对其已进行了详细的建模及仿真L2J。但随着电力电子技术的发展，直驱式永磁同步风力发电机也越来越受到关注，与DFIG相比，它省去了齿轮箱，因而在工作效率和日常维护方面得到了改善。预计在不久的将来，DPMSG必将能在风电技术中得到广泛应用J。随着风力发电机单机容量的不断变大以及风力发电在整个供电网络中的比例增加，这就要求风电机组具有低电压穿越能力。常用的技术手段有两种1寻求更好的控制策略，使系统能够依靠自身调节就能完成低电压穿越；2通过增加保护装置，并不断改进拓扑结构完成低电压穿越要求。显然，增加其他装置必然会导致成本的激增。因此，寻找更好的控制方法成为研究首选。目前背靠背式PWM全功率转换器件的电流内环和电压外环多采用PI控制，常规的比例积分控制在系统正常运行情况下基本可以满足运行需求，一旦系统发生故障或存在大的扰动，将会导致系统的响应速度降低，控制性能下降。针对上述问题，本文提出了变参数PID控制方案。变参数PID控制的基本原理及其在系统中的应用，建立了PMSG的完整数学模型，结合风力机的桨距角控制，在PSCADEMTDC中搭建了风力发电机的各部分仿真模型，参照IEEE14节点模型算例，对系统进行了详细分析。仿真结果表明，PMSG的模型搭建合理，变参数PID控制策略对故障做出了良好的响应，系统低电压穿越性能显示良好，与分析结果一致。1变参数PID控制原理对于PMSG而言，由于风机捕获的风能在不断变化，发电机输出的功率、电压、电流也在不断变化，固定的PI参数调节不可能满足时变系统控制要求，动态性能不好，抗干扰性能也差。与传统的PID控制不同，变参数PID控制系统加入了参数数据库，利用S函数编写出参数调整的一般规则，根据系统误差情况选择合适的控制参数，从而达到快速控制目的，如图1所示。作者简介张建生1958，男，江苏南通人，博士，教授，研究方向为计算机数字控制与控制工程。MHINEBUILDINGAUTOMATION，JUN2014，钉3179182179电气与自动化张建生，等25MW永磁直驱同步风力发电机并网特性分析图1变参数PID控制结构框图2风力发电机的整体模型馕S州_电网图2磁悬浮风力发电机的整体结构图21空气动力系统模型根据风力机的空气动力学理论，风力机输出的机械转矩为1P耵RC卢，A1式中为风力机输出功率W，P为空气密度KGIN，R为风机叶轮半径M，为等效风速MS，口为叶片桨距角DEG，ATORV称为叶尖速比，为叶片机械转速RMIN，C为风力机的功率系数。22桨距角控制模型。，风力发电机组的桨距角控制经常与双PWM控制器以及风功率系数配合使用。一方面在较低风速情况下，使风力发电机始终能够捕获最大的风功率，实现最大功率追踪；另一方面，桨距角控制能够抑制过高风速，保证风力机组不至于失控，同时保证恒定功率输出。桨距角控制的数学模型为卢一2U78式中卢为桨距角；卢为对应风速的初始桨矩角；R。为桨距控制系统的惯性时间常数。浆距角控制仿真结果如图3。23风力发电机及传动模型直驱式永磁同步风力发电机，在结构上省去了齿轮箱，使得风机转轴和电机转轴直接相连。沿转子磁极轴线建立坐标系D轴，Q轴超前D轴90。，假设由轴可以随转子磁极同步旋转，那么在此坐标下可以给出直驱型永磁同步180等苗图3桨距角控制仿真结果风力发电机的数学模型发电机的电磁转矩方程可以写成XPXLQ,L女IA】XI4式中、分别为定子电压D轴和Q轴分量；为定子电阻；、分别为定子D轴和Q轴电流分量；L、L分别为永磁同步发电机的D轴和Q轴电感；为转子的电角速度；，为转子永磁体的磁链；为同步发电机的电磁转矩；P为磁极对数；采用I0控制策略，因此上式可以写成M5式中和，值都是一定的，电磁转矩大小只和定子电流Q轴分量相关。机械传动模型为TEBINO，6式中为转动粘滞系数；为电机转子转速；，为转动惯量。3各部分控制策略31机侧变流器控制同步电机在规定方向下发出的有功功率为3P了I7改变Q轴电流分量就可以对定子有功功率进行控制，定子D,Q轴电压在分别加入前馈输入量一LI和LITF，的情况下，可以实现解耦控制。由式3可以建立电流和电压向量之间的关系DSLQS18“S根据变参数PID控制原理，可以对系统进行快速精准HTTPZZHDCHINAJOURNA1NETCNEMAILZZHDCHAINAJOUMA1NETCN机械制造与自动化帆电气与自动化张建生，等25MW永磁直驱同步风力发电机并网特性分析的在线控制。COELQSLQSDQPSVPWM图4发电机侧PWM控制策略图32网侧变流器控制策略电网侧变流器的控制目标是1保持直流侧电压恒定；2保持交流侧相电流为正弦波形；3保持对网侧无功的控制，尽量避免网侧变流器与电力系统发生无功交换。网侧变换器数学模型为式中、LQG分别为电网电压在D、Q轴的分量；、分别为网侧变流器在DQ轴的电流分量；、为网侧变流器与电力系统间的阻抗值；TO为电网电压角速度，为直流侧电压。令DGRIDSLDUIDG对其进行拉普拉斯变换，可以得到UASRIQSLDIQGRSSS同理，利用变参数PID控制原理可以得到控制策略如图5所示。SVPWDQ伍PM图5网侧变换器控制策略图4仿真结果与分析运用PSCADEMTDC建立上述各部分模型，并结合IEEE14节点模型图6进行了仿真验证，试验参数如表1。表1仿真参数MACHINEBUILDING8AUTOMATION，JN2014，433J79182续表1在额定风速13MS情况