直驱风电系统及电机控制的研究

电气开关2015NO38L文章编号1004289X201503008103直驱风电系统及电机控制的研究陈端航，李少纲，金昌锦福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350108摘要在对直驱永磁风力发电系统进行分析的基础上，建立起永磁同步发电机的数学模型，针对双PWM变频器的特点，对永磁发电机的运行控制进行研究，提出发电机的机侧变换器和N4I变换器分开控制的控制方法。关键词风力发电；直驱永磁同步发电机；变换器控制中图分类号TM614文献标识码BRESEARCHONMULTIMEGAWATTDIRECTDRIVEWINDPOWERSYSTEMANDGENERATORCONTROLCHENDUANHANG，LISHAOG帆G，3INCHANGFINSCHOOLOFELECTRICALENGINEERINGANDAUTOMATIONOFFUZHOUUNIVERSITY，FUZHOU350108，CHINAABSTRACTAMATHEMATICALMODELISESTABLISHEDFORPERMANENTMAGNETICSYNCHRONOUSGENERATORSONTHEBASISOFTHEANA1YSISONDIRECTPERMANENTMAGNETICPOWERSYSTEMTHEPAPERSTUDIESTHECONTROLONPERMANENTGENERATORRUNNINGINCONSIDERATIONOFTHECHARACTERISTICSOFDOUBLEPWMCONVERTERS，ANDPUTFORWARDTHEMETHODTOCONTROLTHECONVERTERSATGENERATORSIDEANDDSIDESEPARATELYKEYWORDSWINDPOWERGENERATOR；DIRECTDRIVEPERMANENTSYNCHRONOUSGENERATOR；CONVERTERCONTROL1引言变速恒频风力发电以其优越的性能，已经成为风力风电的主流。其中最具有潜力的两种变速恒频风力发电系统是直驱永磁同步风力发电系统和交流励磁双馈风力发电系统J。两种风力发电系统相比，直驱永磁同步风力发电系统尽管存在发电机体积大、成本高等不足，却省掉了双馈风力发电系统中故障率较高的齿轮箱，通过风机直接驱动多级低速永磁同步电机，经全功率变换器送至电网，运行效率高、维护成本低，使其成为风力发电技术发展方向。由于全控型器件IGBT构成的双PWM型永磁同步电机PERMANENTMAGNETSYNCHRONOUSGENERATOR，PMSG发电系统具有发电效率高和优良的运行特性，使其受到了广泛关注。本文通过介绍永磁风电系统机侧和网侧PWM控制策略，在MATLABSIMULINK平台上搭建了模型，并给出了仿真结果，证明了该控制系统的可行性。2双PWM型风电系统结构与原理本文采用的系统结构如图1所示，风机直接驱动永磁同步发电机PMSG。随机产生变化的风速导致发电机输出不断变化的电流，经PWM整流器变为电压恒定的直流电，经直流稳压环节由电网逆变器将电能馈人电网。一本本本二一C一L卜_T_一MSG图I双PWM型风电系统拓扑结构风力机与永磁同步发电机相连，发电机定子连接机侧变流器，机侧变流器和网侧变流器均为IGBT反并联续流二极管的三相桥电路，中间通过直流环节相连，网侧变流器连接电网。电路中的PWM变流器分两种。电流测变流器用于控制发电机转速，使其跟随风速的变化而变化来追踪最佳风能，网侧变流器作用是稳定直流侧母线电压。并将发电机输出到直流侧的电能转换为频率和幅值与电网相同的交流电能馈入电网J。82电气开关2015NO33系统控制31机侧变流器控制机侧变换器负责控制PMSG输出的功率以实现最大风能跟踪控制。机侧变换器采用基于转子磁场定向的零D轴电流矢量控制。由于永磁同步电机不需要提供励磁电流，故将定子电流的合成矢量定向在永磁同步电机DQ旋转坐标系下的G轴上，定子电流全部用来产生电磁转矩，通过控制定子电流Q轴分量，控制永磁发电机输出的有功功率。使用转速、电流的双闭环的控制方式来实现，转速外环参考值由最大功率点跟踪控制算法给出，转速偏差经过PI调节后得到Q轴电流分量参考值，表达式为三KP1一D轴电流分量控制发电机输出的无功功率，而风电系统通常运行在单位功率因数状态，故将D轴电流参考值设为零，电流偏差通过PI调节后加上前馈补偿量得到调制电压DG参考值，表达式为DLDGDRID09GLIQLD【MQLGQRIQGD式中L为PMSG定子交、直轴电感。调制电压DQ轴参考值再经过坐标变换，采用空间矢量调制SPACEVECTORPLUSEWIDTHMODULATION，SVPWM产生触发脉冲，控制机侧变换器开关管通断。32网侧逆变器控制网侧变流器输出电压DQ坐标系下表达式为UADRIDTOGLID【MUGQIOGLID式中L、R为电抗器的电感、电阻11,、。为网侧电流的DQ轴分量；为电网电压角频率。网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制。将电网电压的合成矢量定向在DQ旋转坐标系的D轴上，控制电网电流的DG轴分量，实现有功、无功的解耦控制。网侧D轴电流参考值由直流环节电压偏差经PI调节后得到，G轴电流参考值由无功功率偏差经PI调节后得到，表达式为DCQQ电流偏差经PI调节加上前馈解耦控制补偿后，得到网侧变换器的调制电压DQ轴参考值，表达式为FU一TA一ID了KITOSLIA一TQKI一LI调制电压DQ轴参考值再经过坐标变换，坐标变换的角度通过软件锁相环SOFTPHASELOCKEDLOOP，SPLL获得，采用SVPWM产生触发脉冲，控制网侧变换器开关通断。4仿真与分析在上述基础上，在MATLABSIMULINK环境下搭建整个直驱风电系统的仿真模型，仿真参数设置为风电机组额定功率15MW，永磁同步发电机极对数36，额定电压690V，额定转速173RMIN；并网变换器开关频率2KHZ，直流环节电容68000PF，额定电压650V；电网额定电压690V，额定频率50IIZ，滤波电感2MH。给出了风机输出机械转矩固定值时直驱风电系统的部分仿真结果。图2转速外环图4直流环节电压图3转子转速图5并网电流Q轴分量5结论本文详细介绍了双PWM型风电系统的机侧变流下转第90页电气开关【2015NO3节新建线路图2原有线路表1基本PSO和CMCPSO的比较6结论本文提出的融合交叉变异和混沌的新型粒子群算法，引入了遗传算法和混沌算法的优化思想。在种群的每带进化过程中引人了交叉操作，显著地增加了种群的多样性，同时提高了种群进化速度。传统的粒子群算法在迭代后期粒子极易陷入停滞状态，本文提出的混合算法通过引入混沌扰动或变异操作，双重保障粒子足以跳出局部极小点，改善了粒子群优化算法摆脱局部极值点的能力，提高了算法全局搜索最优的能力。具体算例结果表明，该算法具有较高的运行效率和全局收敛能力，能够很好的求解大规模电网规划优化问题。参考文献1王锡凡电力系统优化规划M北京水利电力出版社，19902王秀丽，王锡凡遗传算法在输电系统规划中的应用J西安交通大学学报，1995，298；19，163王秀丽，李淑慧，陈皓勇，等基于J支配遗传算法及协同进化算法的多目标多区域电网规划J中国电机工程学报，2006，261211154刘方，颜伟，YUDC基于遗传算法和内点法的无功优化混合策略J中国电机工程学报，2005，251567725翟海保，程浩忠，吕干云，等基于模式记忆并行蚁群算法的输电网规划J中国电机工程学报200525917226郝晋，石立宝，周家启，等基于蚁群优化算法的机组最优投入J电网技术，2002，261127327孙薇，商伟，牛东晓改进蚁群优化算法在配电网网架规划中的应用J电网技术，2006，301585908候云鹤，熊信艮，昊耀武，等基于广义蚁群算法的电力系统经济负荷分配J中国电机工程学报，2003，23359649陈章潮，顾洁，孙纯军改进的混合模拟退火一遗传算法应用于电网规划J电力系统自动化，1999，231O283210谢敬东，唐国庆，吴新余进化规划在电网规划中的应用【J电力系统及其自动化学报，1998，102152011CLERCM，KENNEDYJTHEPARTICLESWARMEXPLOSIONSTABILITYANDCONVERGENEEINAMULTIDIMENSIONALCOMPLEXSPACEIEEETRANSEVOLUTIONARYCOMPUTE，2002，61587312SHIY，EBERHARTRCEMPIRICALSTUDYOFPARTICLESWARLNOPTIMIZATIONPROCEEDINGSOFTHEIEEECONGRESSOILEVOLUTIONARYCOMPUTATIONPISCATAWAY，NJIEEEPRESS，19991945195013RICHARDSM，VENTURADCHOOSINGASTARTINGCONFIGURATIONFORPARTICLESWALTIIOPTIMIZATIONPROCIEEEINTJOINTCONFNEURALNETW，20042309231214CHUNGTS，LIKK，CHENGJ，ETA1MULTIOBJECTIVETRANSMISSIONNETWORKPLANNINGBYAHYBRIDGAAPPROACHWITHFUZZYDECISIONAN山SISJELECTRICALPOWERANDENERGYSYSTEMSS00922051，2003，5218719215刘朝，祁荣宾，钱锋融合交叉变异和混沌的新型混合粒子群算法J化工学报，2010，611128612867收稿日期20140515作者简介高明1988一。男。本科，长期从事电力系统规划工作、电力系统设计工作；周浩1985一，男，本科长期从事电力系统变电运检工作。上接第82页器和网侧变流器的控制策略，通过MATLABSIMULINK仿真结果进一步证明该控制策略的有效性。从图中分析可知，控制策略能够实现跟踪，直流侧的稳定，Q轴电流稳定在0A，不过波动超调量大，需要进一步提高精度。参考文献1王文亮储能型永磁直驱风力发电系统并网运行控制研究D北京交通大学，20102郭林杰