基于3＋kW双馈风力发电机组双变流器仿真研究.pdf

基金项目:内蒙古自治区自然科学基金(2011MS0917) 收稿日期:2013-09-02 摇 摇 第 31 卷摇 第 5 期计摇 算摇 机摇 仿摇 真2014 年 5 月摇 摇 文章编号:1006-9348(2014)05-0111-05 基于 3kW 双馈风力发电机组双变流器仿真研究 李摇 洁,张玉杰,张摇 飞 (内蒙古科技大学信息工程学院,内蒙古 包头 014010) 摘要:针对解决中小型风机并网供电问题,由于系统存在谐波污染,提出了对双 PWM 变流器控制策略的研究。 以双馈风力 发电机的双 PWM 变流器为研究对象,建立了包括风力机,双馈感应发电机,定子磁链定向(SFO)的矢量控制策略,转子侧电 压定向矢量控制策略,最大风能捕获策略的整体数学模型:应用 matlab/ Simulink 工具,搭建双馈发电机组仿真数学模型,并 且建立两次阶跃风速对所建模型并网后运行特性进行了动态仿真研究,实现最大风能捕获和功率解耦控制,双馈感应发电 机在快速跟随风速变化情况下实现可靠并网,仿真结果表明,所建双 PWM 变流器较好的输入输出特性,验证了模型的正确 性。 关键词:双馈风力发电机组;双变流器;矢量控制;动态仿真 中图分类号:TM743摇 摇 文献标识码:B Research of Based on 3kw Double-Fed Wind Power Generation Group of Dual Converter Simulation LI Jie,ZHANG Yu-jie,ZHANG Fei (Information Engineering College of Inner Mongolia University of Technology, Baotou Inner Mongoliab 014010, China) ABSTRACT:In order to solve the problem of small wind turbine grid, this paper proposed a dual PWM converter control strategy. Targeting the dual PWM inverter of Double-fed induction generator, this paper established an overall mathematical model composed of wind turbine, double-fed induction generator, stator flux orientation vector control tactics, the rotor side voltage oriented vector control strategy, and maximum power point tracking tactics. By applying the Matlab/ Simulink tools to build double-fed generator simulation mathematical model, and taking two step-up wind speeds examples, simulation studies were made on the dynamic characteristics of the mode with the grid connected. The model realized the maximum power point tracking and decouplink control of power, and doubly fed induction gen鄄 erator wind speed in the case of fast follower to achieve reliable grid. The simulation studies show that the model of dual PWM converter has better input and output characteristics, which verifies the correctness of the method. KEYWORDS:Double-fed wind turbine; Dual converter; Vector control; Dynamic Simulation 1摇 引言 风能作为清洁、绿色能源,如何将风能安全的送入电网 仍是当今的难点。 为了防止产生谐波污染和优良的发电质 量变换器应有较好的输入输出特性,目前做为异步电机交流 励磁电源的变换器选用交直流。 双馈风力发电机(doubly- fed induction generator, DFIG)定子直接接入电网,转子通过 双向变频器与电网连接。 DFIG 系统交流励磁变流器是由两 个背靠背的 PWM 变流器组成的,由网侧和转子侧变流器通 过滤波电容连接构成,滤波电容作为发电机的转子侧的励磁 电源,是整个变速恒频风力发电机系统的核心部件,其控制 策略关系到整个发电系统的优劣性能。 这种结构不但能提 高风能利用率、降低整机成本,还可以实现有功和无功的灵 活控制,在 DFIG 的双向变流器研究方面做出奠定了基础。 2摇 双馈风力发电机组模型 2. 1摇 风力机和传动部分模型 目前异步电机结构如图 1 所示。 风力机的机械功率 Tw和风速 Vw关系,由空气动力学式 可知: Tw= 籽仔R2Cp(茁,姿)Vw 3 2 (1) 姿 = 2仔Rn Vw = 棕wR Vw (2) 其中:籽 为空气密度 kg/ m3;R 为风力机叶片半径 m;茁 为叶片 111 图 1摇 双馈感应发电机组结构 的桨距角;姿 为叶尖速比;Cp是与 茁 和 姿 相关的风能利用系 数;n 风轮转速 r/ s;棕w为风力机的转动角速度 rad/ s; Cp由厂家提供,经验式: Cp(茁,姿) = (0.44 - 0.167茁)sin仔(姿 - 3) 15 - 0.3茁 - 0.00184(姿 - 3)茁 (3) 1 姿i = 1 姿 - 0. 08茁 - 0. 035 茁3+ 1 (4) 如下图 2 所示,风能利用系数 - 桨距角(Cp- 茁) 不同桨 距角 茁 下风力机的 Cp曲线可知,在给定的叶尖速比 姿,不同 的桨距角对应的风能利用系数相差较大,且只有一个固定的 最佳风力机的风能利用系数Cp随桨距角茁的减小而增大;由 式(3) 知,在不同的桨距角 茁 下,只有保持最佳的叶尖速比在 最大风能利用系数下运行。 由式(2) 知,对于不同的风速 Vw,需要控制风力机的转速 棕w来使其运行最佳叶尖速比 姿opt 下,才能保证最大风能捕获。 图 2摇 Cp - 姿 曲线 从轮毂到发电机转子之间的机械传动部分在硬度和阻 尼系数被忽略时,可用一质量块的使用模型来描述,如下: Tgen- Tw= Jd d赘gen dt (5) Tgen发电机转矩;Tw风轮的等效转矩;Jd等效转动惯量; 赘gen转子机械角速度。 2. 2摇最大风能捕获 本文采用是一种通过 DFIG 功率控制来实现最大风能捕 获方法,通过控制 DFIG 输出有功功率来控制 DFIG 的电磁转 矩,从而间接地控制机组的转速。 为实现最大风能捕获,应 依据风力机最佳功率曲线和风力机转速计算 DFIG 的有功参 考值。 在以固定风速 V 下,随着风力机机械角速度 棕w的变化, 风能利用系数 Cp 的值也会相应的变化,从而使风力机输出 机械功率 P 变化。 P = 1 2 籽仔R2Cp(茁,姿)V3 wind (6) 知: P = 1 2 籽仔R5Cp(茁,姿) 姿3 棕3 w (7) 不同的风速对应不同的功率 P 与风力机机械角速度 棕w 曲线,曲线为最佳叶尖速比 姿 时达到最大值,把所有最大值 连接起来为最大功率曲线。 Pmax= 1 2 籽仔R5Cpmax(茁,姿) 姿3 棕3 w (8) 由式(1)(2)(3)(8) 搭建风机模型。 2. 3摇双馈感应发电机数学模型 双馈型风力发电机是一个高阶非线性、强耦合的多变量 系统,在建立数学模型时,定子侧采用发电机管理,定子电流 流出为正,转子侧采用电动机管理,转子电流以流入为正。 定子绕组 d - q 旋转电压方程: usd= - Rsisd+ 棕1鬃sq- p鬃sq usq= - Rsisq- p鬃sq- 棕1鬃 sd (9) 转子绕组 d - q 旋转电压方程: urd= Rrird+ p鬃rd- 棕s鬃rq urq= Rrirq+ p鬃rq+ 棕s鬃 rd (10) 式中 usd,usq,urd,urq分别表示定子转子电压的 d、q 分量;isd, isq,ird,irq为定子转子电流 d、q 分量;棕s= 棕1- 棕r为 d、q 坐标 系相对于转子的角速度。 磁链方程: 鬃sd= - Lsisd+ Lmird 鬃sq= - Lsisq+ Lmirq 鬃rd= Lrird- Lmisd 鬃rq= Lrirq- Lmi sq (11) 其中式中:鬃sd,鬃sq,鬃rd,鬃rq分别为定转子磁链的d、q轴分 量;Ls为d - q坐标系下定子绕组的自感;Lr为d - q坐标系下 转子绕组的自感;Lm为 d - q 坐标系下同轴定、转子绕组的等 效互感; 转矩方程: Te= 3 2 np(鬃sdisq- 鬃sqisd) = 3 2 npLm(isqird- isdirq)(12) 式中:Te为电磁转矩;np为电机极对数; 功率方程: Ps= 3 2 (usdisd+ usqisd) Qs= 3 2 (usqisd- usdisq) Pr= 3 2 (urqird+ urqirq) Qr= 3 2 (urqird- urdirq ) (13) 211 式中:Ps,Qs,分别为从定子输出的有功和无功;Pr,Qr为输入 到转子的有功和无功。 3摇双 PWM 变流器数学模型建立 双馈异步风力发电系统交流励磁变换器是由两个背靠 背的 PWM(脉宽调制) 变换器组成的双 PWM 型变换器,结 构图如图 3 所示,双 PWM 变换器由网侧变换器和转子侧变 换器通过滤波储能电感和直流母线连接构成,并作为双馈异 步发电机转子励磁电源,由于都采用 PWM 调制方式因此变 流器能实现四象限运行,即能实现能量的双向流动;两个变 换器相互独立,通过相对独立的控制系统完成各自的功能, 网侧变流器功能使保持直流母线电压稳定,确保系统的良好 的动态响应能力以及网侧输入电流为正弦和实现单位功率 运行;转子侧变换器的主要功能使通过 DFIG 定子磁链定向 矢量控制,确保 DFIG 输出解耦的有功功率和无功功率,本文 采用的 SVPWM 调制完成。 图 3摇双 PWM 变流器主电路结构图 网侧 PWM 变流器的数学模型: 双馈风力发电机系统中,网侧 PWM 变流器通常采用三 相电压源 PWM 变流器的拓扑结构。 如图 3 所示,经过 park 变换 dq 坐标系的数学模型: Lf diq dt - 棕sLfid+ Rfid= eq- sqvdc Lf did dt + 棕sLfiq+ Rfid= ed- sdvdc Cf dVdc dt = 3 2 (iqsq+ idsd) - i load (14) 式中:eq,ed分别是电网 dq 电压分量;Lf为 PWM 变流器交流 侧滤波电感;Cf为 PWM 变流器交流侧滤波电容;sd,sq在 dq 轴上 IGBT 开关函数;vdc为直流母线的电压;iload:负载上的电 流。 4摇矢量控制策略分析 矢量控制理论由德国的F. Blaschke于1971 年提出,矢量 控制技术的应用使得交流调速真正或得了如同直流调速同 样优良的理想性能。 它通过电机统一理论和坐标变换理论, 把交流电动机的定子电流分解成磁场定向旋转坐标系中的 励磁分量和与之垂直的转矩分量,分解后的定子电流励磁分 量和转矩分量不再具有耦合关系,对它们分别控制,就能实 现交流电动机磁通和转矩的解耦控制,使交流电动机得到可 以和直流电动机相媲美控制性能。 4. 1摇网侧变流器原理及控制策略设计 DFIG 定子绕组直接连接在无穷大电网上,可以近似人 认为电压幅值、频率都是恒定的,对输入电流实施快速有限 的控制也就能有效地控制能量流动的速度和大小。 本文网 侧变流器的控制采用电压定向矢量控制:1) 保证直流母线电 压不变且有良好的动态响应能力;2) 确保输入变流器电流为 正弦电流,功率因数接近 1。 矢量控制原理图如图 4 所示。 图 4摇电网电压定向三相电压型 PWM 变流器的矢量控制原理图 如图 4 可知整个网侧变流器的控制系统是一个双闭环 控制器,外环是电压环,内环为电流环,直流母线采集的电压 Udc与给定的电压做比较后进入 PI 调解,输出 I*d。 i*q 与 功率因数有关,分别和反馈的 id,iq做比较后进入 PI 调解器 输出 u*d、u*q,与补偿项和电网扰动前补偿项比较运算后 得变流器的控制电压 u*ar 和 u*Br,采用 SVPWM 调制产生 的驱动信号控制网侧变流器。 电压定向时,假设定子电压矢量与 d 轴方向一致。 ud= us uq= 0 (15) 设变流器交流侧电压为: udr= sdudc uqr= squ dc (16) 由式(14) 可改写为: Lf diq dt = - Rid+ 棕1Liq+ ud- udr Lf did dt = - Riq- 棕1Lid+ uq- u qr (17) 上式可知,d、q 轴上的电流并没有完全的解耦令: udr= L did dt + Rid uqr= L did dt + Ri q (18) 驻udr= 棕1Liqud 驻uqr= 棕1Li d (19) 则式(15)(17) 改写为 udr= - udr+ 驻udr+ us uqr= - uqr- 驻u qr (20) 311 两相坐标系下网侧 PWM 变换器现对于电网的有功功率 和无功功率分别: P = 3 2 (udid+ uqiq) = 3 2 usid Q = 3 2 (uqid+ udiq) = 3 2 usi q (21) 有上式(21),P 大于零表示电网变流器工作在整流状 态,从电网吸收能量;P 小于零表示变流器工作你变状态,能 量从直流侧返回交流电网。 4. 2摇机侧变流器原理及控制策略 转子侧变流器结构与网侧变流器的结构完全一致,其区 别就在于控制方式的不同,本文的转子侧采用定子磁链定向 矢量控制。 转子侧 PWM 变换器的主要功能是在转子侧实现 双馈发电机的矢量控制,使有功功率和无功功率独立调节; 实现最大风能捕获。 转子侧 PWM 变换器的控制方案应以控 制对象双馈发电机的运行特性来指定。 控制框图如图 5 所 示。 图 5摇定子磁链定向控制策略框图 忽略发电机定子绕组,定子磁链定向时,将旋转坐标系 d 轴定向在定子磁链方向, 鬃ds= 鬃1 鬃qs= 0 (22) 图 6摇定子磁场定向坐标变换 忽略定子电阻,可: udr= pidr(Lr- L2 m Ls ) - 棕siqr(Lr- L2 m Ls ) + RrIdr uqr= piqr(Lr- L2 m Ls ) + 棕s Lm Ls棕1u1 + (Lr- L2 m Ls )idr + Rri qr (23) 可知转子电压电流并未完全解耦,令: udr= pidr(Lr- L2 m Ls ) + R2idr uqr= piq2(Lr- L2 m Ls ) + R2i qr (24) 驻udr= - 棕siqr(Lr- L2 m Ls ) 驻uqr= 棕sLmu1 L1棕1 + (Lr- L2 m Ls )id2 (25) 式(21) 实现转子电压电流的解耦项;式(22) 消除转子 电压电流交叉耦合的补偿项。 定子侧的功率方程为: Ps= 3 2 Lm Ls u1iqr Qs= 3 2 ( Lm Ls u1iqr- u2 1 Ls棕1 ) (26) 有式(26) 可知,通过控制转子 q 轴电流可以控制定子绕 组有功输出,同样控制转子 d 轴电流可以控制定子绕组的无 功输出。 通过上面网侧和转子侧变流器的矢量控制,可以实现有 功无功的解耦控制。 5摇 整体控制系统仿真研究 5. 1摇 仿真系统图 如图 7,在 matlab/ simulink 仿真平台下建立双馈风力发 电系统如下图所示,图中将双馈电机的定子侧直接接入电 网,转子端通过交直交变流器和滤波电路接入电网,Tm 接风 力机转矩系统框图。 图 7摇 整体仿真系统框图 5. 2摇 整体仿真分析 双馈电机:额定功率 3 kW ;额定电压 380V,额定频率 50Hz;两对级;定子电阻 0. 435赘 ,定子漏感 2mH;转子电阻 0. 816 赘,转子漏感 2mH(以归算到定子侧);互感 69. 31mH; 转动惯量 0. 0892kg/ m2;风机类型为水平轴,上风向;额定功 率为 3kW;风轮半径 2. 15m;齿轮箱传动比为 6. 254;空气密 度为 1. 225kg/ m3;最大风能利用系数 0. 4; 411 本文中仿真时间设置 1. 5s,搭建两阶阶跃风速,在 7m/ s 风速为额定风速,在 0. 5s 之前风机运行在亚同步状态,0. 5s 时风速突然从 6. 5m/ s 跳转到 7m/ s 使 DFIG 运行在同步状 态,第 0. 6s 突然跳转到 8m/ s 双馈发电机运行在超同步速状 态,运行到 1s 风速再此恢复使 DFIG 运行在同步速状态,1. 2s 后改变风速使其运行在亚同步状态。 给定初始转速电机转速运行在 1400rpm,当风速发生突 变,电机的转子转速跟随风速的变化而变化,很快的趋于稳 定状态,实现最大的风能捕获。 如下图 8 所示转速跟随给定 转速的动态过程。 图 8摇 电机输出转矩 下图 9 是直流母线电压波形,从图中可以看到,在系统 从亚同步状态到超同步状态变化时,母线电压出现了小幅波 动,但是电压很快又稳定。 所以无论风机运行在那一种状 态,母线的电压能很好的保持稳定。 图 9摇 直流母线电压波形 图 10 是电机工作在亚同步状态、同步状态和超同步状 态时转子电流波形,0. 5s 前 DFIG 工作在亚同步状态转速为 1400rpm;0. 5s - 0. 6s DFIG 工 作 在 同 步 状 态 转 速 为 1500rpm; 0. 6s -1s 电机工作在超同步状态。 从图中可以看 到电流的相位发生了换向。 图 11 为电机定子输出的电压电 流,图中可以看到电机运行在任何状态电流的频率和相位始 终不变,从而实现了双馈电机的变