并网型电励磁同步电机风力发电控制策略研究.pdf

第 5 期 2013 年 9 月 电源学报 journal of power supply no.5 sep.2013 龙世鹏袁周扬忠 渊福州大学电气工程与自动化学院袁福建 福州 350108冤 摘要院随着人们对新能源风能的关注袁风力发电系统(wegs)的研究早已成为热点遥 而电励磁同步发电机(eesg) 具有功率因数可调尧效率高等优点袁研究其在风力发电系统中的应用有重要意义遥 选用背靠背双 pwm 功率变换器 拓扑结构袁详细研究机侧和网侧控制策略遥 为实现机侧对外输出电磁功率的快速控制袁采用直接转矩控制(dtc)策 略曰为实现网侧直流母线电压快速平稳控制袁采用电网电压定向的矢量控制策略遥 并在以 tms320f2812dsp 为核心 的全数字控制系统下进行实验袁实验结果表明袁所设计系统工作可靠尧控制性能好遥 关键词院风力发电曰电励磁同步发电机(eesg)曰直接转矩控制(dtc)曰电网电压定向矢量控制 中图分类号院tm614, tm341文献标志码院a文章编号院2095-2805渊2013冤05-0081-06 收稿日期院2013-05-27 作者简介院龙世鹏渊1988-冤袁男袁湖北省荆州市人袁电力电子与电力传 动硕士研究生袁 研究方向为新能源发电系统袁e-mail:xi鄄 fan12099曰周扬忠(1971-)袁男袁江苏省淮安市人袁 博士袁副教授袁硕士生导师袁研究方向为现代调速系统尧新 能源发电系统袁e-mail:zhty_75313遥 随着能源枯竭和环境污染等问题的出现袁变速 恒频风力发电技术成为当今的研究热点遥 目前主流 风力发电机组有鼠笼式异步发电机 (scig) 风电系 统尧双馈感应发电机(dfig)风电系统和同步发电机 (sg)风电系统1遥 scig 风电系统具有效率低尧功率因 数难控制等缺点袁在小容量场合应用较多曰dfig 风 电系统具有控制复杂尧故障率高尧低电压穿越能力 有限等缺点袁 在大功率高转速场合维修量大大增 加遥 永磁同步发电机(pmsg)风电系统存在功率因数 特性差尧永磁体有失磁危险等缺点袁而电励磁同步 发电机(eesg)风电系统拥有功率因数可调尧过载能 力强尧转动惯量小尧弱磁区转矩特性好以及无失磁 风险等优点袁研究其在风力发电中的应用具有重要 意义遥 根据不同的发电机和拓扑电路有不同的控制 策略袁 机侧主要有矢量控制 (vc)尧 直接功率控制 (dpc)和直接转矩控制(dtc)袁网侧主要有矢量控制 和直接功率控制遥 20 世纪 80 年代由德国学者 m. depenbrock 和日本学者 i.takahashi 首先针对异步 电动机提出 dtc袁90 年代学者们提出同步电动机直 接转矩控制理论25袁由于 dtc 直接控制转矩袁控制 结构简单袁动态响应快袁若将其应用于发电领域袁可 以有效提高发电性能袁减小发电控制策略对电机参 数的依赖程度遥 文献6以 eesg 为对象采用气隙磁 场定向矢量控制研究其在风力发电中的应用曰文献 7 针对 pmsg 风电系统介绍了机侧矢量控制和网 侧 dpc 策略曰文献8以 pmsg 为对象详细研究了机 侧最大功率跟踪(mppt)与 dtc 相结合的控制策略 和网侧 dpc 的控制策略遥 本文致力于电励磁同步发电机变速恒频风力 发电控制策略(机侧尧网侧)研究袁系统功率部分拓扑 为背靠背双 pwm 结构遥 本文设计的整个风力发电系统结构框图如图 1 所示遥 控制部分包括两方面院发电机侧输出电功率 控制曰网侧直流母线电压控制遥 由于篇幅受限袁发电 机转子励磁电流控制将在以后相继论文中单独讨 论遥 其中 棕r为发电机转子机械角速度袁ua尧ub尧uc分 别为发电机定子三相电压袁ia尧ib分别为发电机定子 a尧b 相绕组电流袁udc为直流母线电压袁uga尧ugb尧ugc分 别为网侧变换器输出三相电压袁iga尧igb尧igc分别为并 网三相电流袁ega尧egb尧egc分别为电网三相电压袁c 为直 电源学报电源学报总第 49 期 流母线电容袁l 为网侧滤波器电感遥 发电机对外输出的电磁功率 pe如下院 pe=te窑 棕r渊1冤 从式(1)可知袁在一定的转子角速度 棕r情况下袁 快速控制电磁转矩 te即可快速控制发电机对外输 出功率遥 本文采用直接转矩控制策略袁以期实现发 电机电磁功率的快速控制遥 一般电励磁同步发电机转子上具有阻尼绕组袁 当发电机处于稳态运行时袁 阻尼绕组中没有电流曰 当发电机处于动态过渡过程时袁 阻尼绕组感应电 流袁阻碍气隙磁场的变化遥 定义定子磁链矢量 追s与 气隙磁链矢量 追m夹角为 啄sm袁即为转矩角袁则发电机 产生的电磁转矩如下院 te= 3 2ls滓 pn追m伊追s= 3 2ls滓 pn|追m|追s|啄sm渊2冤 式中院ls滓为定子绕组漏感曰pn为磁极对数遥由于 阻尼绕组作用袁使得气隙磁链为一个大惯性变量(时 间常数一般大于 10 ms)袁在几个控制周期(滋s 级)内袁 完全可以认为 追m基本不变遥 这样通过控制 追s的快 速旋转袁进而控制 啄sm即可快速控制电磁转矩 te遥 定义逆时针旋转为正方向袁以定子磁链所在第 一扇区 兹1为例遥 发电机侧 pwm 变换器在发电机定 子端部产生电压矢量及其对定子磁链和电磁转矩 的控制效果如图 2 所示遥 u0u7为 pwm 变换器输出 电压矢量袁 以相邻矢量夹角中心线为分界袁 定义 6 个扇区 兹1兹6遥 直角坐标系 琢茁 的 琢 轴与电压矢量 u4 重合袁兹s为定子磁链矢量 追s与 琢 轴的夹角遥 用符号 野尹冶和野引冶分别表示变量增大和减小遥 每一扇区中 均可找到 4 个非零矢量及 2 个零矢量对定子磁链 幅值|追s|及电磁转矩 te进行控制遥例如 兹1中袁u2作用 使 te增大尧|追s|减小曰u6作用使 te增大尧|追s|增大曰u1 作用使 te减小尧|追s|减小曰u5作用使 te减小尧|追s|增 大遥 u0或 u7作用使 te缓慢减小尧|追s|基本不变遥 图 2 发电机端部电压矢量图 定子磁链和电磁转矩采用滞环比较器袁对应输 入-输出定义如下院 渊3冤 渊4冤 式中院|追s*|和 te*分别为定子磁链给定值和电磁 转矩给定值曰驻te为允许的电磁转矩控制误差带曰 和 子 分别为定子磁链和电磁转矩滞环比较器的输 出变量遥 结合滞环比较器判断出的定子磁链和电磁转 矩的变化趋势袁分析各个扇区中电压矢量对定子磁 图 1 风力发电系统结构框图 82 链幅值及电磁转矩的控制袁给出最优开关矢量表如 表 1 所示遥 定子磁链观测器采用一阶惯性环节电压模型袁 输入-输出传递函数 g(s)如下院 g(s)= 1 s+2仔fc 渊5冤 其中 fc为截止频率袁为了有效抑制电压及电流 采样中的直流偏置袁同时又能满足发电系统变速范 围袁综合考虑取 5 hz遥 根据上述机侧功率控制策略的分析袁给出其对 应的控制结构框图如图 3 所示遥 由最大功率跟踪模 块(mppt)给出电磁转矩给定 t*e遥 网侧控制目标是在直流母线电压控制为定值 情况下调节电压和频率实现并网遥 本文采用电网电 压定向矢量控制策略袁 网侧坐标系定义如图 4 所 示袁eg为网侧电压矢量袁ig为网侧电流矢量袁ug为网 侧变换器输出电压矢量袁abc 为三相电网静止坐标 系袁琢茁 为两相静止坐标系袁dq 为定向于电网电压 eg 的同步旋转坐标系袁棕 为电网电频率袁兹g为电角度遥 对应矢量在 琢茁 轴和 dq 轴上的投影分别用下标野琢冶 野茁冶和野d冶野q冶标注遥 图4 网侧坐标系 网侧变换器输出通过滤波电感 l 与电网连接袁 借助于坐标的旋转变换可以推导出 dq 旋转坐标系 下的电感支路电压方程结果为院 egd=ugd-rgigd-ldigd/dt+棕ligq渊6冤 egq=ugq-rgigq-ldigq/dt-棕ligd渊7冤 其中袁rg尧l 分别为滤波器电阻和电感遥 由电网电压定向得 egd=|eg|袁egq=0袁所以流进电网 的瞬时有功功率 p和瞬时无功功率 q 分别如下院 p=1.5(egdigd+egdigq)=1.5|eg|igd渊8冤 q=1.5(egdigq+egqigd)=1.5|eg|igq渊9冤 子兹1兹2兹3兹4兹5兹6 -1u6u2u3u1u5u4 0u7u0u7u0u7u0 1u5u4u6u2u3u1 1 -1u2u3u1u5u4u6 0u0u7u0u7u0u7 1u1u5u4u6u2u3 0 表 1 eesg-dtc 最优开关矢量表 图 3 机侧系统控制结构框图图 5 网侧系统控制结构框图 龙世鹏袁等院并网型电励磁同步电机风力发电控制策略研究第 5 期83 电源学报电源学报总第 49 期 根据式(8)尧(9)可见袁流进电网的瞬时有功功率 和瞬时无功功率可以分别通过电网直轴电流 igd和 电网交轴电流 igq来控制遥 根据上述网侧控制策略的分析袁 构建网侧 pwm 变换器控制结构框图如图 5 所示遥 采用 dq 轴 并网电流内环 pi 控制器调节电网电流袁采用直流母 线电压 udc外环 pi 控制器维持直流母线电压恒定遥 为了解决在 dq 坐标系下由输出滤波器 l 带来的耦 合影响袁在控制中分别加入了前馈补偿项遥 实验中采用的电励磁同步发电机参数如表 2 所示遥 系统控制周期 60 滋s遥 表 2 电励磁同步发电机参数 由空气动力学特征可知风力机的输出机械功 率 pm为院 pm=0.5籽scpv3渊10冤 式中院籽 为空气密度曰s 为风力机叶片横扫面 积曰v 为风速曰cp为风能利用系数遥 定义叶尖速比 姿 为院 姿=(棕rr)/v渊11冤 式中院r 为风力机叶片半径遥 并将式(11)代入式 (10)得院 pm=0.5籽scp(棕rr)/姿)3渊12冤 当 cp为最大值 cpmax时风力机输出机械功率 pm 达到最大值 pm-opt袁不同风速时风力机输出机械功率 pm与机械角速度 棕r关系曲线如图 6 所示遥 图 6 风力机功率特征曲线 实验中采用功率尧转速尧电流三闭环控制的直 流电动机来模拟风力机袁对应的控制结构框图如图 7 所示遥 根据外界风速 v 及机械角速度 棕r袁 查图 6 曲线得风力机输出机械功率给定值 pm*袁然后利用三 闭环结构实现实际机械功率 pm跟踪其给定值袁以达 到模拟风力机的目的遥 额定电压/v400励磁电压/v70 额定电流/a5.4励磁电流/a3 额定转速/r 窑 min1500额定功率/kw1.5 直轴电感/mh221定子电阻/赘4 交轴电感/mh161极对数2 图 7 风力机模拟系统控制结构框图 利用 tms320lf2812dsp 全数字控制平台袁采 用 c 语言编写软件对所设计系统进行实验研究遥 电 励磁同步发电机励磁电流控制为 1.5 a遥 其中机侧 定子磁链给定|追s*|为 0.45 wb袁 转矩误差带 驻te为 0.000 05 n.m袁直流母线电压控制为 270 v袁网侧直 流母线电压外环尧d 轴电流内环尧q 轴电流内环比例 系数分别为院0.01袁65袁45袁积分系数分别为院4袁13.33袁5遥 文章并以机侧传统矢量控制策略实验与本文控制 策略实验作比较袁传统控制策略采用 d 轴给定电流 为零的三相电流滞环控制策略遥 当网侧 q 轴电流为 0 时袁发电机输出电磁功率 并网稳态实验波形如图 8 所示遥 与传统方法比较袁 从实验结果可见院发电机功率输出更加稳定袁波动 更小袁直流母线电压为 270 v袁电网电流波形正弦度 84 良好袁且与电网电压基本同相位遥 当网侧 q 轴电流为 0 时袁发电机电磁转矩由-1 n.m 阶跃到-5 n.m 时的动态实验波形如图 9 所示遥 与传统方法比较袁从实验结果可见院渊1冤传统方法发 电机输出电磁功率 1 200 ms 才能达到稳定曰而本文 控制策略发电机输出电磁功率响应迅速且能瞬间 达到稳定曰渊2冤阶跃瞬间袁直流母线电压尧电网电流 有轻微震荡袁且震荡时间更短袁能更快达到稳态值袁 动态效果好曰渊3冤并网电流尧并网电压始终保持近似 同相位遥 当网侧 q 轴电流不同(4 a袁-4 a)时网侧实验波 形如图 10 所示遥 从实验结果可见院通过控制网侧 q 轴电流袁可以灵活且稳定控制网侧功率因数遥 (a) q 轴电流为 4a (b) q 轴电流为-4a 图 10 网侧功率因数实验波形 本文针对并网型电励磁同步电机风力发电控 制策略进行详细研究袁 并采用以 tms320lf2812 为 核心的全数字系统进行实验验证遥 实验结果表明院 渊1冤机侧采用直接转矩控制来对电励磁同步发 电机的定子磁链和电磁转矩快速直接控制袁实现了 发电机电磁功率更加快速而平稳的控制袁对风力发 电中时刻变化的随机风有更快的响应和更稳定的 功率调整曰 渊2冤网侧采用电网电压定向矢量控制袁在保证 (a) 传统矢量控制 (b) 直接转矩控制 图 8 稳态实验波形 (a) 传统矢量控制 (b) 直接转矩控制 图 9 动态实验波形 龙世鹏袁等院并网型电励磁同步电机风力发电控制策略研究第 5 期85 电源学报电源学报总第 49 期 了直流母线电压控制为 270 v 情况下袁同时实现了 并网的快速而平稳控制遥 本文机侧和网侧控制策略的研究为并网型电 励磁同步电机风力发电系统的深入研究奠定了重 要基础遥 参考文献院 1 牟迈. 风力发电机市场品牌集中度趋高,质量稳定性仍待 提升j. 风能, 2011渊5冤院42-44. 2 m depenbrock. direct self-control(dsc) of inverter-fed induction machinej. ieee transactions on power electron鄄 ics, 1988, 3(4): 420-429. 3 l zhong, m f rahman, w y hu, et al. analysis of direct torque control in permanent magnet syn chronous motor drivesj. ieee transaction on power electronics, 1997, 12 (3): 528-535. 4 pyrhonen o. analysis and control of excitation, field weak鄄 ening and 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china) abstract院 with the concern of the new energy, the wind energy generation system(wegs) has been became a hot theme. electrically excited synchronous generator(eesg) has many merits, such as adjustable power factor, high efficiency etc, so it is very significant to res