变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究.pdf

第2 5 卷第8 期 2 0 0 5 年4 月 中国电机工程学报 P r o c e e d i n g so fm eC S E E V 0 1 2 5N o 8A p r 2 0 0 5 2 0 0 5C h i n S o c f o rE l e c E n g 文章编号 0 2 5 8 8 0 1 3 2 0 0 5 0 8 0 0 9 0 0 5中图分类号 1 M 6 1 4文献标识码 A学科分类号 4 7 0 4 0 变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究 苑国锋 柴建云 李永东 清华大学电机系 北京市海淀区1 0 0 0 8 4 S T U D YO NE X C I T A T I o NC O N V E R T E Ro F V A R I A B L ES P E E DC o N S T A N T F R E Q U E N C YW I N DG E N E R A T I o NS Y S T E M Y U A N G u o f e n g C H A IJ i a n y u n L IY o n g d o n g D 印t o fE l e c t r i c a lE n g i n e e d n g T s i n g h u aU n i v e r s 埘 H a i d i a I lD i s t r i c t B e i j i n g1 0 0 0 8 4 C h i n a A B S I R A C I Ad o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e m t o rw i n dp o w e r s y s t e mc o n 仃o l l e d b yT M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A a I l dr I M S 3 2 0 V C 3 3w a s d e V e l o p e d B a s e do nm ea I l a l y s i so fc o n t m ls t r a t e g yo ft l l e s y s t e m m i sp a p e ru s e dr e s p e c t i V e l yV o l t a g eo r i e n t e da l l ds t a l D r n u xo r i e n t e dv e c t o fc o n D l i ng r i ds i d ea I l dr o t o rs i d eo fm e c o n V e r t e r S o m ec o n t r o lm e t h o d s s u c ha sV a d a b l es p e e d c o n s t a I l tf r e q u e n c y V S C F t e c h n o l o g y s y n c h r o n i z i n gc o n 仃0 l a r es m d i e de x p e r i r r l e n t a l l y E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wm a ts o f t s y n c h m n i z i n gc 锄b ei m p l e r n e n t e dw h e nm eg e n e r a t o rs p e e di s w i m i nt t l ep e 衄i t t e dr a J l g e 柚da c t i v e r e a c t i v ep o w e fc a I lb e r e g u l a t e di n d e p e n d e n t l y A n dm es y s t e mc a nb ea p p l i e d t ow i n d p o w e rg e n e m t i o ns y s t e mw i mm e g a w a sl e V e lr a t e dp o w e r K E YW o R D S E l e c t r i cm a c h i n e r y W i n dg e n e m t i o n B a c k t o b a c kc o n v e r t e r V S C F 摘要 研制了一套基于T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 和1 M s 3 2 0v C 3 3 双 D S P 的风力发电系统 在分析了该系统控制方法的基础上 建立了交直交变频器网侧电压定向以及转予侧定子磁场定 向的矢量控制系统模型 对系统的变速恒频控制 并网控制 技术进行了实验研究 结果表明 该系统能够在发电机允许 的速度范围内实现软并网 输入输出有功 无功功率可以独 立调节 适合于兆瓦级风力发电系统 关键词 电机 风力发电 交直交变频器 变速恒频 r 1 引言 风能是一种非常具有开发潜力的可再生能源 近年来风力发电技术已经得到了各国学者的广泛关 注和重视 风力发电技术中的变速恒频发电方式 是目前风力发电技术的发展方向 2 双馈风力发电 系统是一种较合适的变速恒频方案 34 1 其发电机的 定子绕组接入工频电网 通过改变转子绕组供电电 源的频率 幅值 相位 相序来实现变速恒频控制 由于该方案的变频器只传递转差功率 所以其容量 可以大大降低 目前 双馈变速恒频风力发电系统所用变频装 置通常有交交变频器 5 曲 或交直交变频器 7 培J 交交 变频器输出电压谐波多 输入侧功率因数低 使用 功率元件数量多 目前已经被电压型交直交变频器 所替代 近年来也有文献对矩阵变换器应用在双馈 风力发电系统中进行研究 9 10 1 但是由于矩阵变换 器使用的器件数目较交直交变频器多 器件承受的 耐压高 并且其输入输出控制不解耦 这些缺点在 一定程度上限制了其在风力发电中的应用 本文根据风力发电的特点研制了一套基于双 D S P 的电压型交直交双馈风力发电系统 该系统的 变频器网侧采用电压定向的矢量控制 变频器转子 侧则采用定子磁场定向的矢量控制 实验结果表明 该系统具有功率双向流动的能力 其输入输出功率 因数可以独立调节 具有较小的输入输出谐波 并 且可以宽范围运行 能够实现风能以及其他不稳定 能源的高质量发电 2 系统构成 基于双D S P 的电压型交直交双馈风力发电系 统框图如图1 所示 整个系统由双馈发电机 电压 型交直交双向P w M 变频器 双D S P 控制器 并网 保护装置以及虚拟变速风机5 个部分构成 系统中的双馈发电机是一台绕线式异步发电 机 电压型交直交双P w M 变频器则由两个背靠背 三相整流 逆变器组成 二者之间由带有电容支撑的 直流母线连接 其中的功率器件采用I P M 模块 该 变频器的一侧通过三相电感接入电网 另一侧则通 万方数据 第8 期苑国锋等 变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究 9 l 过滑环和电刷接入双馈发电机的转子绕组 并网保 护装置包括转子接触器和定子接触器两个部分 正 常运行时定子并网接触器接受来自控制器发出的并 网或者解列信号正常并网解列 如果双馈发电机组 的线路或机端发生线问或对地短路以及因转速过高 或过低造成发电机转子过压等故障时 则需要采取 保护措施 强制发电机脱离电网 保护过程中 首 先通过控制器发出解列信号断开定子侧的并网接触 器 并同时封锁转子励磁变频器的P w M 输出信号 在经一段时间衰减延时后 再发出断开转子接触器 的信号 系统中虚拟的变速风轮由一台直流电机和 S I E M E N S 公司的S v I O R E G 可控硅直流调速系统 构成 近年来 数字信号处理器 D s P 在各种电力电子 设备中得到了越来越广泛地应用 为了实现高性能 变速恒频风力发电的矢量控制 高性能的控制器是 必需的 本实验系统采用T I 公司T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A 定点D S P 和T M S 3 2 0 v C 3 3 浮点D S P 构成控制核心 其中L F 2 4 0 7 A 主要负责与外设之间的数据交换 P w M 信号以及并网解列信号的生成 V C 3 3 主要用 于核心算法的实现 双D S P 处理器之间的数据共 享 时序配合由双口R A M 通过中断来完成 这样可 以保证控制的实时性 另外 双D S P 控制板还采用 c P L D 作为程序存储器 数据存储器以及I O 空间 的地址译码和读写控制 图1 双馈异步风力发电系统框图 F i g 1S c h e m a t i co fd o u b l yf b di d u c t i o ng 蛐e r a t o rw i n d p o w e rs y s t e m 3 双馈电机矢量控制 3 1 双馈电机矢量控制原理 当把同步旋转坐标系的d 轴放在定子磁场上 定子和转子侧都取电动机惯例时 双馈发电机的数 学模型为 1 1 1 2 u s d2 R s s d D l s d 一 s y s q 明2R D 鸭 r d2 碍如 D 一悠f 1 2 3 r 鼋2 耳k D 啦f 虮d t 也 k f r d k k 虬 ts q 一L m L 3 r q 磁 t k 鸣 2 鸣f w 瓦 一以焉 t f f 4 5 6 7 8 9 式中H 咖 州 耐 z l 川分别为定转子d g 轴电压 如 k 分别为定转子d q 轴电流 织d 织 分别为定转子d 口轴磁链 虮为定 子磁链卜咫 厶分别为定子的电阻和自感 B 厶 分别为转子的电阻和自感 厶为定 转子间的互感 o 为定子广义励磁电流 盯 1 一焉 k 0 为漏磁系 数 戤为同步角速度 蛾 为滑差角速度 以为电 机极对数 D 为微分算子 发电机正常运行时 定子电阻上的压降相对于 电网电压而言很小 可以忽略不计 则由式 2 可见 定子磁链与定子电压存在如下关系 虮 z 叼 皑 1 0 由式 1 0 可知 当电网电压幅值和频率不变时 定子磁链将保持恒定且与定子电压矢量近似垂直 定子广义励磁电流f 大小不变 将式 7 8 分别 代入式 3 4 则有 蹦耐 尺 f 以 0 5 L r d f 坩 d f 一心f 鸣f r 口 1 1 d f w B f r g 鸣寻 略f 争 皑f 皿如 1 2 UZ上 图2 为风力发电机的控制框图 当定子广义励 磁电流保持恒定时 电磁转矩正比于f 而转子励 磁由如决定 当定子侧功率因数被控制为1 时 发 电机的励磁电流全部由转子提供 即l 二 f m 这样 就可实现发电机电磁转矩和转子励磁之间的完全解 耦控制 在经过前馈补偿去除由反电动势引起的交 图2 双馈发电机矢量控制框图 F i g 2 V b c t o r n t m ls t 珈c t I l nf o rd o u b I yf e di n d u c 廿佣 g 明e r a t o r 万方数据 9 2中国电机工程学报第2 5 卷 叉耦合项后 可以通过调节转子电压的d 轴分量和 口轴分量分别控制发电机的转子磁链和电磁转矩 据此 可以确定双馈异步风力发电机的控制框图2 3 2 并网控制 传统的风力发电机组通常采用额外的电力电子 并网装置来避免并网时的冲击电流 而变速恒频双 馈风力发电机系统则可以通过调节转子电流实现软 并网和软解列 一般的 变速恒频系统软并网需要 经过起动和并网运行两个阶段 在起动阶段 当风 速达到切入风速并维持一段时间后 风轮机带动发 电机升速达到发电机的最小运行速度 这时 励磁 变频器投入工作 控制定子绕组的空载端电压跟随 电网电压 并迅速达到同步 此过程中发电机采用 电压控制 即发电机处于空载状态 通过控制转子 励磁电流的幅值 相位和频率使并网条件自动得到 满足 进入并网运行阶段后 控制器根据实际的风 速和电网的要求动态调节发电机输出的有功功率和 无功功率 双馈发电机的解列过程与并网过程相反 正常 解列时 可通过风轮机和发电机的控制 逐步卸去 发电机的负载 使发电机在接近空载的状态下脱网 应当特别注意 脱网必须在发电机允许的运行转速 范围内进行 4 网侧整流器矢量控制 对于电压型交直交双馈风力发电系统而言 变 频器网侧整流器的高性能控制是必需的 为此我们 首先在两相同步旋转坐标系下建立三相电压型 P w M 整流器的数学模型 l 驯 r 屯 廿 R L 一纰 S d C d 卧 1 3 式中 z l 分别为网侧d 口轴电压 屯 屯分别为网 侧d q 轴电流 出为直流母线电压 R L 分别为 变频器网侧的输入电阻和输入电感 Q 为直流母线 电容 Deicke M De Doncker R W Doubly fed induction generator systems for wind turbines 外文期刊 2002 03 2 林成武 王风翔 姚兴佳 变速恒频双馈风力发电机励磁控制技术研究 期刊论文 中国电机工程学报 2003 11 3 Hansen L H Blaabjerg F Christensen H C Generators and power electronics technology for wind turbines 外文会议 2001 4 李辉 杨顺昌 廖勇 并网双馈发电机电网电压定向励磁控制研究 期刊论文 中国电机工程学报 2003 08 5 Ymoto M Motoyoshi O Active and maactive power control for doubly fed wound rotor induction generator 外文期刊 1991 04 6 赵荣祥 尹强 许大中 磁场定向交流励磁电机调速调功系统研究 1998 01 7 Datta R Ranganathan V T Decoupled control of active and reactive power for a grid connected doubly fed wound rotor induction machine without position sensor 1999 8 Pena R Clare J C Asher G M Doubly fed induction generator using back to back PWM converter and its application to variable speed wind energy generation 外文期刊 1996 3 9 黄科元 贺益康 卞松江 矩阵式变换器交流励磁的变速恒频风力发电系统研究 期刊论文 中国电机工程学报 2002 11 10 Zhang L Watthanasarn C A matrix converter excited doubly fed induction machine as a wind power generator 外文会议 1998 11 辜承林 韦忠朝 黄声华 对转子交流励磁电流实行矢量控制的变速恒频发电机 1996 02 12 Hopfensperger B Atkinson D J Lakin R A Stator flux oriented control of a doubly fed induction machine with and without position encoder 外文期刊 2000 4 13 张笑微 李永东 刘军 PWM整流器控制策略的研究 期刊论文 电工技术杂志 2003 12 本文读者也读过 1条 本文读者也读过 1条 1 张本昌 ZHANG Benchang 变频器在火力发电厂中的应用 期刊论文 电力自动化设备2009 29 5 引证文献 91条 引证文献 91条 1 王君瑞 钟彦儒 宋卫章 杨波 双级矩阵变换器励磁双馈风力发电系统比例谐振控制 期刊论文 高电压技术 2013 5 2 王君瑞 钟颜儒 增量式编码器在双馈风力发电系统中的应用 期刊论文 微电机 2012 5 3 袁炜 胡文胜 赵宇 一例双馈发电机的并网故障分析 期刊论文 四川电力技术 2012 1 4 刘观起 张书梅 张家吉 改进SVPWM在直驱型风电并网控制中的仿真研究 期刊论文 电力科学与工程 2011 1 5 王君瑞 钟彦儒 宋卫章 基于无源性与自适应降阶观测器的双馈风力发电机控制 期刊论文 中国电机工程学报 2011 33 6 柴熠 李长乐 变速恒频双馈风电机组转子侧励磁变流器控制技术研究 期刊论文 电机与控制应用 2011 4 7 胡文胜 赵宇 风电变流器网侧SVPWM变换器的控制研究 期刊论文 四川电力技术 2011 4 8 潘后荣 吉同周 窦一平 交流励磁变速恒频双馈风力发电系统并网控制策略与试验 期刊论文 山西能源与节能 2009 1 9 左鑫 双馈风力发电机并网技术的研究 期刊论文 山东电力技术 2009 5 10 陈堂贤 杨孔 王仁明 双馈异步风力发电机的模糊控制 期刊论文 电机与控制应用 2009 1 11 张学广 徐殿国 李伟伟 郎永强 双馈风力发电系统并网控制试验研究 期刊论文 电机与控制应用 2008 4 12 陈堂贤 陶稷 陶莉 杨孔 基于自适应模糊控制的双馈异步风力发电机 期刊论文 三峡大学学报 自然科学版 2008 3 13 王琦 陈小虎 纪延超 李枫 同步坐标下的无刷双馈风力发电机控制系统 期刊论文 南京理工大学学报 自然科 学版 2006 6 14 李晶 李建林 许洪华 基于配电网无功优化的变速恒频双馈风电机群控制策略 期刊论文 电网技术 2006 15 15 杨艳蓉 张瑞伟 赵惠康 郑建军 磁路饱和对双馈风力发电机运行性能的影响研究 期刊论文 大电机技术 2013 2 16 谢震 张兴 杨淑英 宋海华 曲庭余 基于虚拟阻抗的双馈风力发电机高电压穿越控制策略 期刊论文 中国电机 工程学报 2012 27 17 马晶晶 杨宇 韩肖清 交流励磁变速恒频风力发电系统矢量控制研究 期刊论文 水电能源科学 2011 3 18 栗然 高起山 刘伟 直驱永磁同步风电机组的三相短路故障特性 期刊论文 电网技术 2011 10 19 张凤阁 金石 无刷双馈风力发电系统的L2鲁棒控制 期刊论文 电机与控制学报 2010 8 20 李岚 杨一雄 熊光煜 双馈发电系统两种有功功率控制器的性能比较 期刊论文 电机与控制应用 2008 6 21 马志财 林成武 程利民 基于DSP的变速恒频双馈风力发电机控制技术的研究 期刊论文 辽宁科技学院学报 2008 3 22 李岚 王秀丽 风力发电系统有功功率模糊控制器的设计 期刊论文 太阳能学报 2007 11 23 王君瑞 钟彦儒 基于自适应观测器的双馈风力发电机控制 期刊论文 电气传动 2012 2 24 张亮 蔡旭 张东 张建文 兆瓦级风力发电变换器通用控制平台的设计 期刊论文 电力电子技术 2010 5 25 王语园 周碧英 熊学友 张鹏 基于SVPFM的交流异步电动机变频器建模与仿真分析 期刊论文 中国农村水利水 电 2010 8 26 曾志勇 王清灵 冯婧 基于电压矢量闭环双馈风力发电空载并网策略 期刊论文 电气传动 2010 6 27 郑艳文 李永东 柴建云 龚细秀 苑国锋 不平衡电压下双馈发电系统控制策略 期刊论文 电力系统自动化 2009 15 28 姚兴佳 田雷 邢作霞 双馈风力发电机组的动态模型仿真 期刊论文 沈阳工业大学学报 2009 3 29 辛颂旭 单位功率因数PWM整流器最大传递功率研究 期刊论文 机电工程 2008 12 30 赵芳 宋平岗 张超伟 变速恒频双馈风力发电技术概述 期刊论文 华东交通大学学报 2007 5 31 李岚 王秀丽 风力发电系统有功功率模糊控制器的设计 期刊论文 太阳能学报 2007 11 32 李刚 刘晓瑞 文劲宇 程时杰 潘垣 多功能柔性功率调节器的矢量励磁控制 期刊论文 电力自动化设备 2007 3 33 李刚 程时杰 文劲宇 潘垣 利用柔性功率调节器提高电力系统稳定性 期刊论文 中国电机工程学报 2006 23 34 赵梅花 杨勇 钟沁宏 新型混合励磁直驱式风力发电系统MPPT控制 期刊论文 电工技术学报 2013 5 35 刘盟伟 徐永海 不平衡电网电压下双馈电机的协调控制策略 期刊论文 电工文摘 2012 1 36 刘盟伟 徐永海 不平衡电网电压下双馈电机的协调控制策略 期刊论文 电机与控制应用 2011 1 37 郭逸伟 杜文正 唐义 黄宏永 风能利用与风力发电技术研究 期刊论文 中国科技博览 2011 7 38 李宏 李燕辉 不平衡电网电压下双馈电机的转子侧控制策略 期刊论文 产业与科技论坛 2011 20 39 陈荣 直驱式风力发电技术及其发展 期刊论文 盐城工学院学报 自然科学版 2010 2 40 叶斌英 阮毅 杨勇 汤燕燕 基于混合励磁电机的直驱式风电系统 期刊论文 电机与控制应用 2010 5 41 张学广 徐殿国 电网对称故障下基于active crowbar双馈发电机控制 期刊论文 电机与控制学报 2009 1 42 陈永禄 李玉忍 范冰洁 韩伟 级联式无刷双馈航空发电机的仿真研究 期刊论文 计算机仿真 2009 9 43 孙海生 任永峰 李含善 双脉宽调制变换器励磁的变速恒频风电系统 期刊论文 电机与控制应用 2009 7 44 陈明亮 肖飞 王颢雄 刘勇 直驱型永磁同步风力发电机无传感器控制 期刊论文 电机与控制学报 2009 6 45 梁中华 郑坤 康乐 李巨星 双馈型风力发电机有功无功解耦控制仿真 期刊论文 沈阳工业大学学报 2008 2 46 乔嘉赓 鲁宗相 严慧敏 黄俊辉 王旭 宁玉宝 双馈感应风力发电机功率控制器的建模与仿真 期刊论文 电力系 统自动化 2007 24 47 刘盟伟 徐永海 不平衡电网电压下双馈电机的协调控制策略 期刊论文 电机与控制应用 2011 1 48 辛涛 改进的PWM整流技术控制策略研究 期刊论文 水电能源科学 2012 4 49 程孟增 窦真兰 张建文 蔡旭 电压跌落时带有Crowbar电路的双馈感应发电机的瞬态分析 期刊论文 电网与清 洁能源 2012 5 50 肖飞 王颢雄 陈明亮 刘勇 兆瓦级永磁直驱式风力发电系统中背靠背变流器系统的设计 期刊论文 船电技术 2010 1 51 苑国锋 李永东 柴建云 姜新建 1 5MW变速恒频双馈风力发电机组励磁控制系统试验研究 期刊论文 电工技术 学报 2009 2 52 黄科元 佘峰 黄守道 孙延昭 基于磁场定向的永磁同步发电机功率控制 期刊论文 电力科学与技术学报 2008 2 53 王锋 姜建国 风力发电机用双PWM变换器的功率平衡联合控制策略研究 期刊论文 中国电机工程学报 2006 22 54 钟沁宏 阮毅 赵梅花 谈立 双馈风力发电控制系统基础平台的构建与研究 期刊论文 可再生能源 2013 4 55 Zhang Feng Li Mingxia Fan Guowei Luo Zhongyou Chang Xiqiang Chen Hao Impact of Wind Integration on Transient Voltage Stability in Regional Grid 期刊论文 电气 英文版 2012 2 56 沙晟田 大规模风电并网的频率响应特性分析 期刊论文 黑龙江电力 2012 5 57 张锋 李明霞 樊国伟 罗忠游 常喜强 风电接入对地区电网暂态电压稳定性的影响 期刊论文 中国电力 2011 9 58 张鹏 王语园 熊学友 周碧英 张凤 基于动态相量法的双馈异步发电机建模与仿真 期刊论文 中国农村水利水 电 2010 7 59 胡冬良 赵成勇 变速恒频风力发电机组输出特性分析 期刊论文 华北电力大学学报 2008 4 60 童建东 张新宇 白宪庆 文高登 双馈风力发电机组网侧变换器电压空间矢量电流滞环控制 期刊论文 中国电力 2007 7 61 程鹏 李伟力 孙秋霞 王昌存 变速恒频双馈感应发电机的空载特性 期刊论文 电机与控制学报 2007 2 62 王琦 陈小虎 纪延超 李枫 基于双同步坐标的无刷双馈风力发电系统的最大风能追踪控制 期刊论文 电网技术 2007 3 63 尹明 李庚银 张建成 赵巍然 薛轶峰 直驱式永磁同步风力发电机组建模及其控制策略 期刊论文 电网技术 2007 15 64 吕昂 孙莹 李鹏波 风电并网相关问题综述 期刊论文 机电一体化 2013 11 65 原熙博 李永东 王琛琛 基于零序分量注入的三电平PWM整流器目标优化控制 期刊论文 电工技术学报 2009 3 66 曹娜 李岩春 赵海翔 戴慧珠 不同风电机组对电网暂态稳定性的影响 期刊论文 电网技术 2007 9 67 孙秋霞 李伟力 程鹏 电网波动下双馈风力发电励磁系统的仿真分析 期刊论文 现代电力 2006 4 68 宋祥吉 赵玉林 付岩 农网电压跌落下小型风力发电系统网侧控制的研究 期刊论文 农机化研究 2012 11 69 郭永喜 基于双馈电机的变速恒频风电系统仿真研究 期刊论文 红水河 2010 1 70 吴新振 杨乐梅 王龙鹏 自激异步发电机投切负载的暂态过程分析 期刊论文 中国电机工程学报 2008 26 71 胡海兵 吕征宇