双馈风机双PWM

精品文档 1欢迎下载 双馈风机双双馈风机双 PWMPWM 学习学习 AbstractAbstract this report introduces double feed induction generator DFIG operation theory coordinate transformation and dual PWM Basing on employing space vector control strategy dual PWM converter can actively raise ac side power factor work well with study output voltage and bi drisctional power flow KeyKey WordsWords WindWind turbineturbine Dual PWMDual PWM converterconverter DFIGDFIG Introduction 双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机 由于其定 转子都能向电 网馈电 故简称双馈电机 采用变速恒频发电技术 可使发电机组与电网系统 之间实现良好的柔性连接 它将电力电子技术 矢量变换控制技术和微机信息 处理技术引入发电机控制之中 获得了一种全新的 高质量的电能获取方式 采用双馈发电机的变速恒频风力发电系统 优点在于 既可单机运行 也 可并网发电 并网运行时 通过调节转子励磁电流大小来改善电网功率因数 发电机励磁功率约为转差功率 控制功率小 因此变换器容量小 系统容易设 计与调整 变速运行范围宽 既可超同步速运行 也可亚同步速运行 其缺点 为 转子上存在滑环和电刷 不能避免滑环和电刷带来的弊端 采用无刷双馈发电机的变速恒频风力发电系统 优点在于 对功率变换器 容量需求相对较低 可以实现有功 无功功率的独立控制 由于无刷双馈发电 机没有滑环和电刷 既降低了电机的成本 又提高了系统运行的可靠性 其缺 点为 需要两台绕线式三相异步电机 增加了系统的复杂性和成本 实现难度 较大 1 1 1 坐标变换坐标变换 2 2 在交流电动机三相对称的静止绕组 A B C 中 通过三相平衡的正弦电流 iA iB iC时 所产生的合成磁动势是旋转磁动势 F 它在空间呈正弦分布 以 同步转速 即电流的角频率 顺着 A B C 的相序旋转 当二相绕组和三相绕 组产生的两个旋转磁动势大小和转速都相等 即认为该两相绕组和三相绕组等 效 以产生同样的旋转磁动势为准则 在三相坐标系下的iA iB iC和在两相 精品文档 2欢迎下载 静止坐标系下的以及在同步旋转两相坐标系下的直流电id iq都是等效的 ii 当旋转两相坐标系的转速为同步速时 对应两相绕组就成为与三相交流绕组等 效的旋转直流绕组 这样 通过坐标系的变换 可以找到与交流三相绕组等效 的直流电动机的模型 坐标变换的任务是如何求出iA iB iC与和id iq ii 之间准确的等效关系 进行坐标变换时遵循功率不变的原则 三相变两相变换式 3 2 11 1 22 233 0 322 111 222 ss C 矢量旋转变换式 2 2 cossin sincos sr C 2 2 双馈异步发电机工作原理双馈异步发电机工作原理 3 3 根据电机学原理 同步发电机在稳态运行时 它输出端电压的频率与发电 机转速有着严格的关系 60 pn f 式中f为发电机输出电压频率 p为发电机的极对数 n为发电机旋转速度 当转子三相对称绕组中通入三相对称交流电 电机气隙内将产生旋转磁场 此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率有关 2 2 60 f n p 式中 f2为转子三相绕组通入的三相对称交流电频率 p 为绕线转子异步电机 的极对数 n2为转子三相绕组通入频率为f2的三相对称电流后所产生的旋转磁 场相对于转子本身的旋转速度 改变频率f2 就可以改变n2 当改变通入转子 精品文档 3欢迎下载 的三相电流的相序时 还可以改变转子旋转磁场的方向 因此 若设 n1为对应 于电网频率为 50HZ 时的发电机的同步转速 而 n 为电机转子本身的旋转速度 则只要维持则异步电机定子绕组感应电势的频率将始终维持为f1不变 21 n nn 双馈异步发电机的滑差率 通入机转子三相绕组内的电流频率为 1 1 nn s n 2111 21 1 606060 pnp nnpn nn ff s n 根据上式分析可知 在双馈异步电机转子以变化的转速转动时 只要在转 子的三相对称绕组中通入滑差频率 即f1s 的电流 在双馈异步电机的定子绕 组中就能产生恒频电能 实现了变速恒频 双馈异步电机运行时的功率关系 11m ppsp 式中 是发电机输入功率 是定子输出功率 是滑差功率 m p 1 p 1 sp 双馈异步电机转子在不同转速下 具有以下三种运行状态 1 亚同步运行状态 亚同步运行状态是变速风力机主要运行状 1 nn 态 为正值 转子侧输入有功功率 1 1 nn s n 2 超同步状态 为负值 转子侧输出有功功率 1 nn 1 1 nn s n 3 同步运行状态 这个工况下 双馈异步发电机与普通同步发 1 nn 电机运行原理一致 3 3 交流励磁电源工作原理交流励磁电源工作原理 精品文档 4欢迎下载 DFIG 有亚同步运行 同步运行和超同步运行三种工作状态 因此要求交流 励磁电源能够提供幅值 频率和相位可调的转子励磁电流 通过交流励磁电源 的控制可调节发电机的转速和功率 DFIG 采用电力电子变换器作为转子的励磁电源 DFIG 的运行控制是通过其 转子变换器实现的 根据机组的转速调节转子电流的频率 实现变速恒频输出 通过控制转子电流的 d q 轴分量 实现 DFIG 的 P Q 解耦控制和最大风能追踪 运行 由此可知 高质量的转子励磁变换器是保证 DFIG 乃至整个风力发电系统 正常运行的关键 交流励磁变速恒频风力发电系统的运行特点 决定了 DFIG 对 励磁变换器特有的要求 交流励磁变速恒频风力发电系统要求励磁变换器首先 应是一种 绿色 变换器 谐波污染小 输入 输出特性好 其次应具有功率双 向流动的功能 最后还要能在不吸收电网无功功率的情况下具备产生无功功率 的能力 4 4 4 双双 PWMPWM 型变换器型变换器 4 4 图 Back to Back PWM 变换器 双 PWM 变换器原理图如上图所示 图中uga ugb ugc为三相电网电压 包括外接电抗器的电感和交流电源内部电感 为包括外接电抗器中的电阻LR 和交流电源的内阻 双 PWM 变换器主要由两个完全相同的电压型三相桥式 PWM 变换器构成 他们之间通过直流母线连接 双 PWM 变换器是一种交一直一交结 构 两个变换器可以进行独立控制 由于双 PWM 型变换器具有以下特点 使之能较好地满足交流励磁变速恒频 风 力发电系统对励磁电源的要求 1 双 PWM 型变换器由网侧和机侧两个 PWM 变换器组成 各自功能相对独立 网侧变换器的主要功能是实现交流侧输入单位功率因数控制和在各种状态下保 持直流环节电压稳定 确保机侧变换器乃至整个 DFIG 励磁系统可靠工作 机侧 变换器的主要功能是在转子侧实现 DFIG 的矢量变换控制 确保 DFIG 输出解耦 精品文档 5欢迎下载 的有功功率和无功功率 两个变换器通过相对独立的控制系统完成各自的功能 仿真图机侧变换器是通过 DFIG 定子电压定向的转子电流控制方法 网侧变换器 则是通过电网电压定向进行控制的 2 双 PWM 型变换器的两个变换器的运行状态可控 均可以在整流 逆变 或逆变 整流 状态间实现可逆运行 以此实现变换器能量的双向流动 3 由于双 PWM 型变换器采用高频自关断器件和空间矢量 PWM SVPWM 调制 方法 开关频率高达 IOK 20KHz 消除了低次谐波 输入输出特性好 对电网 和 DFIG 造成的影响比较小 在谐波特性上能满足 DFIG 的励磁要求 4 双 PWM 型变换器具有较强的无功功率控制能力 由于 DFIG 是异步发电 机 空载时转子需要吸收一部分无功功率进行励磁 而当定子输出感性无功功 率时 转子需要吸收更多的无功功率 这就需要转子变换器具有产生一定无功 功率的能力 双 PWM 型变换器的直流环节配置有电容 可以发出一定大小的无 功功率 5 5 网侧变换器控制网侧变换器控制 5 5 电网侧的电压方程经过坐标变换可得到数学模型如下 gcd gd g gdgeg gqgd gq gcqg gqgeg gdgq di uR iLL iu dt di uR iLL iu dt 式中 ugd ugq分别为转换到旋转坐标系的电网 d q 分量 ugcd ugcq为网侧变 流器交流侧电压 d q 分量 igd igq为网侧变频器交流侧电流 d q 轴分量 上式为网侧输入电压对网侧电流的控制公式 若采用 PI 调节器来控制上式 中的网侧电流 则控制电压ugcd ugcq的控制方程如下 gcd gc t igdgdeg gqgd t qigqgqeg gdgq k ukiiL iu s k ukiiL iu s 上式ki kt分别为电流内环控制的比列调节增益和积分调节增益 在附图中 Udc ref 是直流母线电压指令 无功电流指令 igq 可调节变换器从 电网吸收或输出无功分量 Udc ref 和 igq 都由机组控制器给出 电压外环控制直 流母线电压 直流母线电压指令与反馈的直流母线电压的误差送入 PI 控制器 精品文档 6欢迎下载 PI 控制器输出有功电流指令 无功电流指令 igq 与反馈的无功电流送入 PI 控制 器 PI 控制器输出无功电流指令 加入和是为了消除 d q 分量的 eg L eg L 耦合 解耦之后网侧变换器输入电流 d q 轴分量便可以独立控制 直接给定 q i 为 0 确保网侧的单位功率因数控制 3 6 6 转子侧变换器控制转子侧变换器控制 附图是 DFIG 定子电压定向的转子电流控制结构图 由图看出 内环为转子 电流控制环 电流误差经 PI 调节后输出电压控制量 再加上补偿量 即得到同 步旋转坐标系中的转子电压控制量 再变换成两相静止坐标系下的电压控制指 令 经 SVPWM 调制后产生所需的励磁电压及电流 控制系统将转矩指令与测得磁链幅值经过有功电流计算输出转子有功电流 指令 有功电流指令再与转子有功电流作差后送入 PI 调节器 输出未解耦的转 子电压的 d 轴分量 此量解耦后得到转子励磁电压指令 d 轴分量 urd 同理可 得到转子励磁电压指令 q 轴分量 urq 两者变换坐标后 送入 SVPWM 进行调制 无功功率的控制与上述控制相似 PI 调节器的输出为无功电流的给定 3 精品文档 7欢迎下载 参考文献参考文献 1 陈成 变速恒频双馈风力发电系统双 PWM 变换器控制 天津大学硕士学位论文 2008 年 2 尹向前 变速恒频双馈风电机组控制策略研究 天