大容量直驱式永磁风力发电系统暂态特性研究

大容量直驱式永磁风力发电系统暂态特性研究

近年来，中国大规模开发了电网，规划并建设了许多大型电网，其中大部分位于电网结构的薄弱环节中。风能具有随机性和不可控性,随着入网风电容量的增加,对电网的稳定性造成很大威胁,因此研究并网型变速恒频风电系统的动态特性意义重大。有大量文献对双馈式风电系统的并网控制及故障时控制策略进行了研究。随着风电场单机容量的日益增大,直驱式风电系统以其固有的优势备受关注。直驱式风电系统采用风轮机直接驱动多极低速永磁同步发电机发电,然后通过功率变流器将电能转换后并入电网,省去了故障率较高的齿轮箱,系统效率大为提高,有效地抑制了噪声。直驱风电系统的控制策略及运行特性逐步成为研究的热点问题。本文根据直驱式风电系统的特性,在Matlab中建立了风速、风轮机、永磁同步发电机的数学模型,研究了采用双脉宽调制全容量变流器控制策略及桨距角控制系统等,对并网型直驱式风力发电系统进行了暂态仿真研究。1直接驱风发电系统结构直驱式风力发电系统包括以下几个模块:风轮机、永磁同步发电机、变流器、变流器控制系统、桨距角控制系统。其结构示意图如图1所示。2数学模型2.1渐变风和阵风作用风能具有随机性和间歇性的特点,为了描述风能,本文采用国内外使用较多的风速四分量模型:基本风vwa(t)、渐变风vwr(t)、阵风vwg(t)和随机风vwt(t)。模拟实际作用在风轮机上的风速vw(t)为其中,t1r、t2r、tr分别是渐变风的起始时间、终止时间和持续时间;t1g、tg分别是阵风的起始时间和持续时间;fi、φi分别是第i次频率分量的频率与初相角;h指风轮机轮毂高度;z0描述风场粗糙长度;l为影响范围。2.2风轮叶尖线速度与风速之比风轮机从风能中获得的机械功率:其中,Pw为机械功率;ρ为空气密度;cp为风能转换系数;β为桨距角;Ar为风轮扫掠面积;λ为叶尖速比,即风轮叶尖线速度与风速之比。风能转换系数与叶尖速比λ=ωR/vw(ω为风轮机转速,R为风轮机半径)及桨距角间的关系近似为2.3永联机数学模型转子运动方程为电磁转矩计算公式为矢量控制角为功率方程为其中,ωr为同步发电机电角速度。2.4换控制的应用保护系统包括限流器和2个切换控制部分,切换控制分别用于当机端电压和电网频率偏离正常值且超过允许范围时将风轮机切出;限流器用于限制转换器的电流以保护电力电子转换器。3功率追踪状态并网型风力发电系统的出力与风速有关,风力发电系统的运行有2种状态:一是最大功率追踪状态,在切入风速与额定风速之间,风力发电系统运行在最大功率追踪的状态,捕获最大风能;二是恒功率运行状态,在额定风速与切出风速之间,在桨距角控制系统的作用下,改变桨距角,减小风能捕获,使风力发电系统出力保持在额定功率附近。3.1最大风力跟踪控制策略3.1.1最佳功率的确定当桨距角一定时,风轮机运行于最佳叶尖速比λopt就可以获得最大风能利用系数cpmax,此时风轮机的转换效率最高。因此,对于某一特定风速vw,风轮机应在一个特定的转速下运行才能实现对风能的最大捕获,由此风轮机的最佳功率Popt只与风轮机转速ω有关:当切入风速为4m/s,额定风速为12m/s,桨距角为0°时,风轮机最佳功率跟踪特性曲线如图2所示(图中ω、Pw取标幺值),横坐标是风轮机转速。在低风速时,通过调节发电机转矩使风轮机转速保持在最小值附近;在中风速段,风轮机转速随风速变化而改变,按式(12)实时计算风轮机输出的最佳功率值;当风轮机转速达最大值时,发电机转矩保持在最大值。3.1.2永磁同步发电机模型电机侧变流器采用转子磁链定向控制技术,转子磁链定向在d轴上,usd=0,式(11)功率方程可写为Pe=usqisq,Qe=usqisd,可实现有功和无功解耦控制,由isq控制有功P,由isd控制无功Q。要实现最大风能追踪,应在风速变化时及时调整风轮机转速,使其始终保持最佳叶尖速比运行,从而可保证系统运行于最佳功率曲线上。对风轮机转速的控制可通过风轮机变桨调节,也可通过控制发电机输出功率进行调节。发电机的转速是由风轮机的机械转矩和发电机的电磁转矩控制的,改变发电机的电流即可改变电磁转矩,从而控制发电机输出的功率。通过控制发电机输出有功功率来调节发电机的电磁转矩,进而控制发电机转速。永磁同步发电机的功率关系:其中,Pe、Pw、P0分别为发电机电磁功率、风轮机输出机械功率、机械损耗;Ps、Pcu、Pfe分别为发电机定子输出有功功率、铜耗、铁耗。为实现最大风能跟踪控制,应根据风轮机转速实时计算风轮机输出的最佳功率值Popt,从而实现永磁同步发电机发出的有功功率跟踪最大风能。采用直接转子磁场定向控制。假设dq坐标系以同步速度旋转,且q轴超前于d轴,将d轴定位于转子永磁体的磁链方向上,永磁同步发电机的定子电压方程式(7)。对检测得到的发电机定子电流进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换,得到q轴电流分量isq和d轴电流分量isd。检测得到的转子速度按式(12)进行最佳功率Popt计算,减去各损耗后,与网侧有功功率进行比较,然后经过PI调节器得到转矩电流给定isqref。当风速大于额定风速时,由风轮机的额定功率与网侧输出有功功率进行比较,然后经过PI调节器得到q轴电流给定isqref(见图3,图中的选择开关功能框,上、下两端为数据输入端,中间为控制端。当开关打在上方第1输入端,输入功率按风速变化而改变;当风速超过额定风速时,开关打在下方的第3输入端,输入功率为额定功率);q轴电流给定isqref与定子电流q轴分量比较,经PI调节器,加上电压补偿分量后得到Usq;电网电压的给定值与定子电流d轴分量与电网电流的d轴分量产生的电压及电网的实际电压比较,经PI调节器得到d轴电流给定(见图4),再与定子电流d轴分量比较,经PI调节器,加上电压补偿分量后,得到Usd;再根据转子磁场位置角θr,对Usq、Usd进行两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换,得到发电机机端三相电压控制指令,将它们作为调制波与三角载波比较以产生SPWM脉冲去控制主电路IGBT的通断,以实现有功、无功控制。构造的电机侧变流器的控制器如图5所示。3.1.3网侧变流器的调节网侧变流器的主要作用包括:提供稳定的直流电容电压;实现网侧功率因数调整及并网无功功率控制。目前对网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制技术。假设dq坐标系以同步速度旋转且q轴超前于d轴,将电网电压综合矢量定向在d轴上,电网电压在q轴上投影为0,即ugq=0,网侧变流器在dq坐标系下的电压、功率方程为其中,Rg和Lg分别为网侧变流器进线电抗器的电阻和电感;ud和uq分别为网侧变流器控制电压的d、q轴分量;ugd、ugq、igd、igq分别为电网电压和电流的d、q轴分量;ωg为电网同步角速度。有功、无功解耦控制,igd控制有功,igq控制无功。调节电流矢量在d、q轴的分量就可以独立控制变流器的有功和无功功率,实现单位功率因数运行。对网侧变流器可采用双闭环控制,外环为直流电压控制环,通过直流侧电压控制器确定d轴参考电流idref,控制变流器输出的有功功率,无功设定通常为0,可使系统运行在单位功率因数状态;内环为电流环,主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流id以及设定的无功电流iqref,以实现快速的电流控制。对d、q轴电流可分别进行闭环PI调节控制,可得到最终的d、q轴控制电压分量ud和uq,结合电网电压综合矢量位置角θg和直流电容电压udc2,经空间矢量调制后可得到电网侧变流器所需的PWM驱动信号。这样既可保证发电机输出的有功功率能及时经网侧变流器馈入电网,又可实现发电系统的无功控制。3.2桨距角控制器桨距角的大小对cp的影响较大,其作用类似于发电系统的调速器。本文设计的以风速和有功功率作为输入信号的桨距角控制器如图6所示。vw为实际风速;Peref为有功功率参考值;Pe为实际有功功率;τ=5s;β为桨距角。4电网电压和电网特性分析本文针对图7所示系统进行仿真,分析了其稳态特性及暂态特性。风电场(含6台1.5MW直驱式永磁风电系统)出口电压690V经变压器升至10kV,经30km的10kV输电线送入110kV电网。在输电线10km处有一负荷(2MW),主要是电动机。风速变化时分析风电场特性;电网电压降落时分析风电场的特性;在母线B10发生单相接地短路、三相短路故障时,分析风电场的特性。4.1s后电压恢复110kV电网的电压发生波动,在5s时电网电压降为0.8p.u.,持续0.5s后电压恢复。仿真波形如图8所示。风电场出口母线电压U1_B690降到0.87p.u.,电流I1_B690(标幺值)增加,风电场输出的无功功率增大,维持风电场出口电压,单台风力发电系统发出的有功功率P、无功功率Q及变流器的直流电压Udc有微小波动。4.2发电机端电压、电流、功率、无功功率及直流电压的变化规律风速保持8m/s,在5s时母线B10处发生单相接地短路,5.2s故障消除,单台风力发电机机端电压、电流、有功功率、无功功率及直流电压的变化波形如图9所示。单相接地短路故障期间,发电机端电压降到0.8p.u.,发电机的电流增大,输出的无功功率增大,输出的有功功率减小,风力发电机的保护装置不动作。变流器的直流电压在单相短路接地故障时波动较小,实现了不间断运行。4.3风力发电系统运行故障的分析方法风速保持8m/s,在5s时母线B10处发生三相短路接地,风力发电机电机侧整流器采用以变流器直流电压恒定为目的的电压调制时,风力发电机的机端电压、电流、有功功率、无功功率及直流电压的变化波形如图10所示(ωr取标幺值)。风力发电机的保护装置在5.01s时动作,将风力发电系统从电网中切除,从图中可见,故障期间机端电压降为0,风电系统输出的电流、有功及无功功率为0,电网发生三相短路故障时,直驱式风力发电机不向短路点提供短路电流。此时发电机转速增大,直流母线电压Udc升高,在40s时风轮机的桨距角开始调节,以减小风能利用率,限制风轮机转速增大。5风力发电系统无功功率控制由以上仿真结果可知:a.当风速小于额定风速变化时,直驱式永磁风力发电系统输出的有功功率跟踪风速的变化趋势,当风速大于额定风速时,风电系统输出额定有功功率;b.当电网电压骤降时,直驱