【永磁直驱型风电系统电网侧变流器的控制策略和仿真分析案例4500字】

永磁直驱型风电系统电网侧变流器的控制策略和仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u19641永磁直驱型风电系统电网侧变流器的控制策略和仿真分析案例 164681电网侧变流器的控制策略 1132891.1电网侧变流器控制方法 1208241.2基于电网电压定向的电电网侧变流器控制策略 298231.3电网侧变流器控制仿真模型 4325101.4本章小结 538322仿真结果与分析 6283452.1直驱风力发电系统仿真模型 6186482.2发电机侧控制策略仿真结果分析 653832.2.1恒定风速 732742.2.2阶跃风速 832612.3电网侧控制策略仿真结果分析 1088642.3.1恒定风速 10321172.3.2阶跃风速 121电网侧变流器的控制策略电网侧变流器在整个风电系统中最直观的作用就是将发电机侧变流器输出的直流电流转换为交流电流。除此之外，转换后的电压电流频率应与电网相同，电压幅值应与电网电压幅值相等。功率系数应根据需求进行调节，故器控制方法的目标也是实现以上的要求。本章将对电网侧控制策略的分类进行介绍，并选取一种控制策略作为本文的控制方法。1.1电网侧变流器控制方法电网侧控制策略主要需要完成功率因数控制、直流母线电压的稳定以及实现能量的双向流动等目标[26]。电网侧变流器的控制策略常常分为两种，即直流电流控制和间接电流控制，他们之间最主要的区别是间接电流控制是对电网侧变流器输出电压进行控制、而直接电流控制则是直接控制交流侧输出的电流。它们各自有各自的优缺点，对于间接电流控制，由于没有是对电压进行控制，故没有交流电流反馈环节，因此还被称为“相幅”电流控制，即通过控制逆变器侧输出电压相位和幅值，达到控制功率因数为一的目的，由于改变了功率因数，便可进一步改变逆变器侧的电流，间接实现对其的控制。间接电流控制方法的优点是：省去了电流反馈环节，结构简单；控制成本低；由于是对电压进行控制故无需电流传感器；易于实现。缺点是：稳定性差、响应速度慢。且为了防止电路故障引起的电力系统的不稳定运行，电网中常常有各种各样的保护装置，在短时间内对电网的参数有所影响，这就给没有反馈环节的间接电流法控制增加了很多难度。由于自然风的变化几乎没有规律可言，且当风速发生变化时，永磁直驱风电系统的发电机侧发出的功率就会不断变化。这时发电机侧功率对于电网侧逆变器来说相当于一个不断变化的负载。于是，当采用直流电流控制时，便能实时的对电流进行监测，起到良好的控制效果。克服了间接电流控制的动态响应慢、直流电流会产生偏移等问题。直接电流控制的优点是：控制精度高、限流容易、动态响应速度快。并且，对电压外环的动态性能有所改善，使得电网侧电压易达到发电系统的要求。同时，由于引进了直流母线电压作为外环控制，且电网侧交流电流的反馈作为内环，能够同时实现单位功率因数和直流侧电压恒定等控制目的。综上，由于直接电流控制拥有众多突出的优点，在电网侧变流器的控制中得到广泛应用。1.2基于电网电压定向的电电网侧变流器控制策略直接电流法根据控制结构的不同，又可分为电压定向矢量控制、虚拟磁链定向控制、和两种分别基于虚拟磁链和电压的直接功率控制方法，总共四种控制类型。本文使用的基于电压定向的矢量控制，这种控制方法也是目前电网侧控制中最常用的一种方法。电网侧控制策略需要针对电网侧变流器进行控制，这就需要知道电网侧逆变器的数学模型，由第二章发电机侧整流器的数学模型可以推出电网侧变流器的数学模型为：（4-1）式中：为电网角速度；、分别为电网电压分量。接下来我们将针对电网侧变流器的电压方程进行坐标变换，使电网电压指向d轴，旋转角θ由电网电压的α轴指向d轴，令，，其中为电网电压幅值。建立坐标系与坐标系的向量图，如图1.1所示：图1.1网侧逆变器电压的坐标变换关系图则由式（4-1）可以推出稳态时的控制方程：（4-2）电网侧PWM提供给电网的有功、无功分别为：（4-3）由上式可看出，由于认为并入的是一个无穷大系统，其电压稳定不变，故可通过分别控制直轴电流和交轴电流从而达到控制无功功率和有功功率的解耦控制，由于对于风电场通常要求为单位功率因数，即功率因数为1，输出无功功率为0，故只要通过控制交轴电流id为零，便可以使单位功率因数为一，当要求发出无功功率时，同样也可以通过对电流的调节达到控制目的。在式中，的正负可以判断电网侧变流器的状态，当>0时，表示变流器向电网输出功率，此时发电机侧变流器工作在逆变状态，反之，当其小于0时，表示变流器从电网吸收功率，此时发电机侧变流器处于逆变状态[27]。本文选取的是基于电网电压定向的直接功率控制，采用直流母线电压作为外环，电流作为内环的双闭环控制。其控制结构图如下：图1.2电网侧变流器控制框图从图1.2中就可看出，给定值与实际值作差后输入PI环节，经比例积分环节调差后作为交轴电流的参考输入与电电网侧的直轴电流进行比较，id是由电电网侧的三相电流进行坐标变换后得到的，同时，交轴电流的给定值为0，由于在上文已介绍过，此处不再进行赘述。电流给定值与实测电流值经PI控制单元整定后输入到电压加法器，与其它部分的电压进行加合。最后得到空间电压矢量ud和uq，将电压进行派克反变换，得到对称的三相电压，最后，再经过行SPWM调制，生成6路脉冲信号驱动变流器。1.3电网侧变流器控制仿真模型电网侧逆变器的控制单元仿真如图1.3所示：图1.3电网侧逆变器控制单元的仿真模型图图中，前一部分主要包括了坐标变换模块：实现将电网侧电流由到参考系的转换；锁相环模d块：由于要实现风电系统的可靠并网，故必须知道电网电压的相位、幅值和频率，锁相环模块正是用于实现这一；以及为控制系统所需的参数进行计算的模块。后一部分为双闭环控制模块，其展开仿真模型如图1.4所示：图1.4电网侧逆变器电网电压控制详细仿真模型图1.4本章小结本章对电网侧控制策略进行介绍，对网侧常用的两种控制方法的优缺点进行了概括，并对其原理进行了介绍，选择用基于电网电压的矢量控制方法作为本次设计课题的电网侧控制策略，并给出了其在Simulink平台的仿真模型。2仿真结果与分析2.1直驱风力发电系统仿真模型将风力机模块、最大功率控制模块以及发电机控制和电网侧变流器控制模块以及拟合电网模块的三相交流电源模块进行连接，并进行一定的格式调整后，便得到了整个风电系统的仿真模型，具体见图2.1。2.1直驱式风力发电系统仿真模型图上图为永磁直驱风力发电系统的总体仿真图，永磁同步带电机通过三相电压型边路其接入电网，其中，永磁同步电机的极对数为20；电网的电压幅值为380V，频率为50Hz，短路容量为100MVA，连接方式为Yg；并网线路的电阻为0.064Ω，电感为3.2149e-05H；从图2.1中可看到，整体仿真模型由风力机模块、永磁同步电机模块、变流器模块、电压电流测量模块、滤波器模块和电网模块构成。(由于在MATLAB/Simulink中，设置了转矩为负时，永磁同步才处于发电机状态，故在搭建风力机模型时对其转矩加入了一个值为-1的增益模块。)由于有两个不同的库之间的交互，故需要加入powergui模块，为了统一仿真步长，将其设置为离散型，步长为2e-5s.2.2发电机侧控制策略仿真结果分析发电机侧控制策略为最大功率跟踪和零d轴控制，验证其控制效果主要是通过观察风力机的输出功率，看是否能够实现最大功率跟踪，以及观察风能利用系数曲线、发电机转速曲线等。由于此时的浆距角设为0度，且采用的是最佳叶尖速比法，即风力机处于变功率阶段，且浆距角和叶尖速比都为定值，故此时的风能利用系数最大值应为一常数。2.2.1恒定风速设置风速为8m/s,仿真时间设置为5s，对永磁直驱风电系统进行仿真，分析控制策略的响应情况。得到其风速曲线、风能利用系数曲线、风力机输出功率曲线以及永磁同步发电机转速曲线分别如下所示：图2.2风速曲线图2.3风速保持为8m/s时风能利用系数变化曲线图2.4风速保持为8m/s时风力机输出功率曲线图2.5风速保持为8m/s时发电机转速曲线从图2.2到图2.5可以看出，当风速为恒定风速时，风力机的输出功率、发电机的转速等值在开始仿真后迅速增大，并迅速达到稳定值，风能利用系数也同样经很短的时间便达到稳定值，这说明所搭建的模型的最大功率跟踪控制以及零d轴控制都有着较好的响应速度。2.2.2阶跃风速现将风速设为阶跃信号，初始风速为8m/s，在3s时，风速突变为10m/s，得到此时的风能利用系数输出曲线、风力涡轮机输出曲线、发电机的转速输出曲线如下所示：图2.6风速曲线图2.7风速突变时的曲线图2.8风速突变时风力机的曲线图2.9风速突变时发电机的曲线由仿真结果可看出，在零到三秒期间，迅速达到稳定状态，当3s时，风速发生图突变，此时风力机输出功率、风力利用系数以及永磁发电机的转速都有一段小于0.5s的短暂的波动，在经过这段波动后，迅速达到平稳。从图中可以看出，在达到稳定后，风能利用系数保持原来的最大功率系数不变，验证了最大风能捕获的可行性，风力机的输出功率和永磁发电机的转速都在增大，说明所搭模型附和风力机的数学模型。且动态响应速度较快。2.3电网侧控制策略仿真结果分析本次设计中，电网侧的控制方法为电网电压定向的直接电流控制。主要控制目标是维持电网电压恒定，追踪发电机侧的功率输出，以及电网电压的大小、幅值、相位等，实现风电系统的可靠并网，实现对于电电网侧输出的有功、无功功率的单独控制等。在此次仿真过程中，电网的为380V，为50Hz，为800V，若要验证电网侧的控制策略，则需要观测其电网电压值、电网侧输出的有功功率与无功功率值，以及电网侧输出的电压电流值等。2.3.1恒定风速为了更直观的反映电网侧控制策略的响应速度及其与风速的关系，本文在电电网侧的交流电压电流波形、有功功率与无功功率波形以及直流母线电压波形中都加入了风速的波形。便于进行分析。当风速为8m/s时，各参数的仿真结果如下：图2.10恒定风速整流器输出的曲线图2.11恒定风速下电压电流波形图2.12恒定风速下有功、无功功率波形从图中可看出，在风速恒定的情况下，直流母线电压除了在刚开始仿真时有接近0.4秒的波动外，其它时间保持为800V，说明电网侧变流器对直流母线电压的稳定效果很好。由图2.11可看出，当风速恒定时，电网侧的输出电压为380V，频率为50Hz的正弦波，输出电流也为波形姣好的正弦波，很好的满足了并网要求，且响应速度同样很快。由图2.12可看出，在风速为保持为8m/s恒定时，有功功率迅速达到最大值，且大小与发电机输出的功率相等，说明电网侧控制能很好的跟踪发电机侧的功率，由于风力机为自己所搭建的模型，故不存在自身消耗功率的情况，故电网侧功率才于发电机侧功率相等；同时，值在经过短暂的波动后变为0，达到了单位功率因数控制目标。2.3.2阶跃风速设置风速为阶跃风速，在3秒时风速由8m/s跃变为10m/s，同样对直流母线电压、电电网侧的电压电流和有功功率与无功功率进行检测。得到其各自的波形图如下：2.13阶跃风速时波形2.14阶跃风速下电电网侧电压电流波形图2.15阶跃风速下的功率、波形由图2.13到图2.15可看出，当风速发生变化时，直流母线电压有一个向下的抖动，在经