1[1].5MW变速恒频控制技术

1一．交流励磁发电机变速恒频运行原理1.风力机最大风能捕获运行机理风力是一种取之不尽，用之不竭的可再生能源，但又是一种具有随机性﹑爆发性﹑不稳定性特征的动力源，因而存在一个如何使用风力机实现风能的高效采集﹑高效利用的问题。由空气动力学原理，通过叶轮旋转面的风能只能被风力机吸收一部分，可用风能利用系数Cp来描述：Cp=Pm/Pw（Ⅰ—1）其中：Pm为风力机吸收且输出的机械功率；Pw为通过浆叶输入风力机的功率。故系数Cp反映了风力机吸收利用风能的效率。风力机的风能利用系数Cp与风力机的一个重要运行参数叶尖速比λ密切相关，如图Ⅰ—1所示。叶尖速比即叶轮的叶尖线速度与风速之比，即λ=RΩ/V=R2πn/(60V)（Ⅰ—2）式中R为叶轮的半径，Ω为叶轮旋转的角速度，n为叶轮的转速，V为风速。风力机的风能利用系数Cp与叶尖速比密切相关，风能利用系数与叶尖速比的关系曲线如图Ⅰ—1所示。从图中可以看出只有在一个特定的叶尖速比λm下，风能利用系数才能达最大值Cpmax，即获得最大风能利用（捕获）。风力机从风能中吸收的功率，即风力机的输出功率为：pmCSVP321（Ⅰ—3）式中ρ为空气密度，S为风力机叶轮的扫掠面积，V为风速。对于一个确定的风力机，从不同的风速和转速查得对应的Cp值，计算出不同风速下的输出功率，获得不同风速下风力机输出功率和风力机轴转速之间的关系曲线，如图Ⅰ—2所示。可以看出，不同风速下风力机输出机械功率随叶轮转速而变化，每一个风速下存在一个最大输出功率点Pmax，对应于图Ⅰ—1的最大风能利用系数Cpmax。将各个风速下的最大功率点连接成线，即可得到最佳功率曲线Popt，运行在这条曲线上，风力机将会获得最大风能捕获，有最大功率输出Pmax式中n为风力机轴转速，ωm为风力机机械角速度。由此可见，实现最大风能捕获的关键是控制风力机转速。风力机按浆叶节距角调节方式分定浆距和变浆距两种类型。由于在极对数一定的情况下，若要输出电（Ⅰ—4）2)33'maxmknkP图Ⅰ—1风力机的风能利用系数2能频率恒定，必须要求发电机作恒速运行，这样定浆距风力机额定风速以下恒速运行时只有一个风速对应于Cpmax点，输出功率最大，其他风速下Cp值偏离最佳值。即使利用双速风力发电机也只能捕获两个风速下的最大风能，输出最大功率，比如图Ⅰ—2中两个风速：V1=6m/s，V2=8m/s。变浆距风力机在额定风速下可作变速运行，控制风力机的轴转速，使之始终跟踪最大风能曲线Popt，从而在不断变化的风速下均能获得最大风能的捕获和利用，这就是风力机变浆距﹑变速运行的基本出发点。随着风电机组单机容量的增大，运行成本已被提到重要的地位，追踪最大风能以提高发电效率的控制方式才是风力发电的最优发电方式。2.风力机最大风能捕获运行机制变速恒频风力发电系统运行控制的总体方案是：额定风速以下风力机按优化浆矩角定浆距运行，由发电机控制子系统来控制转速，调节风力机叶尖速比，从而实现最佳功率曲线的追踪和最大风能的捕获；在额定风速以上风力机变浆距运行，由风力机控制系统通过调节节距角来改变风能系数，从而控制风电机组的转速和功率，防止风电机组超出转速极限和功率极限运行而可能造成的事故。因此，额定风速以下运行是变速恒频发电运行的主要工作方式，也是经济高效的运行方式，这种情况下变速恒频风力发电系统的控制目标就是追踪与捕获最大风能。为此，必须研究风电系统最大风能捕获运行的控制机理和控制方法。实现最大风能捕获运行的关键是风电机组的转速控制。本研究中，风电机组转速的控制是通过调节发电机输出有功功率，从而调节发电机电磁阻转矩实现的。交流励磁变速恒频发电方案中采用双馈异步发电机，由由双馈发电机的功率关系可知：式中：P1，Pcu1,，Pfe1分别为发电机定子的输出功率，铜耗，铁耗；Pe为发电机电磁功率；s为发电机转差率；PM，mP，Pm分别为发电机输入机械功率，机械损耗和吸收的净机械功率；P2，2P为发电机转子功率和转子损耗。令上式中的PM=Pmax=Kω3m，可得：sPPPsPsPPPPPPPemmMefecue2211111（Ⅰ—5）sPPPPPskPsPPmfecum111113max1(Ⅰ—6)图Ⅰ—2风力机的能量曲线3在变速发电运行中，通过实时检测转速ωm，按（Ⅰ—6）式计算出P1作为发电机的有功功率指令P*，实现最大风能的追踪和捕获。追踪最大风能的过程可由图Ⅰ—3定性地解释：假设原先在风速V3下风力机稳定运行在Popt曲线的A点上,此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡为Pa，风力机将稳定运行在转速ω1上。如果某时刻风速升高至V2，风力机运行至B点，其输出功率由Pa突变至Pb，由于调节过程的滞后，发电机仍将暂时运行在A点，此时发电机的输入功率大于输出功率，功率的失恒导致转速上升。在转速增加的过程中，风力机和发电机分别沿着B→C和A→C曲线增速。到达风力机功率曲线与最佳曲线相交的C点时，功率将再一次达到平衡，转速稳定在对应于风速V2的最佳转速ω2上。同理也可以分析从风速V1到V2的逆调节过程。3交流励磁变速恒频发电原理变速恒频发电可采用两种形式。一是使用传统直流励磁的同步发电机，在追踪最大风能捕获的变速运行中，发电机输出变频的交流电能，经过整流，得到直流形式的电能，再经过有源逆变，变为电网频率的恒频交流电能。这种交—直—交变换形式的变速恒频发电方式需要采用发电机全额功率的变频装置，这对机组容量日益增加大的大型风力发电系统是难以实现的，因为变频装置成本高，制造困难。另外一种方式是采用双馈型异步发电机，转子侧供以三相交流励磁。发电机控制系统根据风力机的转速变化实时地调节转子励磁电流的频率，实现发电机定子侧电能的恒频输出。作为发电机转子侧励磁电源的变频器的容量为发电机的转差功率，随发电机变速范围而定。例如在同步速上﹑下30%范围变速恒频发电运行时，变频器功率容量为大约发电机额定容量的1/3。由此可见，交流励磁应是变速恒频发电的优选方案。交流励磁变速恒频双馈发电系统原理性示意图如图Ⅰ—4所示，发电机一般为三相绕线式异步发电机，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率的变频器，实现交流励磁。当风速变化引起发电机转速n变化时，应控制转子电流的频率2f使定子输出频率1f恒定。根据21fpffm(Ⅰ—7)关系，当发电机的转速n低于气隙旋转磁场的转速1n时，发电机处于亚同步速运行，此时变频器向发电机转子提供正相序励磁，式（Ⅰ—7）取正号；当发电机转速n高于气隙旋转磁场的转速1n时，发电机处于超同步速运行，式（Ⅰ—7）取负号；当发电机转速n等于气隙旋转磁场的转速1n时，发电机处于同步速运行，20f，变频器应向转子提供直流励磁。在不计铁耗和机械损耗的情况下，可以得到转子励磁双馈发电机的能量流动关系：式中mechP为转子轴上输入的机械功率，2P为转子励磁变频器输入的电功率，1P为定子输出的电功率，1cuP为定子绕组铜耗，2cuP为转子绕组铜耗，s为转差率。图Ⅰ—3风力机的功率特性21122112()mechcucucucuPPPPPPsPPP（Ⅰ—8）4等号左侧以输入功率为正，右侧以输出功率为正，在忽略定、转子绕组铜耗条件下，可近似为21PsP由式（Ⅰ—9）可知，当电机处于亚同步状态时，0s，20P，变频器向转子绕组输入电功率；当电机处于超同步状态时，0s，20P，变频器向转子绕组输入电功率。综上可知，在变速恒频风力发电中，由于风能的不稳定性和追踪最大风能的要求，电机转速在不断地变化，而且经常在同步速上、下波动，这就要求转子交流励磁电源不仅要有要良好的变频输入﹑输出特性，而且要有能量双向流动的能力。4.交流励磁变速恒频发电运行实验变速恒频发电实验在一台实验室3KW﹑4极双馈异步发电机上进行，转子采用双PWM变频器作交流励磁电源，分别进行了亚同步速（n=1200r/min）﹑同步速（n=1500r/min）及超同步速（n=1650r/min）发电运行，图Ⅰ—5～图Ⅰ—7分别给出了变频器输出的交流励磁电流﹑励磁电压PWM波形﹑发电机输出电压和电网的波形。（Ⅰ—9）(a)n=1200r/min(a)n=1500r/min(a)n=1650r/min图Ⅰ—5亚同步﹑同步和超同步速下发电机转子励磁电流图Ⅰ—4交流励磁发电机5从实验波形可以看出，它们的频率关系符合交流励磁变速恒频发电理论。(a)n=1200r/min(a)n=1500r/min(a)n=1650r/min图Ⅰ—6亚同步﹑同步和超同步速下发电机转子励磁线电压PMW波形(a)n=1200r/min(a)n=1500r/min(a)n=1650r/min图Ⅰ—7亚同步﹑同步和超同步速下发电机定子输出电压（上）和电网电压（下）6二．交流励磁发电机变速恒频运行控制实现最大风能捕获和追踪的关键是根据风速调节发电机的转速，这是通过调节发电机输出有功功率，控制发电机电磁阻转矩来实现的。变速恒频发电运行发电机输出有功功率P﹑无功功率Q的独立调节又是通过矢量变换控制策略对发电机进行控制，进而控制励磁用双PWM变频器的输出电压来完成的。实现交流励磁发电机矢量变换控制涉及定子磁链定向时发电机的数学模型，矢量变换控制系统结构优化。1．定子磁链定向m-t坐标系中双馈型异步发电机数学模型按发电机惯例选择如图Ⅱ—1所示坐标系。图中，m-t为两相同步速旋转坐标系，m轴定在定子磁链矢量1的方向。这样m﹑t轴上的磁链分量分别为：Ψm1=Ψ1，Ψt1=0。忽略发电机定子电阻，发电机感应电动势E1等于定子侧端电压U1。因为1E落后于190°，故1E和1U位于t轴的负方向，从而有Um1=0，Ut1=-U1关系。忽略定子电阻时发电机电压和磁链方程为[9][13][24]式中Ls，Lr，Lm为发电机定、转子等效自感和互感；r2为转子绕组电阻；Im1，It1，Im2，It2为定、转子电流的m、t轴分量；ω1,ωs为同步角速度及转差角速度；p为微分算子。从（Ⅱ—1）式可看出，不计定子电阻影响时，发电机的定子磁链Ψ1为常数，其值为定子电压与同步角速度之比。222222222211110msttttsmmmpIrUpIrUpU（Ⅱ—1）21221212112)(1trtmtmrmmmtmstmsmmILILILILILLIILLI（Ⅱ—2）图Ⅱ—1坐标变换系统72．发电机矢量变换控制系统按Um1=0，Ut1=-U1关系，发电机的功率方程为可以看出，有功功率P﹑无功功率Q分别与定子电流在m、t轴上的分量成正比，调节转矩电流分量It1和励磁电流分量Im1可分别独立调节P和Q。由前面发电机的电压和磁链方程可以导出其中2mU﹑2tU是分别与Im2﹑It2具有一阶微分关系的电压分量，△Um2﹑△Ut2为电压补偿分量。即其中：a=-Lm/Ls，b=Lr-Lm2/Ls。2mU﹑2tU为实现转子电压﹑电流解耦控制的解耦项，△Um2﹑△Ut2为消除转子电压﹑电流交叉耦合的补偿项。这样将转子电压分解为解耦项和补偿项后，既简化了控制，又能保证控制的精度和动态响应的快速性。按（Ⅱ—1）式～（Ⅱ—6）式可设计出变速恒频发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统框图，如图Ⅱ—2所示。1111mtIUQIUP（Ⅱ—3）222222tttmmmUUUUUU（Ⅱ—4）222222)()(ttmmIbpRUIbpRU21222mssttsmIbwawUIbwU（Ⅱ—5）（Ⅱ—6）图Ⅱ—2变速恒频风力发电机矢量控制系统框图8系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率环中，有功功率指令P*按（Ⅰ—6）式计算得到，无功功率指令Q*可根据电网对无功功率的要求计算，也可从发电机的功率消耗角度来计算[2]。指令P*﹑