!!交流励磁变速恒频风力发电系统控制策略的仿真研究

第25卷第16期中国电机工程学报Vol.25No.16Aug.20052005年8月ProceedingsoftheCSEE©2005Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013（2005）16-0057-06中图分类号：TM303文献标识码：A学科分类号：470⋅40交流励磁变速恒频风力发电系统控制策略的仿真研究卞松江1，吕晓美1，相会杰1，刘连根2，梁冰1（1．辽宁工程技术大学电气工程系，辽宁省阜新市123000；2．株洲电力机车研究所，湖南省株洲市412001）MODELINGANDSIMULATIONOFACEXCITEDVSCFINWINDPOWERSYSTEMSBIANSong-jiang1,LÜXiao-mei1,XIANGHui-jie1,LIULian-gen2,LIANGBing1（1.Dept.ofEE,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,LiaoningProvince,China;2.ZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstitute,Zhuzhou412001,HunanProvince,China）ABSTRACT:ThepaperintroducedprincipleofACexcitedVSCFinwindpowersystemsandthevectorcontroltechniqueorientedbythestatorfluxofthegenerator.TheauthormadeasimulationmodelinMatlab/Simulink,anddidsimulationinseveralconditionssuchasnoload,integratingwithpowergrid,independentlymodulationoftheactiveandreactivepowerandcaptureofthemaximumwindpower.Thesimulationresultsshowthatanalysisisrightandhaveveryimportantguidancesignificationonexperimentalsystems.KEYWORDS:Windpowergeneration;ACexcited;Variablespeedconstantfrequency(VSCF);Orientedbythestatorflux;Vectorcontrol摘要：介绍了交流励磁变速恒频（VariableSpeedConstantFrequency，VSCF）风力发电系统运行的基本原理及发电机的定子磁链定向矢量控制技术。在此基础上，以Matlab/Simulink为工具，建立了系统仿真模型，进行了发电机空载运行、并网、有功、无功功率独立调节、最大风能捕获运行等工况的仿真研究，仿真结果证明理论分析正确，对系统的实验研究具有一定的理论指导意义。关键词：风力发电；变流励磁；变速恒频；定子磁链定向；矢量控制1引言在矿产资源日渐短缺及环境污染日益严重的今天，世界各国都把发展可再生“绿色”能源——风能作为本国能源战略的重点，我国也不例外。目前，世界风电市场上风力发电机组的控制技术有定浆距失速调节技术、变浆距调节技术、主动失速调节技术、变速恒频技术4种[1-2]。本文对交流励磁变速恒频风力发电系统进行了详细的理论分析并建立了系统完整的仿真模型，对变速恒频系统空载、并网等几种运行工况进行了仿真研究，得出了具有理论指导意义的结果[3-5]。2变速恒频运行的基本原理交流励磁变速恒频风力发电系统结构框图如图1所示。由风力机、齿轮箱、变压器、双PWM变频器、双馈异步发电机、滤波器等几部分构成。由交流异步发电机的基本原理可得下列关系[6]60srnpff=±(1)式中fs为定子电流频率，Hz；n为转子转速，r/min；p为电机的极对数；fr为转子电流频率，Hz。风力机齿轮箱滤波器电网变压器双PWM变频器双馈异步发电机S·PGenS·PGenPGen3~3~注：PGen—发电机发出功率；S·PGen—经变频器流动的转差功率图1系统结构框图Fig.1Thestructureframeofthesystem当发电机的转速n小于定子旋转磁场的同步转速ns时，处于亚同步运行状态，此时变频器向发电机转子提供交流励磁，定子发出电能给电网，式(1)中fr取正号；当n大于ns时，处于超同步运行状态，此时发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变频器的能量逆向流动，式(1)中fr取负号；当n等于ns时，处于同步运行状态，此时发电机作为同步电机运行，fr=0，变频器向转子提供直流励磁。图中PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建整流—PWM逆变双PWM变频器能够满足交流励磁发电机的运行要求，实现转差功率在发电机转子与电网间的双向流动[7]。由式(1)知，当发电机转速n变化时，若控制转子供电频率fr相应变化，可使fs保持恒定不变，与电网频率保持一致，就实现了变速恒频控制，这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。3定子磁链定向矢量控制策略研究按发电机惯例列写的定子同步速MT两相坐标系下发电机的数学模型为定子电压方程11MssMsTsMsTssTsMsTsuriuriwyywyy=-+-⎧⎨=---⎩(2)转子电压方程MrrMrsTrMrTrrTrsMrTruriuriwyywyy=-+⎧⎨=++⎩(3)定子磁链方程MssMsmMrTssTsmTrlilililiyy=-⎧⎨=-⎩(4)转子磁链方程MrmMsrMrTrmTsrTrlilililiyy=-+⎧⎨=-+⎩(5)电磁转矩方程3()2emMsTrTsMrTpliiii=-(6)式中u、i、y、Te、分别为电压、电流、磁链、电磁转矩；p为电机的极对数；r、l分别为电阻、电感；w1为定子同步电角速度；ws为转差电角速度，ws=w1-wr=s·w1；wr为转子电角速度，s为转差率；下标s、r分别表示定子、转子分量；下标m表示定转子间相互作用量；下标M、T分别表示M、T轴分量。由于交流励磁发电机的定子总是接在工频50Hz的大电网上，此频率下定子绕组的电阻比其电抗小很多，可忽略不计。这样，以定子磁链来定向，定子磁链与定子电压矢量间的相位正好差90°电角度，使得控制相当简单，在实时控制系统中得到广泛应用。如图2所示，当选择定子磁链方向为同步旋转坐标系M轴方向后，有0MssTsyyy=⎧⎨=⎩(7)略去定子电阻后，对发电机惯例来说有bsqsw1ysqrbrwrarasMTumu注：as、bs—定子上静止两相坐标轴，其中as与定子a相轴线重合；ar、br—转子上两相坐标轴，以转子电角速度wr相对定子旋转，其中ar与转子a相轴线重合；M、T—定子两相坐标轴，其旋转速度为同步电角速度w1；u—定子三相电压综合矢量；qs、qr—定子、转子两相坐标轴的电角位移；ys—定子磁链幅值图2定子磁场定向示意图Fig.2Thesketchofvectorsofstatormagnetic-fieldddsssuety==-(8)那么相电压矢量将比磁链矢量滞后90°，正好落在T轴的负方向上。由于定子接于恒定的电网上，电压综合矢量长度为常数。采用模不变型变换矩阵，在两轴坐标系中，相电压综合矢量的模仍为三相系统的相电压幅值um。所以有0MsTsmuuu=⎧⎪⎨=-⎪⎩(9)将式(7)、(9)代入式(2)并略去定子电阻，得0/ssmsuyyw=⎧⎪⎨=⎪⎩(10)可见定子磁链也是恒定不变的。两相坐标系下瞬时有功功率、无功功率可写为33[]()2233[]()22MsMsTsMsMsTsTsTsMsTsMsTsMsMsTsTsipuuuiuiiiquuuiuii⎧⎡⎤=⋅⋅=+⎪⎢⎥⎪⎣⎦⎨⎡⎤⎪=⋅-⋅=-⎢⎥⎪⎣⎦⎩(11)由于两相系统中定子的M、T轴分量均为直流量，所以上式也可以认为是平均功率的表达式。将式(9)代入上式，可得平均功率3/23/2mTsmMsPuiQui=-⎧⎨=-⎩(12)由式(4)得()//MrssMsmTrsTsmilililily=-+⎧⎨=⎩(13)由转子磁链方程式(5)得22(1)(1)mmMrsrMrsMrssrmTrrTrTrsrllliabilllllibillyyyy⎧=-+-=-+⎪⎪⎨⎪=-=⎪⎩(14)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建期卞松江等：交流励磁变速恒频风力发电系统控制策略的仿真研究59再由转子电压方程式(3)得d()dd()dMrrMrsTrMrrMrsTrMrMrTrrTrsMrTrrTrsssMrTrTrurirbitbiuuurirbitabiuuwyywwyywyw⎧=-+=+-⎪⎪′=+Δ⎪⎨⎪=++=+-⎪⎪′+=+Δ⎩(15)式中Mru′﹑Tru′为实现转子电压﹑电流解耦控制的解耦项；ΔuMr、ΔuTr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。有了uMr、uTr后，就可通过2f/3f变换得到三相坐标下转子电压量()()a1bc()cossin22cos()sin()3322cos()sin()33rMrrsrTrrsrsrMrsrsrTrsrsruuuuuuuqqqqqqqqqqqqqq-⎡⎤⎡⎤⎢⎥=-⋅=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎡⎤---⎢⎥⎢⎥⎡⎤--π---π⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥-+π--+π⎢⎥⎣⎦T(16)这个转子三相电压分量值就可以用作产生PWM波所需的指令信号，用于控制逆变主电路开关管通断，产生所需频率、大小、相位的三相交流励磁电源。式(11)~(16)组成了交流励磁发电机定子磁链定向矢量控制的基本关系式，系统的控制框图如图3所示。可见整个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*、无功功率指令Q*与功率反馈值P、Q进行比较，差值经PI型功率调节器运算，输出定子电流无功分量及有功分量指令*Msi和*Tsi；*Msi和*Tsi按式(13)计算得到转子电流的无功分量和有功分量指令*Mri和*Tri；*Mri、*Tri和转子电流反馈量比较后的差值送入PI型电流调节器，调节后输出电压分量Mru′、Tru′；加上电压补偿分量后就可获得转子电压指令*Mru、*Tru，经旋转变换后得到发电机转子三相电压控制指令*aru、*bru、*cru；将它们作为调制波与三角载波比较以产生SPWM脉冲去控制主电路开关管IGBT的通断，从而实现变速恒频及有、无功功率的独立调节控制[8]。PIls/lm-1/lmPIls/lm+-+-P*ys+iMsiTsiMriTr+-PIPI+-++++uMruMruTruarubr2f/3fqs-qrPWM调制uarubrucr网侧变换器控制器ud***********iTriMr电压补偿计算ΔuTrΔuMr3f/2fiaribriaribricrwsy1um/w1w1um-+光电编码器qrwr-+DFIGqs+90°校正quuabubcucauasubsucs3f/2fuasubsiMsiTsuTsuMsPQ3f/2fiasibsics电网iasibsQ*j()esrqq-j()esrqq--jesq-jesq-PQ计算计算ABCuTr′′图3交流励磁变速恒频发电机定子磁链定向矢量控制框图Fig.3ThevectorcontrolframeorientedbythestatorfluxoftheACexcitedVSCF4变速恒频风力发电系统控制策略的仿真研究4.1风力机的仿真模型风力机是整个风力发电系统能量转换的首要部件，它用来截获流动空气所具有的动能，并将风力机叶片迎风扫掠面积内的一部分空气的动能转换为有