1、第26卷第6期2005年12月太陽能學報ACTAENERGIAESOLARISSINICAVol126,No16Dec1,2005文章編號:025420096(2005)20620772208交流勵磁變速恒頻風力發電系統的實驗相會杰1,卞松江1,呂曉美1,鄭洪濤2(11遼寧工程技術大學電氣工程系,阜新123000;21株州時代集團研發中心,株州412001)摘要:介紹了交流勵磁變速恒頻風力發電系統運行的基本原理及發電機的定子磁鏈定向向量控制技術。構建了基于DSP+IPM的系統實驗平臺,進行了發電機空載運行及并網過渡過程、亞同步、同步、超同步3種狀態下的變速恒頻發電等工況的仿真和實驗,通過對實驗

2、結果的分析驗證了理論分析的正確性,為該系統的進一步深入研究建立了一定的實驗基礎。關鍵詞:變流勵磁;變速恒頻;風力發電;定子磁鏈定向;向量控制;仿真中圖分類號:TM303文獻標識碼:A0引言隨著能源消耗日益增長,的污染,源,量以40%。目前,世界風電市場上風力發電機組的控制技術有定漿距失速調節技術、變漿距調節技術、主動失速調節技術、變速恒頻技術4種。我國風能資源豐富,為了能高效的利用這些能源為生產服務,因此對先進的變速恒頻技術展開研究并使之轉化為生產力乃是風力發電領域研究的當務之急。為此,我們對交流勵磁變速恒頻風力發電系統進行了詳細的理論分析并構建了系統完整的軟、硬件實驗平臺,并對系統空載、并網

3、及3種速度下發電等運行工況進行了深入的實驗研究。Hz圖1風力發電系統結構框圖Fig11Thestructureframeofthewindpowergenerationsystem當發電機的轉速n小于定子旋轉磁場的同步轉速n1時,處于亞同步運行狀態,此時變頻器向發電機轉子提供交流勵磁,定子發出電能給電網,式(1)中f2取正號;當n大于n1時,處于超同步運行狀態,此時發電機同時由定子和轉子發出電能給電網,變頻器的能量流向逆向,式(1)中f2取負號;當n等于n1時,處于同步運行狀態,此時發電機作為同步電動機運行,f2=0,變頻器向轉子提供直流勵磁。圖中PWM整流PWM逆變雙PWM變頻器能夠滿足交流

4、勵磁發電機的運行要求,實現轉差功率在發電機轉子與電網間的雙向流動。由式(1)可知,當發電機轉速n變化時,若控制轉子供電頻率f2相應變化,可使f1保持恒定不變,與電網頻率保持一致,就實現了變速恒頻控制,這就是交流勵磁發電機變速恒頻運行的基本原理。1變速恒頻運行的基本原理交流勵磁變速恒頻風力發電系統結構如圖1所示。由風力機、齒輪箱、變壓器、雙PWM變頻器、雙饋異步發電機濾波器幾部分構成。由交流異步發電機的基本原理可得下列關系式:f1=60±f2(1)式中,f1定子電流頻率,與電網頻率相同,Hz;n轉子轉速,r/min;p電機的極對數;f2收稿日期:2004203209© 199

5、4-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相會杰等:交流勵磁變速恒頻風力發電系統的實驗7732定子磁鏈定向向量控制策略研究按發電機慣例列寫的定子同步速MT兩相坐標系下發電機的數學模型為:定子電壓方程uMs=-rsiMs+ 1Ts-Ms(2)uTs=-rsiTs- 1MsTs轉子電壓方程uMr=rriMr-sTr+ MruTr=rriTr+sMr- Tr(3)u1=e1=-dt(8)那么相電壓向量將比磁鏈向量滯后90°,正好落在T軸的負方向上。由于定子接于恒定的電網

6、上,電壓綜合向量將是常數,保持不變的。由于采用的是模不變型變換矩陣,在兩軸坐標系中,相電壓的綜合向量的模仍為三相系統的相電壓幅值um。所以有:uMs=0(9)uTs=-um(9)式代入(2)式中并略去定子電阻,可得:將(7)、 1=0(10)1=um/1定子磁鏈方程Ms=lsiMs-lmiMrTs=lsiTs-lmiTr轉子磁鏈方程Mr=-lmiMs+lriMrTr=-lmiTs+lriTr電磁轉矩方程Te(4)可見定子磁鏈也是恒定不變的。:p+uTsuMs+uTsiTs)i(5)iTsimiMsTs-uMs=(uTsiMs-uMsiTs)2i(6)(11)由于交電的子總是接在工頻50Hz,這

7、樣的頻率下定子繞組的電阻比其電抗小很多,可忽略不計。這樣,以定子磁鏈來定向,定子磁鏈與定子電壓向量間的相位正好差90°電角度,使得控制相當簡單,在實時控制系統中得到廣泛應用。由于兩相系統中定子的MT分量均為直流量,所以上式也可以認為是平均功率的表達式。將(9)式代入上式,可得平均功率:P=-ui2mTs(12)Q=-ui2mMs由(4)式得:iMr=(-1+lsiMs)/lm(13)iTr=lsiTs/lm再由轉子磁鏈方程式(5)得:Mr1+lr1-=-i=-a1+biMrlslslrMrTr=lr1-iTr=biTrlslr(14)圖2定子磁場定向示意圖Fig12Thesketch

8、mapofstatorsmagneticfield再由轉子電壓方程式(3)得:uMr=rriMr-sTr+ Mr=rr+bsiTr=ui-bMr+uMrdMrsi+bsiMr=ui-aTr+uTrdtTr(15)如圖2所示,當選擇定子磁鏈1方向為同步旋轉坐標系M軸方向后,有:MS=1TS=0略去定子電阻后,對發電機慣例來說有:(7)uTr=rriTr+sMr+ Tr=rr+b© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 774太陽能學報26卷式中,uu實現轉子電

9、壓、電流解耦控制的項后,既簡化了控制,又能保證控制的精度和動態響Mr、TruTr解耦項;uMr、消除轉子電壓、電流交叉耦應的快速性。有了uMr、uTr后,就可通過2</3<變換合的補償項。這樣將轉子電壓分解為解耦項和補償得到三相坐標下的轉子電壓量。cos(-sin(s-r)s-r)uaruubr=T-1(s-r)uMruTr=coss-r-sins-r-uMru(16)coss-r+3-sins-r+3這個轉子三相電壓分量值就可以用作產生PWM波所需的指令信號,用于控制逆變主電路的開關管的通斷,產生所需頻率、大小、相位的三相交流勵磁電源。(11)(16)式組成了交流勵磁發電機定子磁

10、鏈定向向量控制的基本關系式,系統的控制框圖如圖3所示。可見整個系統采用雙死循環結構,外環為功率控制環,內環為電流控制環。在功率環中,有功功率指令P、無功功率指令Q與功率反饋值P、Q進行比較,差值經PI型功率調節器運算,3333子電流無功分量及有功分量指令iTsiMs和3按(13)式計算得到轉子電流的無功分量和有功分量3333指令iMr和iTr;iMr、iTr和轉子電流反饋量比較后的差值送入PI型電流調節器,調節后輸出電壓分量uMr、uTr;加上電壓補償分量后就可獲得轉子電壓指33令uMr、uTr,經旋轉變換后得到發電機轉子三相電壓333控制指令uar、ubr、ucr;SPWIG2BT,。圖3交

11、流勵磁變速恒頻發電機定子磁鏈定向向量控制框圖Fig13ThevectorcontroldiagramorientedbythestatorfluxoftheACexcitedVSCFgenerator© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相會杰等:交流勵磁變速恒頻風力發電系統的實驗7753交流勵磁變速恒頻風力發電系統的仿真及仿真結果以前面所述的控制策略及為解決實驗室中風力機的模擬問題,提出了直流機模擬風力機的方法,建立了交流勵磁變速恒發電系統的仿真模

12、型,進行了并網前發電機空載電壓調節,并網條件檢驗,并網過渡過程及追蹤最大風能捕獲的變速恒頻發電運行仿真研究。系統仿真模型能很好地模擬實際的運行工況,仿真結果證明了本篇提出的控制策略、構建的風力發電系統可以實現定子磁鏈定向的解耦控制,實現發電機的有功功率和無功功率的獨立調節,滿足變速恒頻風力發電的需要,構建了基于DSP+IPM的系統實驗平臺。311并網過程仿真發電機在1200rpm轉速下空載穩態運行3s后并網,空載調節過程、效果及并網時刻轉子電流過渡3)中iMr很快跟到iMr過程波形如圖4a所示,可見(上,iTr也很快穩定且幾乎為零,這與前述的控制策)中定子A相輸出電壓與電網A相略是相符的;(電

13、壓的誤差在半個周波之內就達到10V以內,說明)可見并網過程中,調節過程較快、精度較高;由(轉子電流沒有太大的沖擊,過渡比較平穩,對電網不會造成太大影響,完全滿足并網要求。圖4交流勵磁變速恒頻風力發電系統仿真波形Fig14ThesimulationcurvesoftheACexcitedVSCFwindpowergenerationsystem312無功調節過程仿真并網后,無功功率給定為600Var,815s時無功給定由600Var上升至1200Var,1215s后下降為600Var,1515s時仿真結束。仿真期間,保持風速為615m/s)給出了只改變無不變。仿真結果如圖4b所示,(功功率的給定

14、時,有功功率P和無功功率Q的變化情況,可見有、無功功率的實際值很好地追蹤了各給定值,調節中相互不干擾,很好地實現了解耦;相應)所示,也只有的轉子電流MT分量變化情況如(無功分量iMr絕對值有所增大,而有功分量iTr不變,說明無功功率可獨立調節,同時可以看到轉子電流兩分量也很好地追蹤了給定的變化;發電機轉速波)所示,基本上沒變化,保持615m/s風速所形如(對應的最佳轉速1300rpm,這進一步說明了無功調節過程中,有功功率的確不變化。313有功調節過程仿真© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. A

15、ll rights reserved. 776太陽能學報26卷并網后,風速給定為615m/s,815s時風速由615m/s改變為7m/s,1215s又變回615m/s,1615s時仿真結束。仿真期間,設定無功功率為600Var不變。仿真結果如圖8所示,只改變風速的給定,當風速由615m/s變為7m/s時,有功功率P將有所增)所大,有功功率P和無功功率Q的變化情況如(示,有、無功功率的實際值很好地追蹤了各給定值;)所示,也相應的轉子電流MT分量變化情況如(只有有功分量iTr絕對值有所增大,而無功分量iMr不變,說明有功功率可獨立調節,同時可以看到轉子電流兩分量也很好地追蹤了給定的變化;發電機轉速

16、)所示,當風速給定由615m/s變為7m/s波形如(時,電機轉速由615m/s風速所對應的最佳轉速1300rpm變為7m/s風速所對應的最佳轉速1400rpm,當風速給定由7m/s變回615m/s時,電機轉速也由1400rpm變回615m/s風速對應的最佳轉速1300rpm。說明在風速的變化過程中,機理運行。組為模擬風力機的直流電機2拖動一個繞線式雙饋電機。由IPM1和IPM2組成的雙PWM變流器充當發電機轉子的勵磁電源,它們分別由DSP1和DSP2進行控制,且兩者間需進行必要的通訊配合,以完成前述的定子磁鏈定向的向量控制策略。由于發電機的轉子能量是在電網和電機之間雙向流動的,因此接于轉子回路

17、、用作交流勵磁的電源必須是一個能量能夠雙向流動的變頻器。于是采用PWM整流PWM逆變形式的雙PWM交直交變頻器不僅有良好的輸出性能,更大大改善了輸入性能,可獲得任意功率因子的正弦輸入電流,且具有能量雙向流動的能力,是一種能滿足變速恒頻風力發電機交流勵磁要求的理想變頻電源。)、降壓變壓器、光電編碼器、并網裝置、直流電機的控制器及電壓、電流霍爾傳感器等硬件設備。412系統的軟件編程發電機的定子磁鏈定向矢量變換控制策略是由接于電機側PWM變換器上的DSP來實現的,其控4411系統的硬件構成實驗系統的總體硬件框圖如圖5所示。實驗機圖5實驗系統的總體硬件框圖© 1994-2007 China

18、Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相會杰等:交流勵磁變速恒頻風力發電系統的實驗Fig15Thehardwareframeofexperimentsystem777制程序框圖如圖6所示。a為主程序框圖,b為中斷程序控制框圖。該軟件程序主要包括以下幾個功能模塊:與上位機的通訊、計算速度交流量的檢測計算、坐標變換、電壓矢量及定子磁鏈空間位置角、轉子機械位置角及相對于定子的電角度、PI調節的數字算法、由電網線電壓計算三相相電壓、有無功功率的計算。413系統實驗結果41311并網過程實驗并網前發電機空

19、載運行時的控制效果及并網時的過渡過程波形如圖7所示。a圖為定子輸出線電壓uabs與電網線電壓uabn的對比波形,可見在控制器的作用下定子輸出電壓與電網電壓基本一致,說明控制策略是正確可行的。此時并網,引起的定、轉子電流過渡過程波形如圖b所示,從中可見定、轉子電流沖擊不大,控制效果較好。41312同步速并網電運行狀態實驗發電機運行在同步速下,并網發電的定、轉子電流波形及各自頻譜如圖7所示。a圖為轉子電流波形,同步速時,這點從該圖及其對應的頻譜b圖為定子電流。在前面所構建的軟、硬件實驗平臺上,先由模擬風力機的直流電動機將雙饋異步發電機(同步速為1500rpm)帶動到1200rpm空載運行,施加轉子

20、勵磁,觀察控制效果。當定子發出的電壓與電網電壓波形一致,滿足并網條件時,由并網裝置將發電機并入電網。然后,可將發電機的轉速升至1500rpm、1650rpm,分別觀察亞同步速、同步速、超同步速3種運行狀態下的發電情況。實驗結果如下圖6轉子側變換器控制程序框圖Fig16Thecontrolframediagramofrotor© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 778太陽能學報26卷圖77Theof41313發電機的定子磁鏈定向矢量控制技術理論分析的正確

21、性,為系統的進一步深入研究建立了一定的實驗基礎。參考文獻1卞松江.變速恒頻風力發電關鍵技術研究D.浙江定、7所示。a圖為轉子電流波形,轉子電流應為反相序5Hz的交流電,這點從該圖及其對應的頻譜b圖得到驗證。c圖為定子電流波形,d圖為其對應的頻譜圖,可見定子電流波形正弦性較好,頻譜分析中50Hz基波占絕對主要成分。大學博士學位論文,2003.2卞松江,潘再平,賀益康.風力機特性的直流電機模擬J.太陽能學報,2003,24(3):360364.3倪受元.風力發電講座第二講風力機的工作原理和5結論本文針對交流勵磁變速恒頻風力發電系統構建了基于DSP+IPM的系統實驗平臺,進行了發電機空載運行及并網過

22、渡過程、亞同步速、同步速、超同步速3種運行狀態下的變速恒頻發電實驗研究。從實驗結果看出,每種運行狀態均保證定子輸出電壓頻率為50Hz,實現了變速恒頻發電運行,證明了對氣動力特性J.太陽能,2000,21(3):1216.4PenaR,ClareJC,AsherGM.Doublyfedinductiongenera2torusingback2to2backPWMconvertersanditsapplicationtovariable2speedwind2energygenerationJ.IEEProc2ElectrPowerAppl,1996,143(3):231241.© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 6期相會杰等:交流勵磁變速恒頻風力發電系統的實驗779THESTUDYONTHEEXPERIMENTOFACECITEDVSCFWINDPOWERGENERATIONSYSTEMXiangHuijie1,BianSongjiang1,LüXiaomei1,ZhengHongtao2(11DepartmentofElectricalEngineeringofLiaoningEngineeri