交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制_图文.doc

2008年 1 月电工技术学报Vol.23 No.1 第23卷第1期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jan. 2008 交流励磁变速恒频风力发电系统的 运行与控制 刘其辉1贺益康2赵仁德2 1. 华北电力大学电气与电子工程学院北京 102206 2. 浙江大学电气工程学院杭州 310027 摘要合理的励磁控制是确保变速恒频风力发电机可靠、高效运行的关键。分析了旋转坐标系下双馈型异步发电机DFIG的数学模型,采用定子磁链定向方式推导了DFIG矢量控制策略,并通过DFIG功率控制实现最大风能追踪。采用双PWM变换器作为DFIG的励磁电源,其中网侧变换器通过电网电压定向矢量控制实现交流侧功率因数和直流母线电压控制。在10kW机组上进行了包括发电机稳、动态变速恒频运行,最大风能追踪以及网侧变换器控制等内容的实验研究,实现了DFIG功率解耦、最大风能追踪以及相应的变换器工作状态的切换,验证了控制策略的正确性。 关键词交流励磁变速恒频风力发电矢量控制双PWM变换器 中图分类号TM310 Operation and Control of AC-Exited Variable-Speed Constant-Frequency Wind Power Generation System Liu Qihui1 He Yikang2 Zhao Rende2 1. North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Zhejiang University Hangzhou 310027 China Abstract Reasonable excitation control is crucial for variable-speed constant-frequencyVSCF wind power generator to operate efficiently and reliably. The mathematic model of doubly-fed induction generatorDFIGis firstly analyzed in the rotational reference frame. Based on stator flux orientation, vector control strategy of DFIG is investigated, by which the maximum wind power can be traced. Back-to-back PWM converters are constructed as the excitation source of DFIG, and the AC power factor and DC bus voltage of grid-side converter are regulated by grid voltage orientation vector control. Experimental research, which includes static 其次,可以实现有功、无功功率的解耦控制,提高电力系统的调节能力及稳定性[4];再次,通过交流励磁可以实现发电机与电网的“柔性连接”,简化并网操作[1];最后,在发电机转子侧励磁[5-6],可减小励磁电源的容量。AEVSCF 发电技术适于绿色能源开发,尤其是风力发电中的应用。 AEVSCF 风力发电系统是一个复杂的机电能量转换体系[7-8],随着机组容量的不断增大,其运行经济性和可靠性成为关注的热点问题[9]。本文对AEVSCF 风力发电系统的运行及控制进行了研究,分别采用定子磁链定向和电网电压定向矢量变换技术,推导了双馈型异步发电机Doubly-Fed Induction Generator ,DFIG 及网侧变换器的控制策略。最后设计了实验样机,对DFIG 的稳、动态变速恒频运行、功率解耦特性、最大风能追踪、励磁变换器运行进行了较为全面的实验研究,验证了AEVSCF 风力发电系统运行理论和控制方法的正确性。 2 交流励磁变速恒频的原理 AEVSCF 风力发电系统如图1所示。DFIG 定子接电网,转子接励磁变换器,通过变换器改变转子励磁电流的频率、幅值和相位,实现“交流励磁”。根据电机学知识,有 n m 2160 p n f f 1 式中 f 1, f 2DFIG 定、转子电流频率 n m DFIG 机械转速 p n DFIG 极对数 由上式可知,当发电机转速变化时,调节转子励磁电流频率可保持定子输出电能频率恒定,这就是“变速恒频”的原理。 忽略损耗时,DFIG 转子输入有功功率为 P 2sP 1 2 式中 P 1DFIG 定子输出有功功率 s 转差率 DFIG 亚同步运行时,s 20、P 20,转子交流励磁相序与定子相同,转子从电网吸收能量;DFIG 超同步运行时,s 2v3。图中P opt曲线为最佳功率曲线,运行在该曲线上,风力机就能捕获到最大风能。控制DFIG的输出有功功率可调节机组的电磁阻转矩及转速,如果令发电机输入机械功率为风力机的最佳功率P opt,风力机会稳定运行于最佳功率曲线上,实现最大风能追踪,机理解释如下 假设在风速v3下机组稳定运行于最佳功率曲线上的A点,此时风力机的输出功率和发电机的输入机械功率相平衡,风力机的稳定转速为ω1。如果某时刻风速升至v2,风力机跳至B点运行,其输出功率由P a突增至P b。由于惯性作用,发电机仍暂时运行在A点,风力机提供的功率大于发电机的输入功率,从而导致转速上升。在转速上升的过程中,风力机和发电机分别沿着B→C曲线和A→C曲线增速运行。到达C点时,功率再一次达到平衡,转速稳定为ω2v2对应的最佳转速。同理也可分析风速从v1到v2变化的逆过程。 图5 风力机的功率特性 Fig.5 The power characteristics of a wind turbine 根据风力机的知识、风能追踪机理和DFIG功率特性,DFIG参考有功功率P*的计算公式为 opt * m Cu1Fe1 3 opt r 1 1 P P P s P P P P s P kω ⎧ −∆ ⎪ − ⎪ ′ ⎪ ∆ ⎨ − ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ 10 式中P Cu1, P Fe1发电机定子铜耗、铁耗 s发电机转差率 P out, m P′风力机最佳功率、发电机机械 损耗 k与风力机有关的系数 本文最大风能追踪方案通过控制DFIG有功功率间接调节机组转速至最佳转速,无需风速检测,动态响应快,鲁棒性好。 4网侧变换器的控制 双PWM变换器的主电路如图6所示。其中u a、u b、u c为网侧变换器交流侧电网电压,i a、i b、i c为交流侧流入电流;R、L是进线电抗器的等效电阻和电感;C为直流环节的储能电容;u dc是直流环节电压。 网侧变换器的控制目标是保持交流侧单位功率因数运行和直流环节电压稳定。仍采用坐标变换进行分析,如图7所示。 图6 双PWM变换器主电路结构 Fig.6 Structure of back-to-back PWM converter 图7 网侧变换器矢量控制坐标变换 Fig.7 Coordinate transation of grid-side converter vector control 第23卷第1期 刘其辉等 交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制 133 图中d 、q 为两相同步速旋转坐标系,u s 、u r 分别为电网电压矢量和网侧变换器交流侧电压矢量,i 为交流侧输入电流矢量。可以看出,控制u r 可调节u s 与i 的相位差,即交流侧的功率因数角。d 、q 坐标系下网侧变换器的数学模型为[13] d d 1q d dr q q 1d q qr d d d d i L Ri Li u u t i L Ri Li u u t ωω⎧−−⎪⎪⎨ ⎪−−−⎪⎩ 11 式中 u d , u q u s 的d 、q 轴分量 u dr , u qr u r 的d 、q 轴分量 i d , i q i 的d 、q 轴分量 上式可写为 dr dr dr d qr qr qr q u u u u u u u u ′−∆⎧⎪⎨′−−∆⎪⎩ 12 式中dr u ′、qr u ′是解耦项,∆u dr 、∆u qr 为补偿项。 d dr d q qr q d d d d i u L Ri t i u L Ri t ⎧ ′⎪⎪ ⎨ ⎪′⎪⎩ 13 dr 1q qr 1d u Li u Li ωω∆⎧⎪⎨ ∆⎪⎩ 14 采用电网电压定向矢量控制,将d 轴定于u s 方向上见图7,此时有 d s q 0u u u ⎧⎪⎨⎪⎩ 15 式中,u s 为u s 的幅值。计及上式,式12化为 dr dr dr s qr qr qr u u u u u u u ′−∆⎧⎪⎨′−∆⎪⎩ 16 网侧变换器从电网吸收的有功及无功功率为 r d d q q s d r q d d q s q P u i u i u i Q u i u i u i ⎧⎪⎨ −−⎪⎩ 17 式中,P r 0表示网侧变换器从电网吸收能量,工作于整流状态;P r 0表示网侧变换器向电网回馈能量,工作于逆变状态。Q r 0表示网侧变换器与电网没有无功功率的交换,工作于单位功率因数状态。控制i d 、i q 可以分别控制网侧变换器的直流环节电压和功率因数。 根据式12式16设计出的网侧变换器 控制系统如图8所示。 图8 网侧变换器电网电压定向矢量控制策略 Fig.8 The strategy of grid-voltage oriented vector control of grid-side converter 5 实验研究 AEVSCF 风力发电实验系统如图9所示,采用直流电动机模拟风力机运行拖动DFIG [14-15],两个DSP 分别控制机侧、网侧变换器。实验系统参数参见附录。 图9 交流励磁变速恒频风力发电实验系统框图 Fig.9 Schematic diagram of the laboratory AEVSCF wind-power generation system 5.1 变速恒频发电稳、动态运行实验 图10、图11为AEVSCF 风力发电系统变速恒频发电运行的稳态实验。图10为DFIG 四种输出情况下的定子电压和电流只输出有功功率、只输出感性无功功率、只输出容性无功功率和同时输出有功和感性无功功率。各种输出情况下,DFIG 定子电流正弦性好,电能质量较高。图11为DFIG 运行在亚同步速、同步速、超同步速下的定、转子电流及定子电流频谱。当转速变化时定子电流频率保持 134 电 工 技 术 学 报 2008 年 1 月 图 13 为变速恒频发电运行的动态实验。图 12 表示 了 DFIG 发生负荷突变时的定子电压、电流和转子 电流的变化过程（箭头标示突变时刻，下同） 。图 13 表示了电网电压由 0.7 倍额定值恢复到额定值时 的 DFIG 定、转子电流。可以看出，电网电压的变 化改变了 DFIG 的励磁功率，等效为 DFIG 的无功 输出发生变化。 图 10 Fig.10 DFIG 不同输出条件下的定子电压、电流 conditions of DFIG Stator voltages and currents at the different output 图 12 Fig.12 DFIG 输出突变时的定子电压、定子 电流与转子电流 Response of stator voltage current and rotor current to the change of DFIG output 图 13 Fig.13 图 11 亚同步、同步速、超同步速下的定、转子电流及 定子电流频谱 Fig.11 Stator current, rotor current and frequency spectrum of stator current at sub-synchronizing speed, synchronizing speed and super-synchronizing speed 电网电压突变时 DFIG 定、转子电流 DFIG stator current and rotor current with sudden change of grid voltage 5.2 最大风能追踪实验 图 14 表示了阶跃式风速变化下机组追踪最大 风能的过程。从图 14a 看出，当风速变化时，发电 机的输出有功功率发生改变，机组的转速随之进行 调节，最后稳定为最佳转速，实现最大风能追踪。 另外也看到，DFIG 有功功率改变时无功功率不受 其影响，功率实现解耦。图 14b 为 DFIG 定、转子 恒定， 实现了 “变速恒频” 转子电流频率随着 DFIG ； 转速的变化而改变，同步速时演变为直流。图 12、 第 23 卷第 1 期 刘其辉等 交流励磁变速恒频风力发电系统的运行与控制 135 电流。风能追踪过程中定子电流频率恒定，幅值变 化，后者反映了 DFIG 输出功率的变化，而转子电 流频率的变化体现了机组转速的改变。 6 结论 通过对 AEVSCF 风力发电系统运行特性的分 析，推导了基于定子磁链定向的 DFIG 矢量控制策 略和基于电网电压定向的网侧变换器矢量控制策 略。实验研究表明DFIG 不但具有良好的稳、动 态变速恒频运行特性，而且其输出有功、无功功率 可以独立调节，为实现基于发电机功率控制的最大 风 能 追 踪 创造 了 条 件 ；作 为 DFIG 励 磁 电 源 的双 PWM 变换器不但输入、输出特性优良，而且其工 作 状 态 能 随着 DFIG 运行 条 件 的 变化 实 现 自 然切 换，满足 AEVSCF 风力发电的需求。实验结果验证 了本文理论分析及控制策略的正确性。 附 1. DFIG 实验参数 额定功率10kW 定子额定电压380V/50Hz 极对数p n3 同步转速n 11000r/min R10.379Ω、R20.314Ω L 10.0438H、L 20.0449H、L m0.0427H 2. 双 PWM 变换器实验参数 输入交流额定相电压u n44V 输入交流额定相电流iN 2.5A 直流环节电压u dc 150V 直流环节电容C2200mF 交流滤波电感L5mH 功率开关器件 IGBT （IPM 模块 PM100CVA060） 录 图 14 Fig.14 阶跃式风速变化时的最大风能追踪 the step change of wind speed The maximum wind power tracing process with 5.3 网侧变换器控制实验 图 15、图 16 为网侧变换器控制运行实验。图 15a、图 15b 分别表示了整流、逆变状态下网侧变换 器的交流侧电网电压和输入电流。 整流时两者同相， 网侧变换器从电网吸收能量；逆变时两者反相，网 侧变换器向电网回馈能量 [16] 。图 16a、16b 分别表 示了网侧变换器运行状态切换时（从逆变到整流） 的交流侧电网电压和交流侧输入电流、直流环节电 压。 图 15 Fig.15 整流、逆变状态下网侧变换器交流侧 电网电压与输入电流 [1] 参考文献 刘其辉 , 贺益康 , 卞松江 . 变速恒频风力发电机空 载并网控制研究[J]. 中国电机工程学报, 2004,243 6-11. Liu Qihui, He Yikang, Bian Songjiang. The investigation of cutting-in control of variable-speed constant-frequency wind-power generater with no-load[J]. Proceeding of the CSEE, 2004, 243 6-11. [2] Ion B, Lucian T, Ioan S. Variable speed electric generators and their control an emerging technology[J]. Journal of Electrical Engineering, 2002 l.3 20-28. [3] Pena R, Clare J C, Asher G M. Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable-speed wind-energy generation[J]. Grid voltage and current of AC side when respectively grid-side converter working as rectifier and converter 图 16 网侧变换器运行状态切换时电压、电流波形 Fig.16 The switching of operation status of grid-side converter 136 电 工 技 术 学 报 172 34-39. 2008 年 1 月 IEE Proceedings-Electric Power Applications, 1996, 1433 231-241. [4] 刘 其 辉, 贺 益 康 , 赵仁德 . 变 速 恒频风 力 发电系统 最 大 风 能 追 踪 控 制 [J]. 电 力 系 统 自 动 化 , 2003, 2720 62-67. Liu Qihui, He Yikang, Zhao Rende. The maximal wind-energy tracing control of a variable-speed constant-frequency wind-power generation system[J]. Automation of Electric Power System, 2003, 2720 62-67. [5] 林 成 武, 王 凤 翔 , 姚兴佳 . 变 速 恒频双 馈 风力发电 机励磁控制技术研究[J]. 中国电机工程学报, 2003, 23 11 122-125. Lin Chengwu, Wang Fengxiang, Yao Xingjia. Study on excitation control of VSCF doubly fed wind power generator[J]. Proceeding of the CSEE, 2003, 2311 122-125. [6] 廖勇, 杨顺昌. 交流励 磁发电 机励 磁 控制[J]. 中国 电机工程学报, 1998, 182 87-90. Liao Yong, Yang Shunchang. The excitation control of alternation current excited generator[J]. Proceedings of the CSEE, 1998, 182 87-90. [7] 李 晶, 宋家骅 , 王 伟胜 . 大 型 变 速 恒频 风 力发电机 组建模与仿真[J]. 中国电机工程学报, 2004, 246 100-105. Li Jing, Song Jiahua, Wang Weisheng. Modeling and dynamic simulation of variable speed wind turbine with large capacity[J]. Proceeding of the CSEE, 2004, 246 100-105. [8] 黄 科 远, 贺 益 康 , 卞松江 . 矩 阵 式变换 器 交流励磁 的变速恒频风力发电系统研究[J]. 中国电机工程学 报, 2002, 2211 100-105. Huang Keyuan, He Yikang, Bian Songjiang. Investigation of a matrix converter-excited variable- speed constant-frequency wind power generation system[J]. Proceeding of the CSEE, 2002, 2211 100-105. [9] Tang Y, Xu L. A flexible active and reactive power control strategy for a variable speed constant frequency generating system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1996, 104 472-478. [10] 黄 守 道 , 王 耀 南 , 黄 科 元 , 等 . 无 刷 双 馈 电 机 转 子 磁场定向控制策略的研究[J]. 电工技术学报, 2002, Huang Shoudao, Wang Yaonan, Huang Keyuan, et al. Study of the control strategy on rotor field orientation for brushless doubly-fed machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2002, 172 34-39. [11] 陈 伯 时 , 陈 敏 逊 . 交 流 调 速 系 统 [M]. 北 京 机 械 工 业出版社, 1998. [12] 叶杭冶 . 风力发电系统 控制技术 [M]. 北京 机械工 业出版社, 1998. [13] 赵仁德, 贺益康. 变速恒频风力发电机用交流励磁 电源研究[J]. 电工技术学报, 2003, 196 1-6. Zhao Rende, He Yikang. Investigation of AC excitation power supply used in VSCF wind-power generator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2003, 196 1-6. [14] 贺 益 康 , 郑 康 , 潘 再 平 , 等 . 交 流 励 磁 变 速 恒 频 风 电系统运行研究[J]. 电力系统自动化, 2004, 2813 55-59. He Yikang, Zheng Kang, Pan Zaiping, et.al. The imitation of the fan characteristic by the DC motor[J]. Automation of Electric Power System, 2004, 2813 55-59. [15] 卞松江 , 潘在平 , 贺益康 . 风力机特性的直流机模 拟[J]. 太阳能学报, 2003, 243 360-364. Bian Songjiang, Pan Zaiping, He Yikang. The imitation of the fan characteristic by the DC motor[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2003, 243 360-364. [16] 刘其辉 , 贺益康 , 张建华 . 交流励磁变速恒频双馈 型 异 步 发 电 机 的 稳 态 功 率 关 系 [J]. 电 工 技 术 学 报 , 2006, 212 39-44. Liu Qihui, He Yikang, Zhang Jianhua. Steady-state power relation of AC-excited variable-speed constant frequency 212 39-44. doubly-fed induction generator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 作者简介 刘其辉 男，1974 年生，博士，副教授，主要从事变速恒频风力发 电、FACTS 等方向的研究。 贺益康 男，1941 年生，教授，博士生导师，IEEE 高级会员，主 要从事电机及其控制以及电力电子的研究。