双馈风力发电机并网控制研究

发表时间:2020/9/23   来源:《基层建设》2020年第17期   作者:包万林
[导读] 摘要:近年来,我国对电能的需求不断增加,风力发电越来越受到重视。
        上海电气能源装备(新疆)有限公司  新疆哈密市  839000
        摘要:近年来,我国对电能的需求不断增加,风力发电越来越受到重视。为降低随机性、波动性和间歇性对风力发电并网安全性、稳定性造成的不利影响,提出了双馈风力发电并网控制的主要策略,对PI和模糊PI控制以及PI控制电流内环仿真进行了分析,逐步将各种不利因素带来的影响降到最低,使双馈风力发电机并网后的运行更加安全可靠。
        关键词:双馈风力发电机;并网控制
        引言
        风能作为一种可再生清洁能源,在世界范围内得到了广泛的应用。双馈风力发电系统采用转子双馈发电机,其功率变换是在转子侧实现的,转子侧电路流过的功率由转差功率决定,一般仅为发电机定子额定功率的30%左右,大大降低了变换器的容量和成本。因此,该方案在兆瓦级以上风电系统中应用尤为广泛,发展前景十分广阔。在双馈风电控制系统中,需要实时采集电机转子的转速或位置信号,通常是通过安装光电编码器等速度传感器或位置传感器来实现的。然而传感器的安装一定程度上降低了系统的可靠性,增加了系统的运行和维护成本。近40年来,国内外学者对无速度传感器控制策略展开了研究,一般采用直接计算、状态估计、参数辨识、间接测量等方法对转子的速度进行计算。
        1双馈风力发电机组
        系统原理双馈感应发电机的结构与绕线式感应发电机类似,根据电机学原理可知,其定子和转子上都是对称的三相绕组,其定子绕组和普通交流电机的定子相似,转子绕组上另加有滑环和电刷,从而转子侧的能量可实现双向流动,可以输入和输出电能,所以称为双馈感应电机。双馈风力发电系统主要由风力机、齿轮箱、交流励磁双馈感应发电机和双向PWM变换器等部分组成。双馈感应发电机的定子绕组直接与电网连接,则转子绕组需经过变换器,再接一个幅值、相位、频率可调节的三相电源。双向PWM网侧的变换器主要输入网侧单位功率因素,不从电网吸收无功功率以此减少谐波,并且能够保证直流电压稳定;DFIG的励磁控制则需转子侧变换器来实现,其跟踪最大风速,通常需按定子磁链定向来完成控制。其控制功率因素的同时,也实现了对有功功率和无功功率的分别控制。以能量变换的角度来看,当双馈感应电机稳定运行时,定子电流和转子电流分别形成的旋转磁场在空间上是相对静止的。因此,转子旋转磁场速度与转子转速的和就等于定子旋转磁场的运动速度。此时有式(1)。
        f1=np/60±f2(1)
        其中:f1为定子频率,单位Hz;f2为转子频率,单位Hz;n为双馈感应电机转速,单位r/min;p为发电机极对数。当外界条件改变,风速发生波动时,通过齿轮箱,双馈电机的转速将发生变化。若将进行调整,就能保持恒定。若定子频率与电网频率相等,从而双馈感应发电机就可实现恒定频率控制。同时双馈感应电机有三种工作方式:当转子机械旋转角速度低于同步转速时,其处于亚同步运行,式(1)取正号,此时变流器向转子输入有功功率,给予正序励磁,则变流器从电网吸收能量;当转子的机械旋转角速度高于同步转速时,其处于超同步运行,式(1)取负号,此时变流器从转子吸收有功功率,给予反序励磁,则变流器为电网回馈直流侧的能量;当转子的机械旋转角速度与同步转速相等时,其处于同步运行状态。
        2PI和模糊PI控制
        PI控制包含比例调节器和积分调节器,比例调节器控制系统偏差信号,一旦产生偏差,调节器立刻产生控制,减少偏差。积分调节器用来消除静差,提高系统无差度。I-PI(内环、外环或转子、定子)控制、内环控制与PI控制相同,外环控制只需积分调节器即可获得理想特性。根据DFIG的阻抗、磁链在运行中的特点,模糊PI控制器以转子电流idr控制环为例,以定子电流与反馈电流的偏差e和偏差变化率de为模糊PI控制的输入,以比例参数的积分参数增量ΔKp、ΔKi为输出,并利用模糊控制规则在线对PI参数进行适应调整,以满足在不同工况下对e、de、PI参数的需求,计算比例、参数公式为:
 
        式中,Kp、Ki为当前时刻参数:ΔKp、ΔKi为经模糊推理获得的PI参数。在实际运行中会利用传统PI和模糊PI控制综合调节运行参数,而I-PI调节器更精准,模糊PI控制比传统PI控制定子电压跟踪电网电压快,当电机参数变化时,并网过度时间短、动态响应快、抗干扰性强,模糊PI控制是双馈风力电机理想的并网方式。但在控制中要根据实际情况采用不同的控制方式或采用综合控制方式,以保证并网对电网产生的冲击很小或没有冲击。
        3无速度传感器控制策略
        在双馈风电系统中,为了保证运行效率,发电机通常运行在同步转速附近,这会导致转子侧的频率和电压值都比较小,直接将电机转子反电动势或磁链作为观测量将变得非常困难。考虑到电机转子电流可以直接进行测量的优势,本文将转子电流作为直接观测对象,采用基于转子电流的模型参考自适应方法,将转子电流作为模型的输出量,通过比较参考模型和可调模型的误差,并输入到自适应比较器中,不断缩小参考模型输出电流和可调模型输出电流之间的偏差,当偏差为0时,即得到转子转速。在不考虑电机定子、转子电阻影响的情况下,由双馈电机的电压、磁链方程式,可计算出转子电流为:
         (2)
        在两相同步旋转坐标系下,定子电压和电流的大小与转子位置无关,因此式(2)所表示的转子电流也与转子位置角无关,可认为是准确值,将其作为参考模型。经过实际测量并进行同步坐标变换的转子电流为:
         (3)
        可以看出,转子计算电流与电机转速有关,此电流模型可作为可调模型。
        4基于恒定开关频率的直接功率控制SVM-DPC
        LUT-DPC技术存在开关频率不恒定的弊端,从而网侧变换器的输出电流会对电网造成谐波污染。后来在恒定开关开关频率下,为限制功率的波动,研究出了结合空间矢量调制的SVM-DPC技术。网侧直接功率控制设计。功率控制时网侧变换器控制的核心,输入和负载消耗的有功功率是否平衡,决定了直流电压是否稳定,而直接功率控制策略恰好能实现对有功、无功功率分别进行控制的目的。基于SVM-DPC技术的网侧控制策略,使用直流电压外环和功率内环的控制结构。其功率内环中的有功功率由电压外环提供,而直流电压的偏差与母线电压的乘积作为功率给定量。在转换到同步旋转dq坐标系情况下,有功、无功功率变为直流量,这时功率内环采用PI调节器可以达到对给定的无静差跟踪。
        结语
        综上所述,通过仿真分析可知,当整定开关频率与实际开关频率一致时,电流能够获得良好的动静态性能,可达到设计目标,能对定、转子电流动态超调量和动态调节时间进行控制,为电流闭环控制提供了工程设计方法。而当二者不一致时,超越量及调节时间都背离设计目标,偏差越大,背离设计目标的程度就越明显。
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        [5]张兴,张宗巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012.
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