永磁直驅風電系統(tǒng)運行特性的仿真分析

羅蘇華,陸顯斌,楊貴杰

(1.哈爾濱工業(yè)大學,黑龍江哈爾濱150001;2.黑龍江省農副產(chǎn)品加工機械研究所,黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

風能具有清潔、分布廣泛、可再生和無污染的特點,受到世界的普遍重視。風電機組的大型化,風電已經(jīng)成為最成熟、效率最高的可再生能源。隨著政府推動節(jié)能減排的力度不斷加大,我國的風電事業(yè)得到迅猛發(fā)展。

變速恒頻風力發(fā)電是20世紀末發(fā)展起來的風能開發(fā)技術,正成為風電技術的主流,它具有運行效率高、機組磨損小、電能質量佳等優(yōu)點。永磁直驅式風電系統(tǒng)采用風輪機直接驅動多極低速永磁同步電機,省去了雙饋感應發(fā)電機組必需的齒輪箱,提高了系統(tǒng)可靠性;永磁同步發(fā)電機不需要電網(wǎng)提供無功進行勵磁,變流器采用全功率變頻器,具有更強的低電壓穿越能力。

風電裝機容量的不斷上升,占電網(wǎng)的比例越來越大,風電本身具有的隨機性,對電網(wǎng)的穩(wěn)定性影響不可忽視。為此,電網(wǎng)公司制定風電并網(wǎng)法規(guī)要求在電網(wǎng)電壓跌落高于規(guī)定曲線之上時,風電機組保證不間斷并網(wǎng)運行[1]。風電系統(tǒng)的運行特性,成為風力發(fā)電研究的熱點問題。

本文根據(jù)直驅式風電系統(tǒng)的特性,詳細闡述了風輪機、永磁同步發(fā)電機、PWM整流器、卸荷負載的數(shù)學模型和控制原理,在Matlab/Simulink中建立了永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型,對其常態(tài)下的最大功率跟蹤及在電網(wǎng)電壓跌落時穿越控制進行完整的仿真分析。

圖1 背靠背式變流器直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)

1 系統(tǒng)架構

本文采用的永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1所示,采用背靠背PWM變流器,直流母線上并接Chopper電路。發(fā)電機側AC-DC變流器可以控制發(fā)電機的轉矩和轉速,實現(xiàn)最大風能跟蹤;網(wǎng)側DC-AC變流器控制注入電網(wǎng)電流的d軸和q軸分量,控制有功功率和無功功率,維持母線電壓穩(wěn)定;當發(fā)電機側捕捉的風能大于能夠注入電網(wǎng)的電能,多余的能量在母線上積累,這時通過Chopper電路,進行卸荷,或控制槳距角減小風能捕捉,維持母線電壓穩(wěn)定。

2 永磁直驅風電系統(tǒng)建模

2.1 風機的空氣動力學模型

根據(jù)貝茲理論[2],風機從風能中捕獲的機械功率:

式中:ρ為空氣密度;v為風速;R為風機槳葉的半徑;Cp為風能利用系數(shù),是槳距角θ和葉尖速比λ的函數(shù)。葉尖速比λ定義:

式中:ωw為風機轉動角速度。

功率系數(shù)與葉尖速比之間的函數(shù)關系如圖2所示。對于一臺確定的風機,當槳距角β不變時,僅有

圖2 功率系數(shù)和葉尖速比的關系曲線

一個對應著最大功率系數(shù)的Cpmax的最佳葉尖速比圖3為不同風速下的風機輸出的功率特性,顯而易見,對于每個風速下,只有在一個特定的轉速下,風機的輸出功率最大。在額定風速以下,隨著風速變化,必須控制風機轉速隨之變化,以追蹤最大功率,捕獲的最大風能由式(3)給出。

圖3 風機在不同轉速下的輸出功率

在直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中,省去了傳統(tǒng)風機中的變速箱,ωm也就是永磁同步發(fā)電機轉子的旋轉角速度,Tw也就是永磁同步發(fā)電機的驅動轉矩。

風機的槳距角控制,只發(fā)生在兩種情況下:

(1)風速超過額定風速時,風機失速,必須改變槳距角,限制風機捕獲的功率在額定功率[8];

(2)電網(wǎng)電壓跌落時,網(wǎng)側功率下降,增大槳距角,減小風能捕捉,實現(xiàn)低電壓穿越。

2.2 PMSG的數(shù)學模型

永磁同步發(fā)電機采用轉子永磁磁鋼勵磁,風機作為原動機拖動轉子同軸旋轉時,在定子繞組中產(chǎn)生電動勢。在同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型:

永磁同步發(fā)電機的電磁轉矩:

式中:p為極數(shù);ψf為永磁磁鏈,下標帶d和q的標志是已經(jīng)轉化為dq同步旋轉坐標系下的物理量。R為定子電阻,Ld和Lq為發(fā)電機d軸和q軸電感,ud和uq為定子電壓d軸量和q軸量;id和iq為定子電流d軸量和q軸量;ωe為定子電氣角速度。

式中:ωΩ為發(fā)電機的機械角速度。永磁同步發(fā)電機的運動方程:

由式(8)可知,通過控制發(fā)電機的電磁轉矩可以改變風機的轉速,實現(xiàn)最大風能跟蹤[9]。

2.3 PWM整流器的數(shù)學模型

圖1為全控型功率器件構成的電壓源PWM整流器[4]。在經(jīng)過3s/2r坐標變換之后,可以由式(9)描述。

urd和urq為整流器輸入側電壓,sd和sq為同步旋轉坐標系下的開關函數(shù),ud、uq和id、iq為同步旋轉的dq軸坐標系下電源電勢和電流。由此得到三相電壓源PWM整流器的控制框圖,如圖4所示。

d軸和q軸的電流互相解耦,id和iq分別只和和相關,采用簡單的PI控制器控制電壓和電流。在dq軸坐標系下,有功和無功由式(11)給出。

圖4 PWM整流器d-q雙閉環(huán)控制框圖

有功功率和無功功率分別和id及iq成正比[5],控制id和iq就可以直接控制有功功率和無功功率,令iq=0,可以獲得單位功率因數(shù)。

直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)中的背靠背變流器可以看作兩個關于直流母線電容對稱的PWM整流器。通過坐標變換,矢量解耦,得到線性化的整流器模型。電壓源PWM整流器雙環(huán)控制如圖4所示,外環(huán)控制直流母線電壓恒定,內環(huán)為d軸和q軸電流環(huán),控制注入電網(wǎng)的有功功率和無功功率。

2.4 直驅式永磁風力發(fā)電系統(tǒng)運行控制

為了分析控制原理,首先要建立風速、直流母線電壓和系統(tǒng)參數(shù)之間的關系[6]。

圖5為風電系統(tǒng)功率流圖。Pw表示風機捕獲的風能,Pm表示轉動體(包括風機葉片、輪轂和轉軸等運動件)增加的機械能,Pgen為PMSG的輸出功率,Pc為變流器上的功率損耗,Pgrid為變流器注入電網(wǎng)的功率。忽略變流器的功率損耗,系統(tǒng)的各種功率之間的關系,可以表示成以下方程:

圖5 功率流圖

控制策略如圖6所示,在測量得到風速情況下,根據(jù)基于風機空氣動力學特性的最大功率跟蹤算法,計算出一個功率指令P*,給出有一個最優(yōu)風機轉速指令ωref,作為機側PWM整流器速度環(huán)的速度參考值;網(wǎng)側PWM逆變器的外環(huán)為電壓環(huán),內環(huán)為電流環(huán),保持母線電壓穩(wěn)定,注入電網(wǎng)的功率等于發(fā)電機側捕獲的最大風能。

直驅式永磁風機與電網(wǎng)的接口是一個全功率變頻器,變流器中功率器件流過的電流的存在上限,在電網(wǎng)電壓跌落時,能夠注入電網(wǎng)的最大有功功率與并網(wǎng)節(jié)點端電壓uabc_pcc成比例下降,能夠注入電網(wǎng)的能量PGrid迅速減小。發(fā)電機輸出的功率PGen并未下降,如果PGrid小于PGen,多余的能量就會存儲在直流母線電容上,母線電壓udc升高;這時,需要開通Chopper電路中的功率器件,卸荷電阻投入系統(tǒng),消耗多余的能量,維持無線電壓恒定。卸荷電阻消耗的功率由式(13)給出[7]。

圖6 永磁直驅風電系統(tǒng)控制框圖

當母線電壓在正常范圍內波動時,網(wǎng)側逆變器有能力進行調節(jié),不投入卸荷電阻;當母線電壓高出正常值,通過式(15)計算導通占空比,部分投入卸荷電阻;當母線電壓高出允許值,導通占空比為1,完全投入卸荷負載。圖7為Chopper電路控制框圖。

圖7 Chopper電路控制框圖

如果剩余的能量不能完全靠投入卸荷負載來消耗,此時可以通過槳距角控制來減小從風機側捕獲的風能[10]。

如圖8所示,當母線電壓超出限定值時,由發(fā)電機側輸出功率PGen和網(wǎng)側功率PGrid做差,經(jīng)過PI算法之后,作為槳距角執(zhí)行機構的參考值。在相同葉尖速比情況下,風機工作在零槳距角時,能夠獲得最大的功率系數(shù),槳距角β增大,功率系數(shù)曲線下移,PGen減小,最終將和能夠注入電網(wǎng)的功率PGrid相等,母線電壓將保持在合理范圍;待電網(wǎng)恢復正常后,槳距角參考值為零,網(wǎng)側逆變器能夠將最大風能捕捉得到的機側功率PGen注入電網(wǎng),風機恢復到正常運行狀態(tài)。

圖8 槳距角控制框圖

3 系統(tǒng)仿真分析

基于圖6的永磁直驅風電系統(tǒng)控制框圖,在Matlab2007B/Simulink軟件環(huán)境下,對該控制策略進行了仿真分析。系統(tǒng)參數(shù)如表1～表3所示。

表1 風機特性

表2 PMSG參數(shù)

表3 三相電網(wǎng)參數(shù)

3.1 最大風能跟蹤控制仿真

首先對電網(wǎng)正常情況下的系統(tǒng)運行進行仿真,方便和低電壓穿越時的波形進行對比分析。

由圖2可知,相同葉尖速比情況下,槳距角β越小,功率系數(shù)cp越大,因此在常態(tài)下槳距角定為0°;槳距角為0°時,最佳葉尖速比λopt為8.1,由此可以給出變化風速下的發(fā)電機轉速參考值。為了觀察常態(tài)下風機對最大功率的動態(tài)跟蹤,風速由10 m/s突變到12 m/s,進行仿真,風機轉速、PMSG轉矩及風機功率對參考值的跟蹤效果及網(wǎng)側的相電壓和相電流如圖9所示。

圖9 MPPT過程中的波形

3.2 容量內低電壓穿越仿真

圖10a為電網(wǎng)電壓跌落至額定值80%時的仿真波形。由于網(wǎng)側逆變器能夠承受的最大電流(額定值的1.25倍)能夠保證機側功率全部注入電網(wǎng),網(wǎng)側逆變器的電壓外環(huán)尚能維持母線電壓穩(wěn)定。

圖10b為電網(wǎng)電壓跌落至額定值60%時,網(wǎng)側功率隨之下降,小于機側捕獲的風能,母線電壓上升,電網(wǎng)恢復后,一段時間內網(wǎng)側逆變器功率過沖,母線電壓回復正常。

圖10 電網(wǎng)電壓跌落時低電壓穿越波形

3.3帶Chopper電路的低電壓穿越

電網(wǎng)電壓有效值跌落至額定電壓的40%,在電網(wǎng)電壓跌落期間,網(wǎng)側電流增大,但是網(wǎng)側逆變器電流存在上限,此時切入24 kW的卸荷電阻,消耗多余的風能,維持母線電壓穩(wěn)定。圖11為電壓跌落60%時帶Chopper電路的低電壓穿波形,母線電壓閾值設為1 540 V。

圖11 電網(wǎng)電壓跌落60%時的波形

3.4槳距角控制下的低電壓穿越

當電網(wǎng)電壓跌落幅度較大且時間較長時,采用Chopper電路實現(xiàn)低電壓穿越有其局限性,風電系統(tǒng)中的卸荷負載不能太大,耗能電阻長時間發(fā)熱,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于長時間大幅度的電網(wǎng)電壓跌落,可以增大槳距角,減小捕獲的風能,維持母線電壓穩(wěn)定。圖12為電網(wǎng)電壓維持3 s跌落80%時采取槳距角控制的低電壓穿越波形。當機側功率和網(wǎng)側功率相等時,Chopper電路切出。

圖12 電網(wǎng)電壓跌落80%時的低電壓穿越波形

4 結 語

本文針對以背靠背拓撲結構的全功率變流器的永磁直驅風電系統(tǒng)進行了建模,分析了各模塊控制原理及永磁直驅風電系統(tǒng)低電壓穿越特性;分析了固定槳距角下最佳葉尖速比實現(xiàn)最大風能跟蹤及在直流側增加Chopper卸荷負載和改變槳距角增強永磁直驅風電系統(tǒng)低電壓穿越能力,在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型,通過仿真進行了驗證。得出以下結論:

(1)采用最佳葉尖速比可以快速地實現(xiàn)風機的最大風能跟蹤;

(2)增大網(wǎng)側逆變器的容量,可以提高風機的低電壓穿越能力;

(3)直流母線上的Chopper電路,可以消耗無法注入電網(wǎng)的能量,有利于低電壓穿越運行;

(4)電網(wǎng)電壓跌落時,采用槳距角控制,實現(xiàn)機側和網(wǎng)側的功率平衡,有利于永磁直驅風電系統(tǒng)低電壓穿越。

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