基于弱磁控制的5.5 MW風力發(fā)電機組過載性能的研究

劉江華，強喜臣，王翔，曹貝貞

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

基于弱磁控制的5.5 MW風力發(fā)電機組過載性能的研究

劉江華，強喜臣，王翔，曹貝貞

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

為進一步提高5.5 MW高速永磁風力發(fā)電機組 （W TGS）電氣系統(tǒng)的過載能力，在建立弱磁控制數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，詳細研究基于弱磁控制的5.5 MW W TGS過載性能。根據(jù)當W TGS遇到陣風時，風機無法及時回槳導致風機超速過載的特性，本套電氣系統(tǒng)采用了弱磁控制。利用弱磁控制可以及時調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機 （PMSG）定子電流的優(yōu)點，既提高輸出功率和增加轉(zhuǎn)速范圍，又降低過載時過電壓、過電流對WTGS電氣系統(tǒng)的危害。通過某5.5MW WTGS電氣系統(tǒng)的過載試驗，驗證了在高速永磁類風機的過載性能方面弱磁控制有明顯的優(yōu)勢。

永磁同步發(fā)電機，風力發(fā)電機組，弱磁控制，過載性能

0 引言

5.5 MW風力發(fā)電機組的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是背靠背式的全功率變頻器和高速永磁同步發(fā)電機（PMSG），采用永磁半直驅(qū)模塊化設(shè)計，具有重量輕、體積小、效率高的優(yōu)點。尤其在海上大型風機方面，充分體現(xiàn)了技術(shù)先進性[1-2]。針對現(xiàn)有此類海上大型風機，鮮有專門對其超速過載性能進行研究。

本文先利用PMSG數(shù)學模型分析電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速的控制關(guān)系，然后借鑒矢量控制這一經(jīng)典控制，在其基礎(chǔ)上引用了弱磁控制并建立了數(shù)學模型，通過分析得出，當高速永磁類風力發(fā)電機組遭遇陣風導致超速過載時，采用弱磁控制可以通過及時調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機 （PMSG）定子電流矢量，使其對永磁體產(chǎn)生去磁作用，既增大轉(zhuǎn)速運行范圍和輸出功率，又降低過載時過電壓、過電流對WTGS電氣系統(tǒng)的危害，提高了風機的過載能力，同時具有較好的適應性、穩(wěn)定性和快速響應能力。通過廠內(nèi)試驗進一步驗證了理論的正確性。

1 永磁同步發(fā)電機數(shù)學模型

在理想狀態(tài)下，基于d-q坐標系的PMSG數(shù)學模型為[3-4]：

定子電流方程為：

式中，id、iq為定子電流is的d、q軸分量；β為定子磁鏈矢量相對永磁體磁鏈ψf的相位。

定子磁鏈方程為：

式中，ψd、ψq為定子磁鏈矢量ψs的d、q軸分量；Ld、Lq為定子電感Ls的d、q軸分量。

定子電壓方程為：

式中，ud、uq為定子電壓us的d、q軸分量；Rs為定子電阻；ωr為轉(zhuǎn)子角速度。

定子功率方程為：

式中，P、Q分別為定子有功率、無功率。

對式（4）求導，可得最大輸出功率時的定子電流方程為：

其中，id、iq和ωr的基值為額定值isn和ωrn；

電磁轉(zhuǎn)矩及其機械運動表達式分別為：

其中，J為轉(zhuǎn)動慣量；B為摩擦系數(shù)；Tm為轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)矩；np為極對數(shù)；p為轉(zhuǎn)矩修正系數(shù)。對式（8）求導，可得最大轉(zhuǎn)矩方程為：

2 基于弱磁控制的5.5MW WTGS過載性能

2.1 基本框架圖

5.5 MW風力發(fā)電機組弱磁控制的系統(tǒng)框架如圖1所示，其中變頻器、速度反饋、電網(wǎng)信息獲取、電機模型等環(huán)節(jié)均與傳統(tǒng)矢量控制相同，不同之處在于增加了弱磁控制器。

圖1 風力發(fā)電機組弱磁控制框架圖

2.2 弱磁控制器的設(shè)計

弱磁控制的基本原理：調(diào)節(jié)電樞電流，使其產(chǎn)生的去磁磁鏈對永磁體具有去磁作用。

由于每臺風機電氣系統(tǒng)中變頻器均受最大電壓、電流的限制，即對電機輸出電壓、電流有一定的要求，不能超過變頻器所能承受的最大電壓、電流。但是在工程實踐過程中，陣風來臨時，5.5 MW風力發(fā)電機組沒及時回槳，機組超速過載，會導致發(fā)電機輸出轉(zhuǎn)速、功率、電壓和電流瞬間上升，對機組電氣系統(tǒng)有極大的危害。而弱磁控制恰恰能降低上述危害[2]。

在正弦穩(wěn)態(tài)和忽略定子電阻的情況下：

根據(jù)式（1）可得電流極限方程為：

其中， ismax是 is允許達到的極限值。

根據(jù)式（3）可得，定子電壓極限方程為：

其中， usmax是 us允許達到的極限值。

在恒轉(zhuǎn)矩運行區(qū)，定子電流為額定值，當us達到極限值時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)折速度ωmax為：

對式（13）進行簡化為：

如果仍需要提高發(fā)電機轉(zhuǎn)速和輸出功率，及穩(wěn)定發(fā)電機端口電壓，則必須進行弱磁控制以調(diào)節(jié)定子電流矢量，使β＞90。， 即id應為負值，此時直軸定子磁鏈ψd會產(chǎn)生去磁磁鏈對永磁體產(chǎn)生去磁作用，進而穩(wěn)定發(fā)電機出口電壓，提高轉(zhuǎn)數(shù)和輸出功率。

通過弱磁控制器數(shù)學模型可知，5.5MW風力發(fā)電機組電氣系統(tǒng)控制方式如圖2所示。在風機整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，定子電流矢量軌跡如下：

區(qū)間I（ωr≤ωr1）：定子電流可按式（10）～（11），定子電流矢量將沿著最大轉(zhuǎn)矩/電流比軌跡變化。

區(qū)間II（ωr1＜ωr≤ωr2）：若發(fā)電機已運行于A1點，轉(zhuǎn)速達到了轉(zhuǎn)折速度 （ωr=ωr1），可控制定子電流矢量由A1點沿著圓周向下移動，隨著轉(zhuǎn)速的增大，定子電流矢量由A1點移動到A2點。

在此區(qū)間，若不進行弱磁控制，會導致變頻器對電壓、電流的失控，使風力發(fā)電機組脫網(wǎng)。若進行弱磁控制，可以繼續(xù)增加風機轉(zhuǎn)速并提高輸出功率。

區(qū)間III（ωr＞ωr2）：id和iq可按式（5）～（7）進行控制，定子電流矢量沿著最大功率輸出軌跡由A2點向A4點移動，并且功率幾乎恒定。

圖2 風機力發(fā)電機組弱磁控制方式

3 過載試驗分析

在5.5 MW風力發(fā)電機組過載試驗中，PMSG參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速1 100 r/min，d軸同步電感Ld=0.168mH，q軸同步電感Lq=0.175mH，定子電阻 （75℃）Rs=0.5 mΩ。在額定功率和轉(zhuǎn)速下，功率和轉(zhuǎn)速突增到1.1，穩(wěn)定運行1 min，重復3次（間隔為9min）。

由圖3可知，在轉(zhuǎn)速和功率都增加到1.1倍時，由于弱磁控制主要是調(diào)節(jié)直軸電流id的大小和方向，進而調(diào)節(jié)勵磁磁場，使電壓、定子電流在最大允許范圍內(nèi)，防止轉(zhuǎn)矩劇烈脈動、過壓過流的發(fā)生，避免風力發(fā)電機組脫網(wǎng)。同時功率、定子電流和并網(wǎng)電流均具有很好的快速響應性和適應性，直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)電壓幾乎沒有波動，具有較好的穩(wěn)定性，有效地保護了變頻器功率模塊。即本實驗說明了弱磁控制對高速永磁類風力發(fā)電機組電氣系統(tǒng)具備實時應用性，既能增加風機轉(zhuǎn)速運行范圍和輸出功率，又能降低過電壓、過電流對電氣系統(tǒng)的危害，提高了風機的過載能力。同時具有較好的適應性、穩(wěn)定性和快速響應能力。

圖3 過載試驗實時波形

4 結(jié)論

在高速永磁類風力發(fā)電機組的電氣控制系統(tǒng)中，采用弱磁控制不僅增大轉(zhuǎn)速運行范圍和輸出功率，又降低過電壓、過電流對WTGS電氣系統(tǒng)的危害，提高了風機的過載能力。同時具有較好的適應性、穩(wěn)定性和快速響應能力。

[1]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008

[2]王成元,夏加寬,孫宜標.現(xiàn)代電機控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009

[3]丁強.永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)弱磁控制策略研究[D].長沙:中南大學,2010

[4]肖磊.直驅(qū)型永磁風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[D].長沙:湖南大學,2009

東汽要聞

福清核電1號機組首次涉核沖轉(zhuǎn)成功

2014年8月7日凌晨，由東汽提供汽輪發(fā)電機組的福建福清核電站1號百萬千瓦級機組首次帶核沖轉(zhuǎn)達到額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，一次成功。本次沖轉(zhuǎn)試驗的整個沖轉(zhuǎn)過程中相關(guān)設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定，機組狀態(tài)控制良好，為該核電機組早日并網(wǎng)發(fā)電創(chuàng)造了有利條件，進一步檢驗了東汽核電技術(shù)實力、項目管理水平、現(xiàn)場服務水平和產(chǎn)品質(zhì)量。預計2014年年底前，1號機組將投入商運。

Research on Overload Performance of 5.5 MW W ind Turbine Generator System Based on Field Weakening Control

Liu Jianghua，Qiang Xichen，Wang Xiang，Cao Beizhen
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

In order to further improve the electrical overload performance of 5.5 MW wind turbine（WTGS），the field weakening controlmathematicalmodel of 5.5 MW WTGS is researched in detail.When the electrical system ofWTGSencounters gust,and can not go timely back to paddle which lead to overspeed and overload,field weakening control is adopted.Take advantages of adjusting timely permanentmagnet synchronous generator（PMSG）stator voltage and current,the output power and speed rang is increased, the harm of overvoltage and overcurrent to electrical system is reduced by field weakening control.Through the electrical system overload testof 5.5MWWTGS,the proposed field weakening control has advantages for overload performance.

permanentmagnet synchronous generator,wind turbine generator system,field weakening control,overload performance

TK284

：A

：1674-9987（2014）03-0044-04

劉江華 （1986-），男，碩士，2012年畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學電力電子與電力傳動專業(yè)，主要從事風電設(shè)計工作。