2.5MW永磁直驅同步風力發電機并網特性分析

張建生,宋朋飛，張永華

(1.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 210098; 2.常州工學院 電子信息與電氣工程學院,江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著能源的不斷消耗與即將面臨的能源枯竭問題，各國政府都在努力尋求新的能源方式。風能由于其獨特優勢，自然受到關注，風力發電技術也在世界各國蓬勃發展。現今最常用的風力發電機為雙饋式異步電機，采用變速恒頻方式，轉子和定子各有一套繞組，通過雙PWM功率變換器向電網進行饋電。針對雙饋式異步電機的工作方式，國內外很多學者對其已進行了詳細的建模及仿真[1,2]。但隨著電力電子技術的發展，直驅式永磁同步風力發電機也越來越受到關注，與DFIG相比，它省去了齒輪箱，因而在工作效率和日常維護方面得到了改善。預計在不久的將來，D-PMSG必將能在風電技術中得到廣泛應用[4,6]。

隨著風力發電機單機容量的不斷變大以及風力發電在整個供電網絡中的比例增加，這就要求風電機組具有低電壓穿越能力。常用的技術手段有兩種：1) 尋求更好的控制策略，使系統能夠依靠自身調節就能完成低電壓穿越；2) 通過增加保護裝置，并不斷改進拓撲結構完成低電壓穿越要求。顯然，增加其他裝置必然會導致成本的激增。因此，尋找更好的控制方法成為研究首選。目前背靠背式PWM全功率轉換器件的電流內環和電壓外環多采用PI控制，常規的比例積分控制在系統正常運行情況下基本可以滿足運行需求，一旦系統發生故障或存在大的擾動，將會導致系統的響應速度降低，控制性能下降。針對上述問題，本文提出了變參數PID控制方案。

變參數PID控制的基本原理及其在系統中的應用，建立了PMSG的完整數學模型，結合風力機的槳距角控制，在PSCAD/EMTDC中搭建了風力發電機的各部分仿真模型，參照IEEE14節點模型算例，對系統進行了詳細分析。仿真結果表明，PMSG的模型搭建合理，變參數PID控制策略對故障做出了良好的響應，系統低電壓穿越性能顯示良好，與分析結果一致。

1 變參數PID控制原理

對于PMSG而言，由于風機捕獲的風能在不斷變化，發電機輸出的功率、電壓、電流也在不斷變化，固定的PI參數調節不可能滿足時變系統控制要求，動態性能不好，抗干擾性能也差。

與傳統的PID控制不同，變參數PID控制系統加入了參數數據庫，利用S函數編寫出參數調整的一般規則，根據系統誤差情況選擇合適的控制參數，從而達到快速控制目的，如圖1所示。

圖1 變參數PID控制結構框圖

2 風力發電機的整體模型

圖2為該系統包括風力機、磁懸浮軸承、永磁同步發電機以及背靠背式PWM電壓源型逆變器，發電機發出的功率經全功率變換器件SVPWM整流逆變后，傳遞給電網。

圖2 磁懸浮風力發電機的整體結構圖

2.1 空氣動力系統模型

根據風力機的空氣動力學理論，風力機輸出的機械轉矩為：

(1)

式中：PT為風力機輸出功率[W]，ρ為空氣密度[kg/m3]，R為風機葉輪半徑[m]，vw為等效風速[m/s]，β為葉片槳距角[deg]，λ=ωR/vw稱為葉尖速比，ω為葉片機械轉速[r/min]，CP為風力機的功率系數。

2.2 槳距角控制模型[3,5]

風力發電機組的槳距角控制經常與雙PWM控制器以及風功率系數配合使用。一方面在較低風速情況下，使風力發電機始終能夠捕獲最大的風功率，實現最大功率追蹤；另一方面，槳距角控制能夠抑制過高風速，保證風力機組不至于失控，同時保證恒定功率輸出。槳距角控制的數學模型為：

(2)

式中:β為槳距角；βref為對應風速的初始槳矩角；τβ為槳距控制系統的慣性時間常數。漿距角控制仿真結果如圖3。

圖3 槳距角控制仿真結果

2.3 風力發電機及傳動模型

直驅式永磁同步風力發電機，在結構上省去了齒輪箱，使得風機轉軸和電機轉軸直接相連。沿轉子磁極軸線建立坐標系d軸，q軸超前d軸90o，假設dq軸可以隨轉子磁極同步旋轉，那么在此坐標下可以給出直驅型永磁同步風力發電機的數學模型：

(3)

發電機的電磁轉矩方程可以寫成：

(4)

式中：uds、uqs分別為定子電壓d軸和q軸分量；Rs為定子電阻；ids、iqs分別為定子d軸和q軸電流分量；Lds、Lqs分別為永磁同步發電機的d軸和q軸電感；ωe為轉子的電角速度；ψf為轉子永磁體的磁鏈；Te為同步發電機的電磁轉矩；P為磁極對數；采用ids=0控制策略，因此上式可以寫成：

(5)

式中N和ψf值都是一定的，電磁轉矩大小只和定子電流q軸分量相關。

機械傳動模型為：

(6)

式中：Bm為轉動粘滯系數；ω為電機轉子轉速；J為轉動慣量。

3 各部分控制策略

3.1 機側變流器控制

同步電機在規定方向下發出的有功功率為：

(7)

改變q軸電流分量就可以對定子有功功率進行控制，定子d、q軸電壓在分別加入前饋輸入量-ωeLqsiqs和ωe(Ldsids+ψf)的情況下，可以實現解耦控制。由式(3)可以建立電流和電壓向量之間的關系：

(8)

根據變參數PID控制原理，可以對系統進行快速精準的在線控制。

圖4 發電機側PWM控制策略圖

3.2 網側變流器控制策略

電網側變流器的控制目標是：1) 保持直流側電壓恒定；2) 保持交流側相電流為正弦波形；3) 保持對網側無功的控制，盡量避免網側變流器與電力系統發生無功交換[7,8]。

網側變換器數學模型為：

(9)

式中：udg、uqg分別為電網電壓在d、q軸的分量；idg、iqg分別為網側變流器在d、q軸的電流分量；R、L為網側變流器與電力系統間的阻抗值；ωc為電網電壓角速度，Udc為直流側電壓。

(10)

同理，利用變參數PID控制原理可以得到控制策略如圖5所示。

圖5 網側變換器控制策略圖

4 仿真結果與分析

運用PSCAD/EMTDC建立上述各部分模型，并結合IEEE14節點模型(圖6)進行了仿真驗證，試驗參數如表1。

表1 仿真參數

續表1

額定頻率Hz16定子電阻pu0.08極對數—32風力機槳葉半徑m40等效轉動慣量kgm216000轉動粘滯系數—0

在額定風速13m/s情況下正常運行，選取節點12作為風電接入點，得到其他節點注入功率與PSS/E仿真結果對比如表2所示，母線間的潮流分布如表3所示。

表2 母線節點測試結果對比

表3 母線潮流測試結果對比

圖6 IEEE14節點算例

從表2和表3不難看出，兩種仿真軟件測試所得結果基本保持一致，說明正常情況下，該風力發電機組模型能夠比較接近工況實際值，仿真結果真實可信。

假設電網在t=1.0s時發生三相短路故障，PCC電壓下降額定值的20%，仿真結果如圖7所示：

從圖7中可以看出，在額定風速情況下，PCC節點下降20%時，系統可以通過槳距角控制以及全功率變流器件的控制保持系統正常運行。(圖7b)無功功率由于采取了Ids=0控制策略，基本保持不變；發電機向電網輸送的有功功率減小約為穩定值的2%，故障排除后迅速恢復到穩定狀態。 圖(7c)中發電機轉子角速度基本維持在ω=7附近，保證恒功率輸出。圖(7d)中直流側電壓在故障時出現小幅升高，原因是網側出現跌落時，網側變流器就會減小從直流側轉換的有功功率，而機側變流器此時并不會停止向直流側轉換電能，多余的電能就累積到電容兩端導致直流側電壓上升。

圖7 (a)網側電壓響應；(b)為注入電網有功功率；無功功率曲線； (c)為發電機轉子角速度；(d)為直流側電壓響應；(e)網側轉換器電流響應

PCC電壓跌落至額定值的90%時，仿真曲線如圖8所示。比較圖7和圖8可以發現，隨著電壓跌落程度的加深，向電網輸送的有功功率，以及直流側電壓、網側電流都會出現大幅波動，一旦故障情況加重，勢必會對整個電網帶來極大的沖擊，嚴重危及電網安全與電能品質穩定。

圖8 (a)網側電壓響應；(b)為注入電網有功功率、無功功率曲線； (c)為發電機轉子角速度；(d)為直流側電壓響應； (e)網側轉換器電流響應

4 結論

文章建立了直驅式永磁同步風力發電機系統的詳細模型，針對并網要求進行了仿真，結合IEEE14節點算例的仿真研究結果表明，文章采用的模型及控制方法正確可行，基本可以反映系統的真實運行狀況，對今后直驅式永磁同步風力發電機的并網運行提供參考依據。

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