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电气传动 2004年 第4期
双馈感应变速恒频风力发电机控制系统研究 李健 李华德北京科技大学
摘要:结合双PWM变换器、双馈感应发电机和矢量控制技术的优点,根据双馈感应发电机的数学模型,建立了双馈感应变速恒频风力发电机矢量变换控制系统框图,并对系统进行了实验研究,获得了良好的控制性能,得出该系统能够在变风速的情况下最大程度地获得风能,提高发电质量。 关键词:双馈感应发电机 矢量控制 双PWM变换器 风力发电
DoublyFedInductionVariable-speedConstant-frequency
GeneratorforWindTurbinesSystem LiJian
LiHAbstract:Thepaperintroducesaviablewinimalcostusingdoublyfedinductiongeneratorforwind.ithofdoubly2PWMconvertor,llerblockdiagramforDFIGhasbeenpresenteddoubly2fedinductionrrbymentalresultsindicatethatthissystemhasmanyadvan2torcontrolsystem.Thesystemcancapturemaximumwindpoweratoptimalwindandpermitsactiveandreactivepowertoregulateindependently.
Keywords:doublyfedinductiongenerator vectorcontrol doubly2PWMconvertor windturbines 1 引言
风力发电机直接并网发电时,要求输出频率
与电网频率一致。保持发电频率恒定的方法有:恒速恒频和变速恒频。双馈感应发电机(DFIG)结构简单,坚固可靠。由DFIG和控制装置组成的发电系统称为变速恒频风力发电系统。
DFIG在保持其输出频率恒定的前提下,转速可以在较宽的范围内进行调节,从而能有效地改善发电机组的运行性能和效率。双馈感应风力发电机组具有:低风速时能够根据风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时储存或释放部分能量,提高传动系统的柔性,使功率输出更加平稳[1];系统成本低、功率因数可调、可靠性高;发电机主轴转速可调,可实现变速恒频输出。
双馈感应变速恒频风力发电机系统要求能量双向流动,在变换器的选择上,由于交交式变换器输出电流谐波成分较高而且输出频率受到限制[2]和矩阵式变换器[3,4]既不允许存在换流重叠,又不16
允许存在换流间隙,实现起来很困难。所以本文采用的是双PWM变换器。它不仅保持了输出电流完全逼近正弦波的优点,而且还实现了单位功率因数的输入电流[5]。
双PWM变换器即PWM整流PWM逆变的交2直2交电压源型变换器(VSC),开关器件采用IGBT,如图1所示。VSC的电网侧和电机侧电流
均为正弦波电流,且电网侧功率因数正负可调或为1,完全消除了对电网的影响。在电网电压波动时,仍可维护直流母线电压基本不变,VSC可正
常工作。在电网故障、电压突然消失时,能保证设备安全。VSC性能良好,它不仅解决了4象限运行问题,而且不影响电网。
图1 交2直2交电压源型变换器(VSC) 电气传动 2004年 第4期
2 双馈感应变速恒频风力发电机组
图2所示为变速恒频风力发电机组的一种连接方式[6],发电机采用同步发电机或鼠笼异步发电机,通过VSC直接并入电网。发电机产生变化频率的交流电能,通过VSC把这一变化频率的交流电能变换为恒定频率(电网频率)的交流电能送入电网。这种连接方式下,功率变换器容量与发电机容量相同,造成变流损耗大,并且网侧滤波器较大,机组成本高
。
为了实现发电机输出电压的频率控制及输出有功、无功功率的独立调节,以及完全实现d、q轴变量之间的解耦,我们采用定子磁场定向矢量控制方法。为此采用建立在同步速dc2qc坐标系中的基本方程[7,8]。udcs=p7uqcs=p7udcr=p7 dcsqcs -Ξ17 qcs +Rsidcs
+Ξ17dcs+Rsiqcsdcr-Ξ27qcr+Rridcr (2)(3)(4)
uqcr=p7qcr+Ξ27dcr+Rriqcr7dcs=Lsidcs+Lmidcr
(5)
7qcs=Lriqcr+Lmiqcs
上式中:下标s,r分别为定、转子;u为电压;i为电流;R为电阻;L为电感;Lm为互感;7为磁链;
p为微分算子。
图2 直接并网型调速风力发电机组
77=Lsiqcs+Lmiqcrdcr=Lridcr+Lmidcs qcs
发电机采用DFIG,将DFIG的定子绕组直接接入电网,同时DFIG的转子绕组通过VSC网,,3)点为:V,减,;降低了网侧滤波器的容量,其容量只为总机组容量的25%;总输出功率因数可调,输出电流为正弦;发电机的调速范围大,通常为发电机额定转速的33.3%