2006年12月农业工程学报

T ransacti ons of the CSA E V o l .22　N o.12D ec .　2006

双馈感应发电机在风力发电中的应用

谢　震1,张崇巍1※,张　兴1,杨淑英1,曹仁贤2

(1.合肥工业大学电气与自动化工程学院,合肥230009;　2.合肥阳光电源有限公司,合肥230011)

摘　要:基于对双馈感应发电机及其矢量控制的理论分析,针对变速恒频双馈感应发电系统的两种工作状态,分别采用了基于电压外环的空载并网控制策略和基于速度外环的并网发电控制策略。针对风力发电的特点,采用了一种基于变步长转速扰动的最大功率点跟踪算法。构建了110k W 变速恒频双馈风力发电模拟平台,经过实验结果分析验证了上述控制策略的有效性和可行性。

关键词:变速恒频;双馈感应发电机;矢量控制;空载并网;最大功率点跟踪

中图分类号:TM 615　　　　文献标识码:A 　　　　文章编号:100226819(2006)1220094205

谢　震,张崇巍,张　兴,等.双馈感应发电机在风力发电中的应用[J ].农业工程学报,2006,22(12):94-98.

X ie Zhen ,Zhang Chongw ei ,Zhang X ing ,et al

.A pp licati ons of doubly fed inducti on generato r in w ind electricity generati on [J ].T ransacti ons of the CSA E ,2006,22(12):94-98.(in Ch inese w ith English abstract )

收稿日期:2006203212　修订日期:2006209229

基金项目:安徽省“十五”科技攻关项目(0401205)

作者简介:谢　震(1977-),男,博士生,主要研究方向为电力电子与电力传动。合肥江西路　合肥工业大学电气与自动化工程学院,230009。Em ail :pp sd 2003xie @sina .com

※通讯作者:张崇巍(1945-),男,教授,博士生导师,主要研究方向为电力电子与电力传动。合肥江西路　合肥工业大学电气与自动化工程学院,230009

0　引　言

风能作为一种经济可行的绿色清洁可再生能源,受到人们的广泛关注。风力发电对于解决中国许多农村与边远无电地区的供电问题起着重要作用。近年来风力发电相关技术得到了迅速发展,MW 级风力发电机已经出现。如何最大限度利用风能提高发电效率已成为研究的重点。在风力发电的电控系统中,变速恒频双馈风力发电系统由于能突破恒速恒频系统对风力发电机转速的,能够最大限度捕获风能以提高发电效率[1-3],并能够实现有功功率,无功功率的控制[4-8],对电网进行无功补偿,已成为目前风力发电系统的主流方向。

本文在分析变速恒频双馈风力发电系统的构成和工作原理的基础上,依据定子磁场定向矢量控制原理详细地研究了双馈发电机空载并网控制策略,实现了双馈发电机的软并网,减少了并网时对电网的冲击。针对风机的特性和空气的密度等参数的不确定性可能会造成最大风能捕获的轨迹偏移,输出功率将有所损失,因此采用了一种基于变步长转速扰动的最大风能捕获算法,并在自主研制的110k W 变速恒频双馈风力发电模拟平台上进行了试验研究。1　双馈系统工作原理

变速恒频双馈风力发电系统结构如图1所示,其中本身是一台绕线式感应电机的双馈发电机的定子绕组接入工频电网,其转子绕组接入一个频率、幅值、相位都

可以调节的三相交流电源。这个三相交流电源由通过直流环节连接的一对背靠背的四象限双向变流器组成,其中电网侧变流器与电网同频,而转子侧变流器则跟踪滑差频率,其共同作用就是通过对转子馈电的控制实现定子侧恒压恒频的功率输出。当风力发电机处于亚同步状态时,该电源向发电机转子提供正向励磁电流,向转子输入有功功率;当发电机处于超同步状态时,四象限变流器向发电机转子侧提供负向励磁电流,从转子抽取部分有功功率并向电网馈送。实现了能量在转子馈电电路中的双向流动。变速恒频双馈风力发电机系统具有以下特点:

1)配置的四象限双向变流器的功率容量仅是系统功率额定容量的一部分,即是可以用小容量的电力电子装置控制大容量的功率,有利于减少变流器的体积和成本。

2)可利用转子侧励磁电流控制定子侧的无功功率;利用转子侧电磁转矩电流控制定子侧的有功功率,实现定子侧有功功率和无功功率的的调节。

3)允许风力发电机在一定范围内变速运行,简化了风力机的机械调整装置,减少了调速时的机械应力。机组控制更加灵活、方便,机组运行效率得到提高。

图1　变速恒频双馈风力发电系统结构图

F ig .1　Structure of the Doubly Fed Inducti on

Generato r (D F IG )system

4

9

2　采用定子磁场定向的双馈发电机的矢量控

制策略

　　在同步旋转的两相坐标系中,将定子侧取发电机的惯例,转子侧取电动机惯例,由于定子绕组的电阻比其电抗小很多,定子绕组上的电阻压降可以忽略不计。定子磁链与定子电压矢量近似互相垂直,当把dq 坐标系的d 轴定向在定子磁链上时,定子磁链的q 轴分量为零,相电压矢量比磁链矢量滞后90°,则和q 轴的负方向重合。

并网过程及其控制策略可分为空载并网和并网后两个阶段[9-11]。

1)空载并网控制策略

并网前双馈发电机处于空载状态,

定子侧和电网脱离,即定子侧开路

i sd =0

i sq =0

(1)

把式(1)代入定子磁链方程中,可得

71=-l m i rd

0=-l m i rq

(2)

同理把式(1)代入转子磁链方程中,可得

7rd =l r i rd

7rq =l r i rq =0

(3)

把7rd =l r i rd 代入转子电压方程可得

u rd =R r i rd +l r

d i rd

d t u rq =Ξs l r i rd

(4)

式(1)～(4)构成了双馈发电机空载并网的数学模型。根据此数学模型可设计空载并网的控制策略,得到其控制结构如图2所示。

图2　双馈发电机空载并网控制结构图F ig .2　Schem atic of no 2load contro l over D F IG

变速恒频双馈风力发电机系统在起动过程中,当风机带动发电机升速达到发电机的最小运行速度时,转子回路中的变流器开始工作,动态地控制定子绕组的空载端电压跟随电网电压,并迅速达到同步。在起动过程中,双馈发电机采用电压控制,通过控制转子电流的幅值、相位和频率使并网条件自动得到满足。即定子绕组的三

相电压的幅值、相位、频率和电网三相电压的幅值、相位、频率相一致。

并网前发电机处于空载状态,即有功功率为零,由上述空载并网的数学模型可知i rq =0,在图2的空载并网的控制结构中,设计q 轴电流的P I 调节器保证i rq =0,即保证有功功率为零,这时发电机所需无功功率全都

由转子电流提供。d 轴的P I 调节器用来控制转子的励磁电流,它的指令信号i rd 3由电压外环调节器的输出给出,电压外环调节器用于控制定子侧的电压幅值与电网电压幅值保持一致。

2)并网后的控制策略

如果定子磁链保持恒定,则由双馈发电机在同步坐标系下的数学模型可得

u rd =R r i rd +b d i rd

d t -b Ξs i rq

(5)u rq =R r i rq +b d i rq

d t

-a Ξs 71+b Ξs i rd

(6)式中　a =l m

l s

,b =l r (1-l 2

m

l s l r

)。由式(5)和式(6)可得到如下两个参数

u rdc =-b Ξs i rq

(7)u rqc =-a Ξs 71+b Ξs i rd

(8)还可得到转矩和转子的d 轴电流和q 轴电流

　　　　T e =3

2p n l m

71i rq l s

(9)i rd =(-71+l s i sd ) l m

(10)i rq =l s i sq l m

(11)式中　R s 、R r 、l s 、l r ——定、转子绕组的电阻和电感;l m ——定转子绕组间的互感;Ξs ——同步角速度;71——定子磁链;p n ——电机极对数。

式(5)～(11)构成了基于定子磁场定向矢量控制的双馈发电机并网后数学模型,据此得到双馈发电机并网发电的控制结构如图3所示,该结构采用双闭环控制策略,其中内环为电流环,外环为速度环。在速度环中,转速给定是由最大风能捕获曲线决定的,速度调节器的输出作为转子转矩电流调节器的给定,转子励磁电流调节器的给定由无功补偿量决定,同时受到发电机额定容量的。

图3　双馈发电机并网发电控制结构图

F ig .3　Schem atic of the contro l over grid 2connected D F IG

5

9　第12期谢　震等:双馈感应发电机在风力发电中的应用

当定子侧的功率被控制为单位功率因数时,发电机的励磁电流全部由转子提供。由式(7)和式(8)确定的u rdc、u rqc为消除转子电压、电流交叉耦合的补偿项,在经过前馈补偿去除由反电动势引起的交叉耦合项后,可以通过调节转子电压的d轴分量和q轴分量分别控制发电机的转子磁链和电磁转矩。就可以实现发电机电磁转矩和转子励磁之间的完全解耦控制,亦即有功功率和无功功率的分别控制。

3　最大风能捕获的控制策略

任何一台风机都有特定的功率速度曲线如图4所示,其表达式为

P m=1

2

C p(Κ) Π r2m v3

Κ=r m Ξ

v

(12)

式中　P m——风机输出机械功率;C p(Κ)——功率系数,叶尖速比Κ的函数;r m——风轮半径;v——风速;Ξ——风机角速度。

图4　发电机功率与转速曲线

F ig.4　R elati onsh i p betw een P m and n

风力发电系统在具有随机性的风场中运行,当风速或风机转速发生变化时都会引起输出功率的变化。对应于某一风速,都存在某一风机转速使发电机输出功率最大。发电机功率与转速的关系曲线族如图4所示,把该曲线族的最大值点连接可得到一条最大功率曲线。双馈发电机的最大风能捕获机制是在风速变化时通过控制转子的电转速,使双馈发电机的转速跟随风速变化,使风机的输出功率最大。但是,在实际系统中式(12)给出的C p(Κ)参数取决于风机本身的特性和空气的密度,该参数的不确定性可能会造成最大风能捕获的轨迹偏移,不能充分利用现有设备输出最大功率。为此本系统采用了一种基于变步长转速扰动的最大风能跟踪算法,期望在风速和运行环境变化的条件下使系统运行于最大功率点,该算法可简述如下:

设第k次采样时,相对于k-1次采样的功率变化量为∃P,转速变化量为∃Ξ,若功率变化量∃P小于某一阈值,可认为系统达到当前风速下的最大功率点,速度外环维持当前转速不变。若功率变化量∃P大于该阈值,则通过改变转速调节器的指令信号来寻找真正的最大功率点,转速调节器的指令信号的变化方向如图5所示。

指令信号的大小由式(13)给出。

∃Ξ =k i ∃P (13)由图5

可以看到,∃P(k)反映∃Ξ(k-1)所产生的效果,跟踪算法根据该效果确定本次对转速的调节。考虑到避免最大功率点的误判,k i应取不同风速区间的最小值,算法的执行周期应大于速度环的周期。

图5　转速指令方向判断

F ig.5　Cho ice of the speed directi on

4　实验与结论

笔者在110k W变速恒频双馈风力发电模拟平台上对上述控制策略的实用性进行了验证。该模拟平台中的双馈发电机为一台绕线式感应电动机,其额定参数为功率110k W、转速990r m in、定子380V 214A、转子505V 132A;其它有关电气参数有定子电阻R s= 0.0328;转子电阻R r=0.0288;定子漏抗l s=0.21H;转子漏抗l r=0.32H;励磁电抗l m=2.13H。

网侧变流器的额定功率为30k W,直流母线电压400V,直流侧平波电容6600ΛF,网侧电感0.7m H,额定电流90A。

该平台使用变频器驱动一台三相鼠笼式异步电机在实验室条件下模拟运行于风场中的风力机[14,15]。除了基于PC的计算机系统执行模拟平台的监控任务外,一个基于双D SP(TM S320L F2407A)结构的控制器实现由图2和图3表达的控制结构。

1)空载并网实验

图6a为并网前定子和电网的交流电压,可以看出在并网前定子和电网电压的幅值、频率、相位须基本趋于保持一致以满足符合并网条件的要求。图6b为并网过程中定子电流和定子电压的波形。在本文介绍的空载并网策略控制下,定子电流在并网时刻对电网产生的冲击比较小,进入稳态过程较快,基本实现软并网。

2)网侧变流器实验

图6c为双馈发电机亚同步运行时网侧变流器的交流电压和电流波形,此时网侧变流器运行在整流状态并通过转子侧变流器向转子提供滑差功率,与风能转换的电能一起从发电机的定子馈入电网,因此系统的净发电功率应为定子输出功率减去转子输入功率。电网侧变流

69农业工程学报2006年　

器的SPWM 控制可使其运行在正的单位功率因数下。图6d 为双馈发电机超同步运行时网侧变流器的交流电压和电流波形,此时网侧变流器运行在逆变状态,能量分别从发电机转子和定子馈入电网此时系统的净发电

功率应为定子输出功率加上转子输出功率。同样,电网侧变流器的SPWM 控制可使其运行在负的单位功率因数下

。

图6　试验样机上获得的部分波形

F ig .6　W avefo r m s reco rded on the p ro to type system

5　结　语

本文详细分析了双馈发电机的基于定子磁场定向

矢量控制原理,采用基于电压外环反馈的空载并网的控制策略和最大功率点跟踪的并网发电控制策略,构建了110k W 变速恒频双馈风力发电模拟平台,实验结果表明采用以上控制策略实现了空载时的软并网,对电网冲击较小,实现了并网后有功、无功功率的前馈解耦控制和最大风能捕获曲线的追踪。为大功率的风力发电技术的研究提供了良好的平台。

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Application s of doubly fed i nduction generator

i n w i nd electr ic ity generation

X ie Zhe n1,Zha ng C hongw e i1※,Zha ng X ing1,Ya ng S huy ing1,C a o Re nx ia n2

(1.S chool of E lectric E ng ineering and A u to m ation,H ef ei U niversity of T echnology,H eif ei230009,Ch ina;

2.H ef ei S unlig h t P o w er S upp ly(S PS)Co.L td,H ef ei230011,Ch ina)

Abstract:B ased on theo retical analysis of doub ly2fed inducti on generato r and its vecto r con tro l,and ai m ed at the tw o statu s of V ariab le Speed Con stan t F requency(V SCF)w ind pow er generati on,the au tho rs p ropo se the con tro l structu re featu ring a vo ltage ou ter2loop fo r no2load cu t2in,and the structu re featu ring a pow er ou ter2loop fo r grid2connected generati on.In acco rdance w ith the characteristics of w ind pow er generati on,a m ax i m um pow er po in t track ing algo rithm based on the variab le step of the velocity to acqu ire the m ax i m um w ind pow er w as developed.110k W V SCF doub ly fed inducti on generato r w ind pow er system w as con structed in the labo rato ry, w h ich p roved the validity and reliab ility of con tro l strategy by research and analyses of resu lts.

Key words:variab le speed con stan t frequency(V SCF);doub ly fed inducti on generato r(D F IG);vecto r con tro l; no2load cu tting2in;m ax i m um pow er po in t track ing

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