变速恒频风电系统双PWM 解耦控制仿真研究
变速恒频风电系统双PWM解耦控制仿真研究
Ｌ ｉ Ｈ Ｏ Ｈ ｉ－ Ｉ ｕ － ｅ，Ｈ Ｎ Ｘ ｅ ＩＢｎ ，Ｚ Ａ ｕ ，ＬＵ Ｊｎｊ Ａ ｕ ． ｉ
（ ．ｉ ｊ ｅ ａｏａｏｙ ｏ ｏ ｔ ｌＴ ｅｒ ｎ ｐ ｌ ａｉ ｓｉ Ｃ ｍ ｌ ａ ｄＳｓ ｍ，Ｔａｊ ０ ３ ４ ｈｎ ） １Ｔａ ｉ Ｋ ｙＬ ｂｒｔｒ ｆｒＣ ｎｒ ｈ ｏ ａ ｄＡ ｐｉ ｏ ｎ ｏ ｐｉｔ ｙｔ ｎｎ ｏ ｙ ｃ ｎ ｔ ｃｅ ｅ ｉｎｉ ３０ ８ ，Ｃ ｉａ ｎ
（ ． 理工 大学 ， １天津 天津 市复 杂控制 理论 与应用 重 点实验 室 ，天津
２天津 农学 院 ，天 津 ． ３０８ ０ ３０；３河北 沧州 供 电公司 ，河北 沧州 ．
３０８ ； ０ ３ ４
０ １０ ） ６ ００
摘要 ： 论 了随机 性风速 下 ， 线性变 速恒 频双 馈风 力发 电系统 最大 风能捕 获控制 问题 。分 析 了满 足双馈 电机 讨 非 能量双 向流 动 的双脉 宽调制 （ ＷＭ） Ｐ 变换 器及 其数 学模 型 ， 此处 采用双 Ｐ ＷＭ变 频器解 耦控 制策 略 ， 子侧变 频 转
发 电系统 完整 的仿 真模 型 。利用 该模 型对 风 电系 统 的最 大 风 能追踪 控制 进行 了详 细 的仿 真研 究 ， 证 了理论 验
及 仿真 分析 的正确 性 。 关键 词 ： 双馈 风力 发 电机 ：变 频器 ：解耦 控制 中图分类号： Ｍ３５ Ｔ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：００ １０ ２ １ ）０ ０ １— ３ １０ — ０ Ｘ（０ １ １— １７ ０
Ｔｈ ｉ ｕ ａ ｉｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｒａ ｌ ｐ ｅ ｉ ｄ Ｔｕ ｂ ｎ ｅ Ｓ ｍ ｌ ｔ ｓ ａ ｃ ｆＶａ ｉｂ ｅ Ｓ ｅ ｄ Ｗ ｎ ｒ ｉｅ ｏ Ｄｏ ｂ ｅ ＰＶ Ⅵ Ｉ ｖ ｒ ｅ ｃ ｕ ｌ ｇ Ｃｏ ｔ ｏ ｕ ｌ－ ｎ ｅ ｔｒ Ｄｅ ｏ ｐ ｉ ｎ ｒ ｌ ｎ
变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究pdf
变速恒频双馈风力发电机组交流励磁控制系统研究鲍薇,尹忠东,任智慧(华北电力大学电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室,北京102206) 摘要:介绍了变速恒频双馈风力发电系统的工作原理,分析了双馈型风机的运行性能,重点对采用双PWM 换流器结构的交流励磁系统进行了介绍,提出了一种矢量控制策略,对网侧和转子侧变换器采用不同的矢量控制,从而实现不同的控制目标。
并通过EM TDC/PSCAD 软件进行了建模仿真,仿真表明,采用介绍的控制策略,能实现风力发电系统的最大风能追踪及有功无功解耦控制,保证输出功率稳定,实现高功率因数并网运行。
关键词:变速恒频;风力发电系统;交流励磁;PWM 换流器;矢量控制;最大风能追踪中图分类号:TM614 文献标识码:AStudy on AC -excited Control System of VSCF Doubly -fedWind Pow er G eneration SystemBAO Wei ,YIN Zhong -dong ,REN Zhi -hui(Key L aboratory of Power S ystem Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education N orth China Electric Power University ,Bei jing 102206,China )Abstract :The operation principle of doubly -fed VSCF wind power generation system was analyzed ,it es 2pecially introduced the doubly -fed generator ′s AC -excited system based on a structure of dual PWM con 2verter ,presented a vector control strategy ,which adopted different vector control between the grid -side con 2verter and the rotor side converter ,in order to achieve various control goals.The simulation on EM TDC/PSCAD software shows that adopting this control strategy this article presented ,it is able to track the largest wind energy ,achieves the decoupling control of wind power system ′s active and reactive power ,ensures the stability of output power and operate on high power factor.K ey w ords :variable -speed constant -frequency ;wind power generation system ;AC excitation ;PWM con 2verter ;vector control ;tracking largest wind power 基金项目:“十一五”国家科技支撑项目(2008BAA14B05) 作者简介:鲍薇(1985-),女,研究生,Email :baowei_19850627@1 引言目前我国的风电场装机绝大多数是恒速恒频机组。
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨
变速恒频双馈风力发电系统控制技术的探讨前言随着能源危机的日益加剧，可再生能源逐渐成为人们关注的热点。
风能作为最具潜力的可再生能源之一，引起了众多研究人员的关注。
近年来，变速恒频双馈风力发电系统控制技术成为研究热点之一，具有广阔的应用前景。
本文将对变速恒频双馈风力发电系统控制技术进行探讨。
双馈发电机和变频控制双馈发电机是目前风力发电机中最常使用的一类发电机。
传统的风力发电系统采用异步发电机作为发电机，随着风速的改变，输出电压、频率和电流也会跟随变化。
而采用双馈发电机后，输出电压和频率能够稳定控制在一个合适的范围内。
变频控制技术是指通过调整发电机输出电压和频率，使其与电网的电压和频率同步，从而实现电能的输送。
传统的电力系统一般采用恒频输电，这种方式下，不同的发电机必须调整其转速，以达到跟电网同步的效果，导致效率低下。
而采用变频控制技术，可以根据需要调整发电机的转速，使其在不同的风速下都能保持较高的效率。
变速控制技术变速控制技术是指通过改变风力发电机的转速，使其在不同的风速下都能保持较高的效率。
传统的风力发电系统中，往往采用固定转速的方式，无法灵活地调整转速以适应不同的风速。
而采用变速控制技术，则可以在不同的风速下，调整发电机的转速，以保证其输出的电量和质量。
曲线控制曲线控制技术是指通过调整双馈发电机的转速和输出电压，使其输出的电量和质量符合电网的要求。
传统的控制方法是基于刚性控制，不能灵活地调整发电机的参数。
而曲线控制技术，则可以根据电网的要求，调整发电机的控制参数，以保证其稳定地、高效率地运行。
软件控制技术软件控制技术是指通过计算机程序控制风力发电系统的运行。
传统的控制方式大多采用硬件控制，控制方式复杂、扩展性不强。
而采用软件控制技术，则能够通过计算机程序实现控制功能，提高系统的自动化程度。
结语变速恒频双馈风力发电系统控制技术是风力发电的研究热点之一，具有广阔的应用前景。
本文通过介绍双馈发电机和变频控制、变速控制、曲线控制、软件控制技术等方面，对其进行了探讨。
变速恒频双馈电机风力发电系统的研究与仿真分析
图３－４网侧ＰＷＭ整流器系统的控制策略框图………………………．．３２
图３－５‘ｑ电流内环简化结构……………………………………．３３
图３－６电压外环控制的简化结构…………………………………３３
图３－７坐标变换系统…………………………………………．３５
图３－８定子磁链定向下的变速恒频风力发电矢量控制系统框图…………．３７
图２—６双馈电机的两种工作状态…………………………………１６
图２—７双馈电机并网等效电路…………………………………．．１７
图２－８双馈电机时空矢量图……………………………………．１７
图２—９利用叠加原理的等值电路分解……………………………．．１８
亚同步速发电状态
超同步发电状态…………．．２２
图２－１０双馈电机处于发电状态的两种工况…………………………２２
ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ａｎｄ
ｇｒｉｄ·ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｍｕｓｔ ｂｅ ｒｕｎｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ＶＳＣＦ．Ａｎｄ ｔｈｅ ＶＳＣＦ ｏｆ ＤＦＩＧ ａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，Ｓｅｌｅｃｔ ｔｈｅ ｄｕａｌ ＰＷＭ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｓ ａ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｍｏｔｏｒ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｅｔｓ ｕｐ ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｇｒｉｄ－ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｖｅｃｔｏｒ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ，ｄｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ，ｂａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｑ ａｘｉｓ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｏｆ ｔｈｅ ＤＦＩＧ，ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｄｕａｌ ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ｒｏｔｏｒ ｓｉｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｏｒ ｆｌｕｘ，ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ＤＦＩＧ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏ－ｌｏａｄ ａｎｄ ｌｏａｄ．ａｎｄ ｄｒａｗ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｉａｇｒａｍ．ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＤＦＩＧ，ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉＳ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ，ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．ｆｏｒ ｓｐｅｅｄ ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｈａｓ ａ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＶＶＶＦ，
基于ATP的变速恒频双馈风力发电机PWM变频器控制系统研究
分类号：TM73 单位代码：10019密级：学号：S041132学位论文基于ATP的变速恒频双馈风力发电机PWM变频器控制系统研究Study of Variable Speed Constant Frequency Double-Fed Induction Generator and Control System of Power ConvertersBased on ATP研究生：于永良指导教师：叶林副教授合作指导教师：申请学位类别：工学硕士专业领域名称：电力系统及其自动化研究方向：风力发电所在学院：信息与电气工程学院2007年 11 月独 创 性 声 明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：时间：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。
(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：时间：年月日导师签名：时间：年月日摘 要风能是一种可再生的绿色能源。
在世界能源普遍紧张，环境污染日趋恶化的今天，风力发电已经越来越受到世界各国的普遍重视。
随着风力发电机组容量的不断增大，提高运行效率、最大程度地利用风能已经成为风力发电技术研究的重要内容。
建立与分析风力发电机及其控制系统的仿真模型，是风力发电机组实际系统软、硬件开发与现场安全运行维护的基础。
ATP是目前世界上广泛使用的电磁暂态分析和数字仿真系统软件，电力系统中各种复杂的电气网络或控制系统都可以使用ATP进行仿真。
变速恒频风力发电用双PWM变换器的协调控制研究
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ｒ ｆ ３ ｌ ２， ｆ Ｌ ４
—
一
（） ３
ｆ ／ ｓ
式 中 ， 为 网侧 电 网电压 ｄ轴分量 。 图 ２为传统 负 载 电流 前馈控 制原 理图 。
（ ）直 流 母 线 电压 波 动 原理 示 意 图 ｂ
图 １ 直 流母 线 示 意 图
变 速 恒 频 风 力 发 电用 双 Ｐ ＷＭ 变 换 器 的 协 调 控 制 研 究
马 浩 淼 ，高 勇 ， 媛 杨 彪 王 立 虎 杨 ， ，
（． １西安理 工大学 自动化与信息工程学 院，陕西 西安 ７ ０ ４ ； １０ ８ ２ 陕西师范大学 计算机科 学学院 ， ． 陕西 西安 ７０ ６ ） １０ ２
文献标 志 码 ： Ａ
Ｃｏ ｒ ｉ ｔ ｄ Ｃｏ ｔ ｏ ｆＤｕａ ｏ ｄ ｎａ ｅ ｎ ｒ ｌｏ ｌＰＷ Ｍ ｎ ｅ ｔ ｒ ｏ Ｃｏ ｖ ｒ ｅ ｓ ｆ ｒ ＶＳＣＦ ｉ ｄ ｗｅ ｎ ｒ ｔｏ ｙ ｔ ｍ Ｗ ｎ Ｐｏ ｒ Ｇｅ ｅ ａ ｉ ｎ Ｓ ｓ ｅ
术、 主动 失 速调 节 技 术 和 变 速 恒频 技 术 。其 中变 速 恒频 风力发 电技 术备 受关 注 … 。变速 恒 频双 馈 风力
经常会 引起 直流母线 电压 的波 动 。因此 ， 本研 究提 出
一
种新 型的 网侧 变换 器 与机 侧 变换 器 的协 调控 制 策
略 。该策 略提高 了 网侧变 换 器对 机侧 变 换 器负 载 的 响应速度 ， 网侧变换器 主动地 为机侧 变换 器提供励 使
这种 将负 载 电流引入 网侧变换 器 的 策略 ， 使 直流母 线 电压 的波 动减 小 （ 图 ２ 。 由于反 馈 的 见 ）但
风力发电用双PWM变频器仿真研究
年第期5风力发电用双PWM变频器仿真研究罗林1张桂怀2王振凯3（1.内蒙古工业大学电力学院，呼和浩特010051；2.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特010020；3.哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150001）摘要本文针对无刷双馈风力发电机，采用了一种新的三相电压源型双PWM 变频器控制方案，网侧采用d-q 模型的空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM ），较好地实现了电压的跟踪和单位功率控制，转子侧采用电流滞环控制。
仿真表明，该双PWM 变频器网侧能够获得单位功率因数的正弦输入电流，稳定的直流输出电压，转子侧电流具有快速的动态响应；变频器能够实现能量的双向流动，仿真验证了控制策略的正确性和有效性。
关键词：双PWM 变频器；无刷双馈电机；仿真；风力发电Simulation Study of Dual PWM for Wind Power GenerationLuo Lin 1Zhang Guihuai 2W an g Zhenkai 3（1.Scho ol of Electric Power,Inn er Mongolia University of Technology,Hohhot 010051；2.Inner Mo golia Electric Power Research Institute,Hohh ot 010020；3.School of Astronautics,Harbin Institute of Tech nology,Harbin 150001）Ab str actThis p aper introduced a new three phase voltage source dual PWM control scheme forwind power system of brushless double-fed machine(BDFM).The d-q model based in the space vector pulse width modulation (SVPWM)was used to get a good performance of voltage ’s tracking and un ity po wer factor control of gird side.The hysteresisor current control was used for the motor side.The simulatio n results show that unity power factor current wave can be achieved ,the dc voltage is steady.Rotor-side Cu rrent has fast dynamic response,Power is able to bidirectly flow throu gh the dual PWM.Simulation results verify the availability and validity of the proposed contro l strateg y.Key wor d s ：fual PWM ；BDFM ；simulation ；wind power generation1引言近几年我国新能源产业发展很快，开发和利用可再生能源得到了高度的重视，特别是交流励磁变速恒频风力发电得到了迅速的发展。
变速恒频风机双PWM变换器协调控制策略研究
・试验研究・变速恒频风机双PWM变换器协调控制策略研究许凌峰1,吕跃刚2,徐大平2(1.华北电网有限公司,北京100053;2.华北电力大学,北京102206)摘 要:为解决变速恒频风机运行中转子侧功率变化频繁,直流母线电压波动剧烈的问题,对双PW M变换器控制策略进行了研究。
结合双馈电机的特点,得出了母线负载电流的计算方法,并分析了负载电流前馈策略的不足。
提出了一种基于动态功率前馈的新型协调控制策略,特点在于选择控制电压节点作为前馈补偿点,避免了电流环的迟延,并且将双馈电机动态信息整合进入网侧变换器的控制当中。
最后建立双P WM励磁的风电机组模型进行仿真验证,结果表明新策略极大改善了直流母线动态特性,因此降低了对变换器中电解电容容量的要求,提高了机组的可靠性。
关键词:风力发电;变速恒频;双馈电机;双P WM变换器;协调控制中图分类号:T M614;T P273 文献标识码:A 文章编号:1003-9171(2008)01-0001-05Coordinated Control of Dual PWM Converters for Variable-speedConstant-frequency Wind GenerationXu Ling-f eng1,Lv Yue-gang2,Xu Da-ping2(1.Nort h China Power Grid Co.L td.,Beijing100053,China;2.N ort h China Elect ric Power U niversit y,Beijing102206,China)Abstract:A s rot or-side power changes f requently during variable-speed const ant-frequent(V SCF)wind generation operat ing,w hich causes dc-bus voltage fluctuat ion,t he dual PWM convert ers cont rol st rategy is bined w it h the doubly-fed induction generator(DFIG)characteristics,t he load current is obt ained.Based on analyzing of load current feed forw ard st rat egy,a novel coordinat ed control st rat egy is proposed,in w hich a feed-f orw ard compensation is inject ed at cont rol volt age node to avoid t he current cont rol loop delay,as well as the DFIG dynamic informat ion is f ully utilized by convert er control syst em. Finally,T he wind generation syst em model wit h dual PWM converters is established,simulation result indicat es t hat t he novel st rat eg y improved the dc-bus dynamic characterist ics.T herefore,t he elect rolytic capacit or capacit y can be reduced,w hich enhance the w ind generation system reliability eff ectively.Key words:w ind generation;V SCF;DFIG;dual PWM converters;coordinated cont rol0 引言随着社会环保意识的增强和一次能源的消耗危机,风能作为洁净可再生的“绿色能源”已成为各国关注的焦点。
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基金项目:天津市重点科技攻关项目(10ZCECJD43080);天津市自然科学基金(09JCZDJC23900,10JCZDJC23100)定稿日期:2011-06-21作者简介:李斌(1985-),男,湖北京山人,硕士研究生,研究方向为风力发电智能控制。
1引言风能是一种清洁可再生能源,近年来风力发电得到了迅速发展。
据估计,到2020年风力发电可满足世界12%的电力需求[1]。
在风能发电应用中,变速恒频发电系统是当今世界风力发电技术的主要方向,相关的研究涉及桨距控制、建模与仿真[2]以及并网发电的稳定性等,但主要还是研究其矢量控制策略,从而实现对风能的最大捕获。
在变速恒频风力发电中,由于风能的不稳定性和捕获最大风能的要求,发电机转速在不断的变化,这就要求转子交流励磁电源不仅要有良好的变频输入、输出特性,而且要有能量双向流动的能力。
在目前电力电子技术条件下,可采用IGBT 器件构成的PWM ⁃PWM 变频器作为其励磁电源[3]。
为实现风力机组的最大能量的追踪和捕获,满足电网对输入电力的要求,风力发电机必须变速恒频运行;为控制发电机转速和输出的功率因数,必须对发电机有功功率、无功功率进行解耦控制[4]。
这里在考虑最大风能捕获的基础上,提出一种双PWM 变频器解耦控制策略。
2变速恒频双馈风力发电系统双馈感应发电机(DFIG )采用绕线式转子感应发电机,定子直接接入电网,在转子侧施加交流励变速恒频风电系统双PWM 解耦控制仿真研究李斌1,赵辉1,2,刘俊杰1,韩学3(1.天津理工大学,天津市复杂控制理论与应用重点实验室,天津300384;2.天津农学院,天津300380;3.河北沧州供电公司,河北沧州061000)摘要:讨论了随机性风速下,非线性变速恒频双馈风力发电系统最大风能捕获控制问题。
分析了满足双馈电机能量双向流动的双脉宽调制(PWM )变换器及其数学模型,此处采用双PWM 变频器解耦控制策略,转子侧变频器采用定子磁链定向的双闭环控制策略,电流环实现定子无功功率的调节,转速环实现最大风能捕获;网侧变频器采用电网电压定向控制策略,保持直流母线电压稳定。
基于Matlab/Simulink 软件平台,构建了15kW 风力发电系统完整的仿真模型。
利用该模型对风电系统的最大风能追踪控制进行了详细的仿真研究,验证了理论及仿真分析的正确性。
关键词:双馈风力发电机;变频器;解耦控制中图分类号:TM315文献标识码:A文章编号:1000-100X (2011)10-0117-03The Simulation Research of Variable Speed Wind TurbineDouble 鄄PWM Inverter Decoupling ControlLI Bin 1,ZHAO Hui 1,2,LIU Jun ⁃jie 1,HAN Xue 3(1.Tianjin Key Laboratory for Control Theory and Applications in Complicated System ,Tianjin 300384,China )Abstract :A maximum wind capture control system of the nonlinear variable ⁃speed constant ⁃frequency doubly ⁃fed wind power generation is discussed under the stochastic wind speed.To meet the two ⁃way flow energy of double ⁃fed genera ⁃tion ,a pulse width modulation (PWM )inverter and its mathematical model are analyzed.Decoupling control strategy isused while rotor side inverter using stator flux oriented control of dual ⁃loop.The current loop is to achieve regulation of the stator reactive power and the speed loop is to realize for maximum wind work side of the inverter uses the grid voltage oriented control strategy to maintain DC voltage.A completed system of 15kW wind turbine simulation model is built based on Matlab/Simulink software simulation platform.The Simulation results verifies the correctness of theoretical.Keywords :doubly ⁃fed induction generator ;inverter ;decoupled control Foundation Project :Supported by Key Scientific and Technological Project in Tianjin (No.10ZCECJD43080);Tianjin Natural Science Foundation (No.09JCZDJC23900,No.10JCZDJC23100)117磁来控制发电机转矩。
调节励磁电流的幅值、频率、相序,确保发电机输出功率恒压。
调节有功功率可调节风力机转速,进而实现最大风能捕获追踪控制;调节无功功率可调节电网功率因数,提高风电机组及所并电网系统的动、静态动行稳定性[5]。
图1示出变速恒频交流励磁双馈风电系统。
根据贝兹理论,风力机的功率与风速v 的三次方成正比,即P =0.5C p ρπR 2v 3,其中,C p 为风能利用系数,ρ为空气密度,R 为风轮半径,πR 2为风轮旋转一周所扫过的面积。
由上式可知,在v 一定的情况下,P 取决于C p ,而C p 是叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数,即:C p =0.5176(116/λ-0.4β-5)e -21/λ+0.0068λ1/λ=1/(λ+0.08β)-0.035/(β3+1){(1)式中:λ=ωR /v ,ω为风轮角速度。
在定桨距(β=0)时,C p 大小取决于λ。
仅在λ为某一特定值,即最佳叶尖速比λopt 时,C p 达到最大值C pmax ;对于同一λ值,当β发生变化时,C p 所能达到的峰值不同,对应的函数曲线也各不相同。
当λ偏离最佳叶尖速比,C p 就会减小,风能利用率降低。
根据贝兹理论,C p 的极限值约为0.593。
3双脉宽调制变频器解耦控制策略3.1双馈风力发电机模型DFIG 转子绕组中,有2个频率均为转差频率的电源,一个是转子绕组的感应电动势,另一个是转子绕组的外加励磁电源。
不考虑电网电压的动态变化即假定电网电压及定子磁链恒定。
采用定子电压定向矢量控制方案,即同步旋转坐标系的d 轴定向于定子电压矢量u s 。
此时可得DFIG 的磁链方程和电压方程[6]:Ψd s =L s i d s -L m i d r ,Ψq s =L s i q s -L m i q r =0u d s =0,u q s =-ωl Ψd s =-u s u d r =R r i d r +a 1d i d r /d t -a 1ωs i q r u q r =R r i q r +a 1d i q r /d t +a 1ωs i d r -a 2Ψs ωs ⎧⎩⏐⏐⎨⏐⏐(2)式中:u d s ,u q s ,u d r ,u q r 分别为定、转子电压的d ,q 轴分量;i d s ,i q s ,i d r ,i q r 分别为定、转子电流的d ,q 轴分量;ωs 为d ,q 坐标系中相对于转子的电角速度,ωs =ωl -ωr ,ωl 为转差角频率;a 1=(L r -L m 2)/L s ;a 2=-L m /L s ;L s ,L r ,L m 分别为d ,q 坐标系中定、转子绕组自感及转子绕组互感。
转矩方程为:T e =1.5n p a 2Ψs i q r (3)式中:n p 为电机极对数。
3.2转子侧变频器模型DFIG 定子绕组直接接在无穷大电网上,可近似地认为定子电压幅值、频率都是恒定的,所以DFIG 一般采用定子磁链定向控制策略,转子侧变换器的功率解耦主要通过d ,q 坐标变换来实现。
由DFIG 电压方程和磁链方程可知:u d r =▽u d r +Δu d r ,u q r =▽u q r +Δu q r(4)式中:▽u d r ,▽u q r 为实现转子电压解耦控制的解耦项,▽u d r =(R r +a 1p )i d r ,▽u q r =(R r +a 1p )i q r ;Δu d r ,Δu q r 为消除转子电压交叉耦合的前馈电压补偿量,Δu d r =-a 1ωs i q r ,Δu q r =a 2ωs Ψs +a 1ωs i d r 。
转子侧解耦控制结构如图2所示。
在定子磁链定向矢量控制策略下:P =-1.5u s i q s ,Q =-1.5u s i d s (5)内环为转子电流控制环,它由i d r ,i q r 这2个控制通道组成,电流误差经调节后输出电压控制量,叠加Δu d r ,Δu q r ,即可得同步旋转坐标系中的转子电压控制量,再经坐标变换得到双馈电机转子电压控制指令u αr *和u βr *,经SVPWM 后产生所需的励磁电压及电流。
外环为转速控制环,根据当前风速计算出对应风力机λopt 的转速值作为转速环的给定,与电机转速反馈值比较后的差值送入转速控制器,输出为转子q 轴电流给定值。
d 轴电流的给定值i d r *可根据电网对风电系统的无功要求算出。
3.3网侧变频器模型网侧变换器的控制采用d ,q 坐标变换,将同步旋转d ,q 坐标系d 轴定向于u s 方向上,实现相应的功率解耦,由此可推导出:u d ′=-u d +ωLi q +u g d ,u q ′=-u q -ωLi d +u g q (6)而u d ′,u q ′又可表示为:u d ′=L d i d /d t +Ri d ,u q ′=L d i q /d t +Ri q (7)图1双馈电机风力发电系统结构图2双馈发电机转子侧变换器矢量控制结构u abcr ,i abcr 分别为定子侧三相电压和电流;θs ,θr 分别为定子磁链相角、转子相角;ωr *和i d r *表示对应变量的给定值。