永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制

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永磁直驱式变桨距风力发电机组的建模与控制
一
中国矿业大学信息与电 气工程学院 马诗洋 周 兵
根据机组在离风速区和低风速 区的特点 , 设计了变桨距控制系统 , 使得机组 能够
摘
要
在低风速区实现最大风能跟踪 。 为了增强机组在复杂条件下运行特性 , 在高风速区采用了 控制器 建立了机组的仿真模型 , 对不同风速下 的 机组的稳态和动态特性进行了仿真分析 。 直驱 变桨距 控制策略 仿真结果验证了采用方案和控制策略的可行性 。 关键词 永磁同步
行 了控制系统的设计 , 建立 了系统仿 真模型 。 由干机组在其运行范 围内工 作 点将大幅度变化 , 采 用了 控制
【 张崇巍 , 张兴
【 北京
整流器及其控制
机械工业出版社 ,
」 叶杭冶 力发电机组的控制技术 第二版
参 考 文献
【』
内
,
【
北京
机械工业出版社 ,
【 陈伯时
溉 】
电力拖动自动控制系统 运动
在高风速区的桨距调 节 。 变桨距风力发电系统在低风速区 进行最大风能跟踪 , 节距 角为零 , 即不进行变桨距调节 。
压 系统和机 电伺服系统 。 可以用小惯性环节 喇 来模拟 。 桨距调节系统的控 制框 图如 图 所示 。
图 桨距调节控制系统
风 力机和发 电机不经过增速齿 轮箱 而直接联接 , 传动 系统的动态方程如下
。 ` 采 用单极 点单ห้องสมุดไป่ตู้ 点补偿 , 即
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图
网侧逆变器电流内环控制系统
。 积分环节消 除系统稳态误 差 , 零点 几 补偿积分环节 引起的相位滞后 , 极点今 二 进行 参数的设计
由于 电流环需要较快 的电流跟随能 力 , 可按典型 型系统设计 。
高频滤波 。
电压夕 屏 的控制目 标是维持后级母线电压味 保持恒定 。 设几 , 、 与分别为后级直流母线的输入 、 输出电流 。则有
稳定后 , 从
电网相电压有效值
电网狱率 电网负暇 阻柳 并网电感 电感寄生电阻
开关绷本
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开始选取波形 。
轴出电容 轴出电压 前级母线电容 后级母线电容 输入电感 开关撅率
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给 出了风速波形图 。 图 中可 以看出 , 在高风速
区 , 机组实行变桨距控制 , 如 图 助 所示 , 调整节距角 , 保 持输出功率恒定 。此时 , 作为变桨距控制系统的被控对象转
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机组的建模与仿真
仿真参数的选择
机组仿真参数如附表所示 。
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模型的建立
由以上分析 , 可 由 搭 建出永磁直 驱式
忽略损耗时 , 有
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变桨距并 网型风 力发 电机组的模型如图 所示 。
附裹 变桨距非并网风力发电机组的仿真参数
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由于 轴和 轴 之间存在藕合项 口
电流内环的电
感 电流 采用峰值 电 流控制 。 峰值 电流 存在次谐 波振荡 ,
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网侧逆变器交流侧电压矢量的
器交流侧电流矢量的么 分量
功 、 无功分量 口 是电网频率 。
分量 份 气 是网侧逆变
。 、 。 是输入电网的有
当占空比大于
的
图 电路图
时候要 采取斜坡补 偿 。 电压 外环控制
目标是维持前级母线
过功率外环 , 机组可 以进行最大风能跟踪 。
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图 网侧逆变器电压外环控制系统
网侧逆变器控制系统的设计
网侧逆变器忽略三相桥路自身的损耗
换器的 模型可 以描述为
, 采用电压外
图 中 由于取 轴与 电网 电动 势矢量 同轴 , 可 以令
环 、 电流内环控制 。取 轴与电网电动势矢量同轴 , 网侧变
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中图分类号
文献标识码
文章编号
一
一
一
引言
永磁直驱式风 力发 电机组 是我 国风 力发 电机组的主流
机型之一 。 永磁风力发 电机通过增加极对数 , 降低发 电机 转速 , 从而能够与风力机直接相连 , 取消了增速齿轮箱 。 由于没有传统风力发电系统故障率很高的齿 轮箱 , 直驱式
系统中 , 发 电机组运送到塔顶成本较 高 , 所 以本文采取方 法是直流母 线侧先升压再 进行 并网逆 变 。
夕
速也保持恒定 , 如图
所示 。由公澎
可知 , 在转速恒定
加
的情况下 , 风能利用系数变化趋势与风速变化趋势相 同 。 前 级母线电压和后级母线电压几乎为一恒值 。并网三相 电压和 三相 电流畸变程 度很小 , 在高风速区具有 比较好 的并 网特 性 。并网有功功率和无功功率基本能够满足要求 。 图 给出了 低风速区的机组仿真波形 。平均风速 为 而
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区一样 , 前级母线电压 和后级母线 电压几乎为一恒值 。在
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所示 , 。
《 变绷翻世界 》
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假设
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能够保持恒定 , 则有 、 、 可得到后级直流母线电压 的
仿真结果及分析
根据以上所建模型 , 本文对机组在高风速区和低风速
服
饭定功率
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区分别进行了动态仿真 , 并且考虑到了风速的背景噪音以
极对数 转动恤 , 序摘系数 侧 咏· 材
及风速的突变 。
图 给出了高风速 区的 机组仿真波形 。平均风速为 内,
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时 , 阵风开始 ,
图
结束 。对干并网型机组 , 待机组
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并网三相电流
并网有功功率 图 高风速区的机组仿真波形
并网无功功率
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采用 · , , 二 ·, , , · 。考 虑到是发电机 , 建模时转矩要取反 。
由公式
, 显然在桨距调节时 , 百
劣 月 时值较小 , 此时叶尖速比值位于峰值左边 , 所 以
当线性化系数具有正的最大值
风 力机建模一般只考虑其风能利用系数而忽略风力机 的空气动力学过程 。 本文 即采用风力机的风能利用系数来 建立其仿真模型 。 风 力机仿真模型的建立主要基于以下三个方程
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后级母线电压
定子三相 电流
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并网三相电流 图
并网有功功率 低风速区的机组仿真波形
并网无功功率
低 风速 区 , 并 网三相 电流有 明显 畸
可行性 , 具有一定的实用价值 。
本文采用的机组方案如图 所示 。
风 力发 电系统稳定性和效率大大提高 , 且有效地抑制 了噪
声 , 具有 比较广泛的市场应用前景 。
令生
风力机的建模