直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制

0基于pscad/emtcd的直驅(qū)永磁發(fā)電系統(tǒng)建模研究關(guān)于直驅(qū)風(fēng)機發(fā)電系統(tǒng)的研究已在國內(nèi)外進行。文獻[1-2]詳細比較兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)別,指出直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由于取消中間齒輪箱,降低機組的運行速度,延長機組的運行壽命,提高機組的風(fēng)能利用率和運行穩(wěn)定性;文獻[3-4]研究直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(D-PMSG)的變流器控制策略,對比間接電流控制和直接電流控制的不同和各自的特點;文獻[5]采用雙PWM變換,使用SVPWM控制原理實現(xiàn)發(fā)電機整流部分的穩(wěn)壓控制;文獻[6-7]詳細介紹直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機的設(shè)計。上述文獻單獨分析該系統(tǒng)的主要組成部分模型,并沒有給出整個系統(tǒng)的模型。本文將給出整個系統(tǒng)的模型,包括風(fēng)速、風(fēng)力機、永磁發(fā)電機、變流器,提出該系統(tǒng)最大功率獲取的發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制策略,在電力仿真軟件PSCAD/EMTDC中建立直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型。通過對不同風(fēng)速以及電網(wǎng)故障仿真,驗證模型的正確性以及控制系統(tǒng)的可行性。1直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型1.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)設(shè)計圖1為所用直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。發(fā)電機采用永磁同步發(fā)電機,電機側(cè)電力變換器采用不控整流和Boost升壓斬波穩(wěn)壓電路,電網(wǎng)側(cè)變換器采用可控器件,完成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)以及該系統(tǒng)最大風(fēng)能跟蹤的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。1.2風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)風(fēng)能是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原動能,風(fēng)能直接影響著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的正常運行和其運行的狀態(tài),同樣的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在不同的風(fēng)速下所呈現(xiàn)的各方面性能差別也很大。風(fēng)速的數(shù)學(xué)模型用4種風(fēng)速的組合來表示式中:v1基本趨勢基本風(fēng)可以由風(fēng)電場測得的風(fēng)速數(shù)據(jù)所得到的威布爾(Weibull)分布參數(shù)近似確定:式中:A為平均風(fēng)速;K為威布爾分布參數(shù)。2風(fēng)逐漸減弱。風(fēng)也在改變對風(fēng)速的漸變特性可以用數(shù)學(xué)的漸變成分來模擬:式中:T3好的描述風(fēng)速的突然的變化特性,用數(shù)學(xué)的陣風(fēng)特性來表示:式中:T4風(fēng)能轉(zhuǎn)化模型風(fēng)速中的隨機分量可以使用隨機過程數(shù)學(xué)里面的噪聲模型來模擬:式中:P風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中,風(fēng)力機通過葉片捕獲風(fēng)能,將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為作用在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的機械能,考慮到實際情況中風(fēng)機對啟動風(fēng)速和切出風(fēng)速的要求,風(fēng)輪吸收的機械能可以表示為式中:V由式(6)可以看出,對于風(fēng)力機而言,當(dāng)風(fēng)速一定時,風(fēng)輪獲得的機械能將主要取決于風(fēng)能利用系數(shù)C式中:由圖2可知,槳距角β一定時,對于一臺確定的風(fēng)力機總有一個最佳葉尖速比,使得風(fēng)能利用系數(shù)C1.3永磁同步發(fā)電機模型永磁同步發(fā)電機的工作原理和電勵磁同步發(fā)電機的工作原理相同。其頻率和轉(zhuǎn)速是對應(yīng)的,其關(guān)系為式中:f為了對發(fā)電機的有功無功解耦,對發(fā)電機的功率因數(shù)進行控制,在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下建立的同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型為式中:P在永磁電機中,由于轉(zhuǎn)子的勵磁不是通過勵磁電流來實現(xiàn)的,而是以永磁體來代替,因此上式中pψ永磁同步發(fā)電機的運動方程如下:式中:ω為發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速,rad/s;ψ利用式(11)和(12)可以通過控制發(fā)電機輸出電流的大小,來控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速,進而實現(xiàn)風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速控制,完成風(fēng)力機的最大風(fēng)能獲取。2發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制模型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略是整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重點,控制系統(tǒng)的優(yōu)劣將直接關(guān)系風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性?？刂葡到y(tǒng)主要包含變槳距控制、升壓斬波穩(wěn)壓控制、逆變并網(wǎng)控制等,控制的主要目標(biāo)首先是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,并保證系統(tǒng)對最大風(fēng)能的跟蹤,同時能對系統(tǒng)有功無功解偶,在系統(tǒng)運行在小電網(wǎng)系統(tǒng)時,該控制方式的實現(xiàn)對于穩(wěn)定系統(tǒng)電壓,防止電壓崩潰具有重要意義根據(jù)發(fā)電機的工作原理以及最大風(fēng)能獲取的原理,重點設(shè)計了發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制,和風(fēng)能最大獲取的控制方法。圖4為永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制的基本模型,積分時間常數(shù)T=1。根據(jù)永磁同步發(fā)電機的運動方程,針對直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點,利用PI控制設(shè)計了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器。風(fēng)機的最大風(fēng)能獲取通過逆變器的控制來實現(xiàn),控制原理如圖5,根據(jù)風(fēng)機的輸入風(fēng)速確定最佳葉尖速比,得到風(fēng)機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速,調(diào)整發(fā)電機的輸出功率,使得發(fā)電機的轉(zhuǎn)速能跟蹤最佳葉尖速比,達到風(fēng)能的最大獲取。如圖5所示,根據(jù)風(fēng)機的風(fēng)速V當(dāng)處于最佳葉尖速比時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速ω3最大風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)模型的建立及仿真直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),通過10kV輸電線路并入電網(wǎng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖7為采用的升壓斬波穩(wěn)壓電路前后的波形,從圖中可以看出,經(jīng)過升壓斬波電路以后,系統(tǒng)的直流母線電壓能更好的穩(wěn)定在相對理想的值附近,即便是在受到較大的擾動時,如圖中5.0s時,在系統(tǒng)整流后的電壓發(fā)生突變時,電壓仍能保持較好的穩(wěn)定性。驗證了本文采用的升壓斬波穩(wěn)壓控制的可行性。利用電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD,建立直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型,具體參數(shù)為:極對數(shù)為48,額定線電壓為0.77kV,額定容量為1.26MVA,額定頻率為16Hz,風(fēng)機半徑為31m,額定風(fēng)速為12m/s,風(fēng)輪相對地高度為67m。為了驗證所建立的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型的正確性,以及提出的最大風(fēng)能跟蹤控制原理的有效性,在仿真軟件PSCAD中對本文模型進行了仿真,結(jié)果如圖8~10所示。由圖9(a)、(b)可以看出,該系統(tǒng)在陣風(fēng)時風(fēng)機的有功出力跟隨風(fēng)速的變化而變化,驗證了本文提出的最大風(fēng)能跟蹤的正確性;圖9(c)為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速波形,可以看出在陣風(fēng)時,系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速可以自動調(diào)整以跟蹤最優(yōu)轉(zhuǎn)速,完成了風(fēng)能的最大獲取,驗證了提出的基于全額變流裝置轉(zhuǎn)速控制器的正確性;相對于異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),所研究的直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在陣風(fēng)時,并不吸收系統(tǒng)的無功,不會導(dǎo)致陣風(fēng)時由于吸收系統(tǒng)大量的無功所引起的電壓的下降。由圖8、圖9可以看出,風(fēng)機等發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到一定的值時,并網(wǎng)開關(guān)閉合,該系統(tǒng)中并未采用軟并網(wǎng)裝置,但其并網(wǎng)沖擊電流可以控制在額定電流以內(nèi),相比普通異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)的沖擊電流高達6~8倍的額定電流由圖10可以看出,在系統(tǒng)母線發(fā)生故障時,風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能根據(jù)母線電壓的實際水平,自動選擇風(fēng)電機的投切,保護風(fēng)機的正常運行,系統(tǒng)在檢測到母線電壓恢復(fù)后,能迅速投入運行,系統(tǒng)的電壓頻率在經(jīng)過短暫的振蕩后可以恢復(fù)穩(wěn)定?？梢?基于PSCAD所建立的并網(wǎng)型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠正確的反應(yīng)系統(tǒng)各物理量的變化關(guān)系。4最大風(fēng)能獲取轉(zhuǎn)速控制原理首先給出了整個直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,研究了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變流器控制策略,并提出了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電