基于pscademdc的雙饋型感應(yīng)變速風(fēng)電機(jī)組功率控制策略

基于pscademdc的雙饋型感應(yīng)變速風(fēng)電機(jī)組功率控制策略

0基于pscad/emtcd的轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組動態(tài)模型隨著世界能源需求的持續(xù)增加，污染加劇，環(huán)境保護(hù)面臨著越來越多的壓力。越來越多的國家開始轉(zhuǎn)向利用清潔能源。2006年底,世界風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量74223MW,新增裝機(jī)容量15197MW,預(yù)計到2020年占世界總電力比例將達(dá)12%。風(fēng)力發(fā)電年增長達(dá)35%,在可再生能源行業(yè)中發(fā)展最快。通常使用的風(fēng)力機(jī)組大致可分為4種類型,基于雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的變速風(fēng)電機(jī)組作為一種非常經(jīng)濟(jì)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電方案,目前已經(jīng)成為兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最普遍采用的形式。為了最大限度地利用風(fēng)能,可實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)成為研究熱點。由于風(fēng)能的隨機(jī)特性,隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加,僅對最大風(fēng)能進(jìn)行追蹤產(chǎn)生的隨機(jī)變化的功率無法滿足電力系統(tǒng)功率實時平衡的運行要求。風(fēng)電場應(yīng)與常規(guī)發(fā)電方式一樣承擔(dān)系統(tǒng)頻率、電壓等調(diào)節(jié)任務(wù)。本文在PSCAD/EMTDC下建立了定子磁場定向DFIG變速風(fēng)電機(jī)組動態(tài)模型,通過對電磁轉(zhuǎn)矩的間接轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,以實現(xiàn)單機(jī)最大功率追蹤。針對風(fēng)電接入系統(tǒng)運行要求,在功率追蹤的基礎(chǔ)上實現(xiàn)給定功率控制策略,并就風(fēng)電機(jī)組定、轉(zhuǎn)子及風(fēng)機(jī)容量約束對機(jī)組調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。該策略使無風(fēng)速檢測風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在可用風(fēng)力范圍內(nèi)實現(xiàn)對有功、無功功率的有效控制,從而可承擔(dān)系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)任務(wù)。1d彪風(fēng)速設(shè)備1.1轉(zhuǎn)速特性及傳動部分基于DFIG的變速風(fēng)電系統(tǒng)總體可分為5部分模型:風(fēng)速模型、氣動模型、機(jī)械傳動模型、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)及各種控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了描述風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性特點,風(fēng)速u由基本風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)疊加而成。氣動模型模擬風(fēng)力機(jī)槳葉將風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能,忽略動態(tài)遲滯效應(yīng),將風(fēng)力機(jī)捕獲機(jī)械轉(zhuǎn)矩Trot表達(dá)為解析形式。機(jī)械部分包括低速軸、齒輪箱、高速軸在內(nèi)的傳動環(huán)節(jié),經(jīng)齒輪箱升速后轉(zhuǎn)矩變?yōu)門mec。采用單質(zhì)量塊低速軸和理想齒輪箱,傳動部分可用一階慣性環(huán)節(jié)描述。電網(wǎng)運行控制部分指定機(jī)組有功和無功發(fā)電功率分別為Pref和Qref。槳距角控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)電功率Pgen和風(fēng)速對槳距角β進(jìn)行調(diào)節(jié)。1.2轉(zhuǎn)子電阻計算DFIG轉(zhuǎn)子運動方程為:Jdωrdt=Tmec?Te(1)Jdωrdt=Τmec-Τe(1)式中:Tmec為機(jī)械轉(zhuǎn)矩;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;ωr為轉(zhuǎn)子角速度;J為轉(zhuǎn)動慣量。DFIG可實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與無功功率的解耦控制。M-T坐標(biāo)下DFIG模型為:?????????????U˙s=RsI˙s+(jωs+p)LsσI˙s+jωsΨ˙mU˙r=RrI˙r+(jωs+p)LrσI˙r+jsωsΨ˙mTe=LmLs(Ψ˙m×I˙r)Ψ˙m=Lm(I˙s+I˙r)(2){U˙s=RsΙ˙s+(jωs+p)LsσΙ˙s+jωsΨ˙mU˙r=RrΙ˙r+(jωs+p)LrσΙ˙r+jsωsΨ˙mΤe=LmLs(Ψ˙m×Ι˙r)Ψ˙m=Lm(Ι˙s+Ι˙r)(2)式中:U˙sU˙s和U˙rU˙r分別為定、轉(zhuǎn)子電壓相量;I˙sΙ˙s和I˙rΙ˙r分別為定、轉(zhuǎn)子電流相量;Rr和Lrσ分別為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻與漏感;Rs和Lsσ分別為定子電阻和漏感;ωs為同步速;Ψ˙mΨ˙m為氣隙磁鏈;×為叉乘符號;Lm為勵磁電感;s為轉(zhuǎn)差率;p為微分算子。忽略定子電阻,且認(rèn)為無窮大電網(wǎng)電壓恒定,則電磁轉(zhuǎn)矩和無功功率為:{Te=LmLsψMsiTrQ=UsiMs(3){Τe=LmLsψΜsiΤrQ=UsiΜs(3)式中:ψMs為定子磁鏈M軸分量;iTr為轉(zhuǎn)子電流T軸分量;iMs為定子電流M軸分量;Us為機(jī)端電壓幅值。1.3網(wǎng)側(cè)變流器控制DFIG通常使用PWM交直交整流器組驅(qū)動。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用滯環(huán)PWM電流控制對DFIG實現(xiàn)交流勵磁。網(wǎng)側(cè)變流器采用具有電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制。電流內(nèi)環(huán)將由鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)電壓同步信號延遲指定角度從而產(chǎn)生電流信號;同時,電壓外環(huán)通過直流電壓偏差產(chǎn)生網(wǎng)側(cè)交流參考電流增益。網(wǎng)側(cè)變流器通過交流側(cè)電流與電壓偏移角β控制網(wǎng)側(cè)變流器無功。當(dāng)β=0°時,系統(tǒng)工作于單位功率因數(shù)狀態(tài)。1.4槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時風(fēng)機(jī)恒速運行,槳距角調(diào)節(jié)以維持捕獲功率為額定功率。槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)有如下特點:機(jī)械調(diào)節(jié)時間常數(shù)較大,一般為0.1s;槳距角調(diào)節(jié)速度較慢,一般小于0.2rad/s;槳距角調(diào)節(jié)幅度有限。槳距角調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2所示,當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時對槳距角進(jìn)行調(diào)節(jié)。2d彪寒風(fēng)裝置的運行和控制2.1穩(wěn)態(tài)運行控制當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時,變速恒頻風(fēng)電機(jī)組在一定范圍內(nèi)通過控制轉(zhuǎn)速捕獲最大功率。轉(zhuǎn)速控制策略分為直接轉(zhuǎn)速控制和間接轉(zhuǎn)速控制2類。在風(fēng)速無法準(zhǔn)確測量的條件下,直接轉(zhuǎn)速控制策略無法實際應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)運行控制。本文從轉(zhuǎn)速平衡實質(zhì)出發(fā),使用間接轉(zhuǎn)矩控制,通過控制DFIG電磁轉(zhuǎn)矩不但能實現(xiàn)無風(fēng)速測量條件下的最大風(fēng)能追蹤,而且可實現(xiàn)對捕獲功率的有效控制。2.1.1dfig的穩(wěn)定性由式(3)可知,調(diào)節(jié)DFIG轉(zhuǎn)子勵磁可直接控制其電磁轉(zhuǎn)矩。按轉(zhuǎn)速確定機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩參考值,即Teref=f(ωr),則可迫使DFIG運行于轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩平面中不同的運行曲線Ce上。如圖3所示,Cmec4和Cmec8分別對應(yīng)風(fēng)速為4m/s和8m/s時的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩曲線。以風(fēng)速增加為例說明風(fēng)能追蹤機(jī)理。風(fēng)速為4m/s時機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩平衡,轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,風(fēng)機(jī)和DFIG均穩(wěn)定工作于A點,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為ω1。風(fēng)速突然增加至8m/s,風(fēng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大,運行于Cmec8上C點。由于轉(zhuǎn)子慣性,轉(zhuǎn)速不能突變,DFIG仍工作于A點。此時機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速開始增加,風(fēng)機(jī)工作點沿Ce向B點移動,而DFIG工作點沿ω2移動,直至機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩再次平衡,系統(tǒng)穩(wěn)定工作于B點,此時轉(zhuǎn)速為ω2。對高速軸,風(fēng)機(jī)捕獲功率為Pmec=Tmecω2,平衡點B處有Tmec=Te,故圖中矩形陰影的面積為該狀態(tài)下風(fēng)機(jī)捕獲功率。若該矩形為Cmec8上所有點中面積最大者,則B點為風(fēng)速8m/s的最優(yōu)運行點,相應(yīng)ω2為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。對于某一確定的風(fēng)速僅有唯一最佳運行點。若使DFIG運行于各風(fēng)速下最優(yōu)運行點形成的曲線Ce上,則可實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。圖3中A點、B點均為系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行的狀態(tài)點。但對Ce上D點左邊的點,若風(fēng)速為8m/s,風(fēng)機(jī)自ωr=0啟動,電磁轉(zhuǎn)矩大于機(jī)械轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速反而下降,系統(tǒng)無法穩(wěn)定運行于D點。修改始端為圖中虛線即可實現(xiàn)風(fēng)速8m/s以下穩(wěn)定運行。對同一型號風(fēng)電機(jī)組,通過測試獲得最優(yōu)運行曲線Topt=f(ωr),并事先將其存儲在控制器中。實際運行時,無需風(fēng)速測量,僅由當(dāng)前轉(zhuǎn)速查找最優(yōu)運行曲線控制電磁轉(zhuǎn)矩,即可實現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤。2.1.2風(fēng)機(jī)功率控制tref僅從機(jī)組運行經(jīng)濟(jì)角度考慮,最優(yōu)運行方式為在變速運行范圍內(nèi)捕獲最大功率。這種運行方式下風(fēng)電機(jī)組功率隨風(fēng)速不斷變化,不利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行,這就要求其功率能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),使風(fēng)電機(jī)組在可用風(fēng)力限制范圍內(nèi)與常規(guī)發(fā)電方式一樣承擔(dān)系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)任務(wù)。直接功率控制基于以下2個策略:1)若指定發(fā)電功率超過當(dāng)前風(fēng)速下最大功率,則風(fēng)機(jī)按最優(yōu)運行方式運行。2)若指定發(fā)電功率低于當(dāng)前風(fēng)速下最大功率,則風(fēng)機(jī)捕獲指定功率。該策略實際上是最大功率追蹤與恒功率控制兩者的組合控制策略。直接功率控制可以表示為:Tref=g(ωr)={Topt=f(ωr)ωr<ωrefPrefωrωr>ωref(4)Τref=g(ωr)={Τopt=f(ωr)ωr<ωrefΡrefωrωr>ωref(4)式中:Tref為控制器輸出電磁轉(zhuǎn)矩參考值;g(ωr)為控制函數(shù);Topt為最優(yōu)運行電磁轉(zhuǎn)矩;Pref為指定發(fā)電功率;ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;Topt=f(ωr)為最優(yōu)運行曲線;ωref為參考功率對應(yīng)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速。ωref根據(jù)電網(wǎng)給定發(fā)電功率由以下方程求解:Pref=Toptωref=f(ωref)ωref=h(ωref)(5)Ρref=Τoptωref=f(ωref)ωref=h(ωref)(5)為避免求解方程,實際運行時,可將曲線Pref=h(ωref)存儲在控制器中。根據(jù)給定Pref反查曲線得到ωref,從而確定式(4)中的g(ωr),根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)速控制Tref,即可實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)功率的控制。圖4中分別給出風(fēng)速為3m/s,5m/s,6m/s對應(yīng)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性。直接功率控制原理如下。指定發(fā)電功率0.2(標(biāo)幺值),此時ωref=ωref1。初始風(fēng)速為3m/s,其最大功率小于0.2,則機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性曲線與運行曲線最優(yōu)運行段交于穩(wěn)定運行點A,轉(zhuǎn)速ωr<ωref1。若風(fēng)速上升至5m/s,最大功率大于0.2,轉(zhuǎn)速上升超過ωref1,則運行點變?yōu)楹愎β蔬\行段上B點,機(jī)組有功維持在0.2。若指定發(fā)電功率上升至1.02,則運行曲線變化,此時ωref=ωref2。風(fēng)速5m/s的最優(yōu)功率小于1.02,運行點變?yōu)樽顑?yōu)運行點C。風(fēng)速6m/s的最優(yōu)功率大于1.02,機(jī)組運行于恒功率點D。與使用槳距角進(jìn)行功率控制不同,直接功率控制不受機(jī)械調(diào)節(jié)的一系列約束,可對風(fēng)機(jī)捕獲功率頻繁連續(xù)地進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.2系統(tǒng)功率的變化情況使用功率控制的DFIG風(fēng)電機(jī)組在可用風(fēng)力限制范圍內(nèi)能與常規(guī)發(fā)電方式一樣承擔(dān)系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)任務(wù)。系統(tǒng)功率不再是隨機(jī)變量,而僅是一個具有隨機(jī)上限的可控量。實際機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍受轉(zhuǎn)子變流器容量、定子額定容量、風(fēng)機(jī)額定功率等多種因素限制,這些均決定了機(jī)組可控范圍。2.2.1風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)功率圖5綜合表示了DFIG風(fēng)電機(jī)組次同步運行機(jī)械功率與電磁功率的關(guān)系。風(fēng)機(jī)捕獲機(jī)械功率可表示為Pmec=Tmecωr,對穩(wěn)定運行點有Tmec=Te。忽略機(jī)組損耗,圖中陰影面積為風(fēng)機(jī)捕獲機(jī)械功率,即DFIG定、轉(zhuǎn)子總電磁功率。轉(zhuǎn)子側(cè)功率Pr=Te(ωo-ωs)(功率正向為由電網(wǎng)到轉(zhuǎn)子)為陰影右側(cè)矩形面積。定子側(cè)電磁功率可表示為Pe=Teωo,為圖中兩矩形面積之和。2.2.2雙饋機(jī)運行極限首先僅考慮風(fēng)電機(jī)組對有功功率的約束,其限制因素大致可分為以下3類:1)轉(zhuǎn)子變流器容量限制:轉(zhuǎn)子變流器容量由變流器最大電流決定。僅考慮有功功率對轉(zhuǎn)子變流器電流的影響。根據(jù)異步電機(jī)基本關(guān)系,轉(zhuǎn)子側(cè)通過功率為Pr=(1-ωr)Te(功率正向為由電網(wǎng)到轉(zhuǎn)子)。若雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子變流器容量為風(fēng)電機(jī)組額定功率的30%,則|Pr|=|T(ωr-1)|<0.3。2)定子容量限制:定子側(cè)功率Ps=Teω0。若DFIG定子容量為風(fēng)電機(jī)組額定功率的120%,則Ps<1.2。3)風(fēng)機(jī)額定功率限制:風(fēng)機(jī)捕獲機(jī)械功率應(yīng)小于風(fēng)機(jī)額定功率,即有Pmec=Tmecωr<Prate=1。其中,Tmec為高速軸機(jī)械轉(zhuǎn)矩;ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;Prate為風(fēng)機(jī)額定機(jī)械功率。圖6給出了轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩平面中雙饋風(fēng)電系統(tǒng)運行極限。圖中陰影為風(fēng)機(jī)工作的越限區(qū)域,應(yīng)避免運行在該區(qū)域內(nèi)。2.2.3djv探測器的性能與無功率率的限制關(guān)系網(wǎng)側(cè)變流器使用單位功率因數(shù)運行,風(fēng)電機(jī)組無功等于DFIG定子無功,其極限受機(jī)組定子有功(電磁轉(zhuǎn)矩)的影響。1qlim+u2sxm若轉(zhuǎn)子變流器最大電流為Irmax,則機(jī)組無功極限與定子有功關(guān)系為:Ps+j(Qlim+U2sXm)=XmUsXsI˙rmax(6)Ρs+j(Qlim+Us2Xm)=XmUsXsΙ˙rmax(6)式中:Qlim為無功極限;Xm為勵磁電抗;Xs為定子電抗;Us為機(jī)端電壓;Ps為機(jī)組定子有功。2無功極限分析若定子額定容量為Srate,則定子側(cè)無功極限與有功關(guān)系為:P2s+Q2lim=S2rate(7)Ρs2+Qlim2=Srate2(7)雙饋機(jī)進(jìn)相運行吸收無功的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域很大,故無功極限僅由熱穩(wěn)極限確定。風(fēng)電機(jī)組有功功率在額定值內(nèi)變化時,機(jī)組發(fā)出、吸收無功功率極限由圖7中陰影區(qū)域確定。隨著定子側(cè)有功增加,風(fēng)機(jī)無功調(diào)節(jié)范圍縮小。3基于dfig的風(fēng)電機(jī)組動態(tài)模型在單機(jī)無窮大系統(tǒng)中對額定功率為2MW的DFIG風(fēng)電機(jī)組動態(tài)模型進(jìn)行了仿真。首先進(jìn)行了風(fēng)速變動下的最大功率追蹤,然后通過直接功率控制,不調(diào)節(jié)槳距角控制風(fēng)機(jī)捕獲功率。3.1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速的變化特性初始風(fēng)速為4m/s,轉(zhuǎn)速按最優(yōu)運行曲線穩(wěn)定于該風(fēng)速下最優(yōu)轉(zhuǎn)速約0.4(標(biāo)幺值)。槳距角不調(diào)節(jié),風(fēng)機(jī)捕獲最大功率約90kW。轉(zhuǎn)子由電網(wǎng)側(cè)吸收功率約200kW。自2s開始,風(fēng)速上升至11.35m/s,轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速增加至超過同步速,并保持最優(yōu)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)子開始向電網(wǎng)側(cè)饋入功率,槳距角不調(diào)節(jié),捕獲功率維持最優(yōu)。風(fēng)速在7.6s上升并超過額定風(fēng)速直至13m/s,轉(zhuǎn)速維持額定風(fēng)速下最優(yōu)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)側(cè)饋入功率,槳距角在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié),維持捕獲功率約2MW。由于槳距角調(diào)節(jié)速度有限,功率有短時超過額定值。風(fēng)速在17s繼續(xù)上升至15m/s,轉(zhuǎn)速維持恒定。轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)側(cè)饋入功率,槳距角調(diào)節(jié)達(dá)上限,輸入功率略有增加。25s時,風(fēng)速開始下降至8m/s,轉(zhuǎn)速按最優(yōu)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)側(cè)饋入功率,槳距角調(diào)節(jié)以增加捕獲功率,風(fēng)速穩(wěn)定在8m/s時轉(zhuǎn)速為該風(fēng)速下最優(yōu)轉(zhuǎn)速約0.8(標(biāo)幺值)。捕獲功率約700kW。整個過程中無功恒定為0