寬風速下雙繞組感應(yīng)發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)的控制

寬風速下雙繞組感應(yīng)發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)的控制

1基于dwig的風力發(fā)電系統(tǒng)由于其巨大的資源儲量、廣泛的分布和污染，該能源裝置已越來越受世界各國的喜愛，是綠色能源的世界領(lǐng)導者之一。但風能的隨機性很強,季節(jié)性變化大,風速變化范圍很寬,特別是在年平均風速不高的地區(qū),風能常集中在低風速區(qū)。若能拓寬風力發(fā)電系統(tǒng)的風能利用范圍,尤其是低風速區(qū)的風能利用能力,則能大大提高發(fā)電機組的總發(fā)電量。目前常用的風力發(fā)電機主要針對風能豐富的風場開發(fā),變速范圍為1:2左右。由于受到變換器容量以及系統(tǒng)成本的限制,通常都不去考慮利用低風速下的風能,因此不適用于年平均風速不高的風能欠豐富地區(qū)。本文針對這一問題提出了一種采用新拓撲結(jié)構(gòu)的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng),該系統(tǒng)拓寬了對低風速區(qū)風能的利用能力,可在寬風速范圍內(nèi)發(fā)電運行,可延長了風力發(fā)電系統(tǒng)的工作時間,從而可提高系統(tǒng)的總發(fā)電量。DWIG是本世紀初提出的一種新型發(fā)電機,其獨特的結(jié)構(gòu)和諸多優(yōu)點引起了學者們的廣泛關(guān)注。該發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為標準籠型結(jié)構(gòu),定子上有兩套繞組,一套稱為功率繞組,輸出端接有勵磁電容、整流橋和濾波電容,另一套稱為控制繞組,連接濾波電感和電力電子變換器。兩套定子繞組只通過磁路耦合,易實現(xiàn)高性能控制,系統(tǒng)在變速變負載情況下能穩(wěn)定運行,且輸出的直流電壓具有良好的動、靜態(tài)性能。功率側(cè)的交流勵磁電容經(jīng)過容量優(yōu)化后可大大減小控制變換器的容量,在1:3的寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行僅為發(fā)電機額定輸出功率的三分之一左右。鑒于這些優(yōu)點,DWIG發(fā)電系統(tǒng)已被應(yīng)用于風力發(fā)電領(lǐng)域,并取得了初步的進展。但是由于之前文獻研究的多為通過弱磁控制實現(xiàn)的額定轉(zhuǎn)速以上的寬轉(zhuǎn)速運行,而風力發(fā)電系統(tǒng)絕大多數(shù)時間工作于額定轉(zhuǎn)速以下范圍,尤其是要充分利用低風速下的風能實現(xiàn)寬風速運行,先前的轉(zhuǎn)速范圍顯然是不夠的。此外,低風速下DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)的運行及控制也有待于進一步研究。本文針對寬風速運行要求提出了一種新的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu),通過高低風速下不同的運行控制策略,使得系統(tǒng)在低速直至額定轉(zhuǎn)速以上的寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能輸出穩(wěn)定的高壓直流,拓寬了低風速下風能的利用,其額外優(yōu)勢是并網(wǎng)運行時無需再接升壓變換器,從而簡化逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制。2dwig功率政府功率沉積功率污染控制原理本文研究的新型DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。風力機采用一級增速齒輪與發(fā)電機相連,發(fā)電機的功率繞組側(cè)接有交流勵磁電容,通過整流橋輸出直流電能,控制側(cè)繞組串聯(lián)濾波電感后與變換器相連,變換器的直流母線端除了接有濾波電容外還有初始建壓所需的蓄電池,起輔助勵磁作用。相比于原有的DWIG發(fā)電系統(tǒng)拓撲,增加了一只功率二極管將功率側(cè)和控制側(cè)母線的正端連接了起來,其負端直接相連。在低風速區(qū)運行時,發(fā)電機轉(zhuǎn)速較低,即使電機內(nèi)部磁場飽和,DWIG的功率繞組端電壓也達不到指令電壓,此時由控制變換器調(diào)節(jié)勵磁維持發(fā)電機內(nèi)部磁通不變,利用電壓泵升原理將控制側(cè)變換器的直流母線電壓泵升到指令電壓并穩(wěn)定運行,電能由控制變換器的直流母線輸出,并聯(lián)兩側(cè)母線的功率二極管處于導通狀態(tài),功率繞組側(cè)的整流橋則由于直流側(cè)電壓高于其交流側(cè)電壓而被自然阻斷。隨著風速的不斷增加,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速逐漸上升,功率繞組側(cè)整流輸出的電壓也隨之升高,當其達到設(shè)定值并使得功率二極管反向截止時,電能由控制側(cè)輸出過渡到從功率側(cè)輸出。當系統(tǒng)在高風速區(qū)運行時,由控制變換器和交流勵磁電容向發(fā)電機共同提供所需的勵磁無功,通過調(diào)節(jié)控制變換器的無功電流大小來維持輸出的直流電壓恒定?？刂苽?cè)的變換器正常工作的前提是維持其母線電壓恒定,考慮到在兩種控制策略下均需要能夠保持控制側(cè)變換器的母線電壓恒定,故在連接兩側(cè)母線時加入了單向功率二極管。若無功率二極管,直接將其相連,系統(tǒng)在兩種控制策略切換運行時將會很不穩(wěn)定。由于本系統(tǒng)中DWIG的控制側(cè)與功率側(cè)母線電壓額定值設(shè)計為相同值,而控制繞組側(cè)存在濾波電感,運行時存在一定的壓降,因此若要兩側(cè)的直流母線相連后能夠保證一定的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍,并且在高風速下能實現(xiàn)功率側(cè)整流輸出電壓的快速調(diào)節(jié),設(shè)計電機時控制側(cè)繞組匝數(shù)必須少于功率側(cè)繞組,即控制繞組端電壓低于功率繞組端電壓。具體可根據(jù)直流母線電壓的額定值以及系統(tǒng)仿真時的各項參數(shù)綜合估算得到。3瞬時功率及直流母線電壓風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機多運行于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下,而磁鏈觀測器在低轉(zhuǎn)速下存在不可忽略的誤差,所以DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)摒棄了以往采用的定子磁場定向控制策略,選擇控制繞組端電壓定向控制。本文中仍然采用電動機慣例,圖2為控制繞組端電壓定向矢量圖,此定向方法對于分析系統(tǒng)中的瞬時有功功率和無功功率非常有效。如圖2所示,矢量Us在此同步旋轉(zhuǎn)坐標系軸d和q軸上的電壓分量可表示為根據(jù)瞬時功率理論,在圖2的同步旋轉(zhuǎn)坐標系中,控制側(cè)瞬時有功功率和無功功率可表示為式中p,q—控制繞組瞬時有功功率和無功功率;i—控制繞組電流矢量;id,iq—i在Us所在軸線及其法線的投影。由式(2)和式(3)求得瞬時電流的d軸和q軸分量化簡后可得可見,在任意轉(zhuǎn)速下,調(diào)節(jié)控制繞組的電流id、iq便可控制系統(tǒng)的瞬時功率。而據(jù)文獻可知而在變速運行時,改變控制繞組電磁轉(zhuǎn)矩Tems即能實現(xiàn)控制側(cè)直流母線電壓UsDC的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)控制繞組磁鏈uf079s即可以控制功率繞組磁鏈uf079p,進而控制功率側(cè)輸出直流母線電壓UpDC。因此,綜合式(6)~式(8)可知,在寬風速范圍內(nèi)運行的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)中,通過對控制繞組電流在控制繞組端電壓矢量Us及其法線上分量id和iq的調(diào)節(jié),就能實現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的控制,使系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速和負載下穩(wěn)定運行。4發(fā)電機控制要點發(fā)電機的繞組端電壓與內(nèi)部磁通和轉(zhuǎn)速近似成正比,若發(fā)電機內(nèi)部磁場未達飽和,在變速變負載運行情況下可通過調(diào)節(jié)磁通來保持輸出電壓恒定。但低風速下發(fā)電機轉(zhuǎn)速太低,內(nèi)部磁場由于飽和已失去調(diào)節(jié)作用,導致發(fā)電機端電壓過低,功率側(cè)整流橋輸出電壓無法達到指令值。因此本文在低風速下利用電壓泵升的原理,將電能由電壓較低的電機端部泵升至變換器的直流母線,從而使母線電壓達到指令值。此時系統(tǒng)從控制側(cè)變換器直流母線輸出有功功率,而功率側(cè)的整流橋由于變換器直流母線電壓比功率繞組側(cè)電壓高出甚多而處于阻斷狀態(tài)。4.1dwig控制繞射線原理系統(tǒng)在低風速下控制側(cè)變換器的電壓泵升類似于變頻器調(diào)速中的能量回饋制動,當制動時滑差突變?yōu)樨?電動機工作于發(fā)電狀態(tài),不管電機繞組的反電勢有多低,其再生的能量均會在主開關(guān)管斷開時通過續(xù)流二極管回饋至直流側(cè)。文中DWIG控制繞組與控制側(cè)變換器的硬件連接如圖3所示,變換器為三相電壓型逆變器,由6個IGBT及與其反并聯(lián)的二極管組成,發(fā)電機控制繞組的漏感和濾波電感作為儲能電感。當變換器選擇零矢量000或111時,相當于電機的三相控制繞組短接,繞組的感應(yīng)電動勢作為電源,能使電機相電流增加,使回路中的儲能電感蓄能。當變換器選擇非零矢量時,則回路中電感上的儲能會通過反并聯(lián)二極管將能量泵升至直流母線。可見圖3所示的硬件拓撲,完全滿足泵升變換器直流母線電壓的條件。通過檢測直流側(cè)濾波電容的兩端電壓,形成電壓閉環(huán)對控制側(cè)變換器的PWM占空比進行實時調(diào)節(jié),從而實現(xiàn)將控制側(cè)繞組上較低的電壓泵升至較高的直流母線電壓,使其達到并穩(wěn)定于指令值。4.2低風速下系統(tǒng)運行控制低風速時功率側(cè)的整流橋已經(jīng)斷開,系統(tǒng)有功和無功的控制均由控制側(cè)的變換器承擔,此時控制繞組與控制變換器之間的功率流動關(guān)系示意圖如圖4所示。其中P、Q分別代表有功功率和無功功率,PL、Pr分別表示控制繞組和濾波電感上消耗的和流過控制變換器的有功功率,PC、PR分別表示直流電容和負載上的瞬時有功功率,QL、Qr分別表示經(jīng)過濾波電感和變換器的無功功率。由圖4可以看出,系統(tǒng)的無功僅在控制變換器的交流側(cè)流動,直流電容不參與無功的交換,而有功功率則可以通過控制變換器從交流側(cè)向直流側(cè)流動,控制側(cè)直流母線電壓的穩(wěn)定就代表著變換器輸入輸出有功功率的平衡。當Pr大于PR時,多余的能量會對直流側(cè)濾波電容進行充電,電容兩端電壓會隨之上升。同樣,一旦系統(tǒng)輸出有功功率PR超過Pr,電容會瞬時放電,直流側(cè)電壓將跌落。所以變換器的有功損耗以及直流母線端所帶功負載決定了系統(tǒng)有功電流的大小,通過變換器直流母線電壓UsDC的反饋經(jīng)PI調(diào)節(jié)器即可得到有功電流的給定di*。系統(tǒng)在低風速下保持變換器直流母線輸出電壓恒定的同時,為了保證電機的帶載能力,還需要維持發(fā)電機內(nèi)部的磁通不變?？刂评@組每相的感應(yīng)電動勢有效值為式中Es—繞組每相感應(yīng)電動勢有效值;f1—發(fā)電機的同步頻率;Ws—每相串聯(lián)匝數(shù);kws—繞組因數(shù);由式(9)可知,在變速變負載運行時要保持電機主磁通Φm不變,必須相應(yīng)地改變Es才能實現(xiàn)。然而,繞組的感應(yīng)電動勢Es是難以直接控制的,若忽略繞組的漏磁阻抗壓降,認為控制繞組的相電壓Us≈Es,則可以通過控制相電壓Us來達到維持電機主磁通不變的目的。本文采用大小與相電壓呈比例關(guān)系的控制繞組電壓矢量幅值Us作為控制電機主磁通Φm的變量,將采樣后計算得到的Us反饋值與參考值相比較,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到無功電流給定qi*。而在發(fā)電機轉(zhuǎn)速不斷變化時,需要保持Usf1曲線斜率不變,以維持發(fā)電機內(nèi)部磁通恒定,Us的參考值可由f1來決定。隨著風速的不斷增大即f1不斷上升,Us亦會不斷增大。由式(4)和式(5)可以看出,Us的增大還會有助于降低系統(tǒng)運行時的有功電流id和無功電流iq,減小控制側(cè)變換器的壓力,有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。低風速下系統(tǒng)運行的控制框圖如圖5所示,經(jīng)過各自電壓外環(huán)的PI調(diào)節(jié)器后得到的有功電流給定di*和無功電流給定qi*,實現(xiàn)有功和無功的解耦,通過控制繞組的端電壓定向角,即可得到控制繞組給定電流Is*=(is*Ais*Bis*C)T為式中Φ—控制側(cè)端電壓定向角。將給定電流Is*與控制繞組實測電流Is的差值送入兩態(tài)數(shù)字滯環(huán)比較器,得到開關(guān)信號SA、SB、SC,控制勵磁變換器交流側(cè)的電壓矢量Um,使控制繞組實際電流能夠?qū)崟r準確跟蹤給定值,從而調(diào)整發(fā)電機系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下的瞬時功率,維持控制變換器直流母線輸出電壓恒定,保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。5控制變換器無功電流的調(diào)節(jié)在高風速下,發(fā)電機的轉(zhuǎn)速升高,功率側(cè)整流橋輸出的直流電壓達到了指令值,控制側(cè)直流母線并聯(lián)至功率側(cè)的二極管變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài),系統(tǒng)發(fā)出的電能轉(zhuǎn)為從功率側(cè)輸出。由于控制側(cè)與功率側(cè)僅有磁路上的耦合,因此在高風速下變速變負載運行時具有更出色的動、靜態(tài)性能和帶載能力。高風速下系統(tǒng)的無功電流由勵磁電容和控制變換器共同提供,由于勵磁電容提供的部分不可調(diào)節(jié),因此變速變負載運行時引起的直流電壓變化通過調(diào)節(jié)控制變換器的無功電流來補償維持其恒定。高風速下采用功率側(cè)直流母線電壓UpDC作為控制無功電流的分量,由UpDC的閉環(huán)控制通過PI調(diào)節(jié)器得到qi*。由于此時控制變換器直流母線已不再輸出有功功率,但是變換器并非理想裝置,正常工作時會因線路電阻、開關(guān)損耗等原因產(chǎn)生有功損耗。為了維持控制變換器直流母線電壓UsDC的穩(wěn)定并保證變換器的正常工作,仍然需要調(diào)節(jié)有功電流,對UsDC進行實時控制。高風速下系統(tǒng)的電壓控制策略如圖6所示,將定子繞組兩側(cè)的母線電壓UsDC和UpDC分別與其參考電壓比較,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器后得到有功電流給定i*d和無功電流給定i*q,調(diào)節(jié)控制繞組電流id、iq便可控制系統(tǒng)的瞬時有功和無功,實現(xiàn)DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)定子繞組兩側(cè)的直流母線電壓控制。6dwig控制器實驗用DWIG的主要參數(shù)見表1,控制繞組與功率繞組的匝數(shù)比為52:60。采用西門子變頻器MM440拖動普通異步電機來模擬風力機。本文主要考察的是提出的系統(tǒng)新拓撲及控制策略的正確性與可行性,實驗時負載采用電阻性負載。系統(tǒng)中控制側(cè)變換器的主電路IPM模塊采用三菱PM150RLA120,控制繞組和功率直流側(cè)的電容為1100uf06dF/900V。功率繞組交流勵磁電容器,采用星型接法,勵磁電容設(shè)計為140uf06dF?？刂评@組側(cè)電流、電壓霍爾傳感器的參考方向按電動機慣例連接,濾波電感為L=4mH?？刂破鞑捎肍reescale公司的MC56F8346型DSP和Lattice公司的M4A5-128/64型CPLD一起構(gòu)建控制平臺,系統(tǒng)控制周期為100uf06ds。為驗證系統(tǒng)在低風速下發(fā)電運行能力,經(jīng)實驗驗證在48V蓄電池的初始勵磁下,DWIG在500r/min時即可建壓成功輸出有功功率。由于實際切入風速與風輪機和葉片密切相關(guān),故本文不再給出確切的風速大小。系統(tǒng)的電壓電流波形如圖7所示,控制側(cè)變換器直流母線成功泵升至額定600V穩(wěn)定運行,Us的參考值為200V。7dwig風力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測試本文采用控制側(cè)與功率側(cè)的直流母線輸出端通過功率二極管相并聯(lián)的新拓撲結(jié)構(gòu),在低風速和高風速下采取不同的運行控制,交替從控制側(cè)和功率側(cè)的直流母線輸出電能,使得DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)在寬風速范圍內(nèi)均能輸出穩(wěn)定的高壓直流,充分利用了低風速下的風能,解決了寬風速利用風能的難題。樣機系統(tǒng)在500r/min即可實現(xiàn)可靠建壓至600V,在500~2000r/min的1∶4轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能輸出穩(wěn)定的600V高壓直流,并且能夠穩(wěn)定可靠地運行,其帶載能力符合風力機特性,有助于實現(xiàn)風能追蹤。Φm—電機主磁通。圖8為系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速上升到900r/min時突加6.5kW負載時的電壓電流波形。由實驗波形可以看出,系統(tǒng)的動態(tài)性能良好,突加負載瞬間,變換器直流母線電壓出現(xiàn)少許跌落,但是很快恢復(fù)穩(wěn)定在給定值。當轉(zhuǎn)速上升至將近110