林立,姚婻,袁旭龍,趙海燕
(邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程系,湖南 邵陽(yáng),422000)
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變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模及仿真
林立,姚婻,袁旭龍,趙海燕
(邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程系,湖南 邵陽(yáng),422000)
為研究變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),建立了包含風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)和風(fēng)力機(jī)控制部分、雙饋發(fā)電機(jī)、雙PWM變換器及雙饋發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)矢量控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型;在Matlab/Simulink環(huán)境下,以建立相應(yīng)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)搭建了變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型,并對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)等功率因素策略及定子側(cè)功率解耦控制策略進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型及控制策略的有效性,整個(gè)系統(tǒng)模型的建立,為開展風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、低電壓穿越及其他高性能控制策略研究打下基礎(chǔ),對(duì)于研制高性能的風(fēng)電裝置設(shè)備具有較好的參考價(jià)值.
風(fēng)力發(fā)電;變速恒頻;動(dòng)態(tài)模型;系統(tǒng)仿真
風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源,成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)[1-5].隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,恒速恒頻(Constant Speed Constant Frequency, CSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因發(fā)電效率低等缺點(diǎn),被變速恒頻(Variable Speed Constant Frequency,VSCF)風(fēng)力發(fā)電所替代[6].目前,VSVF風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比較有發(fā)展前途的是雙饋異步發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)系統(tǒng)和直驅(qū)永磁同步機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)系統(tǒng)兩種類型[7];同時(shí),風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力機(jī)組也從定槳距型向變槳距型發(fā)展.為了深入研究變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)高性能控制策略,進(jìn)行半實(shí)物仿真、縮短研發(fā)周期,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級(jí)代碼,研制高性能的風(fēng)電控制裝備,建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型,具有重要的實(shí)際價(jià)值.為此,文獻(xiàn)[8-10]有效的開展了這方面的工作,為研究高性能的風(fēng)電裝備打下了基礎(chǔ),但存在整個(gè)系統(tǒng)各部分環(huán)節(jié)不明晰的缺點(diǎn),影響進(jìn)一步深入研究工作的開展.因此,本文以變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象,在分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理的基礎(chǔ)上,分環(huán)節(jié)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,該模型包括風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)及傳動(dòng)部分模型、雙饋發(fā)電機(jī)模型、變頻器模型、槳距角和轉(zhuǎn)子雙PWM控制器模型六部分.并在Matlab/Simulink環(huán)境下,建立風(fēng)電機(jī)組及控制器系統(tǒng)仿真模型,并進(jìn)行系統(tǒng)及控制策略的仿真,仿真結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)模型及控制策略的有效性.變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型的建立,為研究空載并網(wǎng)、負(fù)載并網(wǎng)、最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT),低電壓穿越及其他高性能控制策略的應(yīng)用研究打下基礎(chǔ),對(duì)研制高性能的風(fēng)電裝置設(shè)備具有重要意義.
變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型如圖1所示.系統(tǒng)模型由風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、雙饋異步發(fā)電機(jī)和變頻器模型、電網(wǎng)、并網(wǎng)處母線電壓、轉(zhuǎn)子雙PWM控制器和槳距角控制等部分組成.風(fēng)速模型模擬風(fēng)電場(chǎng)實(shí)況;風(fēng)力機(jī)模型模擬變槳距風(fēng)力機(jī)工況;雙饋發(fā)電機(jī)模擬異步發(fā)電機(jī)工作;變頻器模型模擬雙PWM背對(duì)背結(jié)構(gòu)工況;轉(zhuǎn)子雙PWM控制器基于DSP2812事件管理器產(chǎn)生的12路SVPWM控制,并實(shí)施磁場(chǎng)定向或直接轉(zhuǎn)矩控制等控制策略;槳距角控制模擬對(duì)風(fēng)力機(jī)的控制,以實(shí)現(xiàn)MPPT;并網(wǎng)處母線電壓模擬并網(wǎng)、電壓穿越等控制實(shí)況.整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)控制部分(槳距角控制與雙轉(zhuǎn)子PWM控制器)工作在發(fā)電運(yùn)行或并網(wǎng)動(dòng)作兩種狀態(tài).其一,工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí),雙饋異步發(fā)電機(jī)工作在同步、超同步和亞同步三種狀態(tài)時(shí),通過(guò)控制器控制轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁電流,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋異步發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的定子電壓(電壓幅值、頻率和相位恒定)的有效控制,發(fā)出的交流電直接與電網(wǎng)相接,當(dāng)DFIG工作在超同步狀態(tài)和亞同步轉(zhuǎn)態(tài)時(shí),通過(guò)控制轉(zhuǎn)子雙PWM控制器控制背對(duì)背的12個(gè)電力電子開關(guān),如IGBT ,轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)現(xiàn)能量在電網(wǎng)與轉(zhuǎn)子之間的雙向流動(dòng),再輔之以MPPT控制,實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)能量的高效轉(zhuǎn)換;其二,當(dāng)系統(tǒng)工作在并網(wǎng)狀態(tài)時(shí),為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)條件(DFIG定子電壓與與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相位),通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)空載或負(fù)載并網(wǎng),并網(wǎng)結(jié)束后切換到發(fā)電運(yùn)行控制狀態(tài).
圖1 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of variable speed constant frequency doubly fed induction wind power system
2.1 風(fēng)速模型
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)以風(fēng)能作為原動(dòng)力,風(fēng)速狀況直接決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性.風(fēng)速一般可用3種模型進(jìn)行模擬:漸變風(fēng)、隨機(jī)風(fēng)和陣風(fēng),如圖2所示,這3種模型可用Matlab的Function函數(shù)編程實(shí)現(xiàn).
圖2 風(fēng)速模型簡(jiǎn)圖Fig.2 Wind speed model
2.2 風(fēng)力機(jī)及傳動(dòng)部分模型
風(fēng)力機(jī)的機(jī)械輸入轉(zhuǎn)矩TW與風(fēng)速VW的關(guān)系可表示為:
(1)
式中ρ為空氣密度;R為風(fēng)力機(jī)半徑;θ為槳葉的槳距角;γ為葉尖速比γ=RωW/VW,ωW為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,VW為風(fēng)速,CP為與槳距角θ和葉速比γ有關(guān)的功率系數(shù).
風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的功率為:
PW=TWωW
(2)
風(fēng)力發(fā)電傳動(dòng)系統(tǒng)牛頓運(yùn)動(dòng)方程為:
(3)
式中:Jeq為機(jī)組的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Bm為轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù);Te為DFIG電磁轉(zhuǎn)矩;ωg為DFIG發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角轉(zhuǎn)速,且ωg=ωw.根據(jù)式(1)-(3)可以利用積分、微分及Function函數(shù)編寫程序建模.
2.3 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型
為便于實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG的有效控制,根據(jù)等功率及等磁鏈變換法則,通過(guò)Clarke變換(3/2變換)、Clarke逆變換(2/3 變換)、Park變換(旋轉(zhuǎn)變換)及其逆變換(Ipark變換),DFIG在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的d-q軸數(shù)學(xué)模型為:
(4)
式中:Ls、Lr、Lm分別為定子自感、轉(zhuǎn)子自感和定轉(zhuǎn)子互感;usd、usq為定子電壓的d、q軸分量;urd、urq為轉(zhuǎn)子電壓的d、q軸分量;isd、isq為定子電流的d、q軸分量;ird、irq為轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量;ωe為d-q坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)電角速度.
結(jié)合d-q軸坐標(biāo)下的DFIG電磁轉(zhuǎn)矩方程、式(3)及式(4),可以用Matlab/Simulink建立DFIG仿真模型,利用這一模型,可以方便引出需要的usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq及ωe等物理量,以便實(shí)施其他高性能控制策略.
2.4 雙PWM變換器模型
DFIG雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)子側(cè)一般采用背對(duì)背雙-PWM變換器,機(jī)側(cè)采用六個(gè)IGBT電力電子開關(guān)的PWM控制,網(wǎng)側(cè)也采用六個(gè)電力電子開關(guān)IGBT的PWM控制,雙PWM變換器模型如圖3所示.為建立整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型,可分別建立電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型.
圖3 雙PWM變換器模型Fig.3 Model of double PWM converter
2.4.1 電機(jī)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型
電機(jī)側(cè)變流器可以工作在整流或逆變兩種工作狀態(tài),這兩種狀態(tài)均可以采用PWM控制.工作在逆變狀態(tài)時(shí),電機(jī)側(cè)逆變器三相輸出電壓滿足:
(5)
DFIG逆變器直流側(cè)電流idc作為網(wǎng)側(cè)變換器直流側(cè)的負(fù)載電流,且滿足:
(6)
其中,Vdc為直流母線電壓,Sa,Sb,Sc為三相橋臂開關(guān)函數(shù).Sk,ik分別為轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器三相橋臂開關(guān)函數(shù)和三相負(fù)載電流.DFIG的轉(zhuǎn)子作為逆變器的負(fù)載,ik即為雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電流,據(jù)式(5)-(6)可得轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的Matlab/Simulink仿真模型,即典型三相電壓源型逆變器模型.
2.4.2 電網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型
對(duì)于三相電壓源型變流器,存在下述關(guān)系:
(7)
(8)
據(jù)式(7)-(8)可得網(wǎng)側(cè)變流器的仿真模型.其中,e1、e2、e3和i1、i2、i3分別是交流輸入側(cè)三相電壓Va、Vb、Vc和電流ia、ib、ic;S1、S2、S3為三相橋臂的開關(guān)函數(shù);Lg、R為進(jìn)線電感和等效電阻;C為直流側(cè)濾波電容,Vdc為輸出直流電壓.
2.5 雙PWM變換控制器模型
為實(shí)現(xiàn)對(duì)DFIG轉(zhuǎn)子的有效控制,一般進(jìn)行矢量控制策略,整個(gè)系統(tǒng)的控制原理框圖如圖4所示.機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)均可進(jìn)行雙PWM矢量控制.
圖4 雙PWM變換控制器原理框圖Fig.4 Schematic diagram of dual PWM transform controller
2.5.1 機(jī)側(cè)矢量控制器模型
結(jié)合圖4,機(jī)側(cè)矢量控制的系統(tǒng)原理圖見圖5所示.機(jī)側(cè)變流器矢量控制的基本原理是,通過(guò)電壓和電流傳感器檢測(cè)DFIG定子側(cè)電壓和電流,經(jīng)Clarke變換,得到定子兩相電流和電壓,進(jìn)而計(jì)算出定子磁鏈位置,結(jié)合檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置,計(jì)算出定子磁鏈與轉(zhuǎn)子位置的位置差,給定有功和無(wú)功與計(jì)算得到的有功及無(wú)功進(jìn)行PI調(diào)節(jié),分別得到dq軸轉(zhuǎn)子電壓參考值,該參考值分別與實(shí)際的dq軸電壓偏差值分別進(jìn)行PI調(diào)節(jié),經(jīng)Clarke逆變換及Park逆變換,分別得到PWM變換控制的調(diào)制波電壓參考值,進(jìn)行實(shí)現(xiàn)SPWM控制,控制機(jī)側(cè)六個(gè)IGBT的通斷控制.
圖5 機(jī)側(cè)變流器矢量控制器模型Fig.5 Vector controller model of DFIG converter
2.5.2 網(wǎng)側(cè)矢量控制器模型
網(wǎng)側(cè)矢量控制原理如圖6所示,直流側(cè)給定電壓和q軸參考電流分別與直流側(cè)電壓及網(wǎng)側(cè)dq軸的q軸電流進(jìn)行PI偏差調(diào)節(jié)控制,最后經(jīng)靜止及旋轉(zhuǎn)逆變換得到PWM控制的調(diào)制波電壓,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)側(cè)變流器的通斷控制.
圖6 網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制器模型Fig.6 Vector controller model of grid converter
2.5.3 槳距角的控制
槳距角的控制設(shè)計(jì)采用變槳距風(fēng)力發(fā)電典型的槳距控制系統(tǒng),具體結(jié)構(gòu)如圖7所示.其中,β為槳距角;V為風(fēng)速,m/s;τ為控制器伺服機(jī)構(gòu)時(shí)間常數(shù),s;kw、kpi、kpp為控制器參數(shù)、Pe、Peref為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出總有功功率和給定的參考有功功率.
圖7 槳距角控制模型Fig.7 Pitch angle control model
依據(jù)前面的分析建模原理,在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型.得到的仿真波形分別如圖8-10所示.圖8表明,定子電壓和電流同步,實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制,并實(shí)現(xiàn)PWM整流,整流后效果較好.圖9表明,逆變運(yùn)行時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓和電流同步,也實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)控制;圖10表明,風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角、定子輸出用功和無(wú)功較好的吻合前面的理論分析,表明系統(tǒng)仿真模型的正確性.
圖8 單位功率因數(shù)整流運(yùn)行網(wǎng)側(cè)電壓電流和直流電壓波形Fig.8 Waveform of unit power factor rectifier operating network side voltage current and DC vottage
圖9 單位功率因素逆變運(yùn)行網(wǎng)側(cè)電壓電流和直流電壓波形圖Fig.9 Waveform of unit power factor inverter operation network side voltage current and DC vottage
圖10 風(fēng)速、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角、定子輸出有功和無(wú)功波形圖Fig.10 Waveform of wind speed、rotational speed、pitch angle、stator active output
本文分析了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的組成及各部分的工作原理,并對(duì)常見的矢量雙PWM控制進(jìn)行了系統(tǒng)建模仿真,仿真模型的建立可進(jìn)行變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究,如恒速恒頻、變速恒頻、定槳距、變槳距DFIG雙饋異步風(fēng)力發(fā)電和直驅(qū)永磁同步發(fā)電、并網(wǎng)條件(電壓)、發(fā)電控制、并網(wǎng)控制(雙PWM控制)的對(duì)比研究,也可開展高性能控制策略,如矢量控制策略、非線性控制及準(zhǔn)同步,次同步,超同步運(yùn)行時(shí)的研究,所建系統(tǒng)模型有較好的參考價(jià)值.
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Modeling and simulation of variable speed constant frequency doubly-fed induction wind generator system
LIN Li,YAO Nan,YUAN Xulong,ZHAO Haiyan
(Department of Electrical Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)
In order to study variable speed constant frequency doubly-fed induction wind generator system,a whole model for variable speed constant frequency doubly-fed induction wind generator system is presented and the model includes wind speed、wind-turbine and pitch control、doubly-fed generator、double-PWM converts and electrical control of the generator. Based on the mathematic models,a simulation model is developed by using Matlab/simulink. Then power factor and power-decouple control strategy in the simulation platform are studied. The simulation results show that the model founded is correct. Using the simulation platform, the other control strategy can be researched in wind generator equipment.
wind power;variable speed constant frequency;dynamic model;system simulation
1672-7010(2016)02-0052-06
2016-01-05
湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GK3033);湖南省2015年普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目(湘教通〔2015〕291號(hào)).湖南省2009 年教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(09C884);湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015GK2033)
林立(1972-),男,湖南武岡人,博士,教授,碩士研究生導(dǎo)師,從事電力電子與電力傳動(dòng)、新能源電動(dòng)汽車及風(fēng)力發(fā)電等方面的教學(xué)與科研工作
TM932
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