永磁直驅(qū)風力發(fā)電電能變換器的研究-中國電氣傳動網(wǎng)歡迎您光

1、.PAGE ：.；PAGE 4永磁直驅(qū)風力發(fā)電電能變換器的研討朱琳 徐殿國 馬洪飛 羅忠玉哈爾濱工業(yè)大學摘要：直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)由于其效率高，構(gòu)造簡單及穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，是風力發(fā)電技術(shù)的開展趨勢。然而在運轉(zhuǎn)過程中，由于各種緣由引起的電網(wǎng)電壓動搖、跌落甚至短路缺點會影響發(fā)電機的不延續(xù)運轉(zhuǎn)。本文主要研討直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換器，利用Matlab/Simulink對10 kW直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)進展了仿真，分別分析了電網(wǎng)電壓跌落，50%-0.2 s和30%-0.4 s時電能變換器的動態(tài)呼應，在電網(wǎng)電壓跌落時電能變換器仍能與電網(wǎng)堅持銜接。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)控制戰(zhàn)略的有效性。關(guān)鍵詞：直驅(qū)風力發(fā)電 永磁同步電機 電

2、能變換器 電壓跌落Research of Converter for Permanent Magnet Generator Direct Driven by Wind TurbineZhu Lin Xu Dianguo Ma Hongfei Luo ZhongyuAbstract：Due to high efficiency, simple structure and stable operation, the direct-drive wind power system using the permanent magnet synchronous generator is the devel

3、opment trend of wind power generation system. However, the generator may be disconnected from the grid in case of a disturbance such as a voltage dip even a grid fault. In this paper, we made a simulating study on 10kW direct-drive wind power system based on the PM synchronous generator by Matlab/Si

4、mulink, and analyzed the response of HYPERLINK /search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20%20voltage%20source%20converter%3cin%3ede)&valnm=+voltage+source+converter&reqloc%20=others&history=yespower converter when the voltage dips are 50%-0.2s, 30%-0.4s respectively. This con

5、tribution presents a controller that can be used to keep direct-drive wind turbines with permanent magnet generator connected to the grid during voltage dips. The behavior of the power converter during grid dips is demonstrated by simulations and the control strategy is correct.Keywords： HYPERLINK i

6、/search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20direct%20drive%20wind%20turbine%3cin%3ede)&valnm=+direct-drive+wind+turbine&reqloc%20=others&history=yes direct-drive wind power generation HYPERLINK /search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20%20permanent%20ma

7、gnet%20generator%3cin%3ede)&valnm=+permanent+magnet+generator&reqloc%20=others&history=yespermanent magnet synchronous generator HYPERLINK /search/searchresult.jsp?disp=cit&queryText=(%20%20voltage%20source%20converter%3cin%3ede)&valnm=+voltage+source+converter&reqloc%20=others&hi

8、story=yespower converter voltage dip 1 引言隨著全球經(jīng)濟的快速開展，人類對能源的需求明顯添加，而地球上可利用的常規(guī)能源是有限的。同時，隨著人類活動的加劇，自然生態(tài)環(huán)境卻在不斷惡化。因此，目前世界各國都曾經(jīng)把開發(fā)新能源和利用可再生能源作為未來能源開展的方向。風力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化開展前景的發(fā)電方式之一，具有占地少、無污染、建立周期短、裝機規(guī)模靈敏等優(yōu)點，因此遭到了世界各國的注重1。采用無齒輪箱的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機雖然提高了電機的設計本錢，但卻有效的提高了系統(tǒng)的效率以及運轉(zhuǎn)可靠性，并且降低了噪音和機械損失從而降低了風力發(fā)電機組的

9、運轉(zhuǎn)維護本錢，因此遭到了越來越多的關(guān)注2。然而風力發(fā)電系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)過程中，由于各種緣由引起的電網(wǎng)電壓動搖、跌落甚至短路缺點會影響發(fā)電機的不延續(xù)運轉(zhuǎn)。電網(wǎng)發(fā)生忽然跌落時，發(fā)電機將產(chǎn)生較高的瞬時電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，能夠呵斥發(fā)電機系統(tǒng)的機械損壞或熱損壞，所以本文主要研討直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的電能變換器在三相電網(wǎng)電壓忽然跌落時的系統(tǒng)繼續(xù)運轉(zhuǎn)控制。對10 kW直驅(qū)風電系統(tǒng)進展了建模和仿真，分析了系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落50%-0.2 s和30%-0.4 s時的動態(tài)呼應。2 電能變換器數(shù)學模型直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)總構(gòu)造圖如圖1所示3：圖1 直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)總體構(gòu)造圖直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)由風輪機與低速永磁同步發(fā)電機直接耦合構(gòu)成

10、，其輸出電壓幅值、頻率、功率都將隨風能的變化而變化3。電能變換器是由兩個背靠背銜接的電壓型PWM變換器構(gòu)成的交-直-交(AC-DC-AC)變換器。PWM整流器(AC-DC)是一個三相電壓型PWM高功率因數(shù)整流器。由于發(fā)電機輸出電壓是根據(jù)風速變化的，PWM整流器可為網(wǎng)側(cè)變換器提供恒定的直流母線電壓，并使得交流輸入電流跟隨輸入電壓，波形近似正弦波；網(wǎng)側(cè)變換器實踐上是一個三相電壓型逆變器(DC-AC)，直流母線電壓經(jīng)逆變、濾波后并入電網(wǎng)。PWM整流器的主電路如圖2所示。圖2 PWM整流器的主電路控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)級聯(lián)式控制構(gòu)造：電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)的主要作用是控制直流母線電壓；電流內(nèi)環(huán)根據(jù)電

11、壓外環(huán)給出的電流指令對交流側(cè)輸入電流進展控制。由變換器傳送的瞬時有功和無功功率為：定子電壓定在d軸方向，q軸電壓為0，只需供電電壓恒定，d軸電壓恒定，有功和無功功率分別和d，q軸電流成比例。為了實現(xiàn)單位功率因數(shù)運轉(zhuǎn)，無功電流分量的參考值設為零。變換器交流側(cè)電流的dq分量存在相互耦合，給控制器設計呵斥一定困難。為此，可采用前饋解耦控制戰(zhàn)略，當電流調(diào)理器采用PI調(diào)理器，那么PWM整流器輸入端電壓可以計算為4由于電流d-q分量具有對稱性，控制器可以運用一樣的參數(shù)，因此控制器設計可以只思索其中一個。不難看出：PI調(diào)理器的輸出補償了交流側(cè)電感上的電壓降；控制器采用電流d-q分量的解耦項抵消了實踐系統(tǒng)中兩

12、個分量的交叉耦合項；電機輸出電壓的前饋分量抵消了實踐系統(tǒng)中電機輸出電壓的影響。系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)控制構(gòu)造框圖如圖3所示。圖3 PWM整流器控制構(gòu)造框圖3 仿真結(jié)果風力發(fā)電機并網(wǎng)，要求輸出電流為三相正弦波并且和電網(wǎng)電壓頻率、相位一樣5。當電網(wǎng)電壓跌落時，變流器電流要添加以便向電網(wǎng)注入不變的功率。因此其動態(tài)呼應必需加以正確分析才干采用適當?shù)目刂破鱽砜刂葡到y(tǒng)中的各個量，從而到達控制目的。本文采用Matlab/Simulink，建立了10kW直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，分析系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落50%-0.2 s和30%-0.4 s時的動態(tài)呼應。詳細的仿真參數(shù)如下：假定永磁電機輸出電壓為三相380 V，功率為1

13、0 kW。三相電網(wǎng)電壓為380V/220V。LCL濾波器6：L1=3 mH，L2=1mH，Cf=6.8 F，Rd=6L2為網(wǎng)側(cè)電感；開關(guān)頻率：10 kHz；直流側(cè)電容：4 000 F。直流母線電壓設定值為700 V。3.1 電網(wǎng)電壓跌落50%-0.2 s時0.1 s時電網(wǎng)電壓跌落50%，0.3s時電壓上升至220 V單相。仿真波形如下：圖4 PWM整流器A相電壓和A相電流圖5 直流母線電壓圖6 逆變器輸出C相電壓和C相電流由圖4圖6可以看出，電機輸出功率根本堅持在10kW，整流器輸入電流與輸入電壓同相位，實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流。直流母線電壓動搖范圍在10%以內(nèi)，根本穩(wěn)定在700 V。電網(wǎng)電壓跌落

14、時，逆變器輸出電流增大以便向電網(wǎng)注入不變的功率。3.2 電網(wǎng)電壓跌落30%-0.4 s時0.1 s時電網(wǎng)電壓跌落30%，0.5 s時電壓上升至220 V單相。仿真波形如下：圖7 直流母線電壓圖8 逆變器輸出C相電壓和C相電流由圖7圖8可見，電網(wǎng)電壓跌落30%-0.4s時對電能變換器的影響比較小，直流母線電壓動搖范圍在5%以內(nèi)。4 結(jié)語風能作為可再生能源，遭到了世界各國的關(guān)注。風力發(fā)電成為近年來開展最快的能源，在電網(wǎng)中的比重越來越大。直驅(qū)永磁風力發(fā)電技術(shù)被以為是最有前景的風電技術(shù)方案之一。本文經(jīng)過建立PWM整流器在同步旋轉(zhuǎn)坐標系里的數(shù)學模型，采用前饋解耦的控制戰(zhàn)略和雙閉環(huán)級聯(lián)式控制構(gòu)造，利用Ma

15、tlab/Simulink對10kW直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)進展建模與仿真，分析系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓跌落50%-0.2 s和30%-0.4 s時的動態(tài)呼應。在電網(wǎng)電壓跌落時電能變換器仍能與電網(wǎng)堅持銜接且注入不變的功率。網(wǎng)側(cè)濾波器采用LCL濾波器，LCL型濾波器可以在較小總電感的條件下實現(xiàn)同樣的濾波效果，體積小，造價低，動態(tài)性能大大改善。參考文獻1 易躍春.風力發(fā)電現(xiàn)狀、開展前景及市場分析.國際電力, 2004, 8(4): 18-222 Henk Polinder, Frank F. A. van der Pijl. Comparison of Direct-drive and Geared Generat

16、or Concepts for Wind Turbines. IEEE, 2006, 725-732 3 Ki-Chan Kim, Seung-Bin Lim, Ki-Bong Jang. Analysis on the Direct-driven High Power Permanent Magnet Generator for Wind Turbine. IEEE, 20054 Wang Fengxiang, Hou Qingming. Study on Control System of Low Speed PM Generator Direct Driven by Wind Turbine. IEEE, 2005, 1009-10125 Johan Morren, Jan T.G. Pierik. Voltage Dip Ride-through