雙脈寬調(diào)制變換器勵(lì)磁的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)
發(fā)布時(shí)間：2010-02-03 作者：孫海生, 任永峰, 李含善
0 引 言
風(fēng)能是一種非常具有開發(fā)潛力的可再生能 源,近年來風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到各國學(xué)者的廣 泛關(guān)注。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中的變速恒頻發(fā)電方式是 目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī) (DF IG)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有變速運(yùn)行范圍寬,勵(lì) 磁電源容量小及有功和無功功率可以靈活控制的 特點(diǎn),因此雙饋電機(jī)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為 研究的熱點(diǎn)。
在基于DF IG的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中,如何 控制其轉(zhuǎn)子電壓或電流的幅值、頻率及相位,并實(shí) 現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)是控制的關(guān)鍵[ 1 ] 。因此選擇 合適的勵(lì)磁變頻器及采用哪種控制方式[ 223 ]顯得 尤為重要。目前可用于變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的勵(lì)磁 電源有交交變頻器、雙脈寬調(diào)制( PWM)變換器和 矩陣變換器[ 4 ] 。交交變頻器輸出電壓諧波多,輸 入側(cè)功率因數(shù)低,使用功率元件數(shù)量多,現(xiàn)已很少 采用。近年來出現(xiàn)的矩陣變換器主電路簡單,采 用全控型開關(guān)器件,具有優(yōu)良的輸入、輸出特性, 輸出頻率不受限制,能量可以雙向流動(dòng),變換效率 較高。但由于矩陣變換器所用開關(guān)器件數(shù)目較雙 PWM變換器所用器件多,器件承受的耐壓高,并 且輸入、輸出控制不解耦,這些缺點(diǎn)一定程度上限制了其在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用。 為了克服以上兩種變換器的缺點(diǎn),可采用雙 PWM變換器作為變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的勵(lì)磁電源。 文獻(xiàn)[ 5, 6 ]以雙PWM變換器作為勵(lì)磁電源研究 了DF IG系統(tǒng)的控制策略。本文在分析雙PWM 變換器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)的 控制策略進(jìn)行了分析,并作仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果 表明,本系統(tǒng)具有能量雙向流動(dòng)能力,其輸入輸出 功率因數(shù)可以獨(dú)立調(diào)節(jié),具有較小的輸入輸出諧 波,能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)能的高質(zhì)量發(fā)電。
1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略
1. 1 轉(zhuǎn)子側(cè)變換器定子磁鏈定向控制策略
因?yàn)镈F IG的定子繞組直接接在無窮大電網(wǎng) 上,可以近似地認(rèn)為定子的電壓幅值、頻率都是恒 定的,所以異步雙饋電機(jī)一般采用定子磁鏈定向 控制策略,如圖1所示。此時(shí), d、q軸上的磁鏈分 量分別為:Ψd s =Ψs ,Ψqs = 0。由于DF IG定子側(cè)頻 率為工頻,定子電阻遠(yuǎn)小于定子電抗,可以忽略, 則Rs = 0, DF IG感應(yīng)電動(dòng)勢近似等于定子電壓。 因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)勢e1 落后Ψs 90°,故e1 位于q軸負(fù) 方向,有ud s = 0, uqs =Us ,其中Us 為定子電壓矢量 的幅值,當(dāng)定子端并入理想電網(wǎng)后, Us 等于電網(wǎng) 電壓矢量,為常數(shù)。
根據(jù)以上討論,且忽略定子電阻壓降,即可得 到雙饋電機(jī)的磁鏈方程、電壓方程和功率方 程[ 728 ] :
根據(jù)DF IG數(shù)學(xué)模型,可以得出轉(zhuǎn)子側(cè)PWM 變換器控制策略框圖如圖2所示。
整個(gè)系統(tǒng)為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),內(nèi)環(huán)為轉(zhuǎn)子電流控 制環(huán),由id r、iqr兩個(gè)控制通道組成,電流誤差經(jīng)調(diào) 節(jié)后輸出電壓控制量,疊加Δud r、Δuqr前饋電壓補(bǔ) 償量,即可得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電壓控 制量,再經(jīng)坐標(biāo)變換得到雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子二相靜止 電壓控制指令u 3 αr , u 3 βr , 經(jīng)SVPWM后產(chǎn)生所需的
勵(lì)磁電壓及電流。外環(huán)為轉(zhuǎn)速控制環(huán),根據(jù)當(dāng)前 風(fēng)速計(jì)算出對應(yīng)于風(fēng)力機(jī)最佳葉尖速比的轉(zhuǎn)速值 作為轉(zhuǎn)速環(huán)的給定,和電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋值比較后的 差值送入轉(zhuǎn)速控制器,輸出為轉(zhuǎn)子q軸電流的給 定值。d軸電流的給定值可以根據(jù)電網(wǎng)對風(fēng)電系 統(tǒng)的無功要求計(jì)算得出。通過給定不同的轉(zhuǎn)子d 軸電流即可實(shí)現(xiàn)不同的無功功率輸出。
1. 2 網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)電壓定向控制策略
網(wǎng)側(cè)變換器控制系統(tǒng)的目的是為轉(zhuǎn)子側(cè)變換 器的功率雙向流動(dòng)提供通道,同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位 功率因數(shù)或可變功率因數(shù)運(yùn)行。為簡化控制算 法,應(yīng)用空間坐標(biāo)變換,將同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系d 軸定向于電網(wǎng)電壓矢量us 的方向上,得電網(wǎng)電壓 的dq分量為:
