雙饋風力發(fā)電機網(wǎng)側變流器的一種新型并網(wǎng)控制策略

徐鳳星,劉連根,盛建科,佘岳

(1.湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院,湖南 株洲 412008;2.株洲電力機車研究所,湖南 株洲 412001)

1 引言

隨著雙饋異步發(fā)電機廣泛應用于風力發(fā)電越來越受關注,尤其隨著單臺功率不斷增大,其并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊已經(jīng)達到不容忽略的地步,一般由于大功率雙饋電機的定子阻抗很小,如果直接將其并入電網(wǎng)將會引起很大的沖擊電流,嚴重時會對電網(wǎng)和電機產(chǎn)生災難性的后果。因此,研究大功率雙饋發(fā)電機的并網(wǎng)方式就顯得極為重要。目前已有不少文獻應用矢量控制技術研究了雙饋發(fā)電機(定子側)并網(wǎng)控制策略[1～3]。在文獻[4]中對目前幾種常見并網(wǎng)方法進行了全面比較和總結。所以現(xiàn)在很多文章都是研究雙饋發(fā)電機并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊,沒有或忽略了研究網(wǎng)側變流器對電網(wǎng)的沖擊。由于風力發(fā)電機單臺功率越來越大,無功補償電容也越來越大,不同的并網(wǎng)方案對電網(wǎng)沖擊的程度差別很大。如果不采取適當?shù)牟⒕W(wǎng)方式,在并網(wǎng)的瞬間對網(wǎng)側濾波電容、中間直流電容IGBT功率器件的沖擊很大,以致?lián)p壞電容和開關器件[5]。同時從整個并網(wǎng)過程可知,首先網(wǎng)側變流器并網(wǎng),然后啟動轉子側變流器,最后調整雙饋發(fā)電機的轉子電流,來達到發(fā)電機定子電壓并網(wǎng)條件。所以研究網(wǎng)側變流器并網(wǎng)也是至關重要的一步[6]。

本文充分利用了網(wǎng)側變流器模型和空間矢量SVPWM提出一種新型的網(wǎng)側變流器并網(wǎng)方法。并利用PSIM進行了仿真,仿真和實驗結果充分證明了該方案的可行性。

2 網(wǎng)側變流器數(shù)學模型與控制框圖

電網(wǎng)側變流器的電路拓撲圖如圖1所示。圖1中,u g a,u g b,u g c分別為三相電網(wǎng)的相電壓;i g a,igb,igc分別為網(wǎng)側變流器的三相輸入電流;udc為直流母線電壓;i load為直流側的負載電流,L為每相進線電抗器的電感;R為包括電抗器電阻在內的每相線路的電阻;C為直流母線電容。

圖1 電網(wǎng)側變流器的電路拓撲圖Fig.1 Circuit topology of the grid-lined converter

在同步旋轉dq坐標系下網(wǎng)側變流器的數(shù)學模型[7]為

式中:u g d,u g q分別是電網(wǎng)電壓的d軸、q軸分量;i g d,i g q分別是輸入電流的d軸、q軸分量;V g d,V g q分別是變流器中三相全橋交流側輸出電壓的d軸、q軸分量;Sd,Sq分別是開關函數(shù)的d軸、q軸分量;ω1為電網(wǎng)電壓的角速度。

令u g=u g d+j u g q為電網(wǎng)電壓矢量,如果將坐標系的d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量,則有u g d=|u g|=,u g q=0,其中 u g為相電壓峰值,于是式(1)變?yōu)?/p>

由式(2)可得網(wǎng)側變流器的控制框圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)側變流器的控制框圖Fig.2 Control diagram of the grid-lined converter

3 網(wǎng)側變流器并網(wǎng)控制的整體方案

網(wǎng)側變流器并網(wǎng)控制的整體方案如圖3所示。

圖3 雙饋發(fā)電機整體并網(wǎng)框圖Fig.3 Grid-connected program of the doubly-fed indu ction generator

本文要研究的內容為圖3虛線部分,該控制方案可分為3個階段。

1)預充電階段。這個階段首先合上預充電開關,然后電網(wǎng)的電壓經(jīng)整流橋整流,并經(jīng)過預充電電阻向電容充電。由于預充電限流電阻的作用,把充電電流限制為安全的充電電流,對直流母線電容起到了保護。

2)網(wǎng)側變流器逆變同步階段。當電容上的電壓達到一定值后(560 V),斷開預充電開關,使網(wǎng)側變流器以電流開環(huán)方式逆變出的電壓相位與電網(wǎng)電壓同步。由于發(fā)電機發(fā)出的電壓與電網(wǎng)電壓同相位,減少了對電網(wǎng)的沖擊和對電網(wǎng)注入的諧波分量。

3)合閘階段。當網(wǎng)側變流器輸出電壓的相位與電網(wǎng)電壓一致及直流母線電壓達到要求時,這時合上網(wǎng)側開關,然后再以電流開環(huán)的方式運行一段時間使直流母線電壓以一定的斜率上升到1050 V。最后加入中間電壓和電流閉環(huán)控制環(huán),這時加入中間電壓控制環(huán),保持實現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定,同時把直流母線上的電壓抬高以達到機側變流器逆變時的電壓值。網(wǎng)側變流器并網(wǎng)結束。PSIM仿真模型如圖4所示。

圖4 網(wǎng)側變流器并網(wǎng)仿真框圖Fig.4 Simulation program of the grid-lined converter

4 仿真與實驗結果

為了驗證本文提出的控制方案的正確性,采用PSIM軟件對該并網(wǎng)方式進行仿真研究以及實驗驗證。圖5為網(wǎng)側變流器逆變同步過程仿真波形。圖6為網(wǎng)側變流器逆變同步過程實驗波形。

圖5 網(wǎng)側變流器逆變同步過程仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of the grid-lined converter during the invertion syn chronization

圖6 網(wǎng)側變流器逆變同步過程實驗波形Fig.6 Exprimental wave forms of the g rid-lined converter during the invertion synch ronization

圖6中,ug為電網(wǎng)電壓,ig為變流器的輸出電流,uig為變流器輸出電壓,udc為直流母線電壓。從圖5、圖6中可以看出在這種并網(wǎng)方式中,變流器輸出電壓與電網(wǎng)電壓完全同步,并網(wǎng)條件之一被滿足了。

圖7為網(wǎng)側變流器并網(wǎng)時刻的波形。圖7中,ug為電網(wǎng)電壓,ig為變流器的輸出電流,uig為變流器輸出電壓,u dc為直流母線電壓。當在合閘的瞬間變流器輸出電流會產(chǎn)生一個沖擊,直流母線電壓也會產(chǎn)生一個沖擊,從圖7中可以看出沖擊電流和沖擊電壓都被控制在可接受的范圍內。并順利的完成變流器并網(wǎng)。

圖7 網(wǎng)側變流器并網(wǎng)(合閘)時刻的波形Fig.7 Waveforms of the grid-lined converter w hile connected into the g rid

圖8為直流母線上的電壓仿真波形。圖9為直流母線上的電壓實驗波形圖。從圖8可以看出在并網(wǎng)的瞬間會產(chǎn)生一個沖擊電流,如果直接并網(wǎng)這個沖擊電流會很大,以至損壞開關器件,采用這種方法后大大減少了沖擊電流,同時可以安全并網(wǎng)。我們在實驗時發(fā)現(xiàn),當變流器輸出值小于或等于電網(wǎng)電壓的時候并網(wǎng)瞬間直流母線電壓的沖擊大些,當把變流器輸出電壓調到大于電網(wǎng)電壓的時候,直流母線電壓的沖擊小些可以順利并網(wǎng),同時直流母線能夠被很好的控制。

圖8 直流母線上的電壓仿真波形Fig.8 The DC-link simulation voltage wave form

圖9 直流母線上的電壓實驗波形Fig.9 The DC-link exprimentalvoltage wave form

5 結論

本文充分利用了網(wǎng)側變流器的數(shù)學模型,結合矢量控制,提出了一種新型的大功率雙饋發(fā)電機網(wǎng)側變流器并網(wǎng)方式。詳細介紹了該并網(wǎng)方式工作過程,并給出了網(wǎng)側變流器的數(shù)學模型和具體的控制方案。利用PSIM對所提出的方案進行了仿真,也做了實驗來驗證該方案的正確性,仿真和實驗結果表明該方案具有良好的過渡過程和動態(tài)性能。同時又能順利并網(wǎng)。該控制方案也有要改進的地方,比如在逆變時加入電流環(huán)閉環(huán)等。

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