直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制

楊曉萍， 郭 鑫

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院， 西安 710048)

直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制

楊曉萍， 郭 鑫

(西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院， 西安 710048)

為了省去直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組D-PMSG(direct-drive permanent magnet synchronous generators wind turbine)串接的交-直-交變流器，減少初期投資費(fèi)用，文中設(shè)計(jì)了D-PMSG并網(wǎng)控制策略。通過對交-直-交變流器的控制，使發(fā)電機(jī)定子電壓與低頻母線電壓滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時(shí)，短接串連在主電路中的雙PWM變流器，將發(fā)電機(jī)定子直接連接在箱式變壓器上，電能以低頻傳輸?shù)奖晨勘硴Q流站，在換流站變換為工頻送入電網(wǎng)。運(yùn)用PSCAD/EMTDC軟件仿真了兩臺機(jī)組的并網(wǎng)過程，并分析了并網(wǎng)控制策略的經(jīng)濟(jì)成本，結(jié)果表明這種并網(wǎng)方法具有一定的可行性。

風(fēng)力發(fā)電； 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組； 并網(wǎng)控制； 變流器

直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，風(fēng)機(jī)不接增速齒輪箱，直接和發(fā)電機(jī)耦合；發(fā)電機(jī)的定子為三相繞組，轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)；定子發(fā)出非工頻的電能，電壓也隨轉(zhuǎn)速變化；發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓和頻率都變化的電能經(jīng)變流裝置變成恒壓恒頻的電能送入電網(wǎng)[1～5]。由于目前普遍使用的PWM整流器后接電壓源型PWM逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)每臺機(jī)

組都串接一個(gè)全功率變流器，全功率變流器成本較高，約占整個(gè)系統(tǒng)成本的20%左右，且基本依靠進(jìn)口。本文提出一種新型直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制策略，試圖只使用一臺全功率變流器將多臺機(jī)組并接在低頻母線上，使每臺機(jī)組定子經(jīng)箱式變壓器與低頻母線相連，電能以低頻長距離送入背靠背換流站，在換流站中變換為工頻送入電網(wǎng)。

1 目前D-PMSG并網(wǎng)方式

目前直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組變流器電路結(jié)構(gòu)主要有不控整流器+網(wǎng)側(cè)PWM逆變器[6～9]、機(jī)側(cè)PWM整流器+網(wǎng)側(cè)PWM逆變器[10，11]2種結(jié)構(gòu)。

不控整流器+網(wǎng)側(cè)PWM逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將頻率和幅值都變化的交流電經(jīng)過不可控整流器變?yōu)橹绷麟姾螅ㄟ^PWM電壓源型逆變器連接電網(wǎng)。由于網(wǎng)側(cè)PWM變流器能量可雙向流動，因此可利用并網(wǎng)變換器對電容反向充電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。因逆變器輸入電壓為不可控整流器的輸出，而發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下輸出電壓不同，因此直流側(cè)的電壓一直在變化。PWM逆變器可通過改變調(diào)制比來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓的頻率、幅值恒定，當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，PWM逆變器輸入電壓很低，為保證并網(wǎng)電壓恒定，必須提高逆變器的調(diào)制深度，而這會導(dǎo)致逆變器運(yùn)行效率低、開關(guān)利用率低、峰值電流高和傳導(dǎo)損耗大。

圖1 不控整流器+網(wǎng)側(cè)PWM逆變器結(jié)構(gòu)直接并網(wǎng)

機(jī)側(cè)PWM整流器+網(wǎng)側(cè)PWM逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。通過矢量解耦控制PWM整流器，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的單位功率因數(shù)輸出、最大轉(zhuǎn)矩、最大效率和最小損耗控制。機(jī)組并網(wǎng)時(shí)，通過控制逆變器實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值、頻率的控制，當(dāng)開關(guān)K兩側(cè)電壓幅值差、頻率差、相角差滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時(shí)，開關(guān)K閉合，機(jī)組并入電網(wǎng)。

圖2 直驅(qū)式永磁風(fēng)電場結(jié)構(gòu)圖

2 并網(wǎng)控制策略

機(jī)側(cè)整流器控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓大小，控制發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電壓在幅值差、頻率差、相角差滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時(shí)，直接將發(fā)電機(jī)定子連接在箱式變壓器上，短接串接在主電路中的交-直-交變流器。

如圖3，開關(guān)K1和K2都閉合，開關(guān)K3斷開，風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與傳統(tǒng)直驅(qū)永磁機(jī)組相同。通過控制機(jī)側(cè)整流器來控制發(fā)電機(jī)定子輸出電能的頻率和電壓幅值。控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速接近低頻母線頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。

圖3 D-PMSG并網(wǎng)控制過程

定子側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)低頻母線電壓滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時(shí)，開關(guān)K3閉合，K1與K2斷開。發(fā)電機(jī)定子直接與箱式變壓器連接，切除了交-直-交變流器，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也固定在母線頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速上，切除的交-直-交變流器再用以上方法將其他機(jī)組并網(wǎng)，最后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 并網(wǎng)后D-PMSG運(yùn)行結(jié)構(gòu)

換流站的容量通常比較大，要求能承受高電壓大電流，常規(guī)的換流裝置無法滿足要求，可以采用背靠背換流站，既可滿足容量要求能力，又可以降低對器件的要求。在換流站中低頻電能變換為工頻后經(jīng)變壓器升壓送入電網(wǎng)。

3 轉(zhuǎn)速控制策略

這種并網(wǎng)方法最重要是在對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，本文采用在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(q軸定向定子電壓空間矢量，d軸落后其90°)下的矢量控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制。因d軸電流分量與無功功率相關(guān)，由于發(fā)電機(jī)和機(jī)側(cè)變流器沒有無功交換，設(shè)d軸電流參考值idref=0；因q軸電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)，可通過控制q軸電流分量實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。永磁同步發(fā)電機(jī)dq軸數(shù)學(xué)模型[12]如式(1)

(1)

式中：id、iq分別為定子電流的d、q分量；ud、uq分別為定子電壓的d、q分量；La和Ra分別為定子電感和電阻；λ0為永磁體的磁鏈；ωe為電角頻率，ωe=npωg，np為轉(zhuǎn)子極對數(shù)，ωg為機(jī)組機(jī)械角頻率。

由式(1)可知，d軸和q軸之間存在耦合項(xiàng)(ωeiq和ωeid)，通過前饋補(bǔ)償?shù)姆椒上咧g的耦合。

通過對機(jī)側(cè)變流器的控制，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，機(jī)側(cè)變流器的控制框圖如圖5所示，圖中θ為永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角，ωeref為給定的機(jī)組電角頻率。eq=ωeλ0為q軸的反電勢，ed=0為d軸的反電勢。

圖5 機(jī)側(cè)整流器控制框圖

網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)是把直流電變換成符合并網(wǎng)條件的交流電，并維持直流電壓的穩(wěn)定。在電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(q軸定向電網(wǎng)電壓空間矢量，d軸落后其90°)中，網(wǎng)側(cè)逆變器的數(shù)學(xué)模型如式(2)

(2)

式中：ucd、ucq分別為網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電壓的d、q分量；isd、isq為網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流的d、q分量；usd、usq為電網(wǎng)電壓d、q分量。Ls、Rs為連接電抗器的電感和等效電阻；ωs為電網(wǎng)電壓角頻率。

網(wǎng)側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。內(nèi)環(huán)采用電流前饋解耦控制。q軸電流參考值isqref由電壓外環(huán)的電壓誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)后產(chǎn)生。d軸電流參考值isdref根據(jù)式(3)、(4)中的較小者確定。

isdref=Q/usq

(3)

(4)

式中：Q為電網(wǎng)需要的無功功率；i為逆變器允許最大電流有效值。

網(wǎng)側(cè)變流器的控制框圖如圖6所示。圖中usa、usb、usc是電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值，isa、isb、isc，是注入電網(wǎng)的電流瞬時(shí)值，θ1電網(wǎng)電壓矢量相位角。

圖6 網(wǎng)側(cè)逆變器器控制框圖

4 仿真與分析

運(yùn)用PSCAD/EMTDC軟件建立D-PMSG的仿真模型，具體參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)額定功率2.5 MW，轉(zhuǎn)子極對數(shù)40；額定風(fēng)速13 m/s；發(fā)電機(jī)額定頻率15.88 Hz；風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑36 m；等效轉(zhuǎn)動慣量J=0.51×103kgm2，轉(zhuǎn)動黏滯系數(shù)Bm=0。

4.1 并網(wǎng)過程(并第一臺機(jī)組)

如圖3所示，初始時(shí)K1和K2閉合，K3斷開；母線頻率為13.9 Hz。為了觀察風(fēng)機(jī)控制的動態(tài)過程，假定風(fēng)速在t=0.5 s時(shí)由10 m/s躍變到11.5 m/s。仿真結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為K3兩側(cè)電壓波形，由于轉(zhuǎn)速增大，定子側(cè)電壓也增大，通過轉(zhuǎn)速控制使發(fā)電機(jī)定子電壓頻率接近低頻母線頻率，再通過檢測K3兩側(cè)電壓相角差，在1.05 s時(shí)滿足并網(wǎng)條件，閉合K3后再斷開K1和K2。1.05 s后K3有電流流過如圖7(b)。發(fā)電機(jī)定子電流如圖7(c)。圖7(d)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，在1.05 s之前轉(zhuǎn)速已接近給定轉(zhuǎn)速，K3閉合時(shí)，轉(zhuǎn)速有微小的波動。圖7(e)為發(fā)電機(jī)輸出有功功率曲線，0.5 s時(shí)，由于轉(zhuǎn)速增大，功率也增大，并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)速波動導(dǎo)致功率很小振蕩。圖7(f)為風(fēng)能利用系數(shù)Cp，風(fēng)速躍變?yōu)?1.5 m/s時(shí)，由于風(fēng)力機(jī)加速需要一定時(shí)間，Cp先是降低，隨著轉(zhuǎn)速不斷接近最佳轉(zhuǎn)速，Cp不斷升高直到最佳值，K3閉合時(shí)，由于轉(zhuǎn)速的振蕩，Cp有一些振蕩。圖7(g)為葉尖速比γ曲線，與Cp相同，0.5 s時(shí)先是降低，1.05 s時(shí)有一些振蕩。圖7(h)為發(fā)電機(jī)定子電流d軸分量，id與無功功率相關(guān)，在1.05 s之前由于PWM變流器的單位功率因數(shù)控制作用，其值為零，1.05 s之后切除PWM交-直-交變流器，永磁發(fā)電機(jī)輸出一定的無功功率。

4.2 并網(wǎng)過程(并第二臺機(jī)組)

第一臺機(jī)組已經(jīng)并在低頻(13.9 Hz)母線上，將第二臺機(jī)組以同樣方法并在低頻母線上。第二臺機(jī)組初始運(yùn)行狀態(tài)：風(fēng)速為13 m/s，機(jī)組串接PWM交-直-交變流器與低頻母線相連，仿真結(jié)果如圖8所示。

(a) ua(發(fā)電機(jī)定子a相電壓)和usa

(b) 流過K3a相電流

(c) 發(fā)電機(jī)定子a相電流

(d) ωgref(機(jī)械角速度給定值)和ωg

(e) 發(fā)電機(jī)有功功率

(f) 風(fēng)能利用系數(shù)

(g) 葉尖速比

(h) 發(fā)電機(jī)定子電流d軸分量

由于母線頻率為13.9 Hz，t=2 s時(shí)在機(jī)側(cè)整流器轉(zhuǎn)速控制下，控制第二臺機(jī)組轉(zhuǎn)速降低，在滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時(shí)，將串接的PWM交-直-交變流器短接，發(fā)電機(jī)定子直接連接低頻母線。

圖8(a)為第二臺機(jī)組定子相電壓波形，在2 s時(shí)由于轉(zhuǎn)速下降,導(dǎo)致電壓幅值減小。

圖8(b)為第二臺機(jī)組的機(jī)械角速度，由于轉(zhuǎn)速控制作用機(jī)械角速度在2 s時(shí)下降，在3.5 s并網(wǎng)時(shí)有一些振蕩。

由圖8(c)和圖8(e)可看出，雖然兩臺機(jī)組轉(zhuǎn)速相同，但第二臺機(jī)組風(fēng)速比第一臺機(jī)組風(fēng)速高，因此，第二臺機(jī)組輸出有功功率比第一臺機(jī)組大。

由圖8(d)和圖8(f)可以看出,兩臺機(jī)組轉(zhuǎn)速相同，但風(fēng)速不同，因此第二臺機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)較小，導(dǎo)致第二臺機(jī)組沒有運(yùn)行在最佳風(fēng)能利用特性上。

(a) 第二臺機(jī)組定子a相電壓

(b) ωgref2:第二臺機(jī)組機(jī)械角速度給定值；ωg2:第二臺機(jī)組機(jī)械角速度

(c) 第二臺發(fā)電機(jī)有功功率

(d) 第二臺機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)

(e) 第一臺發(fā)電機(jī)有功功率

(f) 第一臺機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)

5 經(jīng)濟(jì)成本分析

本文設(shè)計(jì)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖9所示，以一條低頻母線上有15臺單機(jī)2.5 MW直驅(qū)式永磁機(jī)組為例，國際上2.5 MW風(fēng)電整機(jī)的銷售價(jià)格約在250萬歐元(約合2375萬人民幣)，變流器的費(fèi)用平均為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的20%，15臺機(jī)組可節(jié)省475萬×14臺=6650萬元的費(fèi)用。一組2.5×15=37.5 MW的換流站費(fèi)用在3000萬左右。與傳統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較可以節(jié)省3650萬元設(shè)備費(fèi)用。

圖9 新型直驅(qū)式永磁風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)我國風(fēng)力發(fā)電目前的運(yùn)行狀況，風(fēng)力發(fā)電機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為2000 h，圖8(d)的仿真結(jié)果表明，有一些機(jī)組不能運(yùn)行在最大風(fēng)能利用曲線上，造成一定的風(fēng)能損失。設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)組額定風(fēng)速為13 m/s，按年平均風(fēng)速為額定風(fēng)速的20%計(jì)算，15臺2.5 MW傳統(tǒng)并網(wǎng)機(jī)組年發(fā)電量約為6000萬kWh。本文提出的并網(wǎng)方式風(fēng)能損失系數(shù)按照7%計(jì)算，一年將有420萬kWh電量損失。

根據(jù)2009年7月國家發(fā)展改革委發(fā)布了《關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》，四類資源區(qū)風(fēng)電標(biāo)桿電價(jià)平均為0.56元/(kWh)，本文提出的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)一年將損失235萬元，低頻傳送電能線路損耗將減小，因此一年的損失略小于235萬元。初始投資節(jié)省3650萬元，但是每年損失235萬元發(fā)電量，3650/235=15(年)，因此在風(fēng)電場以這種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行15年后，節(jié)省初始投資費(fèi)用的優(yōu)勢將會消失，因此這種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)在減少風(fēng)電場初期投資方面有積極的作用。

6 結(jié)論

本文的并網(wǎng)控制策略使用一臺全功率變流器將多臺機(jī)組并接在低頻母線上，使每臺機(jī)組定子經(jīng)箱式變壓器與低頻母線相連。電能以低頻傳送減小了線路損耗并增大了傳輸容量，在背靠背換流站變換為工頻送出電網(wǎng)。轉(zhuǎn)速控制策略中，機(jī)側(cè)整流器內(nèi)環(huán)采用定子電壓定向的電流前饋解耦控制，外環(huán)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制；網(wǎng)側(cè)逆變器采用電網(wǎng)電壓定向的電流前饋解耦控制，外環(huán)實(shí)現(xiàn)直流電壓控制。仿真結(jié)果表明，一條低頻母線上發(fā)電機(jī)被等效為一臺發(fā)電機(jī)，各機(jī)組轉(zhuǎn)速相同，通過調(diào)整母線頻率統(tǒng)一同步調(diào)整各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于各機(jī)組風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)速相同，導(dǎo)致部分機(jī)組不能運(yùn)行在最佳風(fēng)能曲線上。通過經(jīng)濟(jì)成本分析，本文的并網(wǎng)控制策略省去了每臺機(jī)組的交-直-交變流器，減少了投資費(fèi)用，在減少初期投資方面有積極的作用。

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ControlStrategyofDirect-drivePermanentMagnetSynchronousGeneratorsWindTurbineConnectedtoGrid

YANG Xiao-ping， GUO Xin

(Institute of Water Resource and Hydro-electric Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China)

The control strategy of D-PMSG grid-connection was designed in order to save AC-DC-AC convertor and redu-ce initial investment costs. When the stator voltage and low-frequency bus voltage were satisfied on the condition of qu-asi-synchronization the AC-DC-AC converter was shorted in the main circuit by controlling the AC-DC-AC double PWM convertor. The generator stator was directly connected to box-type transformer. Then the low-frequency power energy was transmitted to back-to-back convertor station. The power energy was converted into 50 Hz AC and transmitted into grid. Two unit generators processes were simulated by PSCAD/EMTDC，the economic costs of control strategy were ana-lyzed. The results show that the control strategy is certainly feasible.

wind power generation； direct-drive permanent magnet synchronous generator wind turbine； control strategy of grid-connection； convertor

2010-04-21；

2010-06-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(90410019)

TM614； TM315

A

1003-8930(2011)06-0121-06

楊曉萍(1964-)，女，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email:yangxiaoping@xaut.edu.cn 郭 鑫(1985-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。Email:broughtcn@yahoo.com.cn