《1_5MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究_圖文(精)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《1_5MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究_圖文(精)（22頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、2009 年 2 月 電工技術(shù)學(xué)報(bào) Vol.24 No. 2 第 24 卷第 2 期 TRANSACTIONS OF CHINAELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2009 1.5MW 變速恒頻雙饋風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究苑國(guó)鋒李永東柴建云姜新建(清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京 100084摘要設(shè)計(jì)了一套 1.5MW 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)。在分 析了其控制策略的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的并網(wǎng)性能、并網(wǎng)運(yùn)行后穩(wěn)態(tài)以及動(dòng)態(tài)特性等進(jìn)行了試 驗(yàn)研究，結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠在發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，輸出有功、無(wú) 功功率可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，適合于 1.5M
2、W 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電變速恒頻雙饋發(fā)電機(jī) 交/直 /交變流器中圖分類號(hào):TM614Experime ntal Inv estigati on on Excitati on Con trol System of 1.5MW Variable SpeedCon sta nt Freque ncy DFIG Wind Gen erator System Yua n Guofeng Li Yongdong Chai Jianyun Jia ng Xin jia n(The State Key Laboratory of Power System Tsin ghua
3、Un iversity Beiji ng 100084 ChinaAbstract A 1.5 megawatts(MW excitati on con trol system of variable speed con sta ntfreque ncy(VSCF doubly-fed in duct ion gen erator(DFIG for wi nd turb ine was developed.Based on the an alysis of con trol strategy, the synchroni zati on, steady and dyn amicperforma
4、 nee are studied experime ntally. Experime ntal results show that softsynchronizing can be impleme nted whe n the gen erator speed is with in the desig nedrange and active/reactive power can be regulated in depe nden tly. The excitati on con trolsystem can be applied to 1.5 MW level wi nd power gen
5、erati on system.Keywords :Wind gen erati on, VSCF, DFIG, back-to-back converter1 引言最近二十年間，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速1,兆瓦級(jí)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 在風(fēng)力發(fā)電中得到了廣泛的應(yīng)用，目前已經(jīng)成為世界各國(guó)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng) 的主流機(jī)型。 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)按功能可 以劃分為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)、槳距控制系 統(tǒng)以及主控系統(tǒng)三部分，其中發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)組機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心, 勵(lì)磁控制技術(shù)是其中的 難點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)大功率風(fēng)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，研究大功率變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的勵(lì)磁控制技術(shù)，具有非常重要的
6、意義2。本文研制了一套適用于 1.5MW 變速恒頻雙饋 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究。該系統(tǒng)采用背靠背電壓型變 流器結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)側(cè)整流器采用電壓定向的矢量控制策略,轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器則采用定子磁鏈定向的矢量控制策略。在該系統(tǒng)上的試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有 能量雙向流動(dòng)的能力，其輸 出功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，能滿足風(fēng)力發(fā)電的系統(tǒng)變速恒頻運(yùn)行需求，是一套適合于 1.5MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制系統(tǒng)。2 勵(lì)磁控制系統(tǒng)原理變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的勵(lì)磁控制是通過(guò)連接在雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本文所研究的背靠背電壓型變流器典型結(jié)構(gòu)圖如圖1國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（20
7、06BAA01A19。收稿日期 2007-08-20 改稿日期2008-03-18第 24 卷第 2 期苑國(guó)鋒等 1.5MW 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究 43所示，其勵(lì)磁控制主要包括連接在雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子 側(cè)逆變器的控制、連接在電網(wǎng)側(cè)的整流器控制以及 系統(tǒng)并網(wǎng)控制三個(gè)部分。電網(wǎng)1-1- - 1 1- -1電網(wǎng)圖 1 雙饋發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變頻器框圖Fig.1 Excitati on converter structure of DFIG system 2.1 雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型雙饋發(fā)電機(jī)是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合、多變量的系統(tǒng),其機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換是通過(guò)基波磁場(chǎng)來(lái)完成的，因此為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，通常
8、只考慮雙饋發(fā)電機(jī)氣 隙基波磁場(chǎng)的 作用，并忽略鐵損和鐵磁的非線性、繞組的集膚效應(yīng)以及定轉(zhuǎn)子繞組電阻的溫升，據(jù) 此在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子都取電動(dòng)機(jī)慣例時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為 3-4u sd =R s i sd +D 書 sd -ws 書 sq (1 u sq =R s i sq +D書 sq +ws 書 sd (2 u rd =R r ir+D rd -wsl 書 rq (3 u rq =R r i rq +D書 rq +wsl 書 rd (4 書 sd =L s i sd +L m i rd (5s i sq +L m i rq (6書 rd =L m i sd +L r i r
9、d (7書 rq =L m i sq +L r i rq (8 T e =p n L m (i sqi rd -i sd i rq (9 式中 R s , R r , L s , L r- 定、轉(zhuǎn)子的電阻和自感；L m-定、轉(zhuǎn)子間的互感；u sd , u sq , u rd , u r- 定、轉(zhuǎn)子 dq 軸電壓;i sd , i sq , i rd , i rq-定、轉(zhuǎn)子 dq 軸電流；書 sd ,書 sq ,書 rd，定、轉(zhuǎn)子q 軸磁鏈；T e-發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；3s 步角速度；3sl 轉(zhuǎn)差角速度；p n-極對(duì)數(shù)；D 微分算子。2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制策略當(dāng)把同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 d 軸定向在定
10、子磁鏈上 時(shí)，定子磁鏈的 q 軸分量書 sc 為0。式(5式(9 可簡(jiǎn)化為書 sd =L s i sd +L m i rd =L m i ms =書 s (10 i sq =-(L m /L s i rq (11書 rd =(2mi ms +(T L r i rd (12 書 rq =cL r i rq (13 T e =-p n (2m L /L s i mi中 Tqi (1s-定子廣義勵(lì)磁電流；書 s 定子磁鏈的幅值；c-磁系數(shù)，c=1-2m L /L s L。定子磁鏈的幅值和角度可以通過(guò)下面的方法獲得9(du R i tipaaaj(15 s s s s(du R i tj屁+吃(16
11、s書=(17 (1s s stanBa=(18 式中書 Sa,書 S 定子磁鏈a軸分量；U Sa, U S 定子電壓a軸分量；1Sa, i S 定子流a軸分量；9S 定子磁鏈和a軸的角度。進(jìn)一步推導(dǎo)可得發(fā)電機(jī)定子輸出的有功功率和無(wú)功功率的表達(dá)式(2SnSmSms rqP p L L i i=-(19 (2s n s m s ms ms rdQ p L L i i i=-(20 式中 P s , Q s發(fā)電機(jī)定子的有功和無(wú)功功率。當(dāng)定子廣義勵(lì)磁電流保持恒定時(shí)，發(fā)電機(jī)的 有功功率正比于 i rq ,無(wú)功功率由 i rd 決定,分別控制轉(zhuǎn)子 dq 軸電流就可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的有功功率和無(wú)功功率的解耦。在經(jīng)
12、過(guò)前饋補(bǔ)償去除由反 電動(dòng)勢(shì)引起的交叉耦合項(xiàng)后，可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的 dq 軸分量分別控制發(fā)電 機(jī)的有功功率和無(wú)功功率。將式(12、式(13 分別代入式(3、式(4 ,則有u rd =R r i rd +cL r d i rd /dt -rq r rq r rq si m s ms r rd? ? (22 據(jù)此，可以確定轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的矢量控制框圖,如圖 2 所示。44電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2009 年 2 月43sicL r i rq (21 (圖 2 轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器矢量控制框圖Fig.2 Vector con trol scheme for rotor side inv erter2.3 電網(wǎng)側(cè)整流器
13、矢量控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁控制系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)整流器的主要作用是在能量流動(dòng)過(guò)程中保持直流母線電壓 恒定以及減少變頻器輸入側(cè)的諧波。在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立網(wǎng)側(cè)電壓型 PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型5-6*1 r廣廠I譏 -九/巧削旳/dedi Di u S -=(23式中 R 丄一一變頻器網(wǎng)側(cè)的輸入電阻和輸入電感C d 直流母線電容;S d , S q-兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下等效開關(guān)函數(shù)；u d , u q-電網(wǎng)電壓 dq3e源電壓的角頻率;I do 負(fù)載電流。當(dāng)把同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的 d 軸取為與 A 相電壓相 量重合時(shí)，網(wǎng)側(cè)整流器輸入有功 功率和無(wú)功功率分別為軸分量;i d , i q整流器電流 dq
14、軸分量;qd q q d d q P u i u i u i Q u i u i u i =+=?=-=?(24 從式(24 可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓恒定時(shí)，分別控 制 dq 軸電流就可以控制整流器輸 入的有功功率和無(wú)功功率。重寫式(23 前兩式整理可得變頻器網(wǎng) 側(cè)整流器前端電 壓方程式為dlqid d e q dq q e d (d d (d u Ri L i t Li u u Ri L i t Li ? =-+ ? 心=-+- ? (25 式中，u dl , u ql 為整流器前端電壓 dq 軸分量。由此，電網(wǎng)側(cè)整流 器的控制框圖如圖 3所示。2.4 系統(tǒng)并網(wǎng)控制變速恒頻系統(tǒng)的并網(wǎng)控制需要經(jīng)過(guò)起動(dòng)
15、和并網(wǎng)運(yùn)行兩個(gè)階段。在起動(dòng)階段，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速 且風(fēng)輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)升速達(dá)到發(fā)電機(jī)的最小運(yùn)行速度時(shí),勵(lì)磁變頻器投入工作，控制定子繞組的空載 端電壓跟隨電網(wǎng)電壓，并迅速達(dá)到同步，此過(guò)程中 發(fā)電機(jī)采用電壓控制，即發(fā)電機(jī)處于空載狀態(tài)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的幅值、相位 和頻率使并網(wǎng)條件自動(dòng)得到滿足。進(jìn)入并網(wǎng)運(yùn)行階段后，控制器根據(jù)實(shí)際的風(fēng)速和 電網(wǎng)的要求動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出的 有功功率和無(wú)功功率。3 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文研制的 1.5MW 變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)框圖如圖 4 所示。該勵(lì)磁控 制系統(tǒng)由 1.5MW 雙饋發(fā)電機(jī)、交直交雙向變流器、濾波器、雙數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Si
16、g nal Processor , DSP控制器、并網(wǎng)裝置以及保護(hù)裝置構(gòu)成。試驗(yàn)系統(tǒng)中的拖動(dòng)變頻器采用西門子 6SC2323- ODE 電流源變頻器，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 1LA1567 4QK402,額定功率 2MW試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)采用蘭州電機(jī)責(zé)任有限公司制造的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其額定 功率為 1.5MW ,定子側(cè)額定電壓為 690V ,定子額定電流 1089A ,轉(zhuǎn)子第 24 卷第 2 期苑國(guó)鋒等 1.5MW 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究45.-Jf de ,*f de |*i-i-/入T.1f de*i亠丨-I-/C7Xh一1血I圖 3 電網(wǎng)側(cè)整流器矢量控制框圖Fig.3 Ve
17、ctorcontrol scheme for grid side rectifier圖 4 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁控制試驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.4 Scheme of DFIG excitationcon trol system堵轉(zhuǎn)開路電壓 2003V ,轉(zhuǎn)子額定電流 380A ,發(fā)電機(jī)額定功率轉(zhuǎn)速點(diǎn)為1800r/min。連接于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間的雙向變流器由兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的三相全控橋通過(guò)直流 母線以背靠背形式組成，分別置于電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)子側(cè)；變流器開關(guān)器件選用 1700V 等級(jí)的絕緣 柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT ,轉(zhuǎn)子
18、側(cè)最大輸出電流為 580A。變流器的控 制器采用 TI 公司 TMS320LF2407A定點(diǎn) DSP 和 TMS320VC33 浮點(diǎn) DSP 構(gòu)成控制核心，其中 LF2407A 主要負(fù)責(zé)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)交換、脈寬調(diào) 制（Pulse Width Modulatio n, PWM 信號(hào)以及并網(wǎng) 解列信號(hào)的生成，VC33 主要用于核心算法的實(shí)現(xiàn)。為了保證變流器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力和故障保護(hù)能力,主控制器與變流器主回路開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路之間全部采用光纖通信，變流器主回路的傳感器信號(hào)與主控制板之 間也米用光電隔離。并網(wǎng)裝置正常運(yùn)行時(shí)接受來(lái)自控制器發(fā)出的并網(wǎng)或者解列信號(hào)正常并網(wǎng)解列，如果雙饋發(fā)電機(jī)組的
19、線路或機(jī)端發(fā)生線間或?qū)?地短路以及因轉(zhuǎn)速過(guò)高 或過(guò)低造成發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)壓等故障時(shí)，位于發(fā)電機(jī) 轉(zhuǎn)子側(cè)的保護(hù)裝置投入并封鎖變流器，同時(shí)控制器發(fā)出解列信號(hào)斷開定子側(cè)的并網(wǎng)接觸器，使 發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)。4 試驗(yàn)結(jié)果本節(jié)將給出所研制的 1.5MW 變速恒頻雙饋勵(lì)磁控制系統(tǒng)并網(wǎng)性能、動(dòng)靜態(tài)性 能等方面地面模擬 試驗(yàn)的結(jié)果。除了特殊說(shuō)明以外，本試驗(yàn)中的試驗(yàn) 結(jié)果采用 YOKOGAWA公司示波錄波儀 DL750 進(jìn)行記錄。4.1 并網(wǎng)性能試驗(yàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)特性是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo),為此本文進(jìn)行了發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)試驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)并網(wǎng)時(shí)的定轉(zhuǎn)子沖擊電流測(cè)試并網(wǎng)性能。圖5給出了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)在 180
20、0r/mi n圖 5 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)試驗(yàn) Fig.5 Synchronization experiment46 電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2009 年 2 月時(shí)并網(wǎng)試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，并網(wǎng)瞬間定子沖擊電流約為 300A （峰值，小于定子額定 電流，而轉(zhuǎn)子電流在并網(wǎng)時(shí)輕微振蕩后迅速恢復(fù)正常，該試驗(yàn)表明所研制的勵(lì)磁控制系統(tǒng)可以控制發(fā)電機(jī)定子端電壓和電網(wǎng)電壓在幅值和頻率方面具有很好的一致性，嚴(yán)格滿足并網(wǎng)條件，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)軟 并網(wǎng)。4.2 穩(wěn)態(tài)性能試驗(yàn)圖 6 給出了勵(lì)磁控制系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行的試驗(yàn)結(jié)果。圖 6a 是亞同步速 1200r/min時(shí)的試驗(yàn)波形，此時(shí)發(fā)電機(jī)的定子輸出有功功率和勵(lì)
21、磁系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送的有功功率分別為 570kW 和 457kW，該轉(zhuǎn)速點(diǎn) 設(shè)計(jì)的定子輸出功率系統(tǒng)輸出功率分別為564kW 和 447kW ;圖 6b 是同步速 1500r/min 運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)(a 1200r/min 亞同步速運(yùn)行00O0IX)loo何50-莖、0-2500l(K025(X127(6:1-6. Datta R, Ra nga nathan V T. Decoupled control of active and reactive power fora grid conn ected doubly fed wound rotor in ducti on mach ine witho
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23、從超同步速下降到亞同步速的 試驗(yàn)波形 Fig.8 Rotationspeed varying from super-synchronization to subsynchronization experiment 5苑國(guó)鋒，柴建云，李永東.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 勵(lì) 磁變頻器的研究J.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(8: 90-94. Yuan Guofeng, Chai Jia nyun 丄 i Yongdon g.Study of three-phase PWMrectifier for AC-excitati on J.Proceedings of the CSEE, 2005, 25(
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25、礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的并網(wǎng)、負(fù) 載運(yùn)行、變速運(yùn)行以及功率因數(shù)調(diào)節(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功率雙向流動(dòng)的能力，其輸出功率 因數(shù)可以調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸入輸出諧波含量低，能滿足風(fēng)力發(fā)電的變速恒頻的要求，適合大容量變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的配套。參考文獻(xiàn)1 Muller S, Deicke M, De Doncker Rik W. Doubly fed induction gen eratorsystems for wind turb in esJ. IEEE In dustry Applicatio ns Magaz ine, 2002, 8(3: ZhejiangUniversity, 2004, 38(1: 48-51.作者簡(jiǎn)介 苑國(guó)鋒 男，1979 年生，博士，主要 研究方向?yàn)樽兯俸泐l風(fēng)力發(fā) 電系統(tǒng)控制技術(shù)。李永東男，1962 年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方 向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化和電機(jī)控制。
1_5MW變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁控制系統(tǒng)試驗(yàn)研究_圖文(精)
