1_5MW變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)試驗研究_圖文(精)

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1、2009 年 2 月 電工技術(shù)學報 Vol.24 No. 2 第 24 卷第 2 期 TRANSACTIONS OF CHINAELECTROTECHNICAL SOCIETY Feb. 2009 1.5MW 變速恒頻雙饋風力 發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)試驗研究苑國鋒李永東柴建云姜新建(清華大學電力系統(tǒng)國家重點實驗室北京 100084摘要設計了一套 1.5MW 變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)。在分 析了其控制策略的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的并網(wǎng)性能、并網(wǎng)運行后穩(wěn)態(tài)以及動態(tài)特性等進行了試 驗研究，結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠在發(fā)電機設計的速度范圍內(nèi)實現(xiàn)軟并網(wǎng)，輸出有功、無 功功率可以獨立調(diào)節(jié)，適合于 1.5M

2、W 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞:風力發(fā)電變速恒頻雙饋發(fā)電機 交/直 /交變流器中圖分類號: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，風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展迅速1,兆瓦級變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組 在風力發(fā)電中得到了廣泛的應用，目前已經(jīng)成為世界各國風力發(fā)電場 的主流機型。 變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)按功能可 以劃分為發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)、槳距控制系 統(tǒng)以及主控系統(tǒng)三部分，其中發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)是整個機組機電能量轉(zhuǎn)換的核心, 勵磁控制技術(shù)是其中的 難點。為實現(xiàn)大功率風電機組勵磁控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化，研究大功率變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)的勵磁控制技術(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 風力發(fā)電機組的勵磁控制系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上進行了一系列的試驗研究。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)上的試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有 能量雙向流動的能力，其輸 出功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，能滿足風力發(fā)電的系統(tǒng)變速恒頻運行需求，是一套適合于 1.5MW 雙饋風力發(fā)電機組的勵磁控制系統(tǒng)。2 勵磁控制系統(tǒng)原理變速恒頻雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)的勵磁控制是通過連接在雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器來實現(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國家科技支撐計劃資助項目（20

7、06BAA01A19。收稿日期 2007-08-20 改稿日期2008-03-18第 24 卷第 2 期苑國鋒等 1.5MW 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)試驗研究 43所示，其勵磁控制主要包括連接在雙饋發(fā)電機轉(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)控制三個部分。電網(wǎng)1-1- - 1 1- -1電網(wǎng)圖 1 雙饋發(fā)電機勵磁變頻器框圖Fig.1 Excitati on converter structure of DFIG system 2.1 雙饋電機數(shù)學模型雙饋發(fā)電機是一個非線性、強耦合、多變量的系統(tǒng),其機電能量的轉(zhuǎn)換是通過基波磁場來完成的，因此為了簡化數(shù)學模型，通常

8、只考慮雙饋發(fā)電機氣 隙基波磁場的 作用，并忽略鐵損和鐵磁的非線性、繞組的集膚效應以及定轉(zhuǎn)子繞組電阻的溫升，據(jù) 此在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，當定子和轉(zhuǎn)子都取電動機慣例時，雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型為 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)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；3s 步角速度；3sl 轉(zhuǎn)差角速度；p n-極對數(shù)；D 微分算子。2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制策略當把同步旋轉(zhuǎn)坐標系的 d 軸定向在定

10、子磁鏈上 時，定子磁鏈的 q 軸分量書 sc 為0。式(5式(9 可簡化為書 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。進一步推導可得發(fā)電機定子輸出的有功功率和無功功率的表達式(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)電機定子的有功和無功功率。當定子廣義勵磁電流保持恒定時，發(fā)電機的 有功功率正比于 i rq ,無功功率由 i rd 決定,分別控制轉(zhuǎn)子 dq 軸電流就可實現(xiàn)發(fā)電機的有功功率和無功功率的解耦。在經(jīng)

12、過前饋補償去除由反 電動勢引起的交叉耦合項后，可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的 dq 軸分量分別控制發(fā)電 機的有功功率和無功功率。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)學報 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力發(fā)電勵磁控制系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)整流器的主要作用是在能量流動過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)坐標系下建立網(wǎng)側(cè)電壓型 PWM 整流器的數(shù)學模型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 負載電流。當把同步旋轉(zhuǎn)坐標系的 d 軸取為與 A 相電壓相 量重合時，網(wǎng)側(cè)整流器輸入有功 功率和無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，當電網(wǎng)電壓恒定時，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)過起動

15、和并網(wǎng)運行兩個階段。在起動階段，當風速達到切入風速 且風輪機帶動發(fā)電機升速達到發(fā)電機的最小運行速度時,勵磁變頻器投入工作，控制定子繞組的空載 端電壓跟隨電網(wǎng)電壓，并迅速達到同步，此過程中 發(fā)電機采用電壓控制，即發(fā)電機處于空載狀態(tài)，通過控制轉(zhuǎn)子勵磁電流的幅值、相位 和頻率使并網(wǎng)條件自動得到滿足。進入并網(wǎng)運行階段后，控制器根據(jù)實際的風速和 電網(wǎng)的要求動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出的 有功功率和無功功率。3 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文研制的 1.5MW 變速恒頻雙饋異步風力發(fā)電機勵磁控制試驗系統(tǒng)框圖如圖 4 所示。該勵磁控 制系統(tǒng)由 1.5MW 雙饋發(fā)電機、交直交雙向變流器、濾波器、雙數(shù)字信號處理器(Digital Si

16、g nal Processor , DSP控制器、并網(wǎng)裝置以及保護裝置構(gòu)成。試驗系統(tǒng)中的拖動變頻器采用西門子 6SC2323- ODE 電流源變頻器，拖動電動機型號為 1LA1567 4QK402,額定功率 2MW試驗系統(tǒng)的發(fā)電機采用蘭州電機責任有限公司制造的雙饋風力發(fā)電機，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 期苑國鋒等 1.5MW 變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組勵磁控制系統(tǒng)試驗研究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 雙饋異步風力發(fā)電勵磁控制試驗系統(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)電機額定功率轉(zhuǎn)速點為1800r/min。連接于雙饋風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)之間的雙向變流器由兩個結(jié)構(gòu)完全相同的三相全控橋通過直流 母線以背靠背形式組成，分別置于電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機 的轉(zhuǎn)子側(cè)；變流器開關(guān)器件選用 1700V 等級的絕緣 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 DSP 和 TMS320VC33 浮點 DSP 構(gòu)成控制核心，其中 LF2407A 主要負責與外設之間的數(shù)據(jù)交換、脈寬調(diào) 制（Pulse Width Modulatio n, PWM 信號以及并網(wǎng) 解列信號的生成，VC33 主要用于核心算法的實現(xiàn)。為了保證變流器具有較強的抗電磁干擾能力和故障保護能力,主控制器與變流器主回路開關(guān)器件的驅(qū)動電路之間全部采用光纖通信，變流器主回路的傳感器信號與主控制板之 間也米用光電隔離。并網(wǎng)裝置正常運行時接受來自控制器發(fā)出的并網(wǎng)或者解列信號正常并網(wǎng)解列，如果雙饋發(fā)電機組的

19、線路或機端發(fā)生線間或?qū)?地短路以及因轉(zhuǎn)速過高 或過低造成發(fā)電機轉(zhuǎn)子過壓等故障時，位于發(fā)電機 轉(zhuǎn)子側(cè)的保護裝置投入并封鎖變流器，同時控制器發(fā)出解列信號斷開定子側(cè)的并網(wǎng)接觸器，使 發(fā)電機脫離電網(wǎng)。4 試驗結(jié)果本節(jié)將給出所研制的 1.5MW 變速恒頻雙饋勵磁控制系統(tǒng)并網(wǎng)性能、動靜態(tài)性 能等方面地面模擬 試驗的結(jié)果。除了特殊說明以外，本試驗中的試驗 結(jié)果采用 YOKOGAWA公司示波錄波儀 DL750 進行記錄。4.1 并網(wǎng)性能試驗風力發(fā)電機的并網(wǎng)特性是風力發(fā)電系統(tǒng)的一個重要性能指標,為此本文進行了發(fā)電機系統(tǒng)的并網(wǎng)試驗，通過檢測并網(wǎng)時的定轉(zhuǎn)子沖擊電流測試并網(wǎng)性能。圖5給出了發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)在 180

20、0r/mi n圖 5 發(fā)電機并網(wǎng)試驗 Fig.5 Synchronization experiment46 電工技術(shù)學報 2009 年 2 月時并網(wǎng)試驗的試驗結(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)時輕微振蕩后迅速恢復正常，該試驗表明所研制的勵磁控制系統(tǒng)可以控制發(fā)電機定子端電壓和電網(wǎng)電壓在幅值和頻率方面具有很好的一致性，嚴格滿足并網(wǎng)條件，在系統(tǒng)設計的 轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)可以實現(xiàn)軟 并網(wǎng)。4.2 穩(wěn)態(tài)性能試驗圖 6 給出了勵磁控制系統(tǒng)并網(wǎng)運行的試驗結(jié)果。圖 6a 是亞同步速 1200r/min時的試驗波形，此時發(fā)電機的定子輸出有功功率和勵

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 設計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 運行時的試驗(a 1200r/min 亞同步速運行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

22、ut positi on sen sorC.IEEE-IAS Ann ual Meet ing, Oct. 1999. 4 Pe na R, Clare J C, Asher G M. Doubly fedinduction generator using back to back PWM converter and its application to variablespeed wi nd en ergy gen erati on J. IEE Proceed ing on Electric Power Applications, 1996,143(3: 231-241.圖 8 發(fā)電機轉(zhuǎn)速

23、從超同步速下降到亞同步速的 試驗波形 Fig.8 Rotationspeed varying from super-synchronization to subsynchronization experiment 5苑國鋒，柴建云，李永東.變速恒頻風力發(fā)電機組 勵 磁變頻器的研究J.中國電機工程學報，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(

24、8: 90-94. 6 黃科元，賀益康，胡奇峰.交流勵磁 用三相 PWM 整流器的研究J.浙江大學學報，2004, 38(1: 48-51. Hua ng Keyua n, He Yika ng,Hu Qife ng. Study on excitati on con verter of variable speed con sta nt frequency windgeneration systemJ.Journal of 5 纟吉論 為實現(xiàn)大功率風電機組勵磁控 制系統(tǒng)的國產(chǎn) 化，本文研制了一套適用于 1.5MW 變速恒頻雙饋 風力發(fā)電機組的 勵磁控制系統(tǒng)。對其控制策略進行 了研究，并在此基

25、礎(chǔ)上進行了系統(tǒng)的并網(wǎng)、負 載運行、變速運行以及功率因數(shù)調(diào)節(jié)試驗。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有功率雙向流動的能力，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，能滿足風力發(fā)電的變速恒頻的要求，適合大容量變速恒頻雙饋風力發(fā)電機組勵磁系統(tǒng)的配套。參考文獻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.作者簡介 苑國鋒 男，1979 年生，博士，主要 研究方向為變速恒頻風力發(fā) 電系統(tǒng)控制技術(shù)。李永東男，1962 年生，博士，教授，博士生導師，主要研究方 向為電氣自動化和電機控制。