控制定桨恒速风电机组变速运行的变频和励磁系统

控制定桨恒速风电机组变速运行的变频和励磁系统 控制定桨恒速风电机组变速运行的变频和 励磁系统 第25卷第7期 2009年7月 电力科学与工程 ElectricPOwerScienceandEngineering VO1.25,NO.. Ju1..2009/ 控制定桨恒速风电机组变速运行的变频和励磁系统 解大,张延迟,龚锦霞 (1.上海交通大学电气工程系,上海20024O;2.华东理工大学自动化系,上海200237:3.上海电机学院 电气工程系,上海200240) 摘要:针对定桨距恒速型风力发电机对风能的利用效率较低的问题,提出了采用一种新型变频和励磁系统 将其改造成为变速风力发电机的方法.的新型可消谐励磁调节系统用于定桨距恒速风力发电机励磁, 与风力发电机接入电网的变频器进行协调控制,可使风力发电机根据风速变转速运行,大大提高了对风能 的利用率.同时,本励磁调节系统可消除谐波的特点降低了变频器产生的谐波对风力发电机的不利影响, 提高了风力发电机系统的性能价格比. 关键词:风力发电机;定桨距恒速型;风能利用率;励磁调节;协调控制 中图分类号:.I'M7l2;.IM614文献标识码:A O引言 作为一种重要的可再生能源技术,风力发电 装机容量在中国截止到2007年已达到5Gw. 早期的风力发电机大多采用异步式感应电机,其特 点是定桨距,恒转速,可靠性高,造价较低,运行 及维护简单,是当前中国各风电场的主要机型. 但此类风力发电机的转速受到电网频率的钳制,不 能根据风速的变化最大限度地利用风能p. 有文献研究指出,定桨距恒速风力发电机采用 交一直一交整流逆变后接入电网的方式可使机组变 速运行,从而提高风能利用率M].因这种发电机 需从电网获得励磁,所以整流/逆变器必须是四象 限可逆型,对整流/逆变器的技术性能要求较高. 也有研究文献采用柔性直流输电VSCHVDC将风 力发电机接入电网,其整流侧可以是多风力发电机 并联后接入,或者分散的风力发电机分别整流后在 直流侧并联,也可以解决变转速的问题叫. 在对应用可行性进行了充分讨论并对比了交一 直一交变流器的基础上,本文考虑在风力发电机侧 采用不控整流方式进行整流,然后通过Vsc控制 方式逆变接入电网的变频器技术,这样可使得变频 器的造价大为降低.发电机励磁则采用一种新型的 可消除谐波的励磁调节装置,协调控制励磁调节与 变频器的运行方式,从而达到风力发电机变速运行 和最大利用风能的效果.此励磁调节器消谐的特性 能同时也降低了不控整流产生的谐波对于风力发电 机的不利影响.从实际情况看,此方案针对国内 600,750kw风电机组改造成本低,运行方式多 样;从整个风力发电的控制系统看,可较大幅度地 提高控制系统的性价比. 1风电机组的接线及运行形式 1.1风电机组的接线形式 通常的异步式感应风力发电机是直接接入电网 的,为补偿无功功率,一般要在接入点并联补偿电 容.本文改进为变速型的风力发电机组接线图如图 1所示.它包括三个部分: 收稿日期:2009一o4一l1. 基金项目:上海市教委重点学科"电力电子与电力传动"的支持(J51901) 作者简介:解大(1969一),男,上海交通大学电气工程系副教授. L.一一一一.....J 图l风电机组接线图 8电力科学与工程2O09年 (1)异步感应式风力发电机. (2)变频器:整流/逆变装置. (3)可消谐励磁调节装置. 其中,异步感应式风力发电机即为定桨恒速型 风力发电机,它与系统通过一台全功率的整流/逆 变器相连接,整流侧采用不控整流方式,逆变侧通 过控制跟随系统的频率.可消谐励磁调节装置通过 开关控制其与系统或风力发电机相连.图1中省略 齿轮箱等机械连接部分. 1.2变速型的风力发电机组的运行方式 上述改进的变速型的风力发电机组的运行方式 有以下两种: (1)恒速异步机运行方式:控制上述的2,3 部分退出运行,投入K,和K:.此时异步感应式风 力发电机直接接入系统.此运行方式可作为2,3 部分维护或检修状态时的运行方式. (2)变速异步机运行方式:上述风力发电机组 运行时,首先控制开关K:闭合,采用软启动方式 为新型可消谐励磁调节装置的储能电容充电;充电 完成断开K:,且使K闭合为风力发电机励磁.此 时控制整流/逆变器运行,将风力发电机产生的电 能输送到系统侧. 本文仅讨论第二种运行方式. 2新型变频和励磁系统的原理和控制 新型可消谐励磁调节装置的原理结构如下图2 所示(即图1中的部分3). 图2中,.,,;"分别为风力 发电机输出的三相电流和机端三相电压.f.咖为可 消谐励磁调节装置的三相输出电流.(为需要提供 的励磁电流,(为需要满足直流母线稳定的有功 损耗电流值,r为计算所得到的滞环比较参考电流. 可消谐励磁调节装置的控制需要与变频器协调 进行,主要控制算法包括5个部分. 2.1直流侧电压控制 通过控制使电源侧向电容注入适当的能量,以 补偿电力电子器件开断所消耗能量的损耗,维持直 流侧电压的稳定n. 实际补偿装置存在的损耗功率在一个周期内的 积分不为零,会引起电容电压周期值的变化.电容电 压周期值的变化反映了逆变器两侧有功功率的传递. 在其交流侧由电源输入有功电流以补偿开关器 件的损耗.交流侧补偿功率一个周期内的积分为 一ldf:I(sm())df= d.6.c ??(1)' 口,6,c 直流侧电容电压一个周期内的能量变化可表示 为 1 Qd.=?c((n1)一魄()(2) 将式(1)和式(2)联立,补偿目标为使两式 相等.以一个工频周期为单位,可以计算交流侧等 效补偿有功电流的大小.由此,可以设计直流侧电 压的单周期控制.如图3所示,对电容电压进行周 期采样,通过比例积分环节将采样得到的电压比较 值修正后可以得到损耗电流的幅值大小.损耗电流 与系统电压同相位,保证其为等效有功电流.控制 图2可消谐励磁调节器原理框图 第7期解大,等控制定桨恒速风电机组变速运行的变频和励磁系统9 有功的传递情况,即可保证直流侧电压稳定在某一 值附近. 由图2中的I部分和图3可以看出,直流侧电 容电压的调节形成负反馈. 图3直流侧电压控制 2.2励磁调节控制 本部分算法实现跟踪变速风机的输出频率,检 测风机所需的励磁电流,输出相应频率的无功电流 满足风机的励磁需要.如图2中的II部分. 利用三角函数系的正交性求取无功电流作为励 磁电流.在一个周期积分平均以提取基波无功电流 分量的幅值,其值为式(3)所示的计算结果的2 倍,其中'(f)=cos(?f). 1^1 g=专J(r)(f)dr=}五sin(3)- 2.3谐波补偿控制 如图2中的I?部分.根据实际情况,取为5, 7,l1,l3.这一部分主要为消除变频器不控整流 部分产生的谐波,降低不控整流产生的谐波对于风 力发电机的不利影响.通常在谐波检测环节需加上 限幅环节,以防止负荷突变的影响,起到保护电路 的作用.谐波电流的提取如式(4),为工频周期, 七为谐波次数. (f)=cos(七09f)+sin(七6c)f)(4) 式中弓-j.(力c.s;辟.i.(s. 2.4可变频率的锁相环 由于风机变速运行,因此励磁电流频率应跟随 其变化,故需要在变频的条件下仍能准确地检测电 流的瞬时电角度.可变频率锁相环原理如图4所示. 设,,为三相电压瞬时采样值.为采 样周期;G.为开环增益. ,,_】一1/2—1/2]亏l0一 /2/2J'5) ,?L=一?2. ? PI环节为+(岛),=,(兀/2),?r+为锁 相环输出;?什为输入时刻的口相系统基波角度. 经过傅立叶变换,三相输入可表示为式(6). =+cos(?什I)+?cos?,+)(6) 其中七=口,6,c;己,,己,,分别为输入 量中的直流分量,基波分量幅值,次分量幅值, 基波分量相角和次分量相角.且如式(7)的计 算,均有基波相位关系(=1,2,3,…,) I=+(2尢/3), 根据,g三角坐标变换的意义,得,如 式(8).将计算得到的电角度进一步处理得到在一 个采样周期?内,相电角度的变化可表示如式 (9).通过低通滤波,可得直流分量如式(10). ? = -[cos(sin(甜 [一siIl(?)一cos(?什)] 蜀=sin(一)(10) ^口 稳态时,.,0.表示的是瞬时角速度, 经过积分环节即锁定基波正序瞬时电角度. 2.5系统协调控制与保护 变频器输出的控制,可根据参考有功功率计算 输出电流的幅值,通过锁定系统电压的相位,生成 参考电流.附加控制可同时加入直流侧电压控制环 节,维持直流侧电压的稳定. 对于风机系统动态过程,可以采用软启动方式 避免系统过大的冲击电流;对于励磁电流的瞬变, 本设计的励磁调节装置通过稳定直流电压作为冲击 储备即可满足其动态响应. ,L + ll 1?,??,?J: 10电力科学与工程20o9年 系统保护策略:可通过投入和,异步感 应式风力发电机直接接入系统,使风力发电机进入 恒速异步机运行方式.通过运行方式的选择,可以 灵活应对系统内部故障等因素的影响. 3仿真结果与 t 3.1恒速异步机运行方式 投入和,未投入新型可消谐励磁调节装 置时,发电机处于恒速异步机的运行方式.此时发 电机输出电流与电网同频,并从系统吸收大量无功 电流以提供励磁.发电机的输出电流如图5所示. ? 蔷 t|s 图5恒速异步方式下未补偿前风机出口处的电压和电流 和闭合时,仅投入新型可消谐励磁调节 装置时,发电机处于恒速异步机的运行方式.此时 发电机输出电流与电网同频,风机系统所需要的无 功功率由励磁调节装置提供.此时,发电机的输出 电流如图6所示,补偿后电流与系统电压相位一致. t 图6仅投入励磁调节装置时风机出口处的电压和电流 3.2变速异步机运行方式 (1)稳态仿真结果 断开,且使闭合.投入的新型可消谐励 磁调节装置只提供励磁电流且未补偿谐波.此时发 电机处于变速异步机的运行方式,此时发电机输出 频率与输入风速有关.此时,发电机的稳态输出电 流如图7所示,发电机输出电流含有大量的谐波, 这些谐波对发电机的定子有很大的危害.分析其特 征次谐波含量为5,7,l1,13次谐波. 对风机的输出电流进行谐波补偿后,风机稳态 输出电流放大曲线如图8所示. 仿真设输入风速为l2.5m/s,可得风机输出电 t|s 图7变速异步方式下未考虑谐波补偿的发电机稳态输出 t}3 图8变速异步方式下考虑谐波补偿的发电机稳态输出电流 流频率为92.4Hz.此时稳态时逆变器侧输出的系 统侧三相电流如图9所示.从仿真图中可见,增加 本装置可使得输出功率有明显的增加. tl 图9变速异步方式下的系统侧稳态电流 (2)功率动态变化仿真 首先,闭合并为储能电容充电.充电完成 后在1s时断开,且使t闭合投入新型可消谐 励磁调节装置为风力发电机提供励磁电流.变频装 置投入运行,发电机进入变速异步机运行方式.整 个过程中系统侧有功变化如图10所示,无功变化 如图11所示. ? 2 0 — 2 — 4 — 6 — 8 2 O 一 2 一 d 一 6 — 8 s 图1O有功功率变化曲线 t|s 图11无功功率变化曲线 留差Id 第7期解大,等控制定桨恒速风电机组变速运行的变频和励磁系统 整个过程中系统侧无功在O.7s和1s时有明 显的变化.稳态时风机输入到变频器中的无功功率 接近于零. 4结论 通过以上分析可知,本新型可消谐励磁调节装 置的应用具有以下优势: (1)通过协调控制励磁调节与变频器的运行, 可以实现定桨距恒速风力发电机的变速运行,可根 据风速变化最大程度地吸收风能,提高了风力发电 机的能量转换效率. (2)变频器整流部分采用不控整流,逆变部分 控制简单,可大大降低变频器成本:同时,其谐波 控制算法可大大减小谐波对风力发电机的影响,提 高控制系统的性能. (3)控制策略可在定桨距恒速方式与定桨变速 方式中选择,具有更大的灵活性和可靠性. 参考文献: [1】xuH0nglnla,Gu0Jindo玎岛ECh岫liang,111eresearch0n thedevel0pmemOfwOrldwidewin_dp0wcrtechniquesand 如turedevel0pmentin0llrc0u啷r[J】.Chinesewillden- e2o05,(2):40-42. [2】王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2003. [3】BaylessRS,SelInanJD,1hla)【DE,eta1.C印acitor StchingaIldTransf0merTransiems[J].IEEETraTlsacti0ns 0nPowerDelivel988,3(1):349-356. [4】孙建锋.风电场建模和仿真研究[D】.北京:清华大学,2o04. 【5】董萍.风力发电系统的建模,控制及其仿真研究[D].广 东:华南理大学,2005,5. [6]Rai咖balChe1lamutbuC.Modelingandsimu1ati0nof dco衄ectedwindelectricgeneratingsystem[c].Pm- ceedingsOfIEEETENC0N,20O2. [7】h仉?lLERS,DEICKEM,DED0NCKERRw.Doubly fedinducti0ngeneratorsystemforwindturbines[J].IEEE dus廿y,AppIicatj0nMagazine,2002,8(3):26233. 【8】魏晓光,汤广福,魏晓云,等.VSC-HVDC控制器抑制 风电场电压波动的研究[J].电工技术,2o07,22(4): 15O.156. 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AnExcitatiOnandC0nVerterSystemf0rCOntrollingFixedSpeedandFixed Pitch,矾nd1,IrbinestOV_ariableSpeed XieDa',ZhangYancG0ngxla' (1.D印amnentofEIec仃icalEngineering,Shangl1aiJia0tongUniversiShan曲ai200240,China;2D印mem ofAut0mad0n,EastChiilaUniverSofScienceandTec1lno1ogSh叠u培hai2o0237,China;3.D印anrnent0f Elec仃icalEng耐ng,ShanghaiDi柚jiuIliverssh阻glmi2O0240,China) Abs仃act:rIkmaiIlpr0blemoftl1ef?edpitchandfixedspeedwindturbillessystemismel0wavailabilofwind energThebestsolutiOnist0changeitt0Variablespeedwindturbinessystem,andtoimerco衄ectittOpower 鲥dthroughrectiingcuitandinvefterullit.Intlliswork,a?cw-styleepmentwasdesiedwllichcan regulatetlleexci诅tioncun.entandeliminatetheh锄onicc町ent.ncanc0ntmlco0rdinatelywi廿1merectifierand inVertIIlthispr0p0sedsystem,?ler0tadngspeed0fthegenemt0risvdble,andmeaVailabili 哆ofbomwind ene礓alldgeneIa1nrisimpr0,,ed.And?leexci0nregulatingequipmemcana1soeliminatetheha册oniccurrent causedbytherectifierandinverter'whichcanst印d0wnmedetrimenttomet0】.que0ftllegeneratorandimprove meped-01如舳ce-cOstratiOOfmewh0lesystem. Keywords:w砒tll】ines;fixedpitchandfixedspeed;availabili够ofwindenergy;excionregulati芏lg; c0ntm1c00rdinately