双馈风电系统中双级矩阵变换器的应用研究

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第4罢(镶21期)(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)防爆电机双馈风电系统中双级矩阵变换器的应用研究肖永涛,岳舟.湖南人文科技学院,湖南娄底(417000)摘要双级矩阵变换器(TSWC)作为一种极具潜力的新兴的电力变换器件,具有非常优越的性能。针对传统变频器在变速恒频的双馈风力发电机励磁系统中应用不足,引入TSMC来作为双馈风力发电系统的励磁电源,根据变速恒频的双馈电机的工作原理,提出了一种基于同步旋转坐标系d.q轴变换的双空间矢量调制的TSMC闭环控制策略对发电机的转子励磁电压进行控制,大大简化并优化了变速恒频的双馈风电机励磁系统信息量的算法和结构。最后仿真实验验证了TSMC在变速恒频的双馈风力发电机励磁系统中应用的优越性和可行性。关键词变速恒频;g2馈风力发电机;双级矩阵变换器;闭环控制中图分类号’m3O1.2TM315文献标识码A文章编号1008-7281(2009)02-0035-05ResearchonApplicationofTwo·StageMatrixConverterinDoubly-FedⅥndPowerGeneratorX/aoYongtaoandYueZhouAbstractTwo—stagematrixconverter(TSMC)-asakindofpotentialandnewehc-tricitychangingdevice-hasveryadvantageousfunction.Fromtheshortcomingsofthetra-ditionalconverterinvariable·-speedconstant-·frequencydoubly-fedwindpowergeneratorexcitationsystem,thispapercitesaTSMCastheexcitationSOlllX3eofit.Accordingtotheworkingpnncipleofvariable—speedconstant—frequencydoubly—fedgenerator-akindofTSMCclosed-loopcontrolstrategymodulatedbydouble—spacevectorispresentedtocontrolexcitationvoltageofrotorbasedondqaxischangingofsynchronousrotatingcordinate.Sothecalculatingmethodandstructureofthissystemininformationquantityissimplifiedandoptimizedgreatly.Finally-themodelingexperimentimprovedtheadvantageandfeasibility0fMC.KeywordsVariable·speedconstant—frequency;doubly-fedwindpowergenerator;two-stagematrixconverter;closed—loopcontro1.交一交变频器、交一直-交变频器,其中交.交变频器0引言是一种由反并联的晶闸管相控整流电路构成的风能作为一种可再生能源近年来受到广泛的交一交直接变换型的变频器,输出电压中低次谐波重视,风力发电愈来愈高技术化、高性能化。交流含量大,通过定转子之间的气隙磁场可以耦合到励磁变速恒频的风力发电系统采用双馈型异步发定子端,严重影响到发电质量,必须进行谐波抑电机(DFIG)是20世纪末发展起来的一种全新高制,并且这种变换器结构和控制复杂,限制了其在效发电方式,与恒速恒频发电技术相比具有显著风力发电领域的应用。通用交-直一交变频器采用的优越性:大大提高了风能的转换效率,显著降低二极管调控整流,电网输入侧功率因数低,电流存了由风施加到风力机上的机械应力;通过对发电在畸变和谐波,重要的是这种变换器开关频率太初转子交流励磁电流幅值、频率和相位可调的控低,动态响应慢,不具备能量双向流动HJ,因此在制,实现了变速下的恒频运行;通过矢量变换控制双馈电机交流励磁应用中也受到了一定限制。双或其它控制策略还能实现输出有功和无功功率的级矩阵变换(TSMC)是一种无直流滤波元件的交一控制,提高电力系统的调节灵活性和动、静态稳定直一交电力变换拓朴电路,具有拓朴结构简单,功性。率电路紧凑,易于集成化和模块化等特点;优良的目前双馈电机交流励磁用的变换器主要有:输入输出性能,输出电压幅值、频率调节范围广,35 防爆电机(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)第424o卷o9(盖骞期)输出频率不受输入频率限制,可获得正弦的输入、态,有<0,s<0,P2<0,此时发电机同时由定子输出电流,对电网无谐波污染;控制自由度大,能和转子发出电能给电网,变换器的能量逆向;当量可以双向流动,系统可靠,开关损耗低l4]。因=时,处于同步状态,此时发电机作为同步电此,将TSMC应用于双馈风电系统的励磁将是一机运行=0,s=0,P2=0,变换器向转子提供直种理想的励磁电源形式。流励磁,两者之间无功率交换。本文从双馈发电机交流励磁变速恒频发电运由此可见,当发电机的转速n即变化行原理出发,就励磁用变换器的要求,对双级矩阵时,若控制相应变化,可使保持恒定不变,即变换器的工作原理、其在交流励磁变速恒频发电与电网频率保持—致,也就实现了变速恒频控制。励磁应用中的控制及其仿真展开研究。从交流励磁发电原理可知,励磁用变换器应满足:为追踪最大风能并最大限度地减少励磁变1双馈风力发电机工作原理换器容量,需要发电机在同步速上、下运行,要求双馈风力发电机结构原理如图1所示。发电变换器具有能量双向流动的能力;为了确保发电机为三相绕线式异步发电机,双馈是电能分别馈质量,励磁变换器要有优良的输出特性,即输出电人电机的定子绕组和转子绕组⋯,定子绕组并工压基波成分大且具有正弦脉宽调制波形,谐波成频电网,转子绕组外接输出频率、相位、幅值、功率分小且频率高;为了防止变频器对电网的谐波污都可以调节的励磁用变换器(本文采用的是染,要求变换器有良好的输入特性,即要求输入为TSMC)。正弦的电流电压,输入的功率因数接近为1。电网2双级矩阵变换器的励磁与控制风2.1TSMC的拓扑结构及调制策略TSMC同传统的交.直一交变换器拓扑结构相似(图2中TSMC主电路框):包含交一直(网侧整流)和直-交(转子侧逆变)两级变换电路,不同的馈发电机是其直流侧不需要滤波元件,整流级和逆变级采图1交流励磁双馈发电机原理用双向开关(由2个单向开关组成),在一定的约当风速变化引起发电机转速11,变化时,控制束条件下可以将其开关数量降低为18,12,转子电流的频率可使定子电流频率恒定,两9个[33。TSMC采用双空间矢量(SVM)调制策频率之间存在下列关系略:将SVM技术用于整流级,可获得对称正弦的{=±输入电流和可调的功率因素;将SVM技术用于逆式中,一电机极对数—转子机械频率。决定变级,转子可获得所需的频率、幅值可调的对称正于发电机转子的转速n=n160。弦输出的三相交流励磁电流,具体调制策略详见设P,为定子输出电功率,P2为转子输入功文献[4]。率,s为滑差率,在不计损耗的条件下则有P。一TSMC的两级变换关系为sP:,当发电机的转速n小于定子旋转磁场的转速Uo=TUi(2)n。时,处于亚同步状态,有>0,s>0,P:>0,此式中,一三相输入相电压;—输出线电压;Tm时变换器向发电机转子提供交流励磁,由发电机TSMC的调制变换矩阵引。定子发出电能给电网;当凡>时,处于超同步状cos(tOot-~Po+30~)=,,.、,一.⋯、,]×【-c:os(tO:~t二-:tpl:三-。12。0。~)]=r、式中,—输入电压角频率;—输出线电压初相位;。—输出电压角频率;i—输入功率因数角; 第4(骞期)(EXPLOSION-PROOFELECTRICMACHINE)防爆电机m=mm—Mc调制系数;—整流级开关函下,。为一常值。数;—逆变级开关函数。采用双空间矢量(SVM)策略的TSMC能实现当输入电压是三相对称正弦,式(2)可变为如下功能:(1)根据输入电压判断当前区间,从而rcos(∞0t一0+30。)]确定整流级开关组合状态,并根据参考三相相电uo=mICOS(to0t一0-90。)IUd=Ud~压瞬时值计算2个线电压的占空比;(2)根据给定的调制系数m和频率,确定逆变级电路的开关LCOS(too一+150。)J"3t组合状态;(3)根据空间矢量调制模块输出的整式中,Uric=÷mcos(),当输人电压幅值流级和逆变级的开关组合状态以及占空比输出对调制系数m、输人功率因数角不变的情况应的开关控制信号。电网图2基于d、q坐标系的TSMC闭环控制控制系统框图2.2TSMC的动态控制模型TSMC采用基于同步旋转坐标系由轴变换的交流励磁变速恒频的风力发电系统中,在以TSMC闭环控制策略,系统控制框图如图2所示。定子电源角频率to,速度旋转的同步由坐标系图2中,abc—dq模块为三相静止abc坐标到两中,根据发电机惯例描述的双馈发电机模型的定相同步旋转由坐标的变换模块。由于PI控制器子电压方程、转子电压方程、转子磁链方程、电磁难以实现对正弦指令的无静差跟踪,为了获得更高转矩方程、运动方程及定子磁链矢量比定子电压的控制精度,可以通过三相静止abc坐标系到两相矢量超前90。等关系经变换可得转子电压在由坐同步旋转由坐标系的变换,将三相正弦量转换成标轴上的方程式¨适合PI控制的直流量,以实现系统对正弦指令的fM由=(,+bp)i由一bto⋯i⋯无静差跟踪。设给定发电机转子励磁电压为【u=(R,+bp)i一ato+btoidrluAlrcos(toot+1)]式中,R,—转子电阻;口、6一系数;p—微分算子;=IUBl=Icos(toot+-一2)I(4)idri,—转子电流在由轴上的分量;一定子磁L.JLcos(toot+l+2~r/3)j链矢量;=∞。一∞,∞一定子角速度;∞:—转子式中,一给定转子励磁电压的幅值,一给定角速度。式(3)组成了矩阵变换器励磁控制的基本初始相位角。利用空间合成矢量相等的原则,三关系,据此可对TSMC进行相应的协调控制。本文相静止abc坐标到由坐标的变换矩阵为『_cos8,cosf一)cosf。+)]由fn。.sinf孥1一sin(”孥1l37 防爆电机(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)第424O卷09(盖骞期)0为t时间内由坐标系相对口轴所转过的角度,即0,=/.9t。由此可以得到发电机转子励磁电压在dq坐标上的量为=(6)从式(6)中可以看出M、为恒值,两者包含了转子励磁电压的幅值和相位信息,对口6c一由一变换矩阵c。k一由中0。的设定则可以确定转子励磁电压的频率。同理,TSMC逆变级三相输出线电压经dg变换后变成直流量UdxU,包含了输出电压的幅值和相位信息。分别将d轴和q轴上的给定量和反馈量进行比较后得到误差△=u一“d,3u=Uq一M,控制器根据误差的量进行计算,输出控制量mm。,以合成逆变级输出电压的参考空间矢量。其幅值和相角计算如下厢J0日苫jo日m(7)10o=COot+arc式中,m—逆变级的调制系数;0o—输出电压空间矢量的瞬时相位。由可以计算得到参考矢量一所在扇区及扇区角0就可得到所需开关状态及相应占空比。3仿真研究为了验证上面理论分析的正确性,本文在Matlab/Simulink平台下进行了仿真研究,系统的仿真参数为:额定功率P=2.8kW;额定电压=llOV;额定频率f=50Hz;电机极对数=2;定子2.322-332_342_352l36绕组电阻R=0.419~;转子绕组电阻R=(c)发电机亚同步运行状态时电网电压与TSMC输入0.8371"1;定子绕组漏感L=2mH;转子绕组漏感电流的波形L,=1.8mH;互感L:67.31mH;转动惯量J=21.079kg·Ill。謇所用风力机参数为:风轮半径R=2.1m;最佳口a【工_叶尖速比值A=9;最大风能利用系数值0c一=0.42;图3(a)励磁绕组从TSMC逆变级获得的正弦三相电流波形,(b)、(C)分别为双馈电机分别运行在超同步速2000r/min、亚同步速1600r/min时电网电压和TSMC整流级从电网取得的电流波形,DFIG励磁电压、电流和定子输出电流的仿真波形。38 防爆电机(EXPLOSION—PROOFELECTRICMACHINE)第盖磊期)机,因电机发热量大,需采用内、外两个风路冷却,3结语即电机内循环为自带风扇冷却,外循环可根据负载不同采用自带风扇冷却或外加独立强迫风机冷综上所述,在实际应用过程中需综合考虑变却。这种结构的机座主要采用轴向通风的通风结频调速电机的负载类型、环境条件、气候条件、现构。其特有的圆筒形结构,特别适合隔爆型产品场条件、频率范围和变频调速电机结构等诸多因的变频调速电机,随着Y2系列高压电机的广泛素来选择变频调速电机冷却方式,这样才能保证应用,这种机构的变频调速电机应用更加广泛。变频调速电机正常的工作。文中提到的冷却方采用这种机座的变频调速电机具有结构紧凑、体式,并不是唯一的,还有多种冷却方式可供选择。积小、安装时所占空间也较小等特点。参考文献2.3箱式机座箱式机座由钢板焊接或铸铁浇铸成整体结[1]陈世坤主编.电机设计.北京:机械工业出版社,构,可以根据用户要求不同来更换机座上方的防2000年6月.护顶罩,加装空一空冷却器或水一空冷却器,改变电[2]IECTS60034—17.旋转电机一第17部分:变频调速器供电笼型感应电动机-应用指南(第4版)20O6年5月.机的冷却方式,通常采用的冷却方式有IC01、[3]IECTS60034-25.旋转电机-第25部分:变频调速器IC611、IC616、IC666、IC81W、IC86W,可以根据设供电专用笼型感应电动机设计与性能指南(第1版).计需要改变电机的通风结构,可以制成轴向通风、2004年4月.径向通风和混流通风结构,派生比较方便,这种结构的变频调速电机内部空间尺寸较大,引接线比李红军男1974年生;毕业于哈尔滨理工大学电机专业,现较容易,很适合于大容量变频调速电机的设计,电从事低压电机设计工作.机体积较大,安装所占空间也较大。收稿日期:2008-06-13(上接38页)术方案。高,功率因数接近为1。从图3(b)、(c)可看出,参考文献当电机超同步速运行时,电网电压与TSMC输入[1]贺益康,郑康,潘再平等.交流励磁变速恒频风电系电流反相,转子的能量通过TSMC回馈到电网;当统运行研究.电力系统自动化.2004,28(13):55-59.[2]许凌峰,吕跃刚,徐大平.变速恒频风机双PWM变电机亚同步速运行时,电网电压与TSMC输人电换器协调控制策略研究.华北电力技术.2008,(1):1-5.流同相,电网的能量通过TSMC馈入转子,可见[3]郭晓明,贺益康,何奔腾.双馈异步风力发电机开关TSMC励磁电源既可以给转子馈人能量,又可以频率恒定的直接功率控制.电力系统自动化.2008,32将转子多余的能量回馈到电网,实现转子功率的(1):61.双向流动,同时从图中还可以看出定子输出电流[4]邓文浪,杨欣荣,朱建林等.18开关双级矩阵变换器波形的谐波非常小。的空间矢量调制策略及其仿真研究[J].中国电机工程学报.2005,25(15):84-90.4结语[5]邓文浪,杨欣荣,朱建林,易灵芝.无功功率可控的由仿真结果可知,绿色环保的TSMC作变速双级矩阵变换器空间矢量调制策略[J].电力系统自动恒频的风力发电系统的转子励磁电源,其性能是化.2005,29(18):33-38.[6]陆城,许洪华.风力发电用双馈感应发电机控制策传统相控或斩控型交-交变频器的励磁电源所无略的研究[J].大阳能学报.2004,25(5):606-611.法比拟的,TSMC具有非常优越的输人输出特性,能满足交流励磁变速恒频的风力发电机对励磁用肖永涛男1974年生;讲师,湘潭大学电气工程在读研究生,变换器的要求。因此,TSMC是双馈风电系统理研究方向为电气工程.想的励磁电源形式,是一种有现实工程应用的技收稿日期:2008-08-25

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