基于双PWM变流器的风力发电系统控制策略仿真研究.pdf

基于双PWM变流器的风力发电系统控制策略仿真研究许素玲(云南机电职业技术学院,云南 昆明 )摘要:风力发电系统是一个复杂的能量转换系统,为了保证系统安全稳定运行,对风力发电系统进行有效控制是必不可少的.针对永磁直驱风力发电系统,采用功率外环和电流内环的机侧变流器控制策略,采用电压外环和电流内环的网侧变流器控制策略.为了达到对最大功率点(MP P T)的跟踪控制,运用变步长爬山搜索法.建立了基于该控制策略的永磁直驱风力发电系统MA T L A B仿真模型,在该控制策略下,随着最大功率点的变化,风力发电系统始终能安全稳定运行,仿真结果验证了该控制策略的正确性.关键词:PM S G;风力发电系统;双PWM变流器;控制策略中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s S i m u l a t i o nS t u d yo nC o n t r o l S t r a t e g yf o rW i n dP o w e rG e n e r a t i o nS y s t e mB a s e do nD u a lPWMC o n v e r t e r sXUS u l i n g(Y u n n a nV o c a t i o n a lC o l l e g eo fM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lT e c h n o l o g y,K u n m i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi s ac o m p l e xe n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m I no r d e r t oe n s u r e t h e s a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f t h e s y s t e m,e f f e c t i v e c o n t r o l o f t h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mi s e s s e n t i a l F o r t h ep e r m a n e n tm a g n e td i r e c t d r i v ew i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m,t h em a c h i n e s i d e c o n v e r t e r c o n t r o l s t r a t e g yo f p o w e r o u t e r l o o pa n dc u r r e n t i n n e r l o o pw a sa d o p t e d,a n d t h eg r i d s i d ec o n v e r t e r c o n t r o l s t r a t e g yo f v o l t a g eo u t e r l o o pa n dc u r r e n t i n n e r l o o pw a sa d o p t e d I no r d e r t oa c h i e v e t r a c k i n gc o n t r o l o f t h em a x i m u mp o w e rp o i n t(MP P T),t h ev a r i a b l e s t e pc l i m b i n gs e a r c hm e t h o di su s e d A MA T L A Bs i m u l a t i o nm o d e l o f p e r m a n e n tm a g n e t d i r e c t d r i v ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do n t h i s c o n t r o l s t r a t e g yw a se s t a b l i s h e d U n d e r t h i sc o n t r o l s t r a t e g y,t h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mc o u l da l w a y so p e r a t es a f e l ya n ds t a b l yw i t ht h ec h a n g eo f t h em a x i m u mp o w e rp o i n t,a n d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e d t h e c o r r e c t n e s so f t h e c o n t r o ls t r a t e g y K e yw o r d s:PM S G;w i n dp o w e rg e n e r a t i o n;d o u b l ePWMc o n v e r t e r;c o n t r o l s t r a t e g y收稿日期:引言随着能源的日益紧缺及环境污染问题的日益严重,作为可再生绿色能源的风能已受到各国的关注.风能因具有清洁环保、储量丰富、易于获取的优点而备受人们的青睐,因此风力发电技术也变得日趋成熟,与此同时,风电产业的发展也进一步推动我国实现“碳中和、碳达峰”目标的进程.目前,国内外风电行业中最常使用的风力发电机主要包括双馈风力发电机和永磁直驱风力发电机.因为永磁直驱风力发电机直接与风机连接,不需要经过齿轮箱变速,所以具有结构简单、制造方便、运维成本低、噪声小、发电效率高、故障穿越能力强、可靠性高等优点,受到国内外学者的广泛关注.为了保证系统安全可靠运行,对风力发电系统能量转换过程进行有效控制是非常关键的.本文研究了永磁直驱风力发电系统机侧变流器、网侧变流器的相关控制策略,提出了针对永磁直驱风力发电系统最大功率跟踪控制的改进方法,并在此基础上利用MA T L A B软件建立风力发电系统仿真模型,对该模型控制策略的有效性进行仿真分析.采用双PWM变流器的永磁直驱风力发电并网系统采用双PWM变流器的永磁直驱风力发电并网系统结构如图所示,它由风机、发电机、控制系统和电网组成.永磁直驱风力发电系统的双PWM型变流器包括机侧变流器和网侧变流器,它们是由个全控型功率开关器件构成的三相全桥式变流器.通过A C/D C整流装置,网侧变流器得到直流电压,提供给机侧变流器,并负责实现单位功率因数的并网控制;通过D C/A C逆变装置,机侧变电工技术自动控制 流器逆变出交流电流,提供给永磁同步发电机.图风力发电系统模型风电机组侧控制策略风机通过获取自然界中的风能,将空气动能转换成驱动风电机组转动的机械能,再通过发电装置把所获取的转动能量转换为电能.由空气动力学可知,叶片风机输出的机械功率为:PsCp(,)PwS vCp(,)()式中,Ps为风电机组输出的使能功率;Cp为风电机组风能利用系数;为空气密度;S为空气使能面积;v为空气流动速度;为风机叶片桨距角;为风机叶尖速比.当风电机组磁路处于不饱和状态时,其产生的磁场按正弦规律分布,在不考虑铁心损耗的影响下,常采用id永磁同步电机转子磁场定向控制,电磁转矩跟随定子电流的峰值成正向变化,由此实现了永磁风电机组的解耦控制.这时永磁同步风电机组在d q坐标系下的电压方程为:usqRsisqrLdisdrrusdRsisdrLqisq()式中,Rs为发电机定子电阻值;r为转子转动速率;Ld、Lq分别为发电机d、q坐标下的电感分量;usd、usq分别为发电机d、q坐标下的定子电压分量;isd、isq分别为发电机d、q坐标下的定子电流分量.对式()进行解耦,得机侧变流器的控制方程为:usdrLqisq(KpKis)(isdisd)usqrLdisdrr(KpKis)(isqisq)()在此基础上,可得到机侧变流器矢量控制策略框图,如图所示.其原理是采集发电机三相定子电流,通过a b c d q变换,输出d轴、q轴电流分量isd、isq,用来控制风力发电机的电磁转矩.外环有功电流参考值isq与q轴电图机侧变流器控制策略流isq比较,两者产生的偏差经过P I调节得到usq,该值加上同步发电机定子电压q轴分量,解耦得到usq,从而得出q轴调制电压usq.d轴无功电流参考值与d轴电流的偏差经P I调节加上定子电压d轴分量,解耦得到usd,从而得到d轴调制电压usd.d轴、q轴调制电压通过d q 变换,输 出 指 令 电 压 矢 量 分 量u、u.u、u通 过S V PW控制产生触发脉冲,从而控制机侧变流器.网侧控制策略网侧变流器在d q坐标系下的电压方程为:udR idLdiddt L iqeduqR iqLdiqdt L ideq()式中,i为三相交流电流;u为三相交流电压;e为电网系统电压;R为交流侧等效电阻;L为交流侧等效电感.从式()可以看出,ud和uq的改变能够引起id和iq的变化.但id、iq间没有解耦,不能对id和iq进行分别控制.为了使id、iq能实现单独控制,引入状态反馈策略,对二者进行解耦控制,并经过P I装置的电流控制,对其进行调节控制后得到网侧变流器控制方程.对式()解耦后得到的网侧变流器控制方程为:ud(Ki PKi Is)(idr e fid)eL iqeduq(Ki PKi Is)(iqr e fiq)eL ideq()式中,Ki P为电流内环比例增益;Ki I为电流内环积分增益;idr e f为d轴电流分量参考值;iqr e f为q轴电流分量参考值.综上,网侧变流器采用双闭环控制策略,直流电压控制环为外环,起到稳定直流侧电压的作用,d轴电流给定参考值idr e f取自P I调节器输出;双电流控制环为内环,起到有功电流有效监测电压外环有功、无功电流的作用,达到电流控制效果,控制策略如图所示.采用电压外环、电流内环双闭环控制方式,从电力系统电网侧获得三相电压和电流,经过a b c/d q变换得到各直流量,输出到控制环P I调节器.在直流控制环输入Vd c r e f(给定直流电压),该值与实际直流电压Vd c比较,两者偏差输入至P I调节器,输出量为idr e f(d轴电流设定值),该输出量与id比较,图网侧变流器控制策略自动控制电工技术二者偏差输入至P I调节器,输出量为u gd,通过解耦,从而得出ud(d轴 电 压 控 制 量).在 电 流 控 制 环 输 入 端,iqr e f(q轴无功电流参考值),该值与iq比较,二者偏差输入至P I调节器,输出量为ugq,该量与eq、eL id相加,从而得出uq(q轴电压控制量).个电压控制量经过d q a b c变换,通过S V PW控制产生触发脉冲,从而控制网侧变流器.最大功率跟踪控制为了最大限度地将风能转换为电能,提高系统的效率,当风速小于额定风速时,可采用最大风能跟踪来提高风机风能利用效率.国内外许多人员研究了风能的最大功率跟踪控制 .本文对文献 中的常规爬山搜索法进行改进,采用变步长爬山搜索法实现最大功率跟踪控制.其控制原理是:当系统处于初始状态时,可以设置一个较大的步长值,以此实现对最大功率的跟踪控制,即将系统采样时刻的功率值P(t)减去P(t),如果功率差大于规定值,那么扰动按设置步长进行,如果功率差小于规定值,那么扰动按设置步长的/进行.控制策略流程如图所示,首先对永磁直驱风力发电机转子在t时刻和t时刻的和Te进行测量、采样的基础上,计算出P(t)和P(t)以 及(t)和(t),然后得出组物理量之差P和,紧接着比较P与Pe r r的大小.P大于Pe r r,表示在该状态下系统功率偏离了最大功率点,扰动按大 步 长S L继 续 进 行;P小于Pe r r,表示此 时 的 系 统 功 率 与 最 大 功 率 点 相 距 较 近,扰动按小步长S L/进行.再判断t时刻和t时刻功率差和角速差的方向,如果P、同向,那么扰动按原方向进行;如果P、反向,那么必须改变扰动方向,即对应的S L换 成S L,或S L/换 成S L/.如此循环,只有当P(t)P(t)时,爬山搜索结束.图变步长爬山搜索法流程仿真分析本文利用MA T L A B软件建立的风力发电系统仿真模型如图所示,系统仿真参数设置见表.设置ts时空气流动速度vm/s,ts时空气流动速度为 m/s,仿真结果如图所示.图仿真模型表风力发电系统仿真参数参数数值额定功率 k W发电机极对数定子电感LqLd H转子额定转速 r a d/s定子电阻 直流侧电容 F滤波电感 H转子永磁体磁链 W b(a)风速变化波形(b)风能利用系数Cp(c)叶尖速比波形(d)转子角速度(e)直流母线电压(f)P M S G输出电磁转矩(g)MP P T追踪输出最大功率(h)输送至电网的功率(i)三相并网电流(j)三相并网电压图仿真波形图电工技术自动控制 从仿真波形图可以得出,当ts,风速从m/s提升到 m/s时,采用本文控制策略可使风电机组达到最大功率,风速为m/s时风能利用系数Cp能达到约 ,而当风速提升至 m/s时风能利用系数Cp上升至 .与此同时,永磁直驱风力发电系统输出的功率能够跟随风速变化做出快速响应,并能根据风机输出的最大功率点变化而变化.在本文提出的功率外环、电流内环的控制策略下,机侧变流器起到了积极作用,在本文提出的电压外环、电流内环的控制策略下,网侧变流器起到了稳定直流侧电压的作用,电压值为 V.结语本文根据永磁直驱风力发电系统的特点,分析了永磁直驱风力发电系统采用功率外环和电流内环的机侧变流器控制策略,采用电压外环和电流内环的网侧变流器控制策略.为了达到对最大功率点(MP P T)的跟踪控制,本文运用了变步长爬山搜索法.在此基础上,运用MA T L A B软件,建立了基于该控制策略的PM S G仿真模型.通过仿真,在不同的风速条件下,本文所建立的PM S G仿真模型真实地模拟实际风机发电系统.通过对比分析仿真图形、数据、结果可知,在该控制策略下,随着风能最大功率点的确定,永磁直驱风力发电系统PM S G始终能安全、可靠、稳定 运 行,从 而 验 证 了 该 控 制 策 略 具 有 极 高 的 实用性.参考文献 严干贵,魏治成,穆钢,等直驱永磁同步风力发电机组建模及其控 制 系 统 仿 真 研 究 J电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报,():王艳飞直驱永磁同步风力发电机组频率控制策略研究D北京:华北电力大学,DUANR o u y o n g,L I NC h u n g y o u,WA IR o n g j o n g M a x i m u m p o w e r e x t r a c t i o nA l g o r i t h mf o rg r i d c o n n e c t e dPM S G w i n dg e n e r a t i o ns y s t e mC n dA n n u a lC o n f o nI E E EI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s,N g u y e nD,F u j i t aG A n a l y s i so f s e n s o r l e s sMP P Tm e t h o d f o rh y b r i dP V w i n ds y s t e mu s i n gD F I G w i n dt u r b i n e sJ S u s t a i n a b l eE n e r g y,G r i d sa n dN e t w o r k s,():李娟,张克兆,李生权,等最佳叶尖速比的最大功率自抗扰跟踪控制J电机与控制学报,():W A N G P i n g,L I UF e n g An o v e lm a x i m u mp o w e rp o i n t t a r c k i n gc o n t r o lm e t h o di nw i n dt u r b i n e a p p l i c a t i o nC P r o c c e e d i n g so ft h e n dC h i n e s eC o n t r o lC o n f e r e n c e,R a j i n M L i n u s,P e r u m a lD M a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gm e t h o du s i n gam o d i f i e dp e r t u r ba n do b s e r v ea l g o r i t h mf o rg r i dc o n n e c t e dw i n de n e r g yc o n v e r s i o ns y s t e m sJ I E T R e n e w a b l eP o w e rG e n e r a t i o n,():李咸善,徐浩采用叶尖速比法和爬山搜索法相结合的风力发电系统最大功率跟踪点跟踪研究J电力系统保护与控制,():(上接第 页)Y S T z e n g U n i f i e dA C/D Cp o w e rf l o wf o rs y s t e ms i m u l a t i o ni nD Ce l e c t r i f i e dt r a n s i tr a i l w a y sJ I E T P r o cE l e c t rP o w e rA p p l i c a t i o 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