直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制

1、第電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)卷第期年月直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制楊曉萍，郭鑫（）西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安摘要：為了省去直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（）串接的交直交變流器，減少初期投資費(fèi)用，文中設(shè)計(jì)了并網(wǎng)控制策略。通過對使發(fā)電機(jī)定子電壓與低頻母線電壓滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時，短接串連在主電路中的交直交變流器的控制，將發(fā)電機(jī)定子直接連接在箱式變壓器上，電能以低頻傳輸?shù)奖晨勘硴Q流站，在換流站變換為雙變流器，工頻送入電網(wǎng)。運(yùn)用并分析了并網(wǎng)控制策略的經(jīng)濟(jì)成軟件仿真了兩臺機(jī)組的并網(wǎng)過程，結(jié)果表明這種并網(wǎng)方法具有一定的可行性。本，關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；直驅(qū)式永磁同步風(fēng)電機(jī)組；并網(wǎng)控制；變流器（）中圖分類號：；文

2、獻(xiàn)標(biāo)志碼：文章編號：，（，），：，：；風(fēng)機(jī)不接增速直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時，直接和發(fā)電機(jī)耦合；發(fā)電機(jī)的定子為三相齒輪箱，繞組，轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)；定子發(fā)出非工頻的電能，電壓也隨轉(zhuǎn)速變化；發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓和頻率都變化的電能經(jīng)變流裝置變成恒壓恒頻的電能送入電。網(wǎng)由于目前普遍使用的整流器后接電組都串接一個全功率變流器，全功率變流器成本較約占整個系統(tǒng)成本的且基本依靠進(jìn)高，左右，口。本文提出一種新型直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制策略，試圖只使用一臺全功率變流器將多臺機(jī)組并接在低頻母線上，使每臺機(jī)組定子經(jīng)箱式變壓器與低頻母線相連，電能以低頻長距離送入背靠背換流站，在換流站中變換為工頻送入電網(wǎng)。壓源型逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在

3、運(yùn)行時每臺機(jī)；修回日期：收稿日期：）基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（··電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)第卷目前并網(wǎng)方式目前直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組變流器電路結(jié)構(gòu)主要、機(jī)側(cè)有不控整流器網(wǎng)側(cè)逆變器，整流器網(wǎng)側(cè)逆變器種結(jié)構(gòu)。并網(wǎng)控制策略機(jī)側(cè)整流器控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓大小，控制發(fā)電機(jī)定子側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電壓在幅值差、頻率差、相角差滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時，直接將發(fā)電機(jī)定子連接在箱式變壓器上，短接串接在主電路中的交直交變流器。如圖，開關(guān)開關(guān)和都閉合，斷開，風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)與傳統(tǒng)直驅(qū)永磁機(jī)組相同。通過控制機(jī)側(cè)整流器來控制發(fā)電機(jī)定子輸出電能的頻率和電壓幅值。控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速接近低頻母線頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。不控整

4、流器網(wǎng)側(cè)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將頻率和幅值都變化圖所示，的交流電經(jīng)過不可控整流器變?yōu)橹绷麟姾螅ㄟ^由于網(wǎng)側(cè)電壓源型逆變器連接電網(wǎng)。變流器能量可雙向流動，因此可利用并網(wǎng)變換器對電容反向充電實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。因逆變器輸入電壓為不可控整流器的輸出，而發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下輸出電壓不同，因此直流側(cè)的電壓一直在變化。逆變幅值器可通過改變調(diào)制比來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電壓的頻率、恒定，當(dāng)風(fēng)速較低時，逆變器輸入電壓很低，為保證并網(wǎng)電壓恒定，必須提高逆變器的調(diào)制深而這會導(dǎo)致逆變器運(yùn)行效率低、開關(guān)利用率低、度，峰值電流高和傳導(dǎo)損耗大。圖并網(wǎng)控制過程定子側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)低頻母線電壓滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時，開關(guān)發(fā)電機(jī)閉合，與斷開。定子直

5、接與箱式變壓器連接，切除了交直交變流器，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也固定在母線頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速切除的交直交變流器再用以上方法將其他上，機(jī)組并網(wǎng)，最后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖。圖不控整流器網(wǎng)側(cè)逆變器結(jié)構(gòu)直接并網(wǎng)機(jī)側(cè)整流器網(wǎng)側(cè)逆變器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。通過矢量解耦控制整流可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的單位功率因數(shù)輸出、最大轉(zhuǎn)器，矩、最大效率和最小損耗控制。機(jī)組并網(wǎng)時，通過控制逆變器實(shí)現(xiàn)對輸出電壓幅值、頻率的控制，當(dāng)開關(guān)兩側(cè)電壓幅值差、頻率差、相角差滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時，開關(guān)閉合，機(jī)組并入電網(wǎng)。圖并網(wǎng)后運(yùn)行結(jié)構(gòu)要求能承受高電換流站的容量通常比較大，壓大電流，常規(guī)的換流裝置無法滿足要求，可以采用背靠背換流站，既可滿足容量要求能力

6、，又可以降低對器件的要求。在換流站中低頻電能變換為工頻后經(jīng)變壓器升壓送入電網(wǎng)。圖直驅(qū)式永磁風(fēng)電場結(jié)構(gòu)圖（機(jī)側(cè)整流器網(wǎng)側(cè)逆變器結(jié)構(gòu)）（）轉(zhuǎn)速控制策略這種并網(wǎng)方法最重要是在對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控本文采用在制，軸定向定子同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（電壓空間矢量，下的矢量控制實(shí)現(xiàn)軸落后其°）第期楊曉萍等：直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制··轉(zhuǎn)速的控制。因軸電流分量與無功功率相關(guān)，由于發(fā)電機(jī)和機(jī)側(cè)變流器沒有無功交換，設(shè)軸電流；因軸電流分量與電磁轉(zhuǎn)矩相關(guān)，參考值可通過控制軸電流分量實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，進(jìn)而控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。永磁同步發(fā)電機(jī)軸數(shù)）學(xué)模型如式（分量；分量；、為網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流的、為

7、連接電抗器分量。、為電網(wǎng)電壓、的電感和等效電阻；為電網(wǎng)電壓角頻率。網(wǎng)側(cè)變流器采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為電壓環(huán)。內(nèi)環(huán)采用電流前饋解耦控制。軸電流參考值由電壓外環(huán)的電壓誤差信號經(jīng)）、（）調(diào)節(jié)后產(chǎn)生。軸電流參考值根據(jù)式（中的較小者確定。（）（）式中：為電網(wǎng)需要的無功功率；為逆變器允許最（）（式中：、分量；、分別為定子電流的分別為定子電壓的、分量；和分別為定子電感和電阻；為永磁體的磁鏈；為電角頻率，為轉(zhuǎn)子極對數(shù)，為機(jī)組機(jī)械角頻率。）可知，由式（軸和軸之間存在耦合項(xiàng)（，通過前饋補(bǔ)償?shù)姆椒上咧┖烷g的耦合。通過對機(jī)側(cè)變流器的控制，實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速機(jī)側(cè)變流器的控制框圖如圖所示，圖中的控制，

8、為永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角，為給定的機(jī)組電角頻率。為軸的反電勢，為軸的反電勢。大電流有效值。網(wǎng)側(cè)變流器的控制框圖如圖所示。圖中、是注入電網(wǎng)、是電網(wǎng)電壓瞬時值，、，的電流瞬時值，電網(wǎng)電壓矢量相位角。圖網(wǎng)側(cè)逆變器器控制框圖仿真與分析運(yùn)用軟件建立的仿真模型，具體參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)額定功率；轉(zhuǎn)子極對數(shù)額定風(fēng)速發(fā)電機(jī)額；，；定頻率風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪半徑等效轉(zhuǎn)動；圖機(jī)側(cè)整流器控制框圖，慣量轉(zhuǎn)動黏滯系數(shù)。×并第一臺機(jī)組）并網(wǎng)過程（網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)是把直流電變換成符合并網(wǎng)條件的交流電，并維持直流電壓的穩(wěn)定。在電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（軸定向電網(wǎng)電壓空間矢量，網(wǎng)側(cè)逆變器的數(shù)軸落后其°）中，）學(xué)模型

9、如式（）式中：、分別為網(wǎng)側(cè)變流器交流側(cè)電壓的、如圖所示，初始時和閉合，斷開；。母線頻率為為了觀察風(fēng)機(jī)控制的動態(tài)過程，假定風(fēng)速在時由躍變到。（）仿真結(jié)果如圖所示。圖為兩側(cè)電壓波形，由于轉(zhuǎn)速增大，定子側(cè)電壓也增大，通過轉(zhuǎn)速再控制使發(fā)電機(jī)定子電壓頻率接近低頻母線頻率，通過檢測在兩側(cè)電壓相角差，時滿足并網(wǎng)條件，閉合后再斷開和。后（）。（）。有電流流過如圖發(fā)電機(jī)定子電流如圖（）為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，圖在之前轉(zhuǎn)速已··電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)第卷接近給定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速有微小的波動。圖閉合時，（）為發(fā)電機(jī)輸出有功功率曲線，由于轉(zhuǎn)時，功率也增大，并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速波動導(dǎo)致功率很速增大，（）為風(fēng)能利用系數(shù)小振

10、蕩。圖風(fēng)速躍變?yōu)椋捎陲L(fēng)力機(jī)加速需要一定時間，時，先是降低，隨著轉(zhuǎn)速不斷接近最佳轉(zhuǎn)速，不斷升高由于轉(zhuǎn)速的振蕩，直到最佳值，閉合時，有一（）為葉尖速比曲線，些振蕩。圖與相同，（）圖時先是降低，時有一些振蕩。為發(fā)電機(jī)定子電流軸分量，與無功功率相關(guān)，在之前由于變流器的單位功率因數(shù)控制作用，其值為零，之后切除交直永磁發(fā)電機(jī)輸出一定的無功功率。交變流器，并第二臺機(jī)組）并網(wǎng)過程（）母線上，第一臺機(jī)組已經(jīng)并在低頻（將第二臺機(jī)組以同樣方法并在低頻母線上。第二臺，機(jī)組串接機(jī)組初始運(yùn)行狀態(tài)：風(fēng)速為仿真結(jié)果交直交變流器與低頻母線相連，如圖所示。，由于母線頻率為時在機(jī)側(cè)整流器轉(zhuǎn)速控制下，控制第二臺機(jī)組轉(zhuǎn)速降低，在滿足

11、準(zhǔn)同期并網(wǎng)條件時，將串接的交直交發(fā)電機(jī)定子直接連接低頻母線。變流器短接，（）為第二臺機(jī)組定子相電壓波形，圖在時由于轉(zhuǎn)速下降，導(dǎo)致電壓幅值減小。（）為第二臺機(jī)組的機(jī)械角速度，圖由于轉(zhuǎn)速控制作用機(jī)械角速度在時下降，在并網(wǎng)時有一些振蕩。（）和圖（）可看出，由圖雖然兩臺機(jī)組轉(zhuǎn)速相同，但第二臺機(jī)組風(fēng)速比第一臺機(jī)組風(fēng)速高，因此，第二臺機(jī)組輸出有功功率比第一臺機(jī)組大。第期楊曉萍等：直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制··（）和圖（）可以看出，兩臺機(jī)組轉(zhuǎn)速由圖相同，但風(fēng)速不同，因此第二臺機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)導(dǎo)致第二臺機(jī)組沒有運(yùn)行在最佳風(fēng)能利用特較小，性上。經(jīng)濟(jì)成本分析本文設(shè)計(jì)的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖所示，以一

12、條低頻母線上有臺單機(jī)直驅(qū)式永磁機(jī)組為例，國際上風(fēng)電整機(jī)的銷售價格約在，萬歐元（約合變流器的費(fèi)用平均萬人民幣）為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的，臺機(jī)組可節(jié)省萬×臺一組萬元的費(fèi)用。×的換流站費(fèi)用在與傳統(tǒng)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)比萬左右。較可以節(jié)省萬元設(shè)備費(fèi)用。圖新型直驅(qū)式永磁風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)根據(jù)我國風(fēng)力發(fā)電目前的運(yùn)行狀況，（）的仿真結(jié)電機(jī)年運(yùn)行小時數(shù)約為圖，果表明，有一些機(jī)組不能運(yùn)行在最大風(fēng)能利用曲線造成一定的風(fēng)能損失。設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)組額定風(fēng)上，按年平均風(fēng)速為額定風(fēng)速的速為計(jì)算，臺傳統(tǒng)并網(wǎng)機(jī)組年發(fā)電量約為本文提出的并網(wǎng)方式風(fēng)能損失系數(shù)萬。按照計(jì)算，一年將有萬電量損失。根據(jù)關(guān)年月國家發(fā)展改革委發(fā)布了，于完善風(fēng)力

13、發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知四類資源（），區(qū)風(fēng)電標(biāo)桿電價平均為本文提出元的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)一年將損失低頻傳送電能線萬元，因此一年的損失略小于路損耗將減小，萬元。初始投資節(jié)省但是每年損失萬元，萬元（，發(fā)電量，年）因此在風(fēng)電場以這種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)運(yùn)行節(jié)省初始投資費(fèi)用的優(yōu)勢年后，將會消失，因此這種并網(wǎng)結(jié)構(gòu)在減少風(fēng)電場初期投資方面有積極的作用。··電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)第卷）電力自動化設(shè)備（），（）：，（）：，胡敏強(qiáng)，鄭建勇（徐科，）風(fēng)力發(fā)電機(jī)無速度傳感器網(wǎng)側(cè)功率直接控制（）電力系統(tǒng)自動化（），（）：，：，：，（）：，李燕，）梁英（永磁直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)電壓源型變流技術(shù)（電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)（），（）：）

14、，尹明，李庚銀，張建成（）直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模及其控制策略（）電網(wǎng)技術(shù)（），（）：，作者簡介：，楊曉萍（女，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)）：行與控制、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。，郭鑫（男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)）：行與控制、電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。結(jié)論本文的并網(wǎng)控制策略使用一臺全功率變流器將多臺機(jī)組并接在低頻母線上，使每臺機(jī)組定子經(jīng)電能以低頻傳送減小箱式變壓器與低頻母線相連。了線路損耗并增大了傳輸容量，在背靠背換流站變轉(zhuǎn)速控制策略中，機(jī)側(cè)整流器換為工頻送出電網(wǎng)。內(nèi)環(huán)采用定子電壓定向的電流前饋解耦控制，外環(huán)網(wǎng)側(cè)逆變器采用電網(wǎng)電壓定向的電實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制；流前饋解耦控制，外環(huán)實(shí)現(xiàn)直流電壓控制。仿真結(jié)一條低頻母線上發(fā)電機(jī)被等效為一臺發(fā)電果表明，機(jī)，各機(jī)組轉(zhuǎn)速相同，通過調(diào)整母線頻率統(tǒng)一同步調(diào)整各發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于各機(jī)組風(fēng)速不同而轉(zhuǎn)速導(dǎo)致部分機(jī)組不能運(yùn)行在最佳風(fēng)能曲線上。相同，通過經(jīng)濟(jì)成本分析，本文的并網(wǎng)控制策略省去了每臺機(jī)組的交直交變流器，減少了投資費(fèi)用，在減少初期投資方面有積極的作用。參考