雙饋風力發(fā)電機組雙模發(fā)電運行方法研究

雙饋風力發(fā)電機組雙模發(fā)電運行方法研究【摘要】：近年來，我國風力發(fā)電發(fā)展迅速，風資源比較理想地區(qū)基本已搶裝完畢，隨著平價時代的到來，風力發(fā)電逐步向低風速型機組發(fā)展，如何提升低風速段的運行和發(fā)電效率，對風力發(fā)電機組的可利用小時數(shù)提升至關重要。由于雙饋電機的能控性受制于轉(zhuǎn)子端電壓，轉(zhuǎn)子端電壓大小與電機轉(zhuǎn)差頻率呈線性關系，一般電機的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速都會控制在轉(zhuǎn)差頻率±0.3以內(nèi)，這就要求較高的風速才能滿足雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電。當風力不足以支撐雙饋電機并網(wǎng)發(fā)電需求時，脫網(wǎng)勢必造成了風資源的浪費。為了充分利用風資源，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)可以改造為雙饋-異步雙模式運行方案。本文主要研究雙饋電機雙模運行方法，當風速較高時，雙饋電機運行于雙饋狀態(tài)；當風速較低時，雙饋電機通過外部構造成異步電機運行模式，實現(xiàn)鼠籠異步發(fā)電，提升機組運行范圍，獲得更大發(fā)電效益。【關鍵詞】：風力發(fā)電雙饋電機鼠籠異步雙模式運行概述由雙饋電機結構可知，雙饋電機改造為異步電機運行只需將定子繞組短接，下圖1為雙饋電機雙饋-鼠籠異步雙模運行系統(tǒng)拓撲圖，其中虛線部分為雙饋電機雙?？刂谱兞髌?。圖1雙饋-鼠籠異步雙模運行系統(tǒng)拓撲圖正常風況時，發(fā)電機定子通過閉合K1實現(xiàn)并網(wǎng)，機側變流器運行于雙饋發(fā)電控制狀態(tài)。當風速較低時，超出雙饋運行范圍，K1斷開，K2閉合將發(fā)電機定子短路，構造成鼠籠異步電機，機側變流器進入鼠籠異步發(fā)電控制狀態(tài)，機組持續(xù)進行發(fā)電。K1和K2實現(xiàn)軟件、硬件互鎖，不能同時閉合。整個雙饋機組通過軟件控制方式的在線切換實現(xiàn)雙模運行。雙饋單模式運行已非常成熟，本文重點研究雙饋運行狀態(tài)轉(zhuǎn)入鼠籠異步后的控制方法及實現(xiàn)策略。雙饋電機構造異步電機磁鏈定向矢量控制原理當轉(zhuǎn)速低于最大雙饋運行狀態(tài)時，機側變流器進行撤載并斷開K1，實現(xiàn)發(fā)電機與電網(wǎng)軟解列。發(fā)電機定子與電網(wǎng)斷開后，機側變流器閉鎖，此時閉合K2，將發(fā)電機定子短路，隨后機側變流器進入鼠籠異步控制模式，并進行PWM發(fā)波控制。雙饋電機定子繞組短接后，雙饋電機電壓、磁鏈基本方程如下：電壓方程：(1)磁鏈方程：(2)假設異步電機定子磁場已經(jīng)定向，勵磁電流大小為：irm(3)由式(2)、(3)得：(4)由式(1)、(3)、(4)得：(5)若定子磁鏈定向于d軸方向，ird作為勵磁電流給定，將式(5)進行實虛軸分離得：(6)式(6)進行差分離散化為：(7)式(7)求得電機定子磁鏈矢量角為:ω1，轉(zhuǎn)子側矢量的轉(zhuǎn)差頻率角為：(8)雙饋電機做異步電機磁場定向矢量控制的原理圖如下：圖2雙饋電機構造成鼠籠異步電機的磁場定向矢量控制原理圖3、雙饋電機構造異步電機轉(zhuǎn)子勵磁電流設計雙饋變流器機側能控性取決于轉(zhuǎn)子端電壓大小，設計中一般不允許轉(zhuǎn)子端電壓大于電網(wǎng)電壓。繞線異步電機轉(zhuǎn)子端電壓大小與電機轉(zhuǎn)速、勵磁電流大小近似線性化成正比。雙饋電機轉(zhuǎn)子側阻抗忽略不計，由式(1)、(2)求得轉(zhuǎn)子端電壓表達式為：(9)定子磁鏈定向在d軸方向，式(9)進一步化簡為：(10)式(10)的求解過程建立在雙饋電機定轉(zhuǎn)子匝比等效為1:1基礎上，假設實際雙饋電機定轉(zhuǎn)子匝比為1/N，則勵磁電流ird應滿足：(11)*文中ωr指的是轉(zhuǎn)子側矢量電角度，即機械角度與極對數(shù)的乘積。轉(zhuǎn)子側有功電流設計變流器風場運行模式下，主控根據(jù)電機功率曲線下發(fā)轉(zhuǎn)矩百分比，即下發(fā)指令為轉(zhuǎn)矩大小。而變流器接收指令為轉(zhuǎn)子側有功電流，這中間就需要一個轉(zhuǎn)化關系，將主控下發(fā)的轉(zhuǎn)矩指令轉(zhuǎn)化為有功電流指令。由于雙饋變流器沒有轉(zhuǎn)子端電壓互感器，異步機運行狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩到有功電流指令的轉(zhuǎn)換就需要依托于電機的參數(shù)進行近似計算，電機參數(shù)的精度直接關系到有功電流指令計算的精確度。下面給出，異步機工作模式下轉(zhuǎn)矩到有功電流的轉(zhuǎn)化關系式。雙饋電機轉(zhuǎn)子側阻抗忽略不計，式(1)的轉(zhuǎn)子端電壓可化簡為：(12)已知轉(zhuǎn)子側電壓、電流大小，則異步機轉(zhuǎn)子端有功功率大小為：(13)異步機轉(zhuǎn)子端有功功率大小與電磁轉(zhuǎn)矩關系如下：(14)式中，(P為電機極對數(shù))由式(13)、(14)得：(15)式(15)的求解過程建立在雙饋電機定轉(zhuǎn)子匝比等效為：1:1基礎上，考慮到電機定轉(zhuǎn)子匝比，異步機運行模式下轉(zhuǎn)矩到有功電流的轉(zhuǎn)化關系式為：(16)仿真與試驗以2MW雙饋電機為例，電機參數(shù)如表1所示，根據(jù)此電機參數(shù)，若雙饋電機做異步機運行額定轉(zhuǎn)速為1000r/min，由式(11)求得勵磁電流大小ird≤72A。表12MW雙饋電機參數(shù)電機參數(shù)參數(shù)大小Rs0.0031ΩLls0.0299ΩRr0.0026ΩLlr0.0495ΩLm1.41ΩVrotor1650VPoles2（1）仿真工況1：電機轉(zhuǎn)速1000r/min，勵磁電流ird=72A圖3電機轉(zhuǎn)速1000rpm、勵磁電流給定72A工況，轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)子側占空比仿真此種工況下，理論計算轉(zhuǎn)子側占空比為0.53，忽略電機阻抗等影響與圖(3)仿真結果的0.54幾乎一致。（2）仿真工況2：電機轉(zhuǎn)速500r/min，勵磁電流ird=72A圖4電機轉(zhuǎn)速500rpm、勵磁電流給定72A工況，轉(zhuǎn)子電流、定子電流、轉(zhuǎn)子側占空比仿真此種工況下，理論計算轉(zhuǎn)子側占空比為0.265，與圖(5)仿真結果的0.265一致。通過上述工況的仿真，驗證了雙饋電機異步運行模式下，勵磁電流設計的正確性。（3）仿真工況3：電機轉(zhuǎn)速1000r/min、勵磁電流大小給定為：72A，有功電流給定為：300A由式(16)求得此時對應的異步電機電磁轉(zhuǎn)矩Te大小為：3445Nm，仿真波形如下圖5所示。圖5電機轉(zhuǎn)速1000rpm、勵磁電流72A、有功電流300A工況，轉(zhuǎn)子電流、定子電流、電磁轉(zhuǎn)矩仿真上述工況下，異步機輸出電磁轉(zhuǎn)矩大小為3220Nm，與額定核算3445Nm有一定偏差，誤差主要來源于上述電磁轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)子側有功電流的計算過程中的一些等效。實際運行中，可以采用功率閉環(huán)，提高系統(tǒng)有功功率的控制精度。下圖6所示為雙饋電機異步模式運行工況下試驗波形，電機運行工況為：轉(zhuǎn)速1000rpm、勵磁電流50A、有功電流370A，系統(tǒng)發(fā)出有功功率為400kW。圖6雙饋電機異步模式運行工況下，網(wǎng)側電流與機側電流試驗波形結論通過上述理論分析，對雙饋切入鼠籠異步的過程進行了理論分析，軟件可以實現(xiàn)。通過仿真和試驗驗證，在進入低速后通過鼠籠異步運行，發(fā)電功率仍然可以維持