Voltage-Speed控制器设计网格连接风力发电的应用

文摘

本文提出的计划和实现非线性控制器的双馈感应发电机(DFIG)提供支持电网操作。控制器将电压和速度调节器保证发电机的有功功率和无功功率交付方测量机械调整支持网格发生一次修改。Matlab模拟仿真结果广场措施实施虐待。

关键字

DFIG,PI控制、速度和电压调节器、风、网格控制,可再生能源系统

介绍

风能是增长最快的和最广泛的利用新兴可再生能源技术目前在电能量转换系统。这么高的渗透风能电力系统的风力涡轮机技术的进步密切相关,如何控制。集成基于双馈式感应发电机的风力发电机(DFIG)电网发电已经成为一个重要的部分在许多国家和它的重要性不断增加1]。因此,风力发电的分析动力学的DFIG风力涡轮机已经成为一个非常重要的研究问题,特别是在瞬态故障。

风力涡轮机应该保持连接到电网发生严重故障时,同时支持电网电压和频率在正常操作。一些研究人员仍在调查最好的风力发电机控制系统与这些新的操作限制。冯et al。2]给出了基于反馈线性化的非线性电压和滑动控制器提出了DFIG连接到一个无限的公共汽车。直接主动和无功功率控制器基于定子磁通估计研究讨论了Lei et al。3]。本文提出了一个基本的滞环控制器。在一项研究中,穆勒et al。4),提出了著名的矢量控制调节DFIG有功功率和无功功率生成。休斯等人的一项研究中定义(5]DFIG控制策略,非常类似于传统自动电压调整器同步发电机是利用支持电网电压和频率。上述作品的主要缺点是无法应对大电网参数的变化。

DFIG与其他风力发电机相比有更多的优势。风力发电系统配备了DFIG需要一个转换器只有三分之一的额定功率,导致更少的昂贵的系统,减少功率损耗。它控制独立于有功功率与无功功率合理采用定位框架。提出了一种PI控制策略,使可能的风发电机充分支持电网电压和频率。提出了一种快速响应控制器,以便它可以跟随变化,发生在电网(6]。

提出了系统

本文提出了转子的协调管理方面转换器(C_转子转换器(C)和电网方面_网格)的双馈感应发电机(DFIG)主要基于风力发电系统低电压不平衡条件。它改变后的电压和频率的变化。快速响应控制器预计这是准备跟工厂内部发生的变化。仿真结果虐待Matlab / Simulink广场测量授予DFIG风力发电系统验证计划管理的主题,表明改进后的系统操作在不平衡电压

在图1DFIG连接风力系统显示的图。控制器的网格和转子方面一直执行在投影系统。π管理是用来稳定电网电压。

涡轮机将风中的动向转换成机械能。这机械功率通常用于特定任务或发电机将这机械功率转换成电力房屋,企业,学校,因此。DFIG在当前选择的系统多兆瓦风力涡轮机。

DFIG的原则是,转子绕组广场测量通过滑环和成功连接到电网电压供应装置,控制每个转子,因此电网电流。电网可能的网络同步电力供应商和客户方测量输电和配电线路和连接的由一个或更多的管理中心的。一旦多数观察电网设施,他们有关电力的装置(图2)。转子是听说过涡轮机。它由多个转子叶片连接到一个中心。将风能转换成一个旋转转子。风中的能量变成两/三个机械装置,如叶片转子。最轴转子与发电机旋转,形成电。

转换器是重生AC / DC电压为直流电压。测量仪器必须得到转子位置的速度。部分循环锁(锁相环)是需要得到定子线圈通的位置。广场这些角位置测量采用abc / dq模块提供转子d-axis和q-axis电流。

AC / DC / AC设备分为两部分:rotor-side设备(C_转子),因此grid-side设备(C_网格)。Crotor C相关联_网格广场测量Voltage-Sourced转换器使用forced-commutated电力电子器件(igbt)合成一个交流电压的直流电压供应。冷凝器连接在直流方面的行为,因为直流电压供应。一个耦合电感L是用来连接C_网格网格。三相转子绕组连接到C_转子通过滑环和刷子,因此三相定子线圈绕组直接连接到电网。设施被涡轮机重生成异步发电机的功率,传输到电网因此定子线圈和转子绕组。

的力量从一个给定的风速是后续所表达的方程(1):

P_w= 0.5ρπr²v3C_p(λ,β)(1)

“ρ”空气密度,“R”的有效空间排列的旋转发动机叶片、“v”的意思是风速峰值的转子轴,“C_p“涡轮机的设施常数和“β”球场角。提示速度定量关系概述eqn。(2):

λ=ω_wR /ν(2)

机械转矩的定义是在eqn。(3)

Tw = P_w/ω_w(3)

与ω_w涡轮转子转速。

在列出的常数CP是eqn (4)

C_p= C₁/λ-C₃β-C₄ε-C₅/λ+ C₆λ(4)

双馈式感应发电机

绕线转子异步发电机(WRIGs)平方测量提供3部分绕组转子和定子线圈。他们将在每个转子和定子线圈终端装备能源。因此他们被称为双馈感应发电机(DFIGs)或双输出式感应发电机(多依格)在发电机模式。每个驾驶和生成操作模式广场测量可能提供设施电子转换器提供转子电路通过销售和刷子广场测量在每个方向能够处理权力。

工作原理的DFIG

认为高功率风能转换系统(WECSs)广场措施支持双馈式感应发电机(DFIGs)。DFIGs广场的定子线圈绕组测量直接连接到电网,转子绕组广场通过成功测量连接到电网电力电子转换器。

反馈装置由两个转换器,转子方面设备(C_转子设备(C)和电网方面_网格)平方测量所示连接背靠背图3。2转换器之间的直流环节电容,作为能量储存,以保持电压变化在直流环节电压小DFIG是额外的复杂的管理比传统感应机的管理。

为了管理DFIG转子电流转换器控制的影响。组成的风力涡轮机使用DFIG WRIG关联一个AC / DC / AC电源转换器。整个系统是边粉碎设备控制速度,而grid-side设备控制直流母线电压在团结力量,确保操作问题(零无功功率)。通过双界面的设备在DFIG转子电路内图作为一个发电机在每一次同步的准备和super-synchronous模式。依赖的操作条件下,权力是美联储在或的转子(即超同步模式),然后从转子通过设备流向电网。

DFIG状态房子模型

双馈感应电机是划定的d / q系统后续的方程(5),(6)、(7)、(8):

V_ds= R_年代我_ds-ω_年代ψ_qs+ dψds / dt (5)

V_qs= R_年代我_qs+ω_年代ψ_ds+ dψqs / dt (6)

V_博士= R_ridr+ω_slψqr + dψdr / dt (7)

V_qr= R_riqr+ω_slψdr + dψqr / dt (8)

在V的变量_ds,V_qs,V_博士,V_qr代表的d / q系统部分机定子线圈和转子电压。变量标识,我_qs,我_博士,我_qr表示机器定子线圈和转子电流在d / q系统。d / q系统广场内的机器通量测量变量ѱ授予的_ds,ѱ_qs,ѱ_博士,ѱ_qr。最后,变量ωs和ωsl广场测量定子线圈和转子电流频率在rad / s,各自。参数R_年代和R_r代表转子和定子线圈电阻。

通量和洋流广场测量连接通过随后的纯数学关系广场见eqn (9)、(10)、(11)、(12)

ψ_dsL =_年代我_ds+ L_米我_博士(9)

ψ_qsL =_{在隔离+ L米我qr(10)}

ψ_博士L =_r我_博士+ L_米我_ds(11)

ψ_qrL =_r我_qr+ L_米我_qs(12)

参数Ls, Lr, L_米代表了转子定子线圈电感,电感,因此系数。电产生的扭力DFIG随后表达式的d / q系统定子线圈磁通和电流所示eqn (13)

Te = p(ψ_ds我_qs-ψ_qs我_ds)(13)

参数p是各种各样的极对。注意,术语表达的转子电流频率往往因此定子线圈电流的频率和转子速度在rad / s如下eqn (14)

ω_sl=ω_年代-ω_r(14)

当公园的d-axis转换不会注意到DFIG转子动力学与通量轴,我们有下关系如eqn (15)

Ψ_qs= 0,Ψ_ds=Ψ_年代= V_年代/ω_年代(15)

参数Vs代表电网电压。因为结果,转子磁通的部分,在d / q系统,随后表情的转子电流部分,因此栅极电压(16)和(17)

Ψ_博士L =_米V_年代/ L_年代ω_年代+σ_lrLdr(16)

ψ_qr=σL_r我_qr(17)

在那里,σ= 1升_米²L / (_年代l_r),通常忽略了定子线圈电阻和假设持续栅极电压级风力发电的发电机控制器。这些假设导致降阶模型。我们倾向于把随后的方程在eqn定子线圈(18)和(19)

V_ds=肢体重复性劳损症_ds- - - - - -ω_年代ψ_qs+ dψds / dt≈0 (18)

V_qs= R_年代我_qs-ωsψds + dψds / dt≈ωsψds = V_年代(19)

下方程(20)和(21),代表了DFIG转子动力学成为减少模型。注意,取决于栅极电压V模型_年代和频率ω_年代

V_博士= R_r我_博士-ω_slσL_r我_qr+σ_lrdidr / dt (20)

V_qr= R_r我_qr+ω_sl(左_米V_年代/ L_年代ω_年代+σL_r我_qr)+σL_r迪_qr/ dt (21)

DFIG电子扭力和终端电压可能是写的降阶模型状态变量如下eqn(22)和eqn (23)

T_e=光伏_年代l_米我_qr/ Ls (22)

V_年代=ω_年代l_年代我_ds+ω_年代l_米我_qr(23)

转子转速动态广场测量并由随后的方程(24)

ω_r= -Bω_r+ T_米+ T_e(24)

参数J和B代表了发电机惯性,因此机械摩擦常数,各自。机械扭力提供金属刀片。

管理模式

双馈感应发电机(DFIG),因此同步发电机广场内测量纯微分数学模型描述的dq系统。DFIG的设备控制器有一个豪华模型等每一个操作模式划定。

管理Rotor-side设备(Crotor)

在传统模式下操作,rotor-side设备控制注入无功功率,因此开发能力(P_加热器)。事实上,最大的力量取决于转子速度和传入的风。在这个操作过程中用途最优功率参考(P_选择)计算考虑最好的转子速度的风的格言和C的价值_p曲线。副编码器将提供发电机转子位置(θ)abc-dqo和dq0-abc转换。直轴元素是用来保持发电机功率思考一个化学元素因此,吸收无功功率参考(Q *)零来说是足够的。建设轴控制元素在直轴的类似的方式,然而,它调节电力最好的价值(P_选择)。丘比特的疾病和V_问参考信号平方测量发送dq0-to-abc变换,然后,支持的信号发生器PWM(脉冲宽度调制)方法。最后,V_{美国广播公司}所需的三相电压在C_转子输出。

管理Grid-side转换器(C_网格)

在正常模式操作中,C_网格控制调节电压的直流C之间的联系_转子和C_网格。事实上,这个电压控制是另一个的控制方法在转子绕组产生的有功功率。控制器采用锁相环(安全循环阶段)给角(φ)基岩dq0 (dq0 abc)转换。关系这个角度给出了三相电压的同步与终端电压转换器的输出。直轴组件是用来控制直流环节电压(V_直流)1 p.u。交轴分量的参考电流设置为0(智商= 0)由于功率因数控制由C。已经做_转子。V_d和V_问参考信号被发送到dq0-to-abc变换,然后,PWM信号发生器。最后,V_网格在grid-side转换器所需的三相电压输出。

仿真结果

控制器的性能评估,因此副电气干扰的影响涡轮机械元素的广场上测量执行在Matlab / Simulink软件包。电压和电流瞬变大大修改发电机主动和被动的权力。控制器性能稳定DFIG信号,一旦要求有功功率变化或一次简短的电路发生在发电机终端,是考验。关于零。3年代econd to the controller to stabilize the DFIG signals to their steady values. The wind generation generator is thus capable to support the facility grid frequency once the demanded power changes. This quick response ought to increase the DFIG fault ride-through capability.

的完整电路DFIG管理是在Matlab / Simulink虐待simscape blocksets播种的图4。它包含了涡轮模型转子、传动系模型、管理,管理。电路的风格已经被连接块集和评价对方。3部分AC供应已经被虐待DFIG生成网格与三个部分。一个转子方面和网格管理方面已经在Matlab仿真软件设计。

涡轮可能音调控制。的螺旋角β管理信号来自DFIG管理块。Cp系数是通过查表计算,因此涡轮的输出块是异步发电机轴的扭转。

的螺旋角β仅仅是不同的限制速度的发电机所示图5。

涡轮机的正确描述模型,最初我们有一种倾向,应该首先提出的总模型涡轮。它实现了可变螺距涡轮模型。性能常数Cp的旋转式引擎机械旋转式引擎的输出功率除以风力发电和执行的风速、运动速度和螺旋角(β)。

传动系是机械系统的一部分,包括套管,轴,旋转发动机和不同至关重要机械元素。在这个项目中,质量2平方测量使用和授予传动系模型。2质量传动系模型广场测量使用归因于这一事实一起旋转发动机模型是描述质量,而发电机是不同的质量。每个很多广场测量与机械轴,具有确定阻尼和刚度值所示图6。

搞笑的模型是一个即时价值完整的o(1),即第五阶的导数定子包括通量。这是最好的选择准确模拟瞬变时电力系统电动力学的搞笑是主要的兴趣。饱和度不包括在模型中,但参考状态,这只会导致小微不足道的错误预测的最大短路电流。

C_网格使用一个通用桥模型建模场效电晶体连接到搞笑终端通过一系列RL过滤器。控制的C_网格旨在保持直流母线电容电压在标称值常数。它不导致电网电压调节或无功功率注入(我_问= 0)。这可能是一个限制,由于无功功率注入通过C_网格在更快的电压恢复服务。设备大部分权力是0.5 Ig额定功率。锁相环的栅极电压的角度计算。无功功率的参考设置通过PI控制器测量电网电压和审查参考。

设备模拟转子方面采用通用桥模型与场效应管连接到搞笑转子绕组。C_转子控制有功功率交付的DFIG,决定性的扭力引用。这扭转引用是在通量的估算参考转子电流我工作_博士。C_转子模型已经改变因此支持电网电压与无功功率注入。无功功率的参考设置通过PI控制器测量转子电压和审查参考。输出的三相电压和电流,转子所示图7。的输出三相电压和电流的网格所示图8。真正的和无功功率补偿所示图9。一般和控制参数的模拟中使用这个项目所示表1。

表1。一般和控制参数的模拟中使用这个项目。

引用

1. 拉希米M和Pamiani M .瞬态性能改善双馈式感应发电机的风力涡轮机使用非线性控制策略。IEEE反式能量转换。
2. 冯W, et al .立方米,分散非线性控制双馈式感应发电机的风力涡轮机。IEEE反式。权力Systems.2008;23:613 - 621。
3. 谎言x和卡特赖特p .直接活跃和无功功率的DFIG控制风力发电,”IEEE反式。能量转换。2006;21:750 - 758。
4. 穆勒年代,et al。双馈式感应发电机的风力发电系统。IEEE印度河。应用程序Magazine.2002;8:26-33。
5. 休斯调频,等。控制DFIG-based风力发电对电网的支持。IEEETrans。电力系统。2005;4:1958 - 1966。
6. Krause PC,等。分析电机和驱动系统,第二版,美国、Wiley-Interscience。2002年。