黑龙江电力 2007年4月第29卷 第2期
变速恒频双馈风力发电机
的励磁控制系统设计及试验研究
高绪明,杭乃善,梁 雄,赵月星,吴 皓
(广西大学电气工程学院,广西南宁530004)
摘 要:双馈电机变速恒频风力发电系统是通过调节转子绕组励磁电流的频率、幅值、相位和相序来实现变速恒频控制的。分析了双馈电机工作原理和数学模型,并设计了基于TMS320F2812DSP的变速恒频双馈风力发电机的励磁控制试验系统。对电机的并网控制以及电机的自并励启动进行了试验研究,为变速恒频双馈风力发电机励磁控制策略的设计奠定了基础。关键词:变速恒频;双馈;交流励磁中图分类号:TM31 文献标识码:A 文章编号:1002-1663(2007)02-0101-04
Designandteststudyonexcitationcontrolsystemforvariable-speed
constant-frequencywindpowergeneratorwithdoublefeedbackfunction
GAOXuming,HANGNaishan,LIANGXiong,ZHAOYuexing,WUHao
(SchoolofElectricalEngineering,GuangxiUniversity,Nanning530004,China)
Abstract:Thevariable-speedconstant-frequencycontrolisimplementedbyadjustingthefrequency,ampli2tude,phaseangleandsequenceofexcitationcurrentofrotorwindinginavariable-speedconstant-frequen2cywindpowergenerationsystemwithdoublefeedbackfunction.Theworkingprincipleandmathematicalmod2elofgeneratorwithdoublefeedbackfunctionwasanalyzedandtheexcitationcontrolexperimentalsystembased-onTMS320F2812DSPforvariable-speedconstant-frequencywindpowergeneratorwithdoublefeedbackfunctionwasalsodesigned.Thecontrolconnectinggeneratortoelectricpowergridandself-shunt-excitationstart-upofgeneratorweretested,whichhaslaidbetterdesigningfoundationforexcitationcontrolofavariable-speedconstant-frequencywindpowergeneratorwithdoublefeedback.Keywords:variable-speedconstant-frequency;doublefeedback;ACexcitation
0 引言
随着环境保护要求的日益提高,开发洁净无污染的后续能源已成为当务之急。风能作为一种可再生能源近年来受到广泛的重视,风力发电愈
[1]
来愈高技术化、高性能化。
[2]
交流励磁变速恒频发电是20世纪末发展起来的一种全新高效发电方式,适用于风力、火力等可再生能源开发利用,尤其在风力发电中得到了广泛的应用。变速恒频风力发电技术与恒速恒频发电技术相比具有显著的优越性,首先大大提
收稿日期:2006-09-20
高了风能转换效率,显著降低了由风施加到风力机上的机械应力;其次通过对发电机转子交流励磁电流幅值、频率和相位可调的控制,实现了变速下的恒频运行,通过矢量变换控制或其它控制策略还能实现输出有功和无功功率的控制,提高电力系统的调节灵活性和动、静态稳定。
同步电机励磁的可调量只有一个,即电流的幅值。所以同步电机励磁一般只能对无功功率进行调节。交流励磁电机励磁的可调量有三个:一是可调节励磁电流幅值;二是可改变励磁频率;三
作者简介:高绪明(1982-),男,广西大学电气工程学院硕士研究生,主要研究方向为电力系统风力发电。
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是可改变相位。这说明交流励磁电机比同步电机多了两个可调量。通过改变励磁频率,可改变电机的转速,达到调速的目的。这样,在负荷突变时,可通过快速控制励磁频率来改变电机转速,充分利用转子的动能,释放或吸收负荷,对电网扰动远比常规电机小。改变转子励磁电流的相位时,由转子电流产生的转子磁场在气隙空间的位置上有一个位移,这就改变了发电机电势与电网电压相量的相对位置,也就改变了电机的功率角。这说明电机的功率角也可进行调节。所以交流励磁不仅可调节无功功率,也可调节有功功率。当电机吸收无功功率时,往往由于功率角变大,使电机稳定度降低。如通过调节交流励磁的相位,减小机组的功率角,使机组的运行稳定性提高,从而可多吸收无功功率,克服目前由于晚间负荷下降、电网电压过高的不利局面。因此说,交流励磁电机较同步机有更优越的运行性能。
电网,变频器的能量逆向流动,式(1)中fs取负号;当n等于ns时,处于同步运行状态,此时发电机作为同步电机运行,fs=0,变频器向转子提供直流励磁。图中的变频器必须能够满足交流励磁发电机的运行要求,实现转差功率在发电机转子与电网间的双向流动。
由式(1)知,当发电机转速n变化时,若控制转子供电频率fs相应变化,可使f1保持恒定不变,与电网频率保持一致,就实现了变速恒频控制,这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本[3]原理。1.2 双馈电机的能量流动关系
电机是一种机电能量转换装置,各种电机中都存在一个气隙磁场。对发电机来说,从转子输入的机械能,克服气隙磁场中导体所受的电磁力而作功,使导体不断地感应电势,从而源源不断地发出电能,实现机械能到电能的转换则得出定子侧的电磁功率方程为:
Pm=Pcu1+P1
[4]
。
1 双馈风力发电机工作原理
1.1 变速恒频运行原理
机电能量转换过程应该满足能量守恒定律,
(2)
双馈风力发电机结构原理如图1所示。
式中Pm为电磁功率,Pcu1为定子绕组的铜耗,P1为定子输出的电功率。
同理,经气隙传递的电磁功率从转子侧可以表示为:
P2=Pcu2+Pe2
(3)
式中P2为转子侧输入(或输出)的电功率,Pcu2为转子绕组的铜耗,Pe2为转子绕组转换或传递的电功率。
还有机械功率方程
图1 双馈风力发电机结构原理
Pe2=sPm(4)
变速恒频风力发电系统结构框图中,省略了
变压器、滤波器等构件。其定子接入电网,转子绕组由频率、相位、幅值都可调节的电源供给三相低频交流励磁电流。由交流异步发电机的基本原理可得下列关系
f1=fr±fs=np对于发电机来说,Pm为正值,故当转差率s<0时,Pe2为负值,表示转子向变频电源输出电功
率,当s>0时,Pe2为正值,表示转子将从变频电源获取电功率。
对于发电机,若轴上输入的机械功率为Pmech
根据能量守恒原理,有
Pmech+Pe2=Pm
60
±fs(1)
式中f1为定子电流频率,Hz;n为转子转速,r/min;p为电机的极对数;fs为转子励磁电流的频率,Hz。
当发电机的转速n小于定子旋转磁场的同步转速n时,处于亚同步运行状态,此时变频器向发电机转子提供交流励磁,定子发出电能给电网,式(1)中fs取正号;当n大于ns时,处于超同步运行状态,此时发电机同时由定子和转子发出电能给—102—
(5)(6)
于是
Pmech=Pm-Pe2=(1-s)Pm
故当转差率s<0时,Pe2为负值,Pmech>Pm,此时电机处于超同步运行状态,转子输入的机械功率大部分将转换成电磁功率Pm由定子输出,小部分转换成电功率Pe2由转子向变频电源输出,相应的能量流图如图2(a)所示;当转差率s>0,Pe2
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为正值,PmechPmech转换面来,小部分则是由转子输入的电功率Pe2传递而来,相应的能量流图如图2(b)所示。Ψds-Ψqsω1uds=-rsids+P
Ψqs+Ψdsω1uqs=-rsiqs+P
电压方程u=ri+PΨdr-Ψqrω2drrdr
Ψqr+Ψdrω2uqr=rriqr+PΨds=-Lsids+Lmidr
磁链方程Ψqs=-Lsiqs+LmiqrΨdr=Lridr-Lmids(8)(7)
Ψqr=Lriqr-Lmiqs
电磁转矩Te=npLm(iqsidr-idsiqr)
(9)
(10)定子有功功率P=udsids+uqsiqs
(11)定子无功功率Q=uqsids-udsiqs
式中,rs、rr为定、转子每相电阻;Ls、Lr、Lm为定、转子等效电感和互感;ids、iqs、idr、iqr分别为定子dq轴和转子dq轴电流;np为电机极对数;ω1为
同步速。
3 励磁控制系统设计
3.1 硬件设计
图2 双馈电机功率流向图
2 双馈电机的数学模型
就前面的分析可知由于在双馈电机转子方加有三相交流励磁,直接分析更加困难,因此,这里忽略铁心损耗、饱和等,定子为发电机惯例,转子为电动机惯例。
为了实现对发电机输出电压和频率的控制以及输出有功、无功功率的调节,需要对双馈发电机采取一定的控制方式,因此采用直接转矩控制
[5]
此励磁控制系统选用TMS320F2812DSP芯片作为控制核心,TMS320F2812是专为电机控制而优化的单片DSP控制器,具备强大高速的运算处理能力。另外,双向变流器里含有IPM控制模块,智能功率模块(IPM)集成了电流、电压检测电路,以及驱动和保护电路等。这样就大大简化了控制电路的硬件设计,使得整个数字控制系统的硬件设计比较简洁。
硬件控制系统的原理框图,如图3所示。
,它不同于矢量控制,它不需要复杂的坐标
变换,其原理即是在定子磁链定向条件下,通过对转子磁链幅值和相角的控制来达到对定子有功和无功控制。
在这里建立的是在同步旋转坐标系(d-q)下的数学模型,考虑到坐标变换前后磁势关系不变、功率不变原则,在同步坐标系下双馈电机数学模型
[6]
图3 系统硬件框图
3.2 软件设计
可表示为:
整个控制系统的软件部分由主程序、中断服
务子程序以及功能服务子程序组成。中断服务子
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程序主要包括PWM周期中断、捕获中断和ADC转换结束中断等。功能服务子程序主要包括故障诊断子程序等。主程序完成TMS320F2812芯片事件管理器的初始化、中断的设置、变量的初始化和电机的开环启动过程,之后主程序实际上进入一个查询过程,程序不断地查询电压状态更新标志,并调用换相服务子程序给电机相应定子绕组通电。主程序流程图如图4所示。
4.1 发电机空载并网试验
传统的风力发电机组多采用异步发电机,并网时对电网的冲击较大。双馈发电机可通过调节转子励磁电流实现软并网,避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。
在励磁控制系统中,并网前用电压传感器分别检测出电网和发电机电压的频率、幅值、相位和相序,通过双向变流器调节转子励磁电流,使发电机输出电压与电网相应电压频率、幅值及相位一致,满足并网条件时自动并网运行。如图6所示。
图4 控制系统软件流程图
图6 发电机并网过程定子电压和电流波形
4 试验研究及数据分析
为了进一步验证交流励磁发电机的可变速、
功率可调节等特性,我们以一台8极、7.5kW绕线式异步电机作为交流励磁发电机试验模型,由一台直流电机作为原动机一起构成试验发电机组。功率变换器采用日本安川公司生产的F7Varispeed系列变频器构成交流励磁主回路,此变频器工作时分为200V和400V两个等级,内部采用的是IPM智能功率模块,具有超强的启动力矩和极为安全的保护性能惟及其它优良的控制特性。
模拟试验的系统框图如下图5所示。
由图6看出,并网前发电机电压略高于电网电压,并网后发电机电压即为电网电压。并网前发电机电流为辅助负载的电流,并网后的电流为馈入电网的电流。辅助负载用于并网前的发电机电压和电流监测,并网后将辅助负载切除。并网后定子电流有振荡现象,这是由于在并网试验中没有采用有功和无功功率闭环控制造成的,采用闭环控制后,发电机的功角保持不变可解决电流震荡问题。4.2 自并励空载试验
试验一开始给发电机加上励磁电压,等加到一定数值后,再断开励磁。用发电机的剩磁重新建立起电压,与异步电机的类似,最终双馈电机自励稳定运行,达到变速恒频发电。变频器提供的频率为10.45Hz。自并励空载时机端电压和励磁电流的关系如图7所示。 从图7的曲线,可以看出机端空载电压和励磁电流基本成线性关系,基本实现了变速恒频发电。
5 结论
并网操作是变速恒频双馈风力发电机励磁控制需要解决的关键技术。可采用不同的并网方式
(下转第156页)
图5 变速恒频双馈电机模拟试验的结构框图
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正面安装了一个面积为m的太阳能电池来代替玻璃幕墙,且其造价不比玻璃幕墙高。屋顶的太阳能电池负责供应热水。大楼的屋顶设储水设备,用于收集和储存雨水,储存的雨水用来浇灌屋顶上的草地,从草地渗透下去的水又回到储存器,然后流到大楼的各个厕所冲洗马桶。楼顶的草地和储水器能局部改善大楼周围的气候,减少楼内温度的波动。4.3 荷兰的环保屋
2
左右。
4.4 日本的生态高层住宅
日本在九州市新建了一幢环境生态高层住宅,这种生态住宅,其电力由风车提供,温热水由太阳能供给。即住宅内的居民所用温热水不用煤加热,而是用装在大楼南侧的太阳能集热器提供。这种太阳能收集器,在晴天可使储水箱中的水加热到沸腾,即使下雨天也能使水加热到约55℃。每户家庭的阳台上,都装有垃圾处理机,将各家的生活垃圾进行处理变成植物的肥料。公寓外停车场的地面混凝土具有良好的透水性能,使雨水存留于地下,与停车场地内的树林形成一种供水循环系统。分隔房间的墙壁上留有通风口,并配置有通风设备,使每个住房形成良好的通风效果。在大楼前装有风车,由风车发电为公共场所照明提供辅助电源。据测算,每住户一年用于空调的电费和煤气费可节约57000日元。
(编辑 吕子荆)
近几年来,荷兰在推行“环保屋”方面取得了显著的成果。这种“环保屋”屋顶铺草皮,使原来光秃秃的屋顶成为绿色屋顶;四壁装有太阳能电池板,可将太阳能转化为电能;排水管用陶瓷代替塑胶管,并增加使用多种“循环再造材料”,避免混凝土及乙烯基等化学材料的过多使用。引雨水冲洗厕所,以节约用水;在室内设置了温度、灰尘、化学品、放射性毒素等测量计,以监视室内的空气污染。这种“环保屋”是由加拿大阿尔柏达的一家名为“SLAR-DRI”的公司设计成功的。目前,在荷兰建“环保屋”成本约比建普通房子高10%
(上接第104页)
频率、幅值、相位也不受转子速度和瞬时位置影响,即变机电之间的刚性联系为柔性。
参考文献:
[1]王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2003.[2]陈雷,邢作霞,李强.双馈变速恒频风力发电机稳态运行特性
[J].沈阳工业大学学报,2004,26(2):149-152.
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电源的研究[J].中国电机工程学报,2004,6(19):1-6.
[4]YifanTang,LongyaXu.Aflexibleactiveangreactivepowercon2
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图7 自并励空载时机端电压和励磁电流的关系
磁综述[J]电力系统自动化,2004,28(23):92-96.
[6]陈学顺,许洪华.双馈电机变速恒频风力发电运行方式研究
[J].太阳能学报,2004,25(5):582-586.
(异步方式或同步方式),但需要解决并网过程中
的电流冲击和电压波动问题。
采用交流励磁方式,突破了机电系统必须严格同步运行的传统观念,使原动机转速不受发电机输出频率,而发电机输出电压(或电流)的
(编辑 徐秋菊)
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