控制低电压穿越的技术大揭秘.docx
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1、电网正常条件下双馈风力发电变换器的控制技术DFIG变速恒频运行,通过控制转子侧和网侧变换器来实既有功、无功功率的独立调整。转子侧变换器的重要作用是为转子提供励磁电流,而励磁电流可以分为励磁分量和转矩分量两部分。其中调整励磁电流分量可调整定子侧所发出的无功功率,调整转矩电流分量控制电磁转矩,进而控制定子侧所发出g有功功率,使风力机运行在最佳功率曲线上,实现最大风能捕捉。风速的变化会引起双馈发电机运行状态0变化,进而导致直流侧电流的变化,从而引起直流侧电压日勺变化。直流侧电压的变化会引起整个风力发电系统I为性能恶化,因此网侧变换器的重要控制目的就是保持直流侧电压恒定而不受上述原因的影响,同步又可以
2、控制功率因数。网侧变换器的另一任务是保证其良好的输入特性,即输入电流波形靠近正弦,谐波含量少,功率因数符合规定,理论上可获得任意可调0功率因数,为整个风电系统B功率因数控制提供了另一种措施。双馈风力发电系统是一种多变量、时变、强耦合的高阶非线性系统,其运行控制复杂。目前对于理想电网电压条件下DFlG风力发电机系统、包括网侧、转子侧变换器的控制方略业已进行了大量的研究工作未找涧用源,如经典的矢量控J(VectorCOntrOLVC)和直接转矩控制(DireCtTorqueCOntrOI-DTC)在DFlG风电机组得到广泛应用。矢量控制根据定向方式0不一样又可分为电压定向(SVO-VC)和磁链定向
3、(SFc)-VC)。而针对网侧变换器而言,变换器的控制就可以分为基于电网电压定的矢量控制(Vo。和直接功率控制(VDPC)以及基于虚拟磁链定向的矢量控制(VFoC)和直接功率(VFDPC)控制四种。1矢量控制由于DFIG是个多变量、非线性、强耦合的被控对象,采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流异步电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦,即磁通和转矩之间的解耦,将整个系统分解为两个独立控制的子系统。实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程,使交流调速系统0动态性能得到了明显0提高和改善。因此,对双馈电机而言,采用矢量控制是极具有吸引力日勺,无论双馈电机是作为电
4、动机运行还是作为发电机运行,根据不一样B控制目B,可以实现速度和定子无功功率(或磁通)的解耦控制或者定子端口无功功率和有功功率的解耦控制。其控制方程为:目前,双馈系统中可选择的定向向量有定子磁链、气隙磁链、转子磁链、定子电流和转子电流向量等。如错误!未找到引用源。所示为:DFIG功率解耦的矢量控制框图。图17DFlG功率解耦的矢量控制框图Fig.l-1ThediagramofDFIGpowerdecoupledvectorcontrol将矢量控制措施应用到双馈风力发电系统当中,可以大大简化控制方略。矢量控制是通过坐标变换,将定转子的电压、电流、磁链等变换到两相似步旋转坐标系当中,将双馈电机等效
5、为它励直流电动机,从而实现对其转矩、励磁分量或有功、无功功率日勺解耦控制,具有良好B动态性能和抗干扰能力。以转子侧变换器定子磁链定向矢量控制(SFO-Ve)为例,S.Wang和Y.Ding未找别用乩1等运用气隙磁场定向实现了有功和无功功率的解耦控制,并分析了其稳态性能。这种励磁控制模型忽视了定子漏阻抗和转子漏感,同步近似地认为气隙磁链为常数,使励磁控制模型的精度下降。R.Pen等!未找到里用弧I提出了并网型定子磁场定向控制的双馈发电机数学模型,背靠背变换器的控制系统构成及设计,以及在电流控制模式和速度控制模式下,获得最大风能跟踪以及有功、无功和转速0独立控制。ArantxaTapia等暂如Ms
6、mWT0分析了基于并网型定子磁场定向控制日勺双馈发电机数学模型,定子有功、无功功率H负载曲线,以及系统净有功、净无功、净功率因数与定转子有功、无功及功率因数之间的关系。重庆大学的杨顺昌、廖勇等提出通过控制转子电压向量在动态同步坐标轴系上的投影来实既有功、无功和转速的独立控制。由于定子频率一般为工频,使得在推导励磁控制模型时忽视定子电阻不会带来较大的误差,并且以定子磁场定向时,控制系统可以变得较为简朴,不过也存在着定子磁链近似为常数0问题。尽管双馈电机0矢量控制方略有上述局限性,但相对于其他控制方略而言,矢量控制实现起来较为轻易,并且具有较强B鲁棒性,假如采用定子电压定向,其电压向量角的获得也较
7、为轻易,因此矢量控制方略目前在双馈电机的控制系统中应用较为广泛。双馈电机稳态数学模型发电机作为风力发电系统B重要设备,其动态性能直接关系到风力发电机所发出电能质量以及单机、风电场甚至整个电力系统的动态稳定性。无论是系统仿真分析研究,还是对双馈电机自身MJ运行控制特性进行研究的需要,都离不开双馈电机的数学模型,并且稳态电机数学模型是研究电网故障状态下电机动态性能0基础。因此这一节将给出采用双馈电机在三相静止坐标系和同步旋转坐标系下0双馈电机数学模型。三相静止坐标系下的数学模型在研究双馈电机0数学模型时,定子侧采用发电机通例,定子电流以流出为正,转子侧采用电动机通例,转子电流以流入为正。为了研究以
8、便,常作如下的假设:(1)忽视空间谐波,设三相绕组对称,在空间互差120电角度,所产生B磁动势沿气隙周围按正弦规律分布;(2)忽视磁路饱和,各绕组的自感和互感都是恒定的;(3)忽视铁心损耗;(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。无论电机转子是绕线型还是笼型的,都将它等效成三相绕线转子,并折算到定子侧,折算后的定子和转子绕组匝数都相等。这时,根据规定的正方向,可得到双馈电机在静止三相坐标系下0数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程构成*味我测用.“儿DFlG绕组可等效成错误!未找到引用源。所示B物理模型。图中,定子绕组轴线A、B、。在空间对称分布且固定,转子绕组轴线、b、
9、C亦对称分布且随转子旋转,定子A轴和转子。轴之间的夹角用仇来表达。这样,在三相静止坐标系中的数学模型可描述为:图27双馈发电机日勺物理模型Fig.2-1ThephysicalmodelofDFIG(1)电压方程三相定子电压方程:%=-凡心+亍 atat凡m也XC$ SCdt(2-1)三相转子电压方程:drb (ItMrb(2-2)其中:%,%,%,%,%,L定、转子相电压瞬时值,下标$、r分别表达定子和转子;(a,isb,3小觉,irc定、转子相电流瞬时值;w,%,WSC,Wm,rhrc定、转子各相绕组磁链;%、Rr定、转子绕组等效电阻。(2)磁链方程:式中:s=Wb,匕r=raW由,匕ir=
10、Um i小,inLmi + Lk Lj -O/O%s-0.5晨 -0.5晨,u -0.5除-0.5LzMS LmS + LlsLnr+ L -0%“ -05Lmr Lrr= -054 Lmr + Llr -0.5ZW-0.5 Lmr -0.5Lf,r Lmr + LlrCOSqLz5=L;= CoS + 120)CoS一 120)COSe-120)COS斗cos(6r + 1200)CoS+ 120)COS-120)COS &其中:1.mX与定子绕组交链的最大互感磁通对应的定子互感;1.nir与转子绕组交链的最大互感磁通对应的转子互感,LmS=Lmr;4、4分别为定、转子漏电感;r为转子轴和定
11、子A轴间H位置角(电角度),对4取微分得到转子电d0角速度rfrat(3)转矩方程:7;=0.5邑H也eprdrssdrr(2-4)式中,4为发电机B电磁转矩,小为电机极对数。(4)运动方程:TL-Te =4 dr% dtJK4COr HUr%(2-5)式中,乙为风力机提供的拖动转矩,4为发电机的转动惯量,A为与转速成正比的阻转矩阻尼系数,为扭转弹性系数。同步旋转坐标系下的数学模型对于交流励磁电机来说,在电机日勺运行过程中,交流励磁电机定、转子中0电流频率一般是不一样的,定子中电流一般为工频交流量,而转子中电流一般为转差频率的交流量,并且整个交流励磁电机系统是一种强耦合系统,假如简朴的对交流电
12、流进行闭环控制而不进行解耦,则系统运行的效果会并不理想。在A、B、C三相坐标系下的双馈电机数学模型中,由于电机转子的旋转运动,使得定转子之间0互感为定转子间位置角时余弦函数,从而使描述电机特性0数学方程成为一组非线性、时变系数0微分方程组,不利于系统0分析研究,在对系统进行分析时一般可以借助坐标变化B措施对其进行简化。而对于对称的三相正弦量,在同步旋转办,系中可以表达成直流量的形式,从而可以使系统的分析得到深入简化。在功率守恒原则下,三相静止ABC坐标系到两相静止a-坐标系的变换关系可用如下矩阵来表达:111I1r-P22J-四33II对于三相无中线系统,由于+加+ic=O,即有电流变换方程可
13、简化写为:l1L2O . -|1A2(2-7)同样,当人+血+C=O时,电压变换矩阵与式错误!未找到引用源。)相似。从两相静止a-坐标系到两相似步旋转d-q坐标系的变换阵为:CCOSeSineClsilr=.CA(2-8)-SmeCOSe其中,。为轴和d轴的夹角。因此,从三相静止ABC坐标系到两相似步旋转d-q坐标系的变换阵为:,3s2scosCoS(6-120)CoS(6+120)-Sine-sin(-120)-sin(+120)J运用式错误!未找到引用源。)和错误!未找到引用源。)的坐标变换关系,到两相任意速旋转d-q坐标系中B数学模型,将三相定子静止坐标系中数学模型变换如错误!未找到引用
14、源。所示。图2-2双馈感应发电机在两相旋转坐标系下的模型Fig.2-2ModeloftheDFIGinthed,qrotatingcoordinate假设两相旋转坐标系以工频的角速度旋转,将三相静止坐标系下发电机定、转子日勺电压、电流、磁链转换为两相似步坐标系dp下的数学模型可由下述电压方程、磁链方程、电磁转矩方程构成未找加用II一,电压方程:Ud=-R&d-PWsd+gWSq%q=_R&q_Psg-sd=R+P-m一牡匕4Mrq=RrirIl+PWrq+SMrd10)磁链方程:sd=LjSd-LmirdWSq=LAq-LjqWrd=LjrdL“hd(2-11)电磁转矩方程:Te=%MJd-K
15、diSq)=%L(Lirq-露)(2-12)式中:Usd,U$q,Urd,“分别为定、转子、夕轴电压;心,%,%分别为定、转子4。轴电流;sdyWsq,rdkq分别为定、转子、4轴磁链;RC4分别为定子B电阻和自感;R,4.分别为转子0电阻和自感;均为dy坐标系下同轴定、转子间的等效互感;例为d-q坐标系的旋转角速度;例=助-例为d夕坐标系相对转子时角速度。以上方程一起构成了双馈电机在d-q坐标系下B数学模型。双馈电机仍然存在着耦合,尤其是同轴日勺绕组之间日勺耦合比较亲密。不过,与三相坐标系下0电机模型相比较,非线性原因明显的减少。这也是坐标变换的最终目的所在,也为如下分析双馈电机B矢量控制方
16、略奠定了基础。网侧变换器数学模型网侧变换器B数学模型是对其实行控制日勺基础,其主电路拓扑构造如错误!未找到引用源。所示,其中以、立(:1,2,3)为交流电源电压和电流,L为三相进线电感,&为电感等效电阻,R为开关管导通电阻,C为滤波电容。NFig.2-3Grid-sidePWMconvertertopology定义三相桥臂开关函数SKA=a,b,c):。IL开关Sk导通,且S;关断Sk=0,开关Sk关断,且Sk导通(2-13)由于每相上下桥臂的开关管不能同步导通,即在同一时刻只能有一种导通,一种关断(这里暂不考虑“死区”),因此S+SV=1,根据错误!未找到引用源。,对于第Z相有:1.%+M=
17、%一&因+戊+-+%(2-14)其中,R是开关管等效导通电阻,丫板是直流侧负载端到三相中点的电压。将S*+S=l代入上式,整顿得:1.*R鼠=环。)(2-15)其中,R=&+均为每相总的串联电阻。对于三相无中线系统,满足丑4=0,假如三相电压理想对称,则有ka%=0。假如将三相电压方程相加,化简后可以推出:k=aI/CV.=TSk3k=a因此,式错误!未找到引用源。)变成:对错误!未找到引用源。有:这样,式错误!未找到引用源,整地描述错误!未找到引用源式0微分方程:其中:=1%晨%了,61ROOSI3O-RO-(S厂;A=I300-7?-IS-I3_SaShSc0U=4%,4L与+R般=%Fd
18、Rsj(2-17)所示电路中B滤波电容C,应用基尔霍夫电流定律喏=1T.ark=。(2-18)和错误!未找到引用源。构成的微分方程组可以完o中的三相变频器电路。一般B可将其写成矩阵形ZX=AX+BU(2-19)-Looo-OLOOZ=,OOLOOOOCsjT;00O-01005J,一0010skoOO-1_k=a)将状态方程错误!未找到引用源。转换为在同步旋转坐标系d-q下0体现式错误!未找到引用源。,由于在同步坐标系中各量稳态时为直流量,采用PI调整器可以实现电流B零稳态误差,电流B瞬态响应也快某些未找到引用“dt%dt=R-W1wtidiq+L000-0L%CqRLL31.M0Fdc_00
19、-Lz,JdtCCCJ(2-20)其中,Sd、&是开关函数&仅=1,2,3)变换到d-4坐标系中的d、4轴对应的开关函数。由上面0方程可得:1.牛=-Rid+WlLi+ed-udatdi.1.-=-RIqfLld(2-21)式中,皿、的是变换器交流侧时输出控制电压:ud=SEIiq=SN加(2-22)双馈发电系统电网故障穿越技术的研究现实状况常见电网故障类型瞬态电网电压骤降或跌落指电力系统0高压端某处电压瞬时跌落10%-90%B额定电压幅值,并持续半个电网周期到几分钟时间B电网故障。它重要是由于电力系统短路故障所引起0,引起故障日勺重要原因有:绝缘材料B自然老化、机械损伤、雷电或操作过电压、认
20、为操作失误等。此外,鸟、兽、树、飞行物等跨接在裸露的载流部分或者毁坏支撑设备,以及严重的风、雪、雹等自然灾害都会引起短路故未找到引用凡导致电力系统运行不正常的任何连接和多种操作均称为电力系统故障,这种由电网故障产生依J电压跌落非常复杂,在三相系统中,其故障类型大体可以分为四种,分别为单相接地短路,两相接地短路,两相相间短路,三相短路*怵找则用时。表1-1电,网故障类型发生的比例Table1-1Thepercentageofgridfailuretype故障类型故障发生概率()单相接地故障75-80两相相间短路8-15两相接地短路4-10三相短路3-5从风力发电机的PCC点来看,电机端口电压由好
21、多原因决定,其中包括戴维南等值电路,电网故障的位置、类型、阻抗以及接口变压器的特性等。不过不难发现,只有当电网电压发生对称0故障时,机端电压反应为三相对称电压跌落,故障后仅有正序电压成分,如错误!未找到引用源。(a)所示。而其他三种类型故障均产生机端负序电压,其中(b)为电网单相对地故障产生机端电压向量图,(C)为电网两相相间短路故障在电机机端产生电压向量图,(电网两相对地故障在电机机端产生的电压向量图。图1-2 DFlG机端故障类型Fig.l-2DFIGstatorsidefaulttype电网电压故障对双馈电机的影响DFIG都是定子侧直接联接电网,电网电压降落直接反应在电机定子端电压上。根
22、据楞次定律,由于定子磁链不能发生突变,因此电机中会出现直流成分。当电网发生不对称故障时还会出现负序分量。定子磁链的直流量和负序分量相对于以较高转速运转B电机转子会形成较大的转差(转差频率分别在3s和2s附近,3s为同步角频率),从而感生出较大的转子电动势,并产生较大的转子电流,导致转子电路中电压和电流大幅增长*怵找涧用.L再由于DFlG转子励磁变换器容量有限,只能对发电机实行有限能力B控制,与基于全功率变换器B风力发电系统相比,DFIG风电系统体现出对电网故障非常敏感,承受能力也较差。定、转子过电压、过电流如若不采用改善B控制方案和对BB保护措施,轻易损坏发电机B绝缘,减少发电机时使用寿命。由
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