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1、 收稿日期:20052062181 李 宋 女 1977年生;毕业于华东交通大学计算机应用技术专业,硕士,研究方向为智能监测技术 1交流励磁双馈风力发电机双P WM控 制 系 统 的 仿 真 研 究李 宋 陈 梅华东交通大学电气工程学院,江西南昌(330013)摘 要 在变速恒频风力发电系统追踪最大风能的过程中,双馈发电机将在同步速上下运行,这就要求交流励磁电源应有良好的输入、输出特性和能量双向流动的能力。本文在分析了其它变频器的情况下,提出了一种新型的双PWM变频器作为交流励磁变频器电源方案,详细地讨论了电压型双PWM变频器的工作原理与控制策略,并利用Matlab仿真软件对双PWM变频器件进
2、行了仿真,研究结果表明这种变频器可以很好地满足交流励磁发电机变速恒频运行的要求。关键词 变速恒频 交流励磁 双PWM变频器 计算机仿真中图分类号T M315 文献标识码A 文章编号1008-7281(2006)01-0011-04Research of Si mulation of AC Excitation Double2FeedW indGenerator Dual PWM Control SystemL i SongAbstractIn the process of tracing maxi mum wind2energy of a variable2speed con2stant2fr
3、equencywind2power generation system,the doubly2fed generatorwill operate belowand above the synchronous speed,which requires the AC excitation power supply to pos2sess excellent input and output performance and the bi2direction flowing ability of energy.In this paper,a voltage PWM converter is consi
4、dered as a novel scheme of AC excitationpower supply and its operation principle and control strategy are discussed in detail underthe condition of analyzing other kinds of converter.Moreover,simulation study byMatlabsoft ware demonstrates that this kind of converter is capable of satisfying the var
5、iable2speedconstant2frequency demands of an AC excitation wind2power generator.Key wordsVariable2speed constant2frequency,AC excitation,Dual PWM convert2er,computer simulation.0 引言长期以来,风力发电以采用定桨距风力机为主,在发电机极对数一定的条件下,若要输出电能与电网同频,发电机必须以同步转速运行。而风能是一种变化剧烈的随机能源,一种风速下风力机只有一种可以获取最大风能的转速,这样恒速恒频运行只能在一种风速下捕获最大
6、风能,绝大多数风速下风能的采集、利用和转化效率都很低。随着风电机组单机容量的增大,运行成本已提到重要地位,追踪最大风能以增加发电量的控制方式才是风力发电的最佳运行方式。变速恒频能在各种风速下最大限度地捕获风能,已成为风力发电技术发展的方向。本文研究的是其中较常见的一种方案。该方案采用交流励磁的绕线式双馈感应发电机(DFIG)1 2 3。交流励磁变速恒频发电是在双馈电机的转子中施加转差频率的电压(或电流)进行励磁,调节励磁电压的幅值、频率和相位,实现定子恒频恒压输出。整个风力发电系统的基本结构如图1所示。1 交流励磁变速恒频运行原理交流励磁变速恒频发电系统原理性示意图如11 2006年第1期 第
7、41卷(总第128期)(EXPLOSI ON-PROOF ELECTR I C MACH I NE)防爆电机图1所示。发电机为三相绕线式异步发电机,定子绕组并网,转子绕组外接三相转差频率变频器实现交流励磁。当发电机转子旋转频率fm变化时,控制转子励磁电流频率f2确保定子输出频率f1恒定。设p为极对数,则有f1=pfmf2。图1 交流励磁双馈发电机原理图在不计铁耗和机械损耗的情况下,可以得到双馈发电机的能量流动关系Pmech+Pf=P1-Pcu1-Pcu2Pf=s(P1+Pcu1)+Pcu2(1)式中,Pmech 转子轴上输入的机械功率;Pf 转子回馈功率;P1 定子输出功率;Pcu1 定子绕组
8、铜耗;Pcu2 转子绕组铜耗;s 转差率。在忽略定、转子绕组铜耗条件下,可近似为PfsP1(2)由此可知,当发电机处于亚同步速运行时,s0,Pf0,变频器向转子绕组送入有功功率;当发电机处于超同步速运行时,s0,Pf0时,表示网侧变换器工作在整流状态,从电网吸收能量;P0表示网侧变换器从电网吸收滞后的无功电流;Q0表示网侧变换器从电网吸收超前的无功电流。忽略交流进线电阻,则有P=UVdqLsin(7)式中,Vdq=vd2+vq2式(7)表明,调节网侧变换器的交流侧电压空间矢量的幅值和相位,可以控制有功功率的流向。4 双PWM变频器的仿真研究为了验证上面理论分析的正确性,本文在MATLAB/SI
9、 MUL I NK下进行了仿真研究,由于篇幅有限,具体的仿真系统模型在这里没有给出。系统的仿真参数为:额定功率Pn=2.2kW;额定电压Vn=220V;额定频率f1=50Hz;电机极对数P=2;定子绕组电阻Rs=0.435;转子绕组电阻Rr=0.816;定子绕组漏感Ls=2mH;转子绕组漏感Lr=2mH;互感Lm=69.31mH;转动惯量J=0.089kgm2;所用风力机参数为:风轮半径R=2.4m;最佳叶尖速比值 m=9;最大风能利用系数值Cpmax=0.4;齿轮传动比N=7.8。图4为双馈电 机 分 别 运 行 在 超 同步 速(2000r/min)和亚同步速(1600r/min)时,网侧
10、变换器交流侧的电压和电流仿真波形。由图4可见,当电机超同步速运行时,转子的能量通过双P WM变换器回馈到电网,即网侧变换器工作在逆变状态;当电机亚同步速运行时,电网的能量通过双PWM变换器馈入转子,即网侧变换器工作在整流状态。因此,该双PWM变换器励磁电源既可以给转子馈入能量,又可以将转子多余的能量回馈到电网,实现了转子功率的双向流动。并且,从图4中还可以发现,网侧变换器交流侧的功率因数非常高(其绝对值接近于1),进线电流波形接近于正弦,其谐波含量较之传统的交交变频器小的很。同时,图5中的定子输出电流波形的谐波也非常小,这些都说明了采用交直交双PWM变换器作为双馈感应发电机的转子励磁电源,其性
11、能是传统相控(或斩控型)交交变频器的励磁电源所无法比拟的。31 2006年第1期 第41卷(总第128期)(EXPLOSI ON-PROOF ELECTR I C MACH I NE)防爆电机图4网侧变换器交流侧电压和电流波形 双馈感应发电机的定子相电压和相电流波形如图5所示。在图5中分别记录了在超同步速(2 000r/min)和亚同步速(1 600r/min)时的定子相电压/相电流波形,其输出频率始终恒定在50Hz的电网频率,实现了风力机的变速运行。另外,在定子电流(或有功功率)变化的同时,保持了恒定的功率因数(或无功功率),实现了对双馈感应发电机有功功率和无功功率的独立解耦控制。图5 双馈
12、感应发电机定子相电压/电流5 结论随着风力发电机单机容量的增大,风力机已采用变桨距控制,为实现最大风能捕获运行创造了条件。在追踪最大风能的运行中,必须实现变速恒频发电,交流励磁双馈发电机是一种最佳的选择。作为双馈发电机的交流励磁电源,双PWM方式的变频器由于有优良的输入、输出特性和能量双向流动的能力,已成为最具实用价值的电源方案。参考文献1 马洪飞,徐殿国,苗立杰.几种变速恒频风力发电系统控制方法的对比分析.电工技术杂志.2000:1-4.2 潘再平.风力发电中的变速恒频技术.能源工程.1993(2).3 潘再平,章玮,卞松江.无刷双馈风力发电机的理论分析.新能源.2000,22(7).4L.
13、Xu,D.Zhen,and E.H.Kim,“Field2orientationcontrol of a doubly excited brushless reluctance machine,”IEEE Trans.Ind.Applical,Vol,34,No.1,pp,148-154.Jan./Teb.1998.5C.S.BruneR.Spee and A.k.Wallace“Expermentalevaluation of avariable2speeddouble2fed wind2power genera2tion system”IEEE Trans.On Industry Application.199430(3)pp:648655.电机试验信息佳木斯防爆电机研究所电气试验站承揽电机试验应用程序的开发。联 系 人:章力源 电 话:(0454)8326357 手 机:1311536780841防爆电机(EXPLOSI ON-PROOF ELECTR IC MACH I NE)2006年第1期 第41卷(总第128期)