直驱风电机组低电压穿越改进控制方法仿真研究.PDF
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1、第27卷第9期2011年9月电网与清洁能源PowerSystemandCleanEnergyVol.27 No.9Sept.2011文章编号:1674-3814(2011)09-0079-06 中图分类号:TM761 文献标志码:粤直驱风电机组低电压穿越改进控制方法仿真研究宋新甫1,王伟2,周如3(1.新疆电力公司电力规划研究中心,新疆乌鲁木齐 830011;2.宁夏电力设计院,宁夏银川 750001;3.新疆电力设计院,新疆乌鲁木齐 830002)SimulationofImprovedControlMethodforLowVoltageRide-ThroughofDirectlyDrive
2、nWindTurbinesSONGXin-fu1,WANGWei2,ZHOURu3(1.PowerPlanningandResearchCenter,XinjiangElectricPowerCompany,Urumqi830011,XinjiangUygurAutonomousRegion,China;2.NingxiaElectricPowerDesignInstitute,Yinchuan750001,NingxiaHuiAutonomousRegion,China;3.XinjiangElectricPowerDesignInstitute,Urumqi830002,XinjiangU
3、ygurAutonomousRegion,China)ABSTRACT:An improved instantaneous symmetricalcomponentsmethodisusedtodetectthepositivesequence,negativesequenceandzerosequencecomponentsofthegridvoltage.ThepowerofPMSGisreducedaccordingtotheratioofgridpositivesequenceandratedvoltageduringsymmetricalandasymmetricalvoltage
4、dips.Thepositive andnegativesequence components are controlled through respectivechannels.The poweristransmitted in positive sequencechannelwhilenegativesequencevoltage,whichisequaltothegrid negative sequence voltage,produced in thenegativesequencechannel.Inthisway,theinvertercurrentdoesnotcontainne
5、gativesequencecomponent,andoverloadinacertainphaseofGSIIisavoided.ThesimulationresultssuggestthattheimprovementstrategieshelprealizetheLVRTfunction,andensurethe3phasecurrentsymmetryoftheconverter.KEYWORDS: directlydrivenwindturbineswithpermanentmagnetsynchronousgenerator (D-PMSG);lowvoltageride-thro
6、ugh (LVRT);asymmetricalgridvoltage;instantaneoussymmetricalcomponentsmethod摘要:采用改进的瞬时对称分量法对电网电压瞬时值进行对称分量分解,提出了电网电压不对称跌落时D-PMSG的低电压穿越控制策略,按照电网电压正序分量和额定电压的比值减小发电机功率,并在解耦控制中分别控制正序和负序分量,正序通道完成能量的传输,负序通道产生和电网负序电压相等的负序电压,从而保证网侧逆变器电流中无负序分量,避免了逆变器非全相过负荷,充分利用其容量。仿真结果研究表明,提出的改进控制策略实现了不对称故障下的低电压穿越,并且保持了逆变器三相电流
7、对称。关键词:直驱永磁同步发电机;低电压穿越;不对称电网电压;瞬时对称分量法在新能源政策的鼓励下,近年来风力发电发展十分迅速,特别是风电装机占电力系统装机的比例越来越高,由此凸显出许多安全稳定问题,低电压穿越就是其中一个研究热点。电网电压跌落时,由于受变换器通流能力的限制,网侧逆变器注入电网功率减小。而此刻机侧整流器的功率并没有改变,造成直流侧的过电压。如果维持直流侧电压稳定,则必然造成逆变器过电流。过电压和过电流都将导致电力电子器件的损坏,为了保护变换器不被损坏,风力发电机组将在电压跌落时退出运行。将会增加整个系统的恢复难度,甚至使故障更加严重,最终导致系统其他机组全部解列1-2。针对以上问
8、题文献3通过在逆变器交流侧加装无功补偿装置和低通滤波器来应对电网电压不对称跌落对系统所造成的影响,使逆变器只能感受到电网的正序电压,保 持 其对称工作状态,从而实现低电压穿越;文献4-5通过直流侧加卸荷负载以消除电压跌落时直流侧的功率拥堵,避免直流侧的过电压和逆变器的过电流,实现低电压穿越。这些方法都要增加专门的元件,降低了系统的可靠性和经济性,使控制变得复杂。1 永磁同步发电机数学模型在建立永磁同步发电机d-q同步旋转坐标系下的数学模型时采用电动机惯例。定子电压的d轴、q轴分量表达式为6-7:ud=Raid+ d鬃ddt -棕e鬃quq=Raiq+ d鬃qdt +棕e鬃d扇墒设设设设设设缮设
9、设设设设设(1)式(1)中,i d 、i q 分别为发电机电流的d、q轴分量,ud和uq分别为发电机端电压d、q轴分量;Ra为定子电阻及开关器件损耗等效电阻的和;棕e为发电机的电角频率,鬃d和鬃q分别为定子磁链d、q轴分量。清洁能源CleanEnergy定向q轴指向感应电势空间矢量方向,则q轴电势eq=棕e鬃,d轴电势ed=0。由于永磁同步发电机的转子为对称结构,可以假设d轴和q轴的感抗相等,即Ld=Lq=La,则式(1)可改写为:diddt =1La Raid+棕eiq+1La uddiqdt =-1La Raiq-棕eid-1La鬃+1La ud扇墒设设设设设设缮设设设设设设(2)由上式可
10、以得出永磁同步发电机在d-q同步旋转坐标系下的等值电路6,如图1所示。PMSG的有功功率、无功功率表达式为:Pg=udid+uqiq (3)Qg=uqid-udiq (4)2 变频器数学模型及其控制永磁直驱风力发电系统采用的变频器可看做由发电机侧的整流器、网侧逆变器和支流母线组成。发电机侧整流器和网侧逆变器主电路结构安全对称,本文以网侧逆变器为例介绍其数学模型8-10。2.1 网侧变频器数学模型网侧逆变器经过连接电抗器与电网相联,其 静止三相坐标系下的平均值模型如下:L ddticaicbicc杉删山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫+Ricaicbicc杉删山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫
11、衫衫衫衫衫越usausbusc杉删山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫-ucaucbucc杉删山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫(5)式(5)中,u sa、usb、usc为电网三相电压瞬时值;uca、ucb、ucc为逆变器交流侧输出电压瞬时值;ica、icb、icc为逆变器交流侧三相电流瞬时值。将三相静止坐标系下的数学模型变换到dq同步旋转坐标系下,变换后的dq模型为6:usdusq蓘蓡=LP+R -棕sL棕sL LP+R蓘 蓡icdicq蓘蓡+ucducq蓘蓡 (6)式(6)中,P为微分算子 d/dt;usd、usq分别为电网电压的d、q轴分量;ucd、ucq分别为逆变器交流侧电压
12、矢量的d、q轴分量;icd、icq分别为逆变器交流侧电流矢量的d、q轴分量;棕s为电网角频率。2.2 发电机侧整流器控制对于发电机侧整流器控制,已有多篇文献研究。本文采用电流前馈解耦的空间电压矢量方法,实现机侧整流器的控制目标11-12。电流前馈解耦的空间电压矢量方法即:根据图1得到永磁同步发电机与机侧整流器的等效电路,在转子磁场定向的dq同步旋转坐标系下,将定子电压的表达式改写为电抗和转速的表达式,进而得到永磁同步发电机的功率方程式。再通过电流前馈的方法对d、q轴电压分解,最终实现发电机输出有功和无功的解耦控制。根据以上分析,采用PI调节器设计内环前馈电流解耦控制如图2所示:2.3 网侧逆变
13、器控制根据逆变器数学模型,采用电网电压定向的空间电压矢量控制,q轴指向电网电压矢量,d轴落后其90毅,得到其电压方程:ucd=-Risd-L disddt +棕sLisqucq=-Risq-L disqdt -棕sLisq+usq扇墒设设设设设设缮设设设设设设(7)式(7)中,u cd、ucq为逆变器交流侧d、q轴电压;L、R为连接电抗器的电感和等效电阻;棕s为电网电压电角速度;isd、isq为网侧d、q轴电流;usq为电网电压。可以看出,网侧逆变器数学模型的d、q轴之间存在耦合。因此采用与机侧整流器同样的前馈电流解耦对其进行电流控制13-14。3 永磁直驱发电机低电压穿越研究3.1 对称电压
14、跌落下低电压穿越研究电网电压跌落后,限制逆变器电流不变以保护其安全运行,由发电机有功功率表达式可得:Pf=uqfiq=uqeiq uqfuqe=Puqfuqe(8)式(8)中 , u qf为电压跌落后的电网电压;uqe为电网额定电压;Pf为跌落后逆变器输出有功功率;P为电网宋新甫,等 :直驱风电机组低电压穿越改进控制方法仿真研究 Vol.27 No.9图1 PMSG等值电路Fig.1 TheequivalentcircuitofPMSG图2 电流反馈解耦控制结构图Fig.2 Feedbackdecouplingcurrentcontrolblockdiagram清洁能源CleanEnergy8
15、0电压跌落前逆变器输出的有功功率。考虑通过控制机侧整流器减少发电机输出功率Pg使得Pg=Pf,就可保持直流侧功率平衡,限制直流电压升高,实现风电系统的低电压穿越。网侧逆变器控制图3所示的控制器,机侧整流器控制在图2所示的控制策略基础上加以改进,在计算外环有功功率参考值时引入电网电压信号15。图4是改进的机侧整流器控制器外环有功功率参考值确定方法,MPPT是最大风能追踪算法,它的输出是最优功率值Pmax,在 乘 以 残余电压和额定电压的比之后确定功率外环有功功率参考值。对所建D-PMSG模型采用上节所提出的控制策略,系统参数不变,在 t =2s模拟三相对称电压跌落,跌落幅度为50%,持续时间为0
16、.5s。采用双侧变换器控制的仿真结果见图5、图 6 。图 5 中 是 电压跌落发生后,逆变器电流和直流电压的波形。图5(a)中,在 2s电网电压下降了50%,到2.5s又恢复正常。图5(b)中由于发电机功率减小的滞后,逆变器电流在2s时增大,但随着发电机功率的减小经过3个周波后又恢复了电压跌落以前的电流;图5(c)直流电压由于同样的原因先有很小的升高,后由于发电机功率被减小,直流侧恢复功率平衡,直流电压也恢复到参考值。图6电压跌落时发电机电流、功率和力矩的仿真波形。图6(a)显示,在电压跌落期间机械转矩和电磁转矩同时被减小了,整个过程中它们完全重合;图6(b)、(c)可以看出,发电机的电流和功
17、率都被减小了。电压跌落清除后发电机的力矩、电流和功率恢复到跌落前的状态。3.2 改进的瞬时对称分量法在三相电路中,对 于 任意一组不对称的三相相量(电压或电流),可以分解为三组三相对称的分量,当选择a相作为基准相时,三相电流相量与其对称分量之间的关系(以电流为例)为:Ia(p)Ia(n)Ia(0)杉删山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫= 131 a a21 a2 a1 1 1杉删山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫IaIbIc杉删山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫(9)式(9)中,a =ej2仔/3;a2=e-j2仔/3;I觶a(p)、I觶a(n)、I觶a(0)为A
18、相电流的正、负和零序分量;I觶a、I觶b、I觶c为三相电流相量。根据各序分量的对称特性不难求得B、C两相电流的正、负和零序分量。将式(9)应用于三相电流瞬时值,也可以进行动态和暂态分析:ia(p)ia(n)ia(0)杉删山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫= 131 a a21 a2 a1 1 1杉删山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫iaibic杉删山山山山山山山山山山煽闪衫衫衫衫衫衫衫衫衫衫(10)第27卷 第9期 电网与清洁能源图5 电压跌落时直流电压和逆变器电流Fig.5 DCvoltageandinvertercurrentduringvoltagedip图6 电压跌
19、落时发电机参数波形Fig.6 CurvesofPMSGduringavoltagedip图4 机侧整流器有功功率参考值的确定Fig.4 CalculationofPgrefforGSR图3 网侧逆变器控制框图Fig.3 Blockdiagramofgrid-sideinvertercontroller清洁能源CleanEnergy81式(10)中,i a 、i b 、i c 为三相电流瞬时值,ia(p)、ia(n)、ia(0)为A相电流的正、负和零序分量。考虑式(10)所示的瞬时对称分量法,其获 得的正序、负序和零序电流是以复数形式表示的,文献16介绍了一种改进的瞬时对称分量法,既克服了上式的
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