双馈感应发电机准同期并网技术的研究

发布时间：2009-11-09 作者：徐源源,黄石,向大为

        0　引　言
        双馈感应发电机可实现变速恒频运行,具有 优越的稳态和暂态运行性能及相对较小的励磁容 量,特别适用于风力、变水头水力发电及抽水蓄能 等可再生能源发电系统。与此同时,通过最佳原 动机效率跟踪控制还能提高风电机组的风能利用 率。因此,双馈感应发电机已成为主流应用的风 力发电机[ 128 ] 。
        随着风电机组单机容量的增大,其并网冲击 问题越来越受到人们的重视[ 8211 ] 。过大的冲击不 仅会引起电网电压大幅下降,还可能对发电机组机械部件(例如: 塔架、桨叶、增速器等)造成损 坏。如果并网冲击时间持续过长,可能威胁其他 挂网机组的正常运行甚至导致系统崩溃。因此, 采用合理可行的并网技术是个不可忽视的问题。 文献[ 9, 10 ]介绍了变速恒频风力发电机软 并网控制的方法。现有方案模拟传统同步发电机 准同期并网的方法。发电机并网前,通过适当的 励磁控制产生与电网电压相序、幅值、频率及相位 相同的定子空载电压。当检测到发电机满足同期 并网条件后立即合闸并网,并网过程无冲击。但 是这些方案均要求实时检测定子与电网电压,并 判定发电机是否满足同期并网条件,增加了控制 器的硬件和软件的复杂性。为满足无冲击并网的 要求,进一步提高系统的技术与经济性能,有必要 对双馈感应发电机的并网控制技术进行深入研究。 由于具有变速恒频运行、有功无功解耦、抗扰 动能力强及动态性能良好等优点,目前并网运行 的双馈感应风力发电机通常采用矢量控制策略对 定子有功、无功功率进行控制。在此基础上风电 机组能够实现最佳风能跟踪运行,并对电网无功 功率提供支持[ 4, 6, 12, 13 ] 。能否在现有矢量控制系 统的基础上进行适当修改,满足发电机安全、快速 并网的要求,基于这种基本思想,本文结合双馈风 力发电机的运行特点,对通用定子功率矢量控制 算法进行了适当调整,实现发电机快速、安全并网 运行。与传统并网技术不同,本文分析的双馈发 电机准同期并网技术既可以避免系统增加新的硬 件,又可以简化控制算法,具有一定的技术和经济 优势。
        1　矢量控制原理
        作为双馈感应风力发电机准同期并网技术的 基础,有必要首先对矢量控制原理进行简单介绍。 双馈感应风力发电系统如图1所示,励磁电源由 两个脉宽调制( PWM)变频器经中间直流环节连 接而成。由于PWM变频器的电压与电流能够在 四象限内任意调节, 因此通过适当地控制, 双 PWM变频器既能由转子从电网输入功率,也可向 电网输出功率,实现能量双向流动。
        励磁电源中电网侧变频器的主要功能是控制 中间直流母线电压同时调节网侧变频器的功率因 数,而发电机的实际运行状态则是通过转子侧变图1　双馈感应风力发电系统 频器进行控制。

        转子侧变频器一般采用定子磁链定向的矢量 控制策略。图2表明了定子磁链与参考轴系的关 系。其中d轴与定子磁链重合,而q轴滞后d轴 90°电角度。在定子磁链定向条件下,发电机转子 电流的dq轴分量与定子电流的dq轴分量之间存 在一一对应的关系。通过转子励磁电压分别控制 转子电流dq轴分量,即可达到控制定子无功与有 功功率的目的。
        

        基于定子磁链定向的矢量控制器原理框图如 图3所示。控制器采用双闭环结构,内环是转子 电流控制环,而外环则是定子有功与无功功率控 制环。其中电流内环引入了去耦补偿项,以消除
        d、q轴耦合量对转子电流控制的影响。为实现最 佳风能跟踪运行,根据风力机机械特性可计算出 最大风能利用系数条件下发电机定子有功与转速 的关系: Ps = f (ωr ) 。将该特性作为发电机的机械 特性进行控制,在与风机机械特性的共同作用下, 发电机组能够在一定风速变化范围内尽量保持最 大风能利用系数,从而实现最佳风能效率跟踪运 行。
        

        2　准同期并网控制方法
        随着桨叶气动性能的不断改进,目前绝大多 数卧轴式风力机都具有良好的自起动能力,一般 在风速大于4 m / s的条件下即可通过风力机控 制,使机组自起动到额定转速附近。
        本文分析的双馈感应发电机准同期软并网技 术的基本思想是:当原动机拖动机组进入正常转 速运行范围内时,通过励磁对定子空载电压的幅 值、频率及相位进行控制,使得定子空载电压满足 准同期并网条件,然后将发电机并入电网。并网 过程中发电机定子电压的幅值、频率、相位与电网 电压相同,并网过程对电网和机组均无冲击。
        由于实现了机电解耦,因此与传统同步发电 机不同,双馈感应发电机在并网过程中无需保持 严格同步转速运行。只要在正常转速运行范围 内,双馈发电机均可在变速条件下实现准同期并 网。这不仅缩短了机组起动并网的时间,还提高 了并网成功率。
        发电机准同期软并网励磁控制的基本工作原 理如图4所示,其中Us 是定子空载电压,而Ug 是 电网电压,即机端断路器电网侧电压。根据测得 的电网电压信号可确定定子磁链空间矢量的位 置,并将d轴按定子磁链定向。相应地, q轴则在 空间滞后d轴90°。在定子磁链定向条件下,通 过励磁电压控制d、q 轴转子电流等于指令值 ( i 3 rd = Im =Ψm /Lm≈Ug /Lm , i 3 rq = 0) 。一旦转子d、 q轴电流达到指令值,发电机定子电压与电网电 压的幅值、频率及相位将达到一致,自动满足准同 期并网条件。双馈感应发电机转子具有三相对称 绕组,因此转子励磁电压空间矢量可在空间任意 调节。这使得机组能够在变速运行条件下实现无 冲击软并网。

        基于定子磁链定向的矢量控制原理框图(见 图4　空载运行时双馈感应发电机空间矢量图 图3) ,本文分析的双馈感应风力发电机准同期软 并网的基本过程为:首先通过原动机拖动机组加 速到额定运行区间(ωrmin ,ωrmax ) ;然后设定矢量控 制器电流内环的d、q轴转子电流指令分别为: i 3 d r =Ψs /Lm , i 3 qr = 0;当转子d、q轴电流响应达到指 令值时,双馈感应发电机满足同期并网条件,控制 器发出指令并网合闸;最后在并网成功后,切换控 制算法投入功率外环,发电机迅速进入定子功率 解耦控制的正常运行阶段。
        由于通过励磁调节就能控制发电机的空载运 行状态,因此本文分析的准同期软并网方案无需 同时对定子与电网电压进行测量与比较。这样, 一方面避免了测量定子空载电压的麻烦,另一方 面也省去了判断同期条件的麻烦,减少了机组并 网运行的软、硬件复杂性、节约了起动时间。
        3　仿真研究
        为验证双馈感应发电机准同期软并网控制方 法的正确性,本文对2MW 商用双馈感应风力发 电机进行了仿真分析,结果如图5所示。
        由仿真结果可知:在风力条件允许的条件下, 风力机拖动机组加速,当机组转速大于最小运行 转速ωrmin = 750 r /min时(约8. 5 s时) ,立即投入 发电机转子侧变频器(图5 ( a) ) 。在定子磁链定 向矢量控制下,转子d、q轴电流逐渐跟踪指令 (图5 ( b) ) ,同时定子电压与电网电压在频率、幅 值及相位上的差别逐渐减小(图5 ( c) ) 。当转子 电流达到指令值id r =Ψs /Lm≈ 0. 2 pu、iqr = 0 pu时 (约9. 5 s时) ,发电机基本满足准同期并网条件 后合闸并网。如图5 ( a)所示,并网过程对电网和 发电机组几乎无冲击。并网成功后(约10 s时) , 发电机立即投入定子功率控制。最终在与风力机 共同作用下,机组将逐渐稳定在850 r /min附近正常运行。
        根据仿真结果,并网过程中发电机始终处于 变速运行状态。但是,在励磁控制作用下,转子电 流的频率、幅值及相位将跟踪机组转速相应变化, 从而保证机组在变速过程中满足准同期并网条 件,实现无冲击软并网。