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电网电压跌落下无刷双馈发电机低电压穿越控制.pdf
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1、电机与控制应用2 0 2 3,50(8)新能源发电与局域电网IEMCA电网电压跌落下无刷双馈发电机低电压穿越控制杨小亮1-2,白家俊,金楠1-2,崔瑜月,王锐,袁遇龙1(1.郑州轻工业大学电气信息工程学院,河南郑州450 0 0 2;2.河南省信息化电器重点实验室,河南郑州450 0 0 2)摘要:电网电压跌落的瞬间,风力发电机定子和转子产生冲击电压和冲击电流,对电网安全造成影响。为实现无刷双馈风力发电机低电压穿越,保证风电机组在电网电压跌落下不间断运行,对电网电压跌落下无刷双馈发电机定子电压和电流进行暂态分析,搭建了无刷双馈发电机在功率绕组静止坐标系下的数学模型,推导并分析了电网电压跌落瞬间
2、其功率绕组磁链、控制绕组电压动态变化过程,并提出一种积分滑模直接功率控制与故障穿越控制相结合的控制策略,完成无刷双馈发电机低电压穿越控制。通过MATLAB/Simulink和半实物仿真试验平台进行验证,仿真和试验结果证明所推导功率绕组磁链和控制绕组电压动态变化过程的正确性及控制策略的有效性,该控制策略有效抑制了定子控制绕组侧电压和电流畸变,提高了无刷双馈发电机的低电压穿越性能。关键词:无刷双馈电机;电网电压跌落;低电压穿越;暂态过程分析;直接功率控制中图分类号:TM315doi:10.12177/emca.2023.091文献标志码:A文章编号:16 7 3-6 540(2 0 2 3)0 8
3、-0 0 7 3-11Low Voltage Ride-Through Control of Brushless Doubly-Fed GeneratorsUnder Grid Voltage DropYANG Xiaoliang,BAI Jiqjun,JIN Nan,CUI Yuyue,WANG Rui,YUAN Yulong(1.College of Electrical and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China;2.Henan Key Lab of I
4、nformation Based Electrical Appliances,Zhengzhou 450002,China)Abstract:When the grid voltage drops,the stator and rotor of the wind turbine generate impulse voltage andimpulse current,which will affect the security of the grid.In order to realize the low voltage ride-through of thebrushless doubly-f
5、ed wind turbine and ensure the uninterrupted operation of the wind turbine under the grid voltagedrop,transient analysis of the stator voltage and current of the brushless doubly-fed generator under the grid voltagedrop is conducted.A mathematical model of brushless doubly-fed generator in the stati
6、c coordinate system of powerwinding is built,then the dynamic change process of its power winding flux linkage and control winding voltage at themoment of grid voltage drop is deduced and analyzed,moreover a control strategy combining integral sliding modedirect power control and fault ride through
7、control is proposed,hence the low-voltage ride through control of brushlessdoubly-fed generator is completed.The control strategy combined with the fault ride-through control completes the lowvoltage ride-through control of the brushless doubly-fed generator.Through MATLAB/Simulink and the semi-phys
8、icalsimulation experiment platform,the simulation and experimental results prove the correctness of the deduced powerwinding flux and control winding voltage dynamic change process and the effectiveness of the control strategy.Thecontrol strategy effectively inhibits the voltage and current distorti
9、on of the stator control winding side and improves the收稿日期:2 0 2 3-0 2-15;收到修改稿日期:2 0 2 3-0 4-2 5*基金项目:河南省重点研发与推广专项(2 12 10 2 2 10 0 2 4,2 2 2 10 2 2 2 0 0 6 4);河南省高等学校重点科研项目计划(2 2 IRTSTHN017)作者简介:杨小亮(198 0 一),男,博士,副教授,研究方向为风力发电、电机控制。一 7 3 一新能源发电与局域电网IEMCAlow voltage crossing performance of the brus
10、hless doubly-fed generator.Key words:brushless doubly-fed generator(BDFG);grid voltage drop;low voltage ride-through(LVRT);transient process analysis;direct power control(DPC)0引言随着工业规模的不断扩大,化石能源的过度开采,生态环境遭受破坏,因此世界各国提倡发展新能源。风能作为一种清洁可再生能源,其资源极其丰富,风力发电是解决能源与环境问题最好的发电模式之一1-3。无刷双馈发电机(BDFG)是一种新型交流感应电机,因其无
11、电刷与滑环且使用寿命长、可靠性高、维护成本低,使得BDFG在风力发电领域具有广阔的应用前景4-5。由于BDFG的多变量、强耦合和复杂非线性系统结构的限制,其较难实现风力发电系统的高性能控制6 。张凤阁等7 提出无刷双馈磁阻式发电机(BDFRG)统一等效电路,实现无刷双馈发电机结构的简化及其高性能控制。随着风力发电系统的快速发展,电网中的风机容量所占比例增大。电网对风电机组的发电技术和维持稳定运行能力的要求也越来越高,保证风力发电机组在电网电压跌落期间不脱网运行,是对其在电网电压跌落下故障穿越能力的严格考验8 9针对电网故障下风力发电机的运行状态及控制策略,学者们提出了不同的想法。文献10 分析
12、了双馈型风力发电机(DFIG)在电网故障下的动态过程,在电网故障和恢复时刻DFIG的直流定子磁链增大导致转子回路产生较大的电动势,为此提出了一种不受系统参数变化影响的改进退磁控制方法,缩短动态过程,提高电网故障恢复时刻的DFIG低电压穿越能力。文献11 提出了一种基于暂态补偿的电压源DFIG组低压穿越控制策略。通过分析电机定子磁链的暂态模型,及时将暂态补偿注入转子侧,并通过矢量分析优化补偿相位角,使故障时刻的转子电流冲击最小,提高了DFIG在电网故障下的稳定运行能力。文献12提出一种DFIG的虚拟电感抑制控制绕组过电流的低电压穿越(LVRT)控制策略。通过对虚拟电感值的计算和理论分析,对虚拟电
13、感进行改进,最终消除电网故障引起的控制绕组过电流。文献13 为消除电网电压故障对BDFG的影响,一7 4一电机与控制应用2 0 2 3,50(8)在网侧变流器采用双电流内环控制,消除直流电压波动。在控制绕组回路采用主辅控制器,抑制功率绕组、控制绕组电流畸变和功率波动,实现相应的控制策略。文献14 在BDFG运行系统中提出正向坐标系下的PIR控制。在正向同步旋转坐标系下,定转子正负序电流可通过坐标变换得到直流量和二倍频交流量,针对得到的交直流分量可通过PIR控制器实现无静差跟踪。相较于双电流内环控制,该方法无需电流正负序的分离,简化了控制系统。本文在电网电压跌落下,对BDFRG的定、转子的电压和
14、电流进行暂态分析。通过推导BDFRG的数学模型,分析其在电网电压跌落下,功率绕组磁链、控制绕组电压动态变化过程,并在此基础上采用本文提出的一种积分滑模与低电压穿越相结合的控制策略,完成无刷双馈发电机在电网电压跌落期间的低电压穿越,最后通过MATLAB/Simulink和半实物仿真试验平台对所提出的控制方法进行验证。结果表明,在电网电压跌落下,引起无刷双馈发电机定子控制绕组电压过大的原因为定子功率绕组磁链的突变,通过本文所提低电压控制策略,BDFRG风力发电系统输出的无功功率在电网电压跌落期间增加,为风力发电系统低电压穿越提供无功功率,并维持电网电压稳定,完成低电压穿越,有效降低电网电压跌落对B
15、DFRG风力发电系统的影响。1天无刷双馈发电机的数学模型1.11BDFRG变速恒频发电机理BDFRG的定子包含两套不同极对数的独立绕组,即功率绕组(PW)和控制绕组(CW),其中PW直接连接电网,CW经变频器接至电网15,BDFRG风力发电系统结构框图如图1所示。通过转子对定子两套绕组中电流产生的磁场进行调制,实现机电能量的转换。BDFRG在双馈运行时,转子上只有一种电流,故两定子磁场在转子中感应的电流频率相同。则BDFRG在双馈运行状态时转子转速,与定子频率之间的关系为16 电机与控制应用2 0 2 3,50(8)电网新能源发电与局域电网IEMCAiotu=ule根据式(5)可推导得PW电流
16、表达式:41-Li2i2i=王图LPW(7)(8)MSCIGSCIMSC2GSC2CWBDFG风力机齿轮变速箱图1无刷双馈发电机变速恒频风力发电系统12Pi+P2式中:P1、P2 分别为PW和CW的极对数,1、2分别为PW和CW频率。当CW侧通人直流电,BDFRG运行在同步运行状态,转速为1P+P2双馈运行模式期间,当转速,变化时,适当调节CW侧的线路角频率2,可使PW输出侧的线路频率,维持不变,从而实现BDFRG变速恒频发电。同步运行期间,转子转速称为自然转速,其大小与电网频率、定子极对数相关。1.2BDFRG数学模型BDFRG在PW静止坐标系下的数学模型为u,=R,it+pbi(3)uz=
17、R,iz+pab2-jo,b2(4)4=Li+Li2i2(5)2=L,iz+Li2il(6)式中:u、i 和分别为电压、电流和磁链的矢量;R、L 分别为电阻和电感;下标1和2 分别代表PW和CW绕组;P为微分算子。将式(8)代人式(6)中可得:L,L2-L1242=L2i2+再将式(9)代人式(4)中,则CW电压可推(1)导为u2=R,iz+LiL,-Li2L(p+jo,)i,=ur,+w,+u,(10)式中:uw为PW侧磁链变化产生的感应反电(2)动势;ur,为CW侧回路电阻压降;uL,为CW的回路等效电感压降。其中:WR2=R2i2uL1L,L2一LL4L-LiL,=L由式(10)可知,C
18、W侧电压可分为三部分,即W,v U r,和uL,。CW 电压等效电路图如图3所示。uR+L2L(9)L12(p+jo.)+L+jo,)1P+jo,)ic+(11)(12)(13)(14)BDFRG的等效电路图如图2 所示。Ru图3BDFRCCW回路等效电路图42u2jo2图2 BDFRG等效电路图在BDFRG正常运行系统中,PW直接与电网相接。在风力发电系统稳定运行状态下,PW电压矢量旋转速度与电网频率保持一致,故电压矢量可表示为根据式(3)可知BDFRG的PW侧电阻压降与其磁链变换产生的感应电动势相比较小,可将其忽略,则PW电压表达式可简化为dujadt将式(15)代人式(10)中可得:Li
19、2 W1-r1U=LW1(15)(16)一7 5一新能源发电与局域电网IEMCA在BDFRG风力发电系统运行期间,CW回路中的阻抗压降与其磁链变化产生的感应电动势相比可忽略不计。故可将CW侧电压等效为L/2 W1-WrI根据式(1)将PW静止坐标系下的CW电压转换到CW静止坐标系中,其表达式为(cw)(cw)u2电机与控制应用2023,50(8)减。将式(2 0)代人式(17)中推导BDFRG的CW等效电压表达式为LI21一Wr(17)U2L/2iL1leLi2 01-,LI2u,I eejo1-(pitp2)0,ltjatejcoo(t-to)/T1eejaitoLe-jaf(18)由式(1
20、8)可知,电网频率l恒定,PW电压幅值u,恒定且与电网电压保持一致,则CW静止坐标系下的CW电压幅值大小与转子角速度相关。2电网电压故障下的BDFRG2.1电网电压跌落下BDFRG的暂态分析在研究电网电压跌落期间CW电压的动态变化过程中,为简化BDFRG强耦合、非线性结构,令CW电流回路断路,即iz=O。在to时刻电网电压发生跌落,其故障前后的PW电压表达式如下所示:1ejaitu(1-)I u ar式中:代表电网电压跌落程度,当=1代表电网电压完全跌落。将式(8)、式(18)代入式(3)中,并令i=0,根据换路定则原理,在电网电压跌落时刻PW磁链出,的变化如下:(ttjo1=/(1-)I u
21、,/ejaitja1(tto)式中:T=L,/R,为时间常数。在电网电压发生故障后,PW磁链由两部分组成,第一部分幅值为(1-)1u l/且保持恒定,并以电网频率1旋转变化;第二部分幅值为lu,le(-0/01,其幅值以时间常数呈指数衰一7 6 一L2201一将式(2 1)转换到CW静止坐标系当中得:(cw)Li22L,1Li2 0)-W(11-)|ui leLjw1-(pi+p2)a,ltL1通过上述可列出BDFRG的CW电压在电网电压故障前后的表达式:L/22W1一u2(to)(cw)LW1L12(cw)u2(tto)L1L2(t to)W1一(19)L1(t to)由式(2 3)可知,电
22、网电压发生故障前CW的等效电压幅值恒定,且以频率1-(p1+p2),在CW回路运行,其幅值最大为u2(cw)I(t1o)max电网电压发生故障后,CW电压由两部分组成,分别为电网电压跌落引起的PW等效电压直流量和PW电压分量。其幅值大小与电网故障发ej010-(t-to)/T生的时刻有关,故在确定电网故障后的CW等效 l u,I eeja1(20)/u leoijaioeCjooeeLi2 W1-W,L电压幅值最大点时,还需根据电网电压故障发生时刻to或to+/w对CW等效电压进行计算比较。2.2电网电压跌落下无刷双馈发电机低电压穿越由电网电压跌落下无刷双馈发电机的运行特性分析可知,PW磁链的
23、变化是CW电压幅值急剧变化的原因。在此基础上,采用积分滑模直接功率控制模式与故障穿越模式相结合的控制策略,完成无刷双馈发电机的故障穿越。(21)e(22)ee(24)(25)(33)电机与控制应用2 0 2 3,50(8)在电网电压正常运行期间,采用积分滑模直接功率控制模式,对同步旋转坐标系中的d轴进行定子磁链定向,此时d、9 轴上的磁链分量和电压分量分别为=pm=0、U m=U U m=0,由BDFRG在PW静止坐标系下的数学模型推导得出同步旋转坐标系下,PW电流和CW磁链的关系为qPdp有功功率、无功功率表达式为3U,LPP2(L,Lc32有功功率和无功功率对时间t的导数为3u,LmedP
24、(t)dt2(L,L。-L Pe)(a,-w)2(LL.-L),dQ(t)3u,Lppodt2(L,L。-L)对式(2 8)整理得:P=AU.+A(w,-w)edQ=-AUd-A(w,-w)+BwpPo3U,LA:2(L,L。-L g)3U,L。B=2(L,L。-L)设滑模变结构的系统状态变量与参考量之差为X,=P-Pref X=Q-Q rer系统的滑动面方程为滑模控制器的状态变量以及其积分项之和:新能源发电与局域电网IEMCAX,(s)ds=0+C:+C;X(s)ds=0积分器初始状态:XpXp(s)ds=-C;X2qcLpcL,LpcDCU+(w,-0)Q(t)-3U,LUde-(o,-w
25、)P(t)(31)(32)o(s)ds=-Ci(26)L2(27)(28)(29)(30)故t=0 时刻有 SP=SQ=0,则由式(30)可得:dPmdPXdtdQerX-AUd-A(w,-w)+dtdtBo式中:X,和X。分别为无刷双馈发电机有功功率、无功功率实际值与其给定值之差;Prer和Qrer均为常量,故dPref/dt=dQref/dt=O;Sp为系统有功功率给定值和实际值的差值与积分项之和,S。为无功功率给定值和实际值的差值与积分项之和;c是滑动面系数,Pref、Q r e f 分别有功功率和无功功率的给定值。根据式(33)求其等效控制:rU%=(w-w,)小edBU%=(w-w.
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