2mw双馈异步风力发电机的研究

摘要

对一个2 MW商业风力发电机的设计,验证了以两种连接方式为标准的双馈异步电机，它能使其低速范围向下延伸到80%，在电子变换器额定功率没有增加的情况下下滑。这远远超出了正常的30%的下限。较低的速度连接被称作异步发电机模式而机器的操作是在短路定子绕组转动和所有的功率流在转子回路中的情况下进行的。有两个回路逆变器控制系统方案已经被设计完毕并且在各自的模式中已调整性能。本文的目的是演示仿真结果,说明该控制器的动态性能均为2 MW异步风力发电涡轮机的连接方法。当设计这样的先进的控制策略时，一个简单的对转子和对双馈连接模式电压的分析在演示时应作为一个优势部分被考虑进去。

关键词:双馈电机、异步发电机、风力发电设备 列出的重要标志

vrdq 直交和正交转子电压 irdq 直交和正交转子电流 λsdq 直交和正交定子磁链 Ps 定子有功功率 Qs 定子无功功率 pfs 定子功率因数 Te 转矩 p 微分算子 Lm 电抗引入 Rr 转子电阻 Lr 转子电抗引入 σ 总漏电感 ωsf 频率 ‘s’ 定子简称 ‘r’ 转子简称 ‘*’ 参考值

1、介绍

对风力涡轮机的兴趣还在持续,尤其是那些拥有一个额定功率为许多兆瓦的。这个之所以流行主要是既环保,也有可用的化石燃料。所谓的立法鼓励减少碳足迹的地方,所以目前正在感兴趣的可再生能源。风力涡轮机仍然被看作是一种建立完善的技术,已形成从定速风力涡轮机,现在流行的调速技术基于双馈异步发电机(DFIGs)。一个双馈异步风力涡轮发电机的速度的变化与被控制的转子变频器的速度变化一致，使转子电压相位和大小得以调整以保持最佳扭矩和必要的定子功率因数。双馈异步发电机是目前技术发达,常用的风力涡轮机。一个双馈异步发电机的定子直接连接到有一个电力电子的转子变换器的高压电网上,该变换器在转子的转动和高压电网之间得到应用。这个变量速度范围与转子转换器的速率是成正比的因此其调速范围被限制在±30%。转子转换器只需要双馈异步发电机发出能量总量的30%的就能全面控制全部的发电机输出功率。这能导致显著的节省转子转换器的成本 。滑动环连接,但必须保持转子绕组,性能安全可靠。电源发电机为2 MW风力汽轮机其速度特性如图1所示。

对于一个商业发电机来说其速度随风速变化,然而这种关系是设定的某一特定地点。当风速下降从风中提取的能量比损失在发电机和变频器中的少时，发电机的输出功率减少直至关闭，因此机器速度也会下降。一种操作模式已经由一个风力涡轮机制造者提出,他宣称延伸速度范围以便在较低的风速中提取的能量是比损

失在系统中的多，以至于该系统仍能保持联络。这个建议中提出的双馈连接的标准在正常的双馈调速范围中使用而所谓模式是用来延长低速运行。先前的工作已经显示了异步发电机模式能够使双馈异步发电机的运作下滑到80%。在运行时这一变化通过断开定子与双馈模式中的高压电网实现,然后使定子绕组短路使异步发电机运行。在模式中，所有的发电机组的发出的能量都流经转子变频器。异步发电机模式的曲线与双馈模式的曲线在±30% 滑动时相同。通过推断双馈模式的曲线，使异步发电机在低风速时提取到的能量达到估计值。控制器(双馈和异步发电机模式)所需要的参考扭矩,就可以很容易地从这样的曲线中得到。接着，扭矩-速度数据可以存储在一个可查表格中，因此参考转矩是随转速自动变化的。

现代双馈风力涡轮机的能力随无功功率吸收或产生的变化使风涡轮参与高压电网无功功率的平衡。

制造商提供的应用在双馈异步发电机中的参数是2MW, 690V，4极，本文旨在探讨应用这些参数的控制器在双馈和异步发电机模式中的性能。这是对在先前资料中已建立的且稳定性已被证明过的两种操作模式的进一步研究,这两种模式分别是双馈和异步发电机模式。作者探讨了双方连接的稳态效率。稳态性能的良好说明这台机器用这种连接方法运行时相对于其他方法是有利的。本文检视(即瞬态性能)的2千瓦风力涡轮机的控制能力。在双馈和异步发电机模式中全部动态控制器(电流调节、解耦控制方程和矢量控制)的结果被显示。有些元件形成了应用于整个操作过程中的转子电压且在双馈异步发电机模式中有涉及到，一份对这些元件的详细分析被呈现出来,因为它能使这些有很大控制力的元件被识别。当设计先进控制方案时这被作为对整个运行范围的一个概论能被确认是特别重要的。已经被证实的可在一台7.5kW实验室钻机中应用的仿真模型可应用于现实的2千瓦风力中，可得出结论是提议在真实的风力涡轮机中的异步发电机模式中使用。

2、连接方式

控制高压电网侧逆变器(GSI)来维持一个固定的直流环节电压，该电压在高压电网中有给定的功率因数。控制转子侧逆变器(RSI),从而能最大量的提取风的动能同时使定子的功率因数控制在高压电网所需要的限制范围之内,尽管通常取单位功率因数。高压电网侧逆变器就像在双馈模式中一样被控制。转子侧逆变器

的目的是为了当从风的动能中吸收最大的能量时控制定子磁链。

3、控制器性能

前期准备工作中，探讨了双馈模式和异步发电机模式中的一个闭环控制器，但只有一个7.5KW实验测试平台。2MW系统动态会有所不同,在本文讨论也有讨论。对一台2 MW风力涡轮机来说，其在双馈模式和异步发电机模式中的动态控制器的性能在这段显示了出来。 3.1双馈异步发电机模式(T和Q控制)

在双馈模式中控制器的参考值是扭矩(见图1)和能达到电网规范要求的定子的无功功率。本部分研究了两种速度,使控制性能表现出来自电网规范要求的标称功率限制的上方和下方的20%。一个额定功率为320千瓦的发电机,可达1150转(小于标称功率的20%)，一个额定功率是125千瓦的发电机可达1550转(超过20%的额定功率)。参考和实际的转矩、定子无功功率,都以两者的速度而显示在图5。

两者速度的转矩的参考值是特定的额定值，用一个给定的速度从图1中计算出;−2672Nm对应1150转速而−7701Nm对应1550转速。将一200Nm的阶跃信号应用于两者的速度中为了说明转矩对阶跃变化的动态响应。在1150转速时定子无功功率的参考值在电网规范要求下的特定的限制范围内变动;最初发出的功率比额定的少5%，在t =3.5s时，有一个阶跃变化, 多了+ 5%的电力。在1550转时，定子功率因数的参考值最初是0.95，在t = 3s时有一个阶跃变化，为单位

功率因数而最后一个阶跃是在t=4s时滞后到0.95。矢量控制回路的调整为一个0.1秒的时间常数，而转矩和定子无功功率回路各自调整为0.9s。矢量控制的设计是为了有一个比当前规定的较慢的带宽。

实际转子直交电流、irds、和正交电流、irqs、与图5对应的部件在图6中显示。转矩参考值的阶跃变化的影响对于期望的正交电流(上标s指出变量是定子)是明显的。在在t =3s，1550转速时，这个正交电流部分包含小瞬态响应，而t = 4s时，它是由于的值发生阶跃变化。定子无功功率参考值的阶跃变化如图5,导致直交电流参考值快速变化的,图6,如在定子无功功率的参考值实际值之间有初步的误差，随着控制运行一段时间去调整。现行的规定,确保带宽能防止当控制器一直在获得一个合适的反应速度时，其反应太快。一个被调整好的用于设计控制器的方程给了一些相似的比例和积分所得的值，这些值在电流的直交和正交环中被赫德沃斯特用过。

3.2 异步发电机模式(转矩和磁通控制)

异步发电机模式中控制器的参考值是定子磁链和转矩。在异步发电机模式中对2MW发电研究其在两种条件下的启动和转矩的阶跃反应,两种条件分别是400转(最低异步发电机模式速度)和1420转(以这样的速度所产生的能量高于对应的转子转换器的600千瓦的额定功率)。由图1知，稳态的转矩和速度的额定值为320Nm，400转和4081Nm，1420转。一个必须建立在额定机器, 对通过一段斜坡给定的一个速度,为了在机器中建立额定的λsr值，设置启动顺序是必要的，在机器可以产生电力之前。

在机器中，一旦该控制器的参考λsr已建立,转矩的参考值就会通过一个给定额定速度的受控斜坡而增加，然后在400转速时一个50Nm的阶跃响应与1420转速时一个200Nm的阶跃响应被应用。控制器就像期望的那样控制机器跟踪转矩的参考值。

矢量控制回路决定转子电流的参考值，如图8。为了建立λsr，最初的部分迅速上升,大约是一个给定的负荷点稳态值的三倍。电流一直都在在额定的限制范围内。最初的转子直交电流能够显著降低,如果一个较慢的λsr反应被实现。

转子电流正交部分由转矩回路控制以便能得到所期望的能量。最初由于转子直交电流很高而通过交叉耦合规律影响了正交回路而有轻微的误差。在机器中，一旦λsr的额定值已确定，直接和正交回路就解耦了。并且一个转矩的阶跃信号可引起转子正交电流的短暂上升，尽管控制量的参考值调整的比这一变化慢。

4、转子的电压元件

双馈和异步发电机模式的性能已经在上一节说明过了。两者的控制器都是基于内部电流环和外部控制回路，而外部控制回路是由双馈模式中的转矩和定子无功功率回路以及异步发电机模式中转矩和定子磁链回路组成。解耦方程加入到PI控制器输出端以减小两回路之间交叉耦合的影响。最后一部分工作是研究转子电压稳态组件的贡献，对一台2兆瓦机器来说转子电压在解耦方程式中作为一个未知数来评估在不同的速度时的它重要性。转子电压、转子电流和方程式中给定的无差别的转子电压部分在双馈模式中的全部速度范围(1000到1950转)内被讨论，该范围是由图1中的额定转矩决定的,的范围从落后0.9上升到领先0.9。

只有假设电网侧逆变器维持单位定子功率因数且拥有此功率因数的转子变频器是连接到独立于转子侧逆变器的电网中时有

5、结论

本文首先分析了在2 MW双馈异步发风力涡轮机中双馈和异步发电机模式下控制器的响应。由制造商提供的机器参数在2MW电机中的使用以及作为一个有效的，商用的WRIM应用于风力涡轮机中。这项工作中，2MW机器的参数与在前期准备工作中的7.5千瓦电机的参数并不仅仅是一种线性比例，因此两个机器之间的特性没有被确认。

对进行了两个方面的调查分析。已经存在的仿真模型用于评估2MW的双馈异步发电机在双馈和异步发电机模式下的可控性、稳态和瞬态行为。

结果表明,异步发电机模式是一种可控的运作模式,当转子电压下降时（当速度减小时），这种模式将扩大低速运行,所以IGBTs对电压的限制就会被当作电机和变频器对电流和能量的限制。在2MW的的双馈模式中探讨了转子电压的组成。这显示了解耦方程在双馈异步发电机随速度变化时的重要性。

感谢 作者对FKI 工业传动 和EPSRC的支持表示感谢。 参考

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