引言

當(dāng)前市場上最常用的兩種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分別是變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。然而,這兩種系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn):如雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)所用變流器額定容量只需系統(tǒng)額定功率的1/3左右,但該系統(tǒng)需要使用多級增速齒輪箱,較易出現(xiàn)故障從而使系統(tǒng)維護(hù)成本增加。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)采用永磁發(fā)電機(jī),效率較雙饋而言有所提高,且省去了增速齒輪箱,提高了系統(tǒng)可靠性,但需要采用價(jià)格昂貴的全功率變流器。

同時(shí),大型多極永磁直驅(qū)電機(jī)體積、重量都很大,存在設(shè)計(jì)及系統(tǒng)安裝上的困難。

目前大多數(shù)基于雙饋異步電機(jī)(DFIG)的仿真中都忽略了鐵耗,但鐵耗確實(shí)存在且在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)在總損耗中占的比例較大,研究考慮鐵耗的模型就很有必要。

本文在未考慮鐵耗的雙饋異步電機(jī)兩相旋轉(zhuǎn)(du)坐標(biāo)系模型基礎(chǔ)上,加入了鐵耗電阻,推導(dǎo)了考慮鐵耗的模型。在Matlab/simulink環(huán)境下建立了變頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型,進(jìn)行了仿真研究,比較了考慮鐵耗和未考慮鐵耗時(shí)仿真結(jié)果的差別,仿真結(jié)果驗(yàn)證了考慮鐵耗模型以及有功/無功解耦矢量控制策略的有效性。

1未考慮鐵耗的DF1G建模

DFIG,又名"繞線式異步電機(jī)",其定子和轉(zhuǎn)子上均存在繞

組。基于DFIG的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,發(fā)電機(jī)的定子繞組與電網(wǎng)直接相連,而轉(zhuǎn)子繞組則通過背靠背變流器與電網(wǎng)連接。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生隨機(jī)變化時(shí),DFIG的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也將隨機(jī)變化,而此時(shí)需控制發(fā)電子轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率,使與電網(wǎng)相連的發(fā)電機(jī)定子頻率恒定,便可實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻。

當(dāng)DFIG發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度or小于定子同步角速度o1時(shí),電機(jī)工作處于亞同步狀態(tài),此時(shí)電網(wǎng)通過變頻器向轉(zhuǎn)子提供轉(zhuǎn)差功率:而當(dāng)or大于o1時(shí),處于超同步狀態(tài),轉(zhuǎn)子通過變頻器向電網(wǎng)回饋轉(zhuǎn)差功率:當(dāng)兩個(gè)角速度相等時(shí),電機(jī)處于同步運(yùn)行狀態(tài),此時(shí)發(fā)電機(jī)類似于同步電機(jī)工作原理,變流器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供了直流勵(lì)磁。

不考慮電機(jī)鐵耗,雙饋異步電機(jī)的等效電路如圖2所示,(a)為d軸電路,(b)為u軸電路,大多數(shù)雙饋系統(tǒng)的研究都采用了圖2所示的等效電路模型,其能基本反映雙饋電機(jī)的特征,但在一些對功率、效率研究較精確的場合則不適用,此時(shí)便需要考慮電機(jī)的損耗,特別是鐵耗。

2考慮鐵耗的DF1G建模

本文主要研究考慮鐵耗的DFIG模型,電機(jī)的鐵耗主要由磁滯損耗和渦流損耗組成,其與電機(jī)鐵芯結(jié)構(gòu)、施加的電壓頻率及發(fā)電機(jī)磁通密度均相關(guān),因此從理論上得到很精確的鐵耗計(jì)算公式不太現(xiàn)實(shí)。而若在動(dòng)態(tài)模型中考慮鐵耗,通常是根據(jù)鐵耗產(chǎn)生的本質(zhì),將鐵耗用一個(gè)等效的電阻來模擬,將此電阻稱為"等效鐵耗電阻"。此時(shí),在圖2電路圖的基礎(chǔ)上,考慮鐵耗的DFIG在du坐標(biāo)系下的等效電路圖如圖3所示。

根據(jù)圖3所示的電路圖及電路原理,可得出DFIG在du坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為:

式中,uds,uqs,udr,uqr為DFIG定、轉(zhuǎn)子繞組電壓的d、g軸分量:ids,iqs,idr,iqr為定、轉(zhuǎn)子繞組電流的d、g軸分量:業(yè)ds,業(yè)qs,業(yè)dr,業(yè)qr為定、轉(zhuǎn)子繞組磁鏈的d、g軸分量:idfe,iqfe為鐵耗電阻電流:業(yè)dm,業(yè)qm分別為考慮鐵耗后的定、轉(zhuǎn)子磁鏈的d、g軸分量:Rfe為鐵耗電阻:ol為定子同步角速度:os為轉(zhuǎn)差角速度,os=ol-or,or為轉(zhuǎn)子電角速度。

3矢量控制策略

DFIG定子磁鏈定向時(shí),定子磁鏈業(yè)l與d軸方向一致,因此有業(yè)ds=業(yè)l,業(yè)qs=0。當(dāng)DFIG定子繞組連接到電網(wǎng)時(shí),電壓ul為常數(shù)。DFIG定子繞組輸出有功功率Pl和無功功率0l分別與iqs和ids成正比,調(diào)節(jié)iqs、ids即可獨(dú)立調(diào)節(jié)有功、無功功率。通常給定有功功率為最佳功率,由風(fēng)力機(jī)功率特性曲線和風(fēng)速計(jì)算而得,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制,而無功功率則根據(jù)電網(wǎng)需求合理設(shè)置。

定子磁鏈定向下DFIG矢量控制框圖如圖4所示。

4仿真研究

根據(jù)DFIG模型和以上矢量控制方法,即可搭建完整的DFIG風(fēng)力發(fā)電仿真系統(tǒng)。仿真中,葉片半徑為4m,齒輪箱增速比為6:DFIG樣機(jī)參數(shù):定子繞組電阻為0.3790,定子自感為43.8mH,轉(zhuǎn)子繞組電阻為0.3140,轉(zhuǎn)子自感為44.9mH,互感為42.7mH,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.09kg·m2,極對數(shù)為3:鐵耗電阻設(shè)定為500。仿真時(shí)給定恒定風(fēng)速為8m/s,給定有功功率輸出為7500w。仿真結(jié)果如圖5所示,圖上比較了考慮鐵耗和不考慮鐵耗兩種情況下的仿真波形,從上至下分別展示了DFIG轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及輸出有功功率。從仿真圖上可以看出,DFIG啟動(dòng)時(shí)兩種模型下仿真波形有明顯區(qū)別。最主要是兩種模型輸出功率不一樣,考慮鐵耗時(shí)輸出功率明顯小于未考慮鐵耗時(shí),因此考慮鐵耗的建模提高了模型的準(zhǔn)確性,對實(shí)際系統(tǒng)更有參考意義。

5結(jié)語

本文在傳統(tǒng)DFIG模型的基礎(chǔ)上,建立了考慮鐵耗的電機(jī)模型,并對DFIG采用了基于磁鏈定向的功率解耦控制策略。在Matlab/Simulink中建立了考慮鐵耗和未考慮鐵耗兩種模型下的DFIG仿真模型,進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真波形驗(yàn)證了考慮鐵耗模型的正確性,和未考慮鐵耗相比其輸出功率準(zhǔn)確性得到了提高。