关键字 |
| PMSG, STATCOM, PWM风力发电机，同步 |
介绍 |
| 不可再生能源在不久的将来会枯竭。因此，为了一个国家的可持续增长和社会进步，有必要通过利用可再生能源来满足能源需求，如风能、生物质能、太阳能等。可再生能源是取之不尽用之不竭的，因此我们可以随时从可再生能源中获得能源供应。可再生能源的各种优点如下: |
| •太阳能、风能、地热能、海洋能资源丰富，可免费利用。 |
| •我们正在使用的不可再生能源是有限的，总有一天会耗尽。 |
| •可再生能源碳排放低，因此被认为是绿色环保的。 |
| •可再生能源有助于刺激经济和创造就业机会。用于建造这些工厂的资金可以为成千上万的人提供就业机会。 |
| •在不可再生能源的情况下，你不必依赖任何第三国提供可再生能源。 |
| 由于风的性质，风力电站的电压一般都有波动。风力电站接入电网后，出现谐波注入、功率因数差、基频纯正弦波失真等电能质量问题。在该方案中，为了最大限度地减少电网公共耦合点的电能质量问题，将STATCOM与电池能量系统存储连接起来。STATCOM减轻了负载和主电源对无功功率的需求。在MATLAB/SIMULINK power lib中对该方案进行了仿真。永磁同步发电机的使用是变速风力发电机的首选。变速风力发电机的优点是比定速技术更大的年能量捕获，PWM逆变器容易实现有功和无功控制，机械应力小，没有闪烁问题。变速涡轮通过变化的无功功率来控制电网电压。将风力发电机与风力发电机耦合的齿轮箱增加了损失，增加了机组的成本，并增加了由于旋转机械部件引起的故障。采用直接驱动永磁同步发电机(PMSG)可显著提高变速风力机的可靠性。 Because of self-excitation property, PMSG provides high power factor and high efficiency. |
| 本文研究了STATCOM与基于PMSG的变速风力机在电网干扰下不间断运行的应用。通过控制风力发电系统输出的相位角，利用快速同步器实现风力发电机组的电网同步。 |
(一)STATCOM |
| 风在本质上是可变的，它产生一个连续的可变输出功率。风的间歇特性导致电压下降、膨胀、闪烁和谐波。将大量风电集成到现有电力系统中存在技术挑战，需要考虑电压频率调节、稳定性、电能质量等问题。并联柔性交流输电系统(FACTS)设备，如同步静态补偿器(statcom)，具有快速响应能力，精确的无功补偿和电压控制能力，能够改善电压质量。电力电子器件和特定应用ic和DSP系统的最新发展使低成本和更快的statcom得以引入。带有电力电子变流器的变速风力发电机向电网注入谐波电流。风力的间歇性特性产生可变功率，将这种可变功率输入电网会以电压凹陷、电压膨胀和电压闪烁的形式向电网引入电压变化。这些问题影响了系统的稳定性和质量，并导致风电机组跳闸或连接电网的敏感电子设备损坏。STATCOM连接到共联轴器的点上，既可以提供无功功率，也可以吸收无功功率，从而消除电网中的无功功率部分。STATCOM以抵消谐波电流的方式将电流注入共耦合点。 |
PMSG模型 |
| 在d轴和q轴坐标系下，给出了PMSG的电压方程 |
 (1） |
 （2） |
| 其中Vsd、Isd、Vsq、Isq分别为定子电压电流的d轴分量和q轴分量，Rs为定子电阻，ωr为转子转速，单位为弧度/秒，Ψf为磁链。 |
| 电磁转矩由 |
 （3） |
风力发电机在电力系统中的位置 |
| 风力发电系统接入电力系统的方式对电能质量有很大影响。因此，电网的运行及其对电力系统的影响取决于相邻电网的结构。 |
风力发电系统的自激 |
| 带异步发电机的风力发电系统(WTGS)的自励磁是在局部负载的风力发电系统(WTGS)断开后发生的。尤其当WTGS配有补偿电容器时，会产生自激风险。连接到感应发电机的电容器提供无功补偿。而电压和频率是由系统的平衡决定的。自激的缺点是安全问题和实功率与无功功率的平衡问题。 |
问题的后果 |
| 电压变化、闪烁、谐波引起设备故障，即基于微处理器的控制系统、可编程控制器;可调节速度驱动器，闪烁的灯光和屏幕。它可能导致承包商跳闸、保护装置跳闸、个人电脑、可编程逻辑控制系统等敏感设备的停机，并可能导致敏感设备的停止甚至损坏。从而降低了电网的电能质量。 |
文献综述 |
| 张忠辉[1]等人提出了基于Matlab的永磁同步电机矢量控制仿真。实验验证id = 0是一种很好的控制算法。为永磁同步电机控制系统的分析和设计提供了有效的手段和工具。为实际永磁同步电机系统的设计和调试提供了指导。 |
| Malgorzata Bobrowska[2]等人提出了改进的电压定向转换器控制。他们提出了一种包含不同控制块的正、负电流序列独立控制算法。他们将不同的电压前馈与变换器结合使用，证明了VOC算法对不平衡电压降的重要性。 |
| Marek Stulrajter[3]等人在2007年提出了两种永磁同步电机控制技术。简要介绍了同步电机的标量控制和矢量控制两种控制方法的性质。本文表明标量控制是无传感器控制的优点。讨论了标量控制与矢量控制的比较研究。纯量控制方法存在一些缺点，如开环纯量控制无法控制电流，导致永磁同步电机在启动和加载等不同运行周期内表现不同。矢量控制方法具有较好的控制性能，克服了标量控制方法的所有缺点。它对磁路的过饱和提供了适当的调节，并降低了磁化电流。 |
| Dai J-C[4]等人提出了一种基于神经网络的直接驱动永磁同步发电机(PMSG)风力发电机的实用模型。利用四层神经网络技术，提出了一种新的风力转子反向传播技术。结合叶元动量修正理论计算了一组风轮气动数据，并将其作为样本数据。神经网络采用Levenberg-Marquardt算法。然后，建立了风力转子与PMSG的耦合动力学模型，以及交- dc - ac变换器的耦合动力学模型。 |
提出的模型 |
| 在MATLAB Simulink中对永磁同步电动机模型、矢量控制器和变换器进行了仿真。机床控制器为PWM变换器开发相同电压提供了电压参考。该控制器从转子磁场定向矢量控制向变换器提供参考电压，该转子磁场定向矢量控制定向于同步旋转框架。STATCOM通常用于在连接点缓解电压下降和消除谐波。STATCOM采用与DVR相同的块，但在此应用中，耦合变压器与交流系统并联连接，如图5.1所示。VSC产生三相交流输出电流，其相位和大小是可控的。这些电流注入到交流配电系统，以保持负载电压在所需的参考电压。有功和无功功率交换之间的VSC连接在分流与交流系统提供了一个多功能拓扑，可用于多达三个相当不同的目的: |
| 1)电压调节与无功补偿r; |
| 2)功率因数校正; |
| 3)电流谐波的消除。 |
系统概述 |
| 图2显示了直接驱动，并网PMSG基础变速风力发电机与statcom的建议结构。 |
| 正如我们所看到的，statcom作为中央控制单元连接，以控制电路上的电压和电流。该控制器在过载和欠载情况下提供了稳定性。结果是驱动的公交系统。 |
风力发电机基本模型 |
| 下图显示了风力涡轮机的基本模型 |
| 图3显示了基本的风力涡轮机模型。我们可以看到，该系统与波浪发电机连接，作为风力发电系统的主电源。为了管理电压分布，还附加了一个可控电流源。该系统还配有分析仪，用于监测电压和控制流量。 |
风电机组并网同步 |
| 为了使风力发电机与电网同步，必须考虑三个措施:振幅、频率和相位角。而电压幅值和频率的同步则可由机侧变频器控制实现。风能系统与电网电压之间的相位角必须独立求解。本文提出了一种基于控制机侧变换器PWM信号相位角的快速同步方案。将电网电压和风力机变流器电压输入离散三相序分析仪，得到相位角如图4所示。这两个相位角之间的误差通过PI控制器和一个离散的虚拟锁相环来产生实际的相位角θ，用于控制风力发电机电网侧变换器的PWM信号。 |
结果与讨论 |
| 利用matlab软件，建立了风力发电机组与电网系统的statcom连接模型，为电网系统提供了过载和欠载保护。结果表明，该模型为解决问题和提高电能质量提供了解决方案。 |
| 图5显示了基于statcom实现的总线系统的结果。正如我们所看到的，所提出的系统在电压和电流流过系统方面提供了稳定性。 |
| 图6显示了转子转速的变化。正如我们所看到的，所提出的系统是一个风力涡轮机系统，提供风力涡轮机的变速。转子转速变化以表示欠载和过载情况。 |
| 图7显示了系统上的电压和电流驱动的最终结果。图中显示的是初始阶段的起伏。但是statcom提供了整个系统的稳定性。 |
结论 |
| 结果是令人鼓舞的。本文设计了一个基于statcom控制器的风力发电系统。所提出的系统能够有效地控制整个系统的电压和电流。完整的动力传动系统包括发电机、逆变器和基于statcom的控制器。在过载和欠载工况下对系统进行了验证。该系统被定义为在整个系统中提供稳定的电压和电流。在MATLAB Simulink中对系统进行了仿真。由于机器以最佳速度运行，直接驱动的风力提取可以提供最大可能的效率。矢量控制方法具有较好的控制性能，可以减小电流失真。所实现的控制技术适用于风力发电驱动。 |
未来的范围 |
| 本文用基于statcom的控制器定义了风力发电系统。这项工作今后可以向不同的方向扩展。 |
| •本文实现了系统在欠载和过载情况下的稳定性。将来，该系统还可以针对系统上的各种故障进行实现。 |
| •本文采用基于statcom的控制器。将来可以使用DSTATCOM或其他控制器。 |
数字一览 |
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参考文献 |
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