国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志
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P Kamalchandran1, A.L.Kumarappan2
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电网电压不平衡导致直流链电容器中存在较大的二阶谐波电流和直流电压波动，这可能会降低电压源变换器电容器的寿命和可靠性。为消除电网电压不平衡对直流电容器的负面影响，提出了一种新型网侧变换器直流电容器电流控制方法。该方法在传统的GSC电流控制环上增加了一个直流电容电流控制环，其中使用负序谐振控制器来增加环路增益。讨论了该控制系统对不平衡电网电压的抑制能力和稳定性。很好地消除了直流电容器中的二阶谐波电流和直流电压波动。因此，直流电容器在不平衡电网电压条件下将更加可靠。提出了一种模块化的PMSG控制策略实现方法。索引术语-电流控制方法，直流链路，PMSG
索引词 |
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| 电流控制方法，直流链路，PMSG | ||||||
介绍 |
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| 随着风电装机容量的不断增加，风力发电对电网的影响越来越可观[1]。因此，越来越多的电力系统运营商颁布的电网规范规定，风力发电机应能承受一定的电压扰动，如电压不平衡、电压畸变等，且不跳闸。为了做到这一点，风力涡轮机系统必须不断发展和提高其性能。随着风电装机容量的不断增加，风力发电对电网的影响越来越可观。因此，越来越多的电力系统运营商颁布的电网规范规定，风力发电机应能承受一定的电压扰动，如电压不平衡、电压畸变等，且不跳闸。为了做到这一点，风力涡轮机系统必须不断发展和提高其性能。由于风力发电机功率系数小，要求功率变流器以最高效率传递最大可用功率。 | ||||||
| 电网电压不平衡导致直流链电容器产生较大的二阶谐波电流和直流电压波动，这可能会降低电压源变换器电容器的寿命和可靠性。 | ||||||
| 为消除电网电压不平衡对直流电容器的负面影响，本文提出了一种新的网侧变换器直流电容器电流控制方法。为PMSG控制器开发了该控制策略的模块化实现方法。最后，通过实验验证了理论分析的正确性。采用MATLAB软件。 | ||||||
风的发展 |
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| 太阳加热大气中的气团。由于地球是球形的，所以地球的自转、季节变化和太阳辐射的局部差异以及压差都在发展。这种压力差必须加以平衡。由于赤道有多余的辐射，赤道和两极之间形成了平衡的风流。根据季节的不同，从赤道上看，这些平衡的气流在北方或南方的方向上。 | ||||||
| 这些平衡的气流被称为风。特别是在一月份，北半球有平衡的风流，因为较温和的太阳辐射造成了低压区域。7月，在南半球可以观测到平衡的风流。这种平衡的气流被称为大规模压差。 | ||||||
| 在沿海地区经常发现局地压差。在白天，大陆比水热，因此大陆和水之间的平衡电流发展。在白天，风流向大陆(见图A)。在夜间，大陆的冷却速度比水更快，正因如此，大陆形成了一股向相反方向的均衡水流(见图B) | ||||||
计算风的威力 |
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| 风的一部分动能被转子转化为转动能。它们驱动发电机，发电机将转动的能量转化为电能。 | ||||||
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| 这个公式可以计算风的威力。P代表空气密度，r是转子半径，v是风速，t是风通过转子叶片所需的时间。 | ||||||
| 根据风的动能和风电场的效率程度，可以计算出最大的发电量。各风电场的效率度平均为59.30%。由下式可计算出风电场所能产生的功率: | ||||||
| 风力发电厂的效率程度乘以风的动能，就会得到最大的可生产功率。 | ||||||
| 用于发电的风速下限平均为35m/s。低于35m/s的风力发电站不能再发电了。当风速超过25米/秒时，风力发电站自动关闭以避免损坏。最佳风速平均为12至16米/秒。 | ||||||
拟议的PMSG系统 |
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| 由于PMSG的定子直接连接到电网，在不平衡电网电压条件下，定子磁通增加了一个负序列。结果，较大的负序电流流过定子和转子，导致电磁转矩和功率出现明显的二阶谐波波动。然后，扭矩波动引起齿轮箱、轴等机械部件的磨损。此外，如图1所示，电网侧变换器(GSC)和转子侧变换器(RSC)流经直流链路电容器的有功功率波动会在直流电容器中产生较大的二阶谐波电流，并在直流链路中产生电压波动。这将导致直流电容器的功率损耗增大和工作温度升高，从而加速电解液的蒸发，缩短电解液的使用寿命。此外，低频纹波电流比高频纹波电流更有害。由于直流电压波动不仅是由不平衡的电网电压引起的，而且还由RSC产生的有功功率波动引起，因此，GSC对PMSG的直流电压控制与不平衡条件下的并网变换器略有不同。为了获得恒定的直流电压，GSC必须抑制这两种干扰，即电网电压不平衡和RSC有功功率波动。 | ||||||
| 永磁同步发电机是由永磁体代替线圈提供励磁场的发电机。 | ||||||
| 同步发电机是商业电能的主要来源。它们通常用于将蒸汽轮机、燃气轮机、往复式发动机、水轮机和风力涡轮机的机械功率输出转换为电网的电能。 | ||||||
| 在大多数设计中，发电机中心的旋转组件——“转子”——包含磁铁，“定子”是与负载电连接的固定电枢。一组三个导体组成了标准公用设备的电枢绕组，构成了电力电路的三个阶段——对应于我们习惯在传输线上看到的三根电线。相绕在定子上，使它们在空间上相距120度，为发电机转子提供均匀的力或扭矩。转矩的均匀性是由于电枢绕组的三个导体中感应电流产生的磁场在空间上结合在一起，以类似于单个旋转磁铁的磁场。当转子含有单偶极子磁场时，这个定子磁场或“定子场”表现为稳定的旋转场，并以与转子相同的频率自旋。两个磁场以“同步性”运动，并在旋转时保持相对于彼此的固定位置。 | ||||||
| 在永磁发电机中，转子的磁场是由永磁体产生的。其他类型的发电机使用电磁铁在转子绕组中产生磁场。转子磁场绕组中的直流电通过滑环组件馈电或由同一轴上的无刷励磁器提供。永磁发电机不需要励磁电路的直流电源，也没有滑环和接触电刷。雷竞技网页版然而，大型永磁体价格昂贵，这限制了机器的经济评级。高性能永磁体的磁通密度是有限的。气隙磁通不可控，所以机器电压不能轻易调节。持续的磁场会在装配、现场服务或维修过程中带来安全问题。高性能永磁体本身存在结构和热问题。 | ||||||
各种控制技术 |
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| 为减小电压不平衡时的电压纹波，本文提出了几种控制技术，主要分为三类:1)前馈方法;2)双电流控制方式;3)谐振控制器方法。 | ||||||
| 前馈方法包括电网电压前馈控制和RSC直流电流(即GSC的负载电流)前馈控制。通过电网电压前馈控制，减小了电网电压不平衡对直流电容器的影响;通过RSC直流电流前馈控制，减小了RSC有功功率波动对直流电容器的影响。然而，控制延迟可能会降低前馈方法的控制性能，前馈项也可能包括高频噪声。此外，为了检测RSC直流电流，可能需要额外的负载电流检测硬件。 | ||||||
| 为了避免额外的检测电路，另一种方法是GSC控制器根据转子电流和转子电压参考实时计算RSC有功功率。这就要求将GSC控制器和RSC控制器集成为一个控制器，这就失去了转换器的模块化。值得注意的是，大型变流器通常采用模块化结构，以获得更高的可靠性和维护。 | ||||||
| 双电流控制是一种常用的同时调节正序电流和负序电流的方法。根据所需功率和电网电压计算正、负电流参考值。通过设置参考，可实现多个控制目标，如定子功率恒定、定子电流平衡、电磁转矩恒定、直流电压恒定。在不平衡条件下，为了获得恒定的直流电压，GSC的输出波动有功功率必须与RSC的输出波动有功功率相等。然后，GSC的电流参考值取决于RSC有功功率的波动。因此，该方法无法在模块化结构的风力变流器中实现。 | ||||||
| 由于直流电压纹波的频率是电网频率的两倍，因此在原有的直流电压控制器上增加一个谐振控制器，使直流电压环增益恰好在电网频率的两倍处增加。通过这样做，控制回路的增益足够大，以拒绝干扰。然后，得到恒定的直流电压。但是，当谐振频率接近或低于直流电压环的交叉频率时，由于谐振频率周围的相位步长变化为180ÃⅱÂ老爸Â μ m，系统的相位裕度减小。由于大规模DFIG变换器的直流电压外环带宽通常低于100 Hz，其开关频率通常在2-3 kHz左右，在考虑系统稳定性时，直流电压控制器中使用的谐振控制器并不是变换器的好选择。此外，外环的动态较慢。为了使直流电容器在不平衡条件下更加可靠，本文研究了采用鲁棒模块化控制方法消除二阶直流电容器谐波电流。首先，讨论了电网电压不平衡对直流电容器的负面影响。然后，提出了一种采用负序谐振控制器的直流电容电流控制方法，并在电网电压导向的dq帧中实现。 | ||||||
结果与讨论 |
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| 利用MATLAB对基于PMSG的风力机进行建模和仿真。结果表明，该方法能使大二阶谐波和电压波动最小化。 | ||||||
结论 |
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| 为了减少二阶谐波电流对直流电容器的负面影响，从而提高PMSG变换器直流链电容器的可靠性，本课题提出了一种用于GSC的直流电容器电流控制方法。该方法通过检测直流电压波动来获得直流电容电流，因此不需要任何额外的硬件检测，这也有助于节省成本。所提出的直流电容电流控制算法在GSC控制器中实现，不需要RSC控制器提供任何功率信息。因此，采用所提出的控制方法，GSC控制器可以独立于RSC控制器。这使得该控制方法更适用于模块化结构的大型PMSG变换器。此外，所提出的控制方法对系统稳定性影响很小。实验结果表明，该方法消除了二级直流电容电流，抑制了直流电压波动。因此，直流电容器将在不平衡电网电压条件下更加可靠。实验结果还表明，该直流电容电流控制方法对直流电容电流的测量偏差具有鲁棒性。 | ||||||
数字一览 |
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参考文献 |
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