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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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DFIG风力转换系统在各种故障下的动态特性

N.Dhayanidhi1和D.Muralidharan2
  1. 印度泰米尔纳德邦Karur V.S.B.工程学院EEE系PG学生[PSE]
  2. 印度泰米尔纳德邦Karur V.S.B.工程学院EEE系助理教授
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

利用MATLAB软件对DFIG并网风力转换系统(WECS)的动态特性进行了仿真。本文介绍了线路对地故障、双线对地故障和三相故障等不同的故障情况。将模糊控制器集成到双馈感应发电机(DFIG)风力发电机中能源转换系统。DFIG风的动态特性能源对不同故障情况下的模糊控制器转换系统进行了仿真，并与PI控制器转换系统的仿真结果进行了比较。对比结果表明，在暂态条件下，采用集成模糊控制器可改善系统的动态性能

关键字
双馈感应发电机，风能转换系统，模糊控制器。

介绍
传统能源的使用导致了化石燃料的消耗和二氧化碳的排放，人们在可再生能源发电方面付出了巨大的努力，特别是风力发电受到了更多的关注。预计到2020年，风能将提供约10%的世界电力。目前大多数风力发电形式都广泛使用双馈感应发电机(DFIG)技术，转子和电网侧变流器的额定功率为发电机额定功率的20%-30%。与定速异步发电机相比，双馈异步发电机具有以下优点:1)可以从风力中提取最大功率;2)可以实现四象限变换器拓扑结构，可以快速控制有功功率和无功功率，提高风力发电机的稳定性和电能质量;3)机械应力有限;4)不需要电容器组来补偿定速异步发电机消耗的无功功率。5)低转换器功率额定值，6)在恒电压和恒频率而转子转速变化时供电的能力。本文采用ATLAB/SIMULINK软件，建立了基于DFIG的风电场在电力系统动力学仿真中的详细表示模型。本文采用模糊控制器对基于DFIG的风电场在各种故障工况下的动态响应进行了分析。本工作的目的是改善DFIG的动力响应。

dfig建模
双励磁DFIG的定子电压和转子电压分别由电网和功率变换器供电。为了模拟DFIG系统的真实响应，除了主要的电气和机械部件外，还需要对控制器进行建模。所考虑的组成部分包括。(i)涡轮，(ii)传动系统，(iii)发电机和(iv)变流器系统。
答:涡轮
DFIG系统中的涡轮是轮毂和叶片的组合。涡轮机的作用是将风的动能转化为机械能，并将机械能提供给发电机。一般来说，涡轮的详细模型仅用于设计和机械测试。风力涡轮机的输入是风速、桨距角和转子转速，风力涡轮机的输出是机械涡轮机。
B.传动系
在稳定性研究中，当分析系统在任何扰动下的响应时，传动系统应建模为一系列通过无质量轴连接的刚性圆盘。本文采用双质量传动系模型进行DFIG系统的稳定性研究，动力学可以用下面的微分方程表示
图像
式中，Hr、Hg(s)为水轮机和发电机惯量，ωt、ωr (p.u)为水轮机和DFIG转子转速，Tsh为轴转矩，Tm为机械转矩，Te为电转矩。θtw (rad)为轴扭角，K(p.u/rad)为轴刚度，D(p.u。S /rad)阻尼系数。
c .发电机
为了仿真和控制目的，最常用的表示DFIG的方法是用直轴和正交轴(dq轴)量表示，它们形成一个与定子磁链矢量同步旋转的参考系
图像(5) & (6)
方程可以表示为
图像
式中，s为转子滑移;Ps为DFIG定子输出有功功率;Lss为定子自感;Lrr为转子自感;Lm是互感;ωs为同步角速度;Xs为定子电抗;Xs为定子漏抗;Xr为转子漏抗;Xs为定子瞬态电抗; Ed and Eq are the d and q axis voltage behind the transient reactance, respectively;T0 is the rotor circuit time constant; ids and iqs are the d and q axis stator currents, respectively; Vds and Vqs are the d and q axis stator terminal voltages, respectively; Vdr and Vqr are the d and q axis rotor voltages, respectively; Qs is the reactive power of the stator of the DFIG. The voltage equations and the flux linkage equations of the DFIG are based on the motor convention.
D.转换器模型
DFIG系统中的转换器模型由两个脉宽调制逆变器通过直流链路背靠背连接组成。转子侧变换器(RSC)是一种可控电压源，因为它在转差频率注入交流电压转子。电网侧变换器(GSC)作为可控电压源，维持直流链路电压恒定。转换器功率平衡方程为:
图像（11）
RSC、GSC和DC链路的有功功率可表示为:
图像

dfig的控制器(pi和模糊控制器)
图1。显示了一个连接到DFIG的风力涡轮机。AC-DC-AC变换器分为两部分:转子侧变换器(Crotor)和电网侧变换器(Cgrid)。Crotor和Cgrid是电压源转换器，使用强制换向电力电子设备(igbt)从直流电压源合成交流电压。直流侧的电容可以作为直流电压源。耦合电感器(L)用于将电网侧变换器连接到电网。在这里，三相转子绕组通过滑环、电刷连接到转子侧变换器(Crotor)，三相定子绕组直接与电网连接。风力发电机捕获的电能通过感应发电机转换成电能，并通过定子和转子绕组传输到电网。控制系统分别为Crotor和Cgrid产生俯角命令和电压命令信号Vgc，控制风力机功率、直流母线电压、无功功率和电网端电压。
图像
通用功率控制回路如图2所示。称为转子侧变换器控制系统。精确到风力发电机电网终端的实际电力输出功率被添加到总功率损失(机械和电气)中，并与从跟踪特性中获得的参考功率进行比较。采用比例积分(PI)调节器将功率误差减小到零。调节器的输出是参考转子电流(Iqr_ref)，必须由转子侧变换器(Crotor)注入转子。产生电磁转矩(Tem)的参考转子电流(Iqr_ref)。将正序电流的实际Iqr分量与Iqr_ref进行比较，通过电流调节器(PI)将误差减小到零。这个电流控制器的输出是Crotor产生的电压Vqr。当前的监管机构通过提供预测Vqr的远期条款来辅助。变换器Cgrid用于调节直流母线电容器的电压。 In addition, this model allows using Grid side converter (Cgrid) to generate or absorb reactive power. The control system, illustrated in the figure .3. Called Grid-Side Converter Control System consists of:
测量系统测量被控制的交流正序电流的d和q分量以及直流电压Vdc。外部调节回路由直流稳压器组成。直流稳压器输出为电流稳压器的参考电流Idgc_ref。内部电流参数回路由电流调节器组成。电流调节器用于从直流电压调节器产生的Idgc_ref和指定的Iq_ref基准控制转换器C电网(Vgc)产生的电压的幅值和相位角。电流调节器通过提供预测电网侧变换器输出电压的正向项来辅助。参考电网侧变换器电流的大小Igc_ref等于
图像
该电流的最大值被限制在转换器在标称电压下的最大功率所定义的值。当Idgc_ref和Iq_ref的值大于最大值时，Iq_ref分量会减小，以便使值恢复到最大值。
图像
为了使基于DFIG的风电场具有良好的性能，采用了FLC1、FLC2、FLC3和FLC4四种模糊控制器。直流母线稳压器中的PI控制器由FLC1代替。将无功调压器中的PI控制器替换为FLC2。将转子侧变流器控制器和电网侧变流器控制器电流调节器中的PI控制器分别替换为FLC3和flc4。模糊集定义为:负大NB，负小NS，零Z，正大PB，正小ps，其模糊规则如表I所示。
图像

模拟图
一个6*1.5兆瓦的风电场连接到一个25千伏配电系统，该系统通过30公里25千伏馈线将电力输出到120千伏电网。风电场采用双馈感应发电机(DFIG)和基于AC-DC-AC igbt的PWM变换器。DFIG的定子绕组直接连接到60hz电网，而转子通过AC-DC-AC变换器以可变频率馈电。双馈感应发电机技术允许通过优化涡轮转速从低风速的风力中提取最大功率。本工程风速稳定在15米/秒。控制系统中的转矩控制器用于维持1.2 /单位的速度。
图像
采用双馈感应发电机的风力发电机由绕线转子感应发电机和基于交-直流-交IGBT的PWM变换器组成。开关频率选择为1620hz。定子绕组直接连接到60hz电网，而转子通过AC-DC-AC变换器以可变频率馈电。DFIG技术可以通过优化涡轮机转速，在低风速时从风中提取更多的能量，同时在阵风期间减少涡轮机的机械应力。在给定风速下产生更多机械能的最佳涡轮转速与风速成正比。

结果与讨论
研究了上述系统在单线接地故障、绒线故障和对称故障等不同故障情况下的动态行为，产生的实功率和无功功率图如下图所示

单线接地故障
图像
从以上两幅图中，单线对地故障的实际功率和无功功率如图所示(故障周期:0.02秒至0.1秒)。结果表明，与PI控制器相比，模糊控制器在单线对地故障期间双馈感应发电机的动态性能得到了改善

双线接地故障
图像
图像
从以上两幅图可以看出双线对地故障的实际功率和无功功率(故障周期:0.02秒至0.1秒)。结果表明，与PI控制器相比，模糊控制器在双线对地故障期间，双馈感应发电机的动态性能得到了改善。

三相故障
图像
图像
从以上两幅图中可以看出三相故障的真实功率和无功功率(故障周期:0.02秒至0.1秒)。结果表明，与PI控制器相比，模糊控制器在三相故障期间双馈感应发电机的动态性能得到了改善。

结论
利用MATLAB仿真了双馈感应发电机并网风力发电系统的动态特性。将系统在故障状态下的响应与PI控制器和FUZZY控制器进行了图形化比较。仿真结果的比较表明，模糊控制器对系统的动态性能有明显的改善。从图中可以看出，对于采用模糊控制器的系统，在故障恢复过程中，实功率和无功功率的波动显著减小。

参考文献
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