电压和频率控制的SEIG小型风力发电站使用由变频控制

苏尼尔•库马尔¹,Shivani Sehgal²Sagar博思勒,³

PG学生,电气和电子Engg学系DVIET, Karnal印度
助理教授、美国电气与电子Engg DVIET, Karnal印度
助理教授、美国电气与电子Engg SGI, Samalkha印度

文摘

本文处理的应用程序自激异步发电机SEIG在小型风能转换系统(wpc)。这种转换系统能力负荷的供电要求在恒定的电压和频率,提出了电源管理方法。随着电池电压的转换器(VSC)能源存储系统(贝丝)是用于处理SEIG和负载之间的功率流。该控制方案,使用单一电压闭环控制,发现合适的调节电压和频率。战略控制的电压和频率提出了风力发电系统。风力发电系统的数学模型和同步发电机已经开发和集成系统的MATLAB模型模拟研究了在不同负载条件下。发现一个风力发电系统以及同步发电机和STATCOM能够保持系统的电压和频率常数。同步发电机有助于减少STATCOM提供的无功功率,因此降低容量STATCOM可能使用的目的

关键字

风能转换系统,电池储能系统,STATCOM

介绍

管制由于气候变化如温度上升将增加温室气体(GHG)排放,提高海平面,高油价,消耗的化石燃料储备和不断增长的电力需求,世界不得不寻找新能源的排放将会减少温室气体的排放从1990年的5%水平。这些问题导致科学家对新的清洁能源转换系统。补充能源资源适合满足清洁能源的限制。风成为环保和经济上可行的能源。自励异步发电机(SEIG)据报道,适用于小规模风力发电厂[1,2]因为他们的优势,如低价格、健壮性、易于维护、自我保护,易维护性,可用性和功能产生电力甚至在变速(3、4)。这些可能是开/关短时间操作。在网格模式或自治风能转换系统(AWPCS) SEIG有助于提供偏远地区如岛屿,军事装备、船舶和小村庄远离传统资源。主要缺点使用SEIG他们可怜的电压频率调节取决于发电机速度、无功功率和负载性质的数量。文学已经提供了几次信息,分析了稳态、动态和瞬态的行为SEIG独立风能系统[5 - 7]。保持恒定的输出功率,负载终端,许多研究者提出不同的功率调节系统的控制策略和应用[8 - 11]SEIG终端电压和频率控制。 In the recent literature [12 – 18], the Battery Energy Storage System (BESS) with a Voltage Source Converter (VSC) is employed for isolated system. Methods have been proposed to regulate both the SEIG terminal voltage and frequency using two loop controls [14 – 18]. In [19, 20] an investigation has been carried out using modulation index to control the terminal voltage and load angle to control the system frequency. To minimize the number of control loops, a singleloop control was proposed in [21]. In the present work, an attempt has been made to control the terminal voltage and frequency of an autonomous SEIG driven by a wind turbine. Voltage at the point of common coupling PCC is controlled by modulation index ‘m’, while system frequency is imposed by VFC at the desired frequency by forcing phase angle of the VFC ‘delta’ at a desired value so that a single closed-loop control is used. VFC supplies reactive power demand of balanced loads and behaves as a power balancing system to adequately manage the power flow between the SEIG, BESS and power demand of the loads

二世。风力发电系统的数学模型

在此数学模型是必要的来表示物理系统的详细的分析。模型必须是现实的,但容易理解和容易操作。这些都是相互冲突的需求,现实的模型很少很少是简单和简单的模型是现实的。通常,一个模型的范围定义为是什么被认为是相关的。特性或行为是相关的必须包含在模型和那些不可以忽略。建模在这里指的是流程分析和合成到一个合适的数学描述,包括系统组件的相关动态特性、最好的参数,在实践中可以很容易地确定。

答:风力发电系统的描述

图1显示了一个风力发电系统。风能转换的主要目的是将风能转换为轴的旋转。它由一个风力涡轮机和发电机连接通过一个齿轮箱。

如图所示的风力发电机将风能转换成机械能,然后需要使用发电机转化为电子形式。发电机可以同步或异步发电机。这向电网传输电能的感应发电机的定子绕组。螺距角是为了限制控制发电机输出功率为大风其名义价值。为了发电感应发电机的速度必须略高于同步转速。但速度变化通常是如此之小,WTIG风力发电机被认为是一个固定的速度。吸收的无功功率异步发电机是由电网提供的或由一些设备与电容器银行一样,SVC, STATCOM或同步冷凝器。

目前的趋势是采用变速风力发电机的运行,因为它有很多好处,其中最重要的是输出功率最大化的可能性。然而,由此产生的电压和频率的变化与风速的变化需要使用电力电子转换器为了获得质量好的功率输出。

b .螺旋角控制

与音高控制可以实现高效通过不断调整叶片相对风的方向。

pitch-controlled机器上,当风速超过其额定转速时,叶片逐渐变成对风的纵轴,增加螺旋角。这减少了旋翼的气动效率,和系统的安全限制,螺旋角改变,输出功率降低为零,机器转移到“失速”模式。阵风的传球后,螺旋角是重置到正常位置,涡轮是重新启动。在正常风速,叶片距角应该静下心来一个值的输出功率等于额定功率。

螺旋角控制是图2所示。音调控制器的输入变量之间的差异引起的误差信号的输出电能和参考。音调控制器操作叶片执行机构改变螺距角。在操作过程中低于额定转速,控制系统努力推销最大化的叶片在一个角转子效率。发电机必须能够吸收机械输出功率和传递到负载。因此,发电机输出功率需要同时调整。

结合连续音调控制是相对昂贵,成本效益权衡不证明其在小型风力机使用。然而,失速机制必须被整合,以防损坏的涡轮在动荡的天气条件。

由螺旋角

我是倾角,

我是入射角。

当我沿着叶片的长度不同,α也应该有所不同,以确保最优入射角的叶片。因此,理想的扭曲沿叶片可以很容易计算。

螺旋角应该这样tanε或CD / CL最低分的转子。更方便的绘制曲线CD / CL和我。它的最小值点会代表迎角的最优值。这种方法产生了扭曲叶片,有不同的螺距角在不同距离的轴。如果生产方法的限制不允许一个转折,最优值α可以选择合适的刀片服务器上,说r = 0.8,整个叶片螺旋角相同。

三世。风力发电机的数学模型

目前,风力发电是由感应发电机,鼠笼式和绕线式转子。今天大约有80%的风力发电机感应发电机。

答:自激的过程

自激过程启动电容器银行合适的大小必须跨机器终端连接,机器必须保留一些残留的磁回路。为了理解selfexcitation过程,让我们参考的简化电路模型自激异步发电机在空载条件下,如图3所示

对于任何转子速度,剩余流量生成一个小同步emf Er。稳态LmC电路中电流的大小,这样同步饱和曲线之间的差异和电容器载重线,如图4所示,在这个价值的定子电流等于Er。

在这个阶段,滑年代为零没有速度差和转子之间的气隙磁通,没有引起转子电流和机器运作作为同步发电机。

b .外部电容和负载阻抗对异步发电机的性能

图5显示了典型的终端电压变化的电阻负载输出功率以固定速度不同励磁电容的值。曲线表明,对于给定的速度和电容,存在一个最佳的负载阻抗最大的功率输出。在这些方面,曲线类似于直流并励发电机的输出特性与不同磁场电路电阻。与负载的频率降低,但这种变化并不显著影响电容。

图6展示的方式随负载电容的需求变化和功率因数恒定的终端电压在一个固定的速度。图中还表明VAR需求的增加与减少负载功率因数。

c异步发电机的速度变化对性能的影响

使用风能发电,原动力的速度变化范围广泛。自励,表示由电容电抗值X F2 cb,电容器的大小大约是速度的平方的倒数成正比。的曲线在图7中,展示了一些典型的输出特性不同速度下约束2 X v cb =常数。

终端电压和输出频率的增加几乎线性速度在工作范围相同的功率输出。图8显示了输出功率和速度曲线为给定的电容和负载阻抗。从图中很明显,存在一定的速度,最大化输出功率。

四、结果和讨论

风力发电农场连接到一个弱电网系统定义加载系统。与负载变化条件系统的功率流(活跃和无功功率的要求)变化与负载的变化。由于风电场和电网功率定义为负载提供定义范围。如果添加额外的负载不满足电力需求,因此网格同步电机/减速由于频率降低,因此更多的有功功率。因此导致高功率损失。要解决这个问题包括STATCOM在系统帮助增加频率,从而降低有功功率流动通过提供额外的无功功率。

答:没有STATCOM的风力发电系统的性能

当我们考虑上述模型在故障条件下的系统变得不平衡和不受控制的正常操作条件期间如图9所示的输出波形故障条件没有STATCOM的使用

b . STATCOM风力发电系统的性能

克服困难到达情况下的功率控制通过电容器银行只使用以下模型是利用STATCOM结构化。比较结果显示了系统切换负载特征。

演示了STATCOM的有效使用提供无功支持切换负载。结果显示了STATCOM对两端的影响(一)风力发电在微电网终端(b)

在网格STATCOM有助于给更好的无功功率支持因此规范定义的电力系统。在生成的风力发电终端的STATCOM显然已经安装无功功率需求减少因此维护终端电压的共同耦合

图10显示了风力发电机的性能特点在独立模式。风力发电机的评级是37千瓦,400伏,50赫兹,1480 rpm,风力涡轮机与螺旋角控制运行11米/秒的风速。观察者,当负载5 kW开启在t = 0.2 s风力发电机的端电压下降到360 V。同时,由于真正的权力的变化频率的变化。

STATCOM负责生成负载所需的无功功率。固定20千乏励磁电容感应发电机终端连接。这是selfexcitation所需的最小电容感应发电机的空载。

VI.CONCLUSION

因此在这个调查,控制策略控制SEIG终端电压和频率。仿真结果表明,当一个异步发电机是由风力涡轮机孤独可怜的电压和频率调节。涡轮也应距恒速控制。所需的最小电容感应发电机自励被选中。STATCOM展示了完美的控制电压和频率。

定子端电压的瞬变,感应发电机的定子电流发现接受实际实现。然而,STATCOM的实现对小型风力发电单元可能并不总是经济可行的。

如果控制器的成本不是一个主要的约束,STATCOM与实际功率控制器的直流环节能够确保恒压和恒频操作。STATCOM设置频率实施;一个电压闭环控制是用来维持电压和频率接近所需要的值。下几个平衡负载和速度扰动,仿真结果表明在主动/无功功率扰动的影响方向,SEIG终端电压和频率。在每种情况下的STATCOM已经找到合适的单回路控制调节电压和频率和行为作为free-slack充分管理功率流。提出了风力发电系统可以用在偏僻的乡村,船只和山区远离传统的来源。

引用

b·辛格G.K. Kasal:分析和设计孤立的异步发电机的电压和频率控制器恒功率应用,IEEE国际会议在电力电子驱动和能源系统中,新德里,印度,12 - 2006年12月15日。
海尔:网格集成风能转换系统,约翰·威利和儿子,奇切斯特,英国,2006年。
如马拉,J.A. Pomilio。:自激异步发电机由VS-PWM双向变换器控制农村应用,工业应用IEEE事务,35卷,4号、7 / 8月。1999年,页877 - 883。
r . Rabinovici库珀曼。:与固态无功励磁自动感应发电机,22日大会的电气电子工程师在以色列,啤酒——舍瓦,以色列,01 2002年12月,页47 - 49。
e . Muljadi j . Sallan m . Sanz C.P. Butterfield:调查的自励异步发电机风力涡轮机应用,第34工业应用发布会上,凤凰城,亚利桑那州,美国1999年03 - 07年10月,1卷,第509 - 515页。
j·费兹。:设计和实现一个固态控制器的输出电压调节风自激驱动三相鼠笼式异步发电机;第八届国际会议上电气机械和电力系统、南京、江苏、中国,2005年9月29日,3卷,第2384 - 2388页。
a . Nesba R Ibtiouen, o . Touhami。:自激异步发电机的动态表演喂养不同静态加载,塞尔维亚电气工程期刊》,2006年6月,3卷,1号,页63 - 67。
t·艾哈迈德,大肠的节目,m . Nakaoka o . Noro:三相自励异步发电机变速驱动的原动力的清洁可再生能源利用率和静态无功补偿器的终端电压调节特性,38工业应用发布会上,盐湖城犹他,美国12 - 2003年10月16日,2卷,第693 - 700页。
s . Wekhande诉阿加瓦尔。:简单的控制风力异步发电机驱动,IEEE工业应用》杂志7卷,2号,3月/ 2001年4月,44 - 53页。
南卡罗来纳州郭,l .王:分析自励异步发电机使用的电压控制电流控制电压源逆变器(CCVSI), IEE代,输电和配电,148卷,5号,2001年9月,页431 - 438。
b·辛格·l·b·Shilpakar。:分析小说固态自持异步发电机电压调节器,IEE代,输电和配电,145卷,6号,1998年11月,页647 - 655。
点拉夫,”栏目基于。:动态电力滤波器,电容补偿器隔离自励异步发电机风力涡轮机驱动的,11日电力谐波和质量的国际会议上,平静的湖,纽约,美国12——15。2004年9月,46 - 49页。
d . Joshi K.S. Sandhu,抗议;索尼。:恒压恒频操作自励异步发电机,IEEE事务在能量转换、21卷,1号,2006年3月,页228 - 234。自治SEIG小型风力发电站的电压和频率控制359
b·辛格G.K. Kasal:电压和频率控制器的三相四线自主风能转换系统,IEEE事务在能量转换,23卷,2号,2008年6月,页509 - 518。
b·辛格沙玛。:基于功率平衡理论的电压和频率控制在风力发电,IAG第二国际会议上新兴的工程和技术趋势,那格浦尔,马哈拉施特拉邦,印度,16 - 18 2009年12月,40 - 45页。
Gupta b·辛格·s没吃,美国。:自激异步发电机的电压和频率控制器,电力组件和系统,34卷,2号,2006年2月,页141 - 157。
G.K. Kasal b·辛格:分离电压和频率控制器独立异步发电机喂养三相四线负载,IEEE事务权力交付,没有2,第23卷,2008年4月。966 - 973页。
b·辛格G.K. Kasal:电池储能系统控制器的风力涡轮机驱动的孤立的异步发电机,电力电子杂志》8卷,1号,2008年1月,页81 - 90。
a . Benlamoudi r . Abdessemed:基于STATCOM电压频率调节涡轮SEIG由一个不受控制的速度,国际期刊的力量和能量转换,1卷,4号,2009年10月,页399 - 416。
J.K. Chatterjee,容积Perumal,天然橡胶Gopu:分析操作的自激异步发电机与广义阻抗控制器,IEEE事务在能量转换、22卷,2号,2007年6月,页307 - 315。
容积Perumal J.K. Chatterjee:电压和频率控制的独立无刷风力发电使用广义阻抗控制器,IEEE事务在能量转换,23卷,2号,2008年6月,页632 - 641。