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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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基于永磁同步发电机的风力发电并网系统

减少工作的阿1， Surendra Kumar Tripathi2
  1. 系助理教授电气工程， Jamia Millia Islamia，印度新德里
  2. 研究学者，系电气工程， Jamia Millia Islamia，印度新德里
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

本文研究了以永磁同步发电机(PMSG)为基础的风力转换系统(WECS)，该系统由两个背靠背连接的变换器和一个共用的直流链路组成。本研究的目的是建立直接驱动的1.5 MW风力永磁同步发电机(PMSG)的控制模型，该发电机向电网输送交流电，机器侧变换器用于从风力中提取最大功率。本文以恒速直驱式风力机为研究对象，在Matlab中对其进行了研究。此外，通过将直流链路电压维持在其参考值，无论风速和负载的变化，逆变器的输出交流电压都可以保持恒定。最大功率点跟踪控制器(MPPT)是提取风力机最大功率的有效控制技术，电网侧控制器也称为电压控制器、螺距控制器、锁相环控制器(PLL)也用于本项目，变压器用于隔离，螺旋杆电路用于保护整个系统。

关键字
风能转换系统(WECS)，双馈感应发电机(DFIG)，矩阵变换器(MC)，背对背变换器，最大功率点跟踪(MPPT)，风力涡轮机(WT)，风力发电机(WG)。

介绍
随着风力发电的发展，绿色能源的趋势正在全球范围内被预测和蓬勃发展。提高WECS的发电量是实现降低能源生产中温室气体排放目标的方法之一。近年来，已安装的风力涡轮机和风力发电厂的规模和数量均有显著增加。但是，为了保证并网风能转换系统的可靠性，还需要进一步的研究。在各种研究工作中提出了许多技术，讨论了可以实现平稳的机械能到高质量电能的转换，已经提出并取得了商业成功[1]-[2]。
关于风力发电发展的全球市场预测给出了令人鼓舞的信号。增长预测主张WECS对全球净电力需求的重大贡献。随着风力发电在电力系统中的渗透率不断提高，风力发电对系统稳定性的影响越来越重要。风力发电对电力系统稳定性的影响主要体现在两个方面:一是由于风能性质的不确定性。下一个问题是电网连接风能转换系统的不稳定性，由于在WECS方面的电网扰动导致完整的电力系统不稳定。电力系统稳定性的基本参数包括转子角度稳定性、频率稳定性和电压稳定性，如图1[3]-[5]所示。
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转子角稳定包括小扰动角稳定和暂态稳定。这对于保证阵风期间的电能质量至关重要。这有短期效应。另一个重要的参数是频率稳定性，根据风的质量，它有短期和长期的影响。电压稳定是小扰动电压稳定和大扰动电压稳定的补充[6]、[7]。这也有短期和长期的稳定性问题。具体对比如图1所示。
在可再生能源发电的情况下，风能已被确定为最迅速增长的技术，发展到兆瓦容量的风力涡轮机与大型发电机和电力电子转换器。近年来，基于电压源变换器(VSC)的双馈感应发电机(DFIG)被认为具有较高的可靠性和效率。为了在不同风速条件下最大限度地利用风能，双馈感应发电机(DFIG)似乎是有希望的选择之一，尽管各种其他发电机，如鼠笼感应发电机(SCIG)和永磁同步发电机(PMSG)也正在成为DFIG的强劲竞争对手。基于电气拓扑，风力发电机大致分为四类，即(i)定速SCIG (ii)可变转子电阻的变滑(绕线转子)感应发电机(iii)部分额定变频器接口的变速DFIG (iv)全变频器接口的变速发电机(SCIG或PMSG)[8]，[9]。
确保电网能够在所有预期的WECS和用户负荷组合下保持在电压和频率的运行限制范围内，同时保持所连接电网的暂态稳定是非常重要的。

风力机的功率特性
风力机是一个非线性系统，其输出取决于风速、风力机尺寸和叶尖速比等多种参数。风力涡轮机所提取的功率(Pwt)为
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这相当于将叶尖速比保持在其最优值λopt，可以通过与风速相对应的变转速运行来实现。图2为风能转换系统(WECS)中典型风力机的功率曲线。

风力发电机
风力发电机按转速可分为定速型、有限变速型和变速型。根据与发电机容量相关的电力电子变换器的额定值，将变速风力发电机分为部分规模的各种WECS发电机系统和全规模的电力电子变换器。此外，考虑到传动系部件，风力涡轮机的概念可分为齿轮传动和直驱风力涡轮机。在齿轮传动风力涡轮机中，一种传统的配置是多级齿轮与高速发电机;另一种是混合概念，它有一个单级齿轮和一个低速发电机。在本节中，根据当代风力发电机的概念，描述了不同风力发电机系统的基本配置和特点。到目前为止，几乎所有安装的风力涡轮机都使用以下系统之一:(a)定速感应发电机(鼠笼感应发电机);(b)双馈感应发电机;(c)直驱同步发电机[13]-[15]。

A.定速感应发电机(fsig)
定速感应发电机(FSIG)由鼠笼式感应发电机组成，如图3所示，鼠笼式感应发电机通过齿轮箱与风力涡轮机转子耦合。这种类型的风力涡轮机既简单又便宜。众所周知，FSIG的优点是它是强大的，容易和相对便宜的大规模生产。此外，当它连接到大型电网时，它可以使失速调节的机器以恒定的速度运行，从而提供稳定的控制频率。虽然失速控制方法通常与定速FSIG结合使用进行功率控制，但主动失速控制或俯仰控制也被应用。
但它也报告了各种缺点，如缺乏有功功率和无功功率的控制可能性，由于大机械负载导致的变速箱故障(因为功率波动被转换为转矩脉动)以及输出功率的大波动。由于这些原因，风力涡轮机制造商对变速装置越来越感兴趣。
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B.双馈感应发电机(dfig)
双馈感应发电机(DFIG)为绕线转子感应发电机。DFIG基于这一概念，它对应于在转子电路上带有绕线转子感应发电机(WRIG)和部分规模电力电子变换器的变速风力涡轮机配置，如图4所示。定子直接连接到电网，而转子则通过背对背电力电子转换器连接。功率转换器控制转子频率，从而控制转子速度。这一概念支持宽速度范围的操作，这取决于变频器的大小。通常，变速范围是同步速度周围的+30%。电力电子转换器的额定值仅为发电机容量的25-30%，这使得这一概念从经济角度来看具有吸引力和受欢迎。
据报道，DFIG的有功和无功可控性都较好。大的转子惯量平滑了风速的变化，因此输出功率的波动较小。DFIG最重要的优点是其不可中断的工作方式使其能够克服故障。选择一个好的控件，dfig连接到网格;它具有不间断运行，可以成功穿越电网故障。合理安排变流器的运行和控制，采用动态无功补偿，可实现不间断运行。
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C.同步发电机
同步发电机(SG)被认为是最有前途的多兆瓦(MW)风能转换系统技术之一。同步发电机可分为电励磁同步发电机(EESG)和PMSG。励磁由转子绕组或永磁体提供。因此，需要全量程功率转换器(FSCs)，而对于无永磁体的同步电机，则需要小量程励磁转换器。采用功率控制的同步发电机与电网连接的风能转换系统如图5所示。
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用于能量捕获的MPPT
风力发电机的最大功率点是风速的函数。MPPT的目的是确保为WECS的风力涡轮机、发电机和电力电子转换器的特定组合提取风能的最大可用能量。为了保证采用DFIG和电力电子变换器的风能转换系统更高的运行效率，需要采用合适的最大功率点跟踪(MPPT)技术来补偿未知或时变参数，这些参数有时会导致效率低下。MPPT控制器的主要目标是最大限度地提高产生的输出功率和发电机效率，而不需要低速或高速轴编码器，消除了对传感器可靠性的担忧。如图2所示为典型风力机的功率曲线，可以得到不同风速值下的最佳输出工况。能源优化智能控制策略包括考虑电网电力需求的数据挖掘方法和MPPT技术。在文献调查的基础上，确定了目前正在实践中的各种可能的MPPT技术[16]-[21]。它们列在下面
寻找最佳工作点的算法。
DFIG系统中的电力系统稳定器(PSS)可以提高网络振荡的阻尼。
磁链幅度角控制(FMAC)。
爬山搜索。
叶尖速比(TSR)控制。
功率信号反馈(PSF)控制用于动态稳定控制。
最佳转矩(OT)控制。
用图/曲线找出最优点的绘图幂技术。
风速计方法，使用预先确定的查找表。
MPPT采用最大效率控制和最大转矩控制。
高级爬坡搜索技术。
MPPT算法通过直接调节DC/DC变换器占空比实现。
MPPT算法通过改变所需方向的速度参考。
MPPT采用两个变换器，通过调节两个变换器的开关频率实现最大功率跟踪g和输出电压调节。
矩阵变换器在DFIG中的应用。
使用MPPT算法与当前反馈。
基于模糊的变速风力机滑模控制。
统一功率因数和最大功率点跟踪使用循环控制。
基于自适应控制策略的最大功率点跟踪。
调整齿轮传动比随风速的变化，以达到系统的最大功率。
神经网络技术
利用上述MPPT技术对风力进行预测，以获得更高的能量转换效率，确保在电力领域的WECS有显著贡献。MPPT的重要目的是确保风力机的叶尖速比尽可能接近最佳叶尖速比。由于运行条件取决于风廓线，因此所确定的MPPT方法并不适用于所有类型的风力发电机。研究发现，MPPT的滑模控制、P & O、传动比调整、最优转矩控制等方法适用于小定级WECS。他们反应迟钝。MPPT技术如HCS, AHCS, TSR，风速计方法，通过改变速度参考和映射功率技术的MPPT算法，其中地图/曲线用于找出仅在平稳风条件下工作良好的最佳操作点。P&O, TSR, PSF, HCS和PSS MPPT技术在风力发电机中广泛应用。由于P & O不需要在不同风速和电机参数下最大风力涡轮机功率的先验知识。TSR法在线计算瞬时叶尖速比值。PSF改善了WECS的动态稳定性控制。 HCS technique is most preferred in small capacity WECS for smooth wind speed. PSS technique improves the damping of oscillations in the network.
采用合适的MPPT技术可提高净功率捕获。MPPT的基本和重要优势是在可变风廓线下以最佳输出运行WECS。这对WECS的发展和增长做出了重大贡献，以提高其在全球净发电中的参与度。

拟议的转换器控制
提出的基于DFIG的WECS控制方案如图6所示。风力发电机根据额定涡轮机转速、发电机极对数和网络频率，通过传动系统将机械能传递给DFIG。根据风廓线的不同，WECS的运行条件在次同步到超同步范围内变化。参数记录单元测量转子转速的瞬时值，并将相应的信号反馈给控制单元进行最大功率点跟踪操作。根据参数记录单元和MPPT控制单元的信号，将相应的信号馈送到矩阵变换器单元，如图6所示。滑差值相应变化。滑动功率通过转子侧变换器分别从超同步和次同步操作模式流向转子电路。
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在优化过程中分别研究了次同步和超同步运行模式。因此，根据操作模式，控制策略相应地实现，如表1所示。
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其中α1和α2为转换器1 (RSC)和转换器2 (GSC)的发射角。在这些约束条件下，对于不同的风速值，DFIG的净输出功率是最大的，并确定了相应的变流器的发射角度。
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表2给出了对各种发电机-变流器拓扑使用DFIG的风能转换系统的总结。随着电力电子变换器复杂性的增加，整个系统的成本也随之增加。控制器设计的复杂性也影响了成本;例如，使用MPPT技术将比简单的查找表方法花费更多。高阶控制和变换器设计可以提高整个系统的效率。直流升压级的加入有助于降低电网逆变器的控制复杂性，成本略有增加。同样地，用可控整流器取代二极管整流器可以对发电机和电网的实功率和无功功率传输进行更广泛的控制。

模拟研究及结果
基于上述矩阵变换器拓扑结构的基于DFIG的WECS在变风速下进行MATLAB仿真，使系统在次同步和超同步速度下运行，如图7所示。对定子电流、转子电流、实功率、无功功率等参数进行了分析。
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相位ÃⅱÂ′Â′的定子电流如图8所示。结果表明，该系统在短时间内实现了稳定，保证了系统的稳定高效运行。
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如图9所示为Ã①Â′Â′相定子电流。结果表明，在0.2秒前稳定下来，达到了质量电流。
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定子电流为ÃⅰÂ′Â′c相，定子电流如图10所示。结果表明，该系统实现了稳定运行。
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图11所示为Ã①Â′Â′相的转子电流。观察到谐波的含量是最小的。
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相Ã①Â′Â′b的转子电流如下图12所示。观察到转子电流是稳定的。
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图13为相位ÃⅱÂ′Â′的转子电流。获得了稳定、优质的电能。
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所提出的WECS获得的实际功率如图14所示。结果表明，在变速风廓线下，采用矩阵变换器可获得稳定、高质量的电能。
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无功功率特性如图15所示。结果表明，采用合适的滤波器和矩阵变换器;定子和转子电流中的谐波内容得到缓解，这确保了更好的电能质量。实功率特性表明，该方法满足要求，保证了WECS的并网性能。无功功率特性保证了WECS与电网的顺利运行。DFIG和矩阵变换器在风力涡轮机中的使用正在迅速出现，在许多研究领域中正在进行越来越多的研究，这些研究涉及使用这种系统提取风能用于发电。

结论
研究表明，电力电子技术在变风力环境下可再生能源并网发电中发挥着重要作用。DFIG系统的普及是由于其相对于其他类型发电机的竞争优势，因此更广泛地用于大型电网，以增加电网的电力。较小的系统通常不使用DFIG系统，因为涉及到电力电子的使用和控制的复杂性。本文论证了适用于包含MC的风能转换系统的MPPT方法，可以确保在可变风廓线下最大可能的高质量发电。该控制器配备了MPPT算法控制，以最大限度地从风力涡轮机捕获的功率。这可以通过调整MC控件来实现。仿真结果表明，采用矩阵变换器的并网WECS在变风廓线时性能较好。

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