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上海电力学院 – 双馈风力发电系统控制

需求

双馈风机系统中发电机的定子同传统的同步发电机一样是同电网直接相连的,而转子通过背靠背的电力电子变流桥与电网相连。通过电力电子装置来控制转子电压的频率和幅度,可使得即使发电机的转速不是同步速时,发电机定子仍然可以发出频率恒定的电能,从而实现一个变速恒频的系统。双馈系统的一个优良的特点是,发电机的转子侧通过电力电子装置同电网交换的功率只通过整个风机系统发出的功率的一部分,这样便于降低电力电子部件的造价和成本,因此很多大功率的风机选择的是双馈的拓扑结构。


实际双馈风机系统的控制

下图是整个实验系统的照片,最右侧可以看到由直流电动机(用来在实验室环境中模拟风机)和感应发电机组成的机组,中间的电气柜布置着原动机调速器,IGBT及其驱动板,继电器开关等,最左边是弱电的控制柜,可以看到柜子中间的白色PXI机箱,作为此项目中的实时控制器(变流器控制器)。




双馈风机系统的控制分为并网前的空载励磁控制和并网后的最大风能追踪控制。



空载励磁控制:发电机并网条件为:定子电压和电网电压的幅值、频率以及相位相同。发电机并网控制就是在并网之前依据电网电压(频率、相位和幅值)信息,通过电力电子变流器调节转子的励磁电流的频率和幅度,从而使得发电机定子电压符合并网条件。


并网后的最大风能追踪控制:双馈风机并网后控制目的是实现最大风能追踪,也就是希望在风速变化时,能将风机系统的运行轨迹始终保持在最佳风能捕获(调节发电机的转速使得发电机的转速和风速的比例始终维持在一个最佳的数值),要做到这点同样也需要通过电力电子变流器调节转子的励磁电流的频率和幅度,从而实现变速恒频的最大风能捕获运行。


在利用StarSim验证了控制算法后,利用PXI将控制算法实时运行起来。



上图展示的是PXI控制发电机并网后的发电机转子电流以及定子的电压波形,采集波形时电机的旋转速度为20Hz(电频率),可以看到转子电流的频率为转差频率30Hz(50Hz-20Hz)。(注:控制程序的运行速率为8kHz

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