考虑铁耗的双馈风力发电系统建模研究

引言

当前市场上最常用的两种风力发电系统分别是变速恒频双馈风力发电系统和永磁直驱风力发电系统。然而,这两种系统各有优缺点:如双馈风力发电系统所用变流器额定容量只需系统额定功率的1/3左右,但该系统需要使用多级增速齿轮箱,较易出现故障从而使系统维护成本增加。永磁直驱风力发电系统采用永磁发电机,效率较双馈而言有所提高,且省去了增速齿轮箱,提高了系统可靠性,但需要采用价格昂贵的全功率变流器。

同时,大型多极永磁直驱电机体积、重量都很大,存在设计及系统安装上的困难。

目前大多数基于双馈异步电机(DFIG)的仿真中都忽略了铁耗,但铁耗确实存在且在电机高速运行时在总损耗中占的比例较大,研究考虑铁耗的模型就很有必要。

本文在未考虑铁耗的双馈异步电机两相旋转(du)坐标系模型基础上,加入了铁耗电阻,推导了考虑铁耗的模型。在Matlab/simulink环境下建立了变频双馈风力发电系统仿真模型,进行了仿真研究,比较了考虑铁耗和未考虑铁耗时仿真结果的差别,仿真结果验证了考虑铁耗模型以及有功/无功解耦矢量控制策略的有效性。

1未考虑铁耗的DF1G建模

DFIG,又名"绕线式异步电机",其定子和转子上均存在绕

组。基于DFIG的双馈风力发电系统结构如图1所示,发电机的定子绕组与电网直接相连,而转子绕组则通过背靠背变流器与电网连接。当风速发生随机变化时,DFIG的转子转速也将随机变化,而此时需控制发电子转子绕组电流的频率,使与电网相连的发电机定子频率恒定,便可实现发电系统的变速恒频。

当DFIG发电机转子的电角速度or小于定子同步角速度o1时,电机工作处于亚同步状态,此时电网通过变频器向转子提供转差功率:而当or大于o1时,处于超同步状态,转子通过变频器向电网回馈转差功率:当两个角速度相等时,电机处于同步运行状态,此时发电机类似于同步电机工作原理,变流器向发电机转子提供了直流励磁。

不考虑电机铁耗,双馈异步电机的等效电路如图2所示,(a)为d轴电路,(b)为u轴电路,大多数双馈系统的研究都采用了图2所示的等效电路模型,其能基本反映双馈电机的特征,但在一些对功率、效率研究较精确的场合则不适用,此时便需要考虑电机的损耗,特别是铁耗。

2考虑铁耗的DF1G建模

本文主要研究考虑铁耗的DFIG模型,电机的铁耗主要由磁滞损耗和涡流损耗组成,其与电机铁芯结构、施加的电压频率及发电机磁通密度均相关,因此从理论上得到很精确的铁耗计算公式不太现实。而若在动态模型中考虑铁耗,通常是根据铁耗产生的本质,将铁耗用一个等效的电阻来模拟,将此电阻称为"等效铁耗电阻"。此时,在图2电路图的基础上,考虑铁耗的DFIG在du坐标系下的等效电路图如图3所示。

根据图3所示的电路图及电路原理,可得出DFIG在du坐标系下的数学模型为:

式中,uds,uqs,udr,uqr为DFIG定、转子绕组电压的d、g轴分量:ids,iqs,idr,iqr为定、转子绕组电流的d、g轴分量:业ds,业qs,业dr,业qr为定、转子绕组磁链的d、g轴分量:idfe,iqfe为铁耗电阻电流:业dm,业qm分别为考虑铁耗后的定、转子磁链的d、g轴分量:Rfe为铁耗电阻:ol为定子同步角速度:os为转差角速度,os=ol-or,or为转子电角速度。

3矢量控制策略

DFIG定子磁链定向时,定子磁链业l与d轴方向一致,因此有业ds=业l,业qs=0。当DFIG定子绕组连接到电网时,电压ul为常数。DFIG定子绕组输出有功功率Pl和无功功率0l分别与iqs和ids成正比,调节iqs、ids即可独立调节有功、无功功率。通常给定有功功率为最佳功率,由风力机功率特性曲线和风速计算而得,以实现系统的最大功率跟踪控制,而无功功率则根据电网需求合理设置。

定子磁链定向下DFIG矢量控制框图如图4所示。

4仿真研究

根据DFIG模型和以上矢量控制方法,即可搭建完整的DFIG风力发电仿真系统。仿真中,叶片半径为4m,齿轮箱增速比为6:DFIG样机参数:定子绕组电阻为0.3790,定子自感为43.8mH,转子绕组电阻为0.3140,转子自感为44.9mH,互感为42.7mH,转动惯量为0.09kg·m2,极对数为3:铁耗电阻设定为500。仿真时给定恒定风速为8m/s,给定有功功率输出为7500w。仿真结果如图5所示,图上比较了考虑铁耗和不考虑铁耗两种情况下的仿真波形,从上至下分别展示了DFIG转速、转矩及输出有功功率。从仿真图上可以看出,DFIG启动时两种模型下仿真波形有明显区别。最主要是两种模型输出功率不一样,考虑铁耗时输出功率明显小于未考虑铁耗时,因此考虑铁耗的建模提高了模型的准确性,对实际系统更有参考意义。

5结语

本文在传统DFIG模型的基础上,建立了考虑铁耗的电机模型,并对DFIG采用了基于磁链定向的功率解耦控制策略。在Matlab/Simulink中建立了考虑铁耗和未考虑铁耗两种模型下的DFIG仿真模型,进行了仿真验证。仿真波形验证了考虑铁耗模型的正确性,和未考虑铁耗相比其输出功率准确性得到了提高。