转换器的谐波建模和实验验证DFIG-Based风力发电系统

文摘

双馈感应风力发电机(DFIG)风力发电系统包含电力电子转换器和滤波电容器和电感器,这将带来高频谐波的影响下控制器。针对这个问题,本文研究了输出电流和谐波源之间的关系在grid-side和rotor-side转换器基于他们在DFIG系统控制功能。此外,这两个转换器是建立谐波等效模型,并探讨了不同因素对谐波特性的影响从四个方面,即:、调制方法、改变控制器参数,改变输出功率,和三相电压的不平衡。最后,验证了该模型的有效性通过2 MW DFIG实时半实物测试平台StarSim软件和实际测试数据,分别。

1。介绍

新能源发电技术已成为热点的关注获得的能源和环境问题突出。风能已经广泛应用于电力系统由于其清洁、无害的,自然和丰富的自然资源。双馈风力发电系统成为主流在风力发电系统中,因为它小容量的转换器,低成本和变速频操作特性(1- - - - - -6]。然而,双馈风力发电系统包含电力电子转换器,转换器和被动组件之间的交互的过滤器会导致谐波共振,从而导致严重的谐波污染和减少了电能质量(7- - - - - -10]。

关于双馈风力发电系统的谐波问题,相关的研究和分析进行了11- - - - - -14]。在文献[11),源双馈风力发电机的定子谐波电流进行了分析。指出的谐波调制转换器,齿槽谐波电机本身,和电网背景谐波影响定子双馈风力发电机的输出谐波。在[12),双馈风力发电机变流器的谐波特性进行了分析,以及系统上的变频器谐波的影响总体输出谐波进行了分析通过建立异步电动机的等效电路。基于数学上的异步电动机的电磁关系,文献[13]提出了一种双馈异步电动机的谐波等效电路的影响,研究谐波对电网产生的风力涡轮机。根据异步电动机的特点,文献[14]分析grid-side变换器谐波之间的交互和rotor-side转换器双馈风力发电系统的谐波。

从上面的文学研究,grid-side或rotor-side转换器双馈风力发电系统中被视为一个简单的建模和分析时谐波电压源变换器的输出谐波特征,而变频器控制的影响因素对系统谐波输出特性是不考虑。

文学研究[15,16)指出,所产生的谐波PWM(脉冲宽度调制)主要分布在双开关频率附近。文献[17]研究了光伏发电系统的谐波共振特征建立光电转换器的诺顿等效模型。考虑不同类型的转换器的控制特点(18),王等人建立的变换器等效模型控制电压源和电流源控制,分别。

然而,很少有文献对双馈风力发电系统的谐波特性。本文的主要贡献可以概括如下:(1)基于现有的谐波模型,组件参数和控制参数的影响的谐波输出RSC GSC研究,和RSC和GSC的谐波输出特性进行了总结。此外,一个新颖的方法抑制输出谐波振幅的DFIG参数,提出了通过调整PI控制策略,验证了该方法的有效性通过仿真案例。(2)典型的DFIG的谐波模型,建立了和DFIG的谐波模型的参数修正的测量数据。谐波模型参数的修正,修正后的谐波的谐波特征的DFIG模型符合实际DFIG的谐波特征。

本文的其余部分组织如下:部分2介绍了双馈风力发电系统的谐波源分析。部分3介绍了变频器谐波模型的特点分析。案例研究介绍了部分4验证提出了DFIG的谐波模型。结论提出了部分5。

2。双馈风力发电系统的谐波源分析

双馈风力发电系统的结构如图1。两个背靠背PW-modulated转换器用于交流励磁通过直流环节。有效控制转换器使变速频操作和最大风能追踪一定范围内(10,19,20.]。

双馈风力发电系统的谐波来源主要包括异步电动机本身引起的谐波,谐波造成的变换器调制(14]。此外,双馈风力发电系统的输出谐波可能超过标准当背景网格中的谐波和非理性的转换器控制参数。齿槽谐波造成的异步电动机本身由于不均匀气隙可以通过理性的抑制或消除电机结构设计。因此,本文主要考虑了PW调制变频器的谐波和电网背景谐波。谐波输出特点,研究了双馈风力发电系统通过建立谐波等效模型。

3所示。双馈风力发电变换器的谐波建模

因为直流侧电压低于的动态谐波动态,通过电容器的电压grid-side转换器和rotor-side转换器之间的双馈风力发电系统保持不变。因此,两个转换器可以在谐波建模分别讨论。在本节中,谐波等效模型的grid-side和rotor-side转换器建立了研究谐波输出特性和影响因素。请注意,有次同步的低频振荡,躺在基频在风力发电系统中,和本文主要论述了谐波基频以上(9]。

开关频率的谐波振幅成正比,死亡时间,直流侧电压和谐波阶成反比。振幅可以忽略不计,所以死区效应产生的电压主要是低,如3,5,7,9。变换器的开关频率高,死在一个开关周期时间长,和低阶谐波产生的死区更明显,而大容量变换器开关频率较低是由死区效应。摘要转换器的开关延迟不考虑谐波模型转换器。

3.1。Grid-Side变换器的谐波建模

三相平衡系统,系统可以相当于一个单相系统。内部电流环的控制信号grid-side转换器是由外部电压回路。考虑电压回路的响应比电流环的反应慢得多。因此,通过忽略了电压环,获得grid-side转换器的控制框图,如图2。converter-side电流反馈控制比grid-side电流更稳定的反馈采用电流控制,如图2(21]。

在图2,K_脉宽调制的线性增益脉冲宽度调制(PWM)变流器桥,搞笑ydF4y2Ba_1裁判电流环的参考,u_{“大酒店”}由PWM产生的谐波电压,G_搞笑电流调节器的传递函数,采用比例谐振控制器,然后呢是电压在短时间点。谐波模型如图2考虑两种谐波来源:(1)谐波电压u_{“大酒店”}由PWM生成和(2)电网背景谐波电压并网。

在稳态操作,当前的参考搞笑ydF4y2Ba_1裁判保持不变(22]。因此,根据梅森公式,在复频域表达式搞笑ydF4y2Ba₂,u_{“大酒店”},可以得到如下。 在哪里年代复频域变量和吗和表示为 在哪里K_脉宽调制通常是作为1;Z₁=sL₁+R₁,Z₂=sL₂+R₂, ,在这l₁,R₁,l₂,R₂LCL滤波器电感和等效电阻吗C滤波电容器;和G_搞笑表示为 在哪里k_pg和k_搞笑的比例和积分系数是当前控制器和是基本频率。

根据图1和(1),grid-side转换器的诺顿等效电路,如图所示3。在图3,PW-modulated谐波和吗是电网背景谐波。

3.2。Rotor-Side变换器的谐波建模

rotor-side转换器采用电动机定子flux-oriented前馈解耦控制。外部控制回路是速度控制和有功功率控制,外环控制器的输出是内部电流环的参考。同样,内循环的反应要快得多的外循环。因此,外部控制回路是被忽视的,平衡的三相系统相当于一个单相系统。rotor-side转换器的电流控制框图如图4。

在图4,是当前参考,u_rh所产生的谐波电压PWM,G_红外是当前控制器的传递函数和使用比例谐振控制器;e₂是rotor-side阶段异步机的电动势。在图4,输出电流 在哪里是rotor-side复频域变量。请注意, ,在哪里年代_滑是滑的。详细的表达 , ,和所示如下: 在哪里ω_米异步电动机的转子转速; ,在这l_rgydF4y2Ba和R_rgydF4y2Ba转子漏电感和电阻;和G_红外表示为 在哪里k_公关和k_红外是当前控制器的比例和积分系数,分别。

根据图4和(4),结合异步电动机等效电路(11,12),rotor-side转换器的诺顿等效模型,如图所示5(一个)。注意,rotor-side变量转化为发电机定子侧的转换。与电路转换图5(一个)可以相当于图5 (b)。从图5 (b),我们有 在哪里搞笑ydF4y2Ba_年代是stator-side异步电动机的输出电流和和表示为 在哪里和 ,在这l_米异步电动机的励磁电感和吗l_年代和R_年代定子漏电感和电阻。

4所示。变频器谐波模型的特点进行了分析

基于谐波grid-side和rotor-side转换器成立于部分的模型3、组件参数的影响和控制参数对谐波特性进行了研究。仿真中使用的DFIG的详细参数如表所示1。

4.1。特征分析Grid-Side变换器的谐波模型

根据诺顿等效模型如图3和(1)和(2),的波德图和如图6。从图可以看出,有共振峰(大于0级dB)约1450赫兹的频率和 。它表明,变频器输出电流的频率时将进行谐波放大u_{“大酒店”}和接近共振频率,从而影响了电能质量。除此之外,值得注意的是,magnitude-frequency曲线和明显下降的频率高于2000赫兹时,表明该变换器有很强的高频谐波抑制。

忽略了滤波电感的等效电阻通常是小,和K_脉宽调制= 1,分母和所示(2可以扩展到)

它可以看到从(9)立方项和的主要项年代一对括号形式的谐振杆的谐振频率

的共振频率ω_rg计算(10)是与LCL滤波器的谐振频率一致。因此,可以推断,共振峰图6是由滤波电感。这意味着选择合适的滤波器参数可以抑制高频率尽可能多的谐波。由于PWM双开关频率附近的谐波主要集中(15,16),谐振频率更高,可以抑制。电网背景谐波频率的范围宽,还有很多低谐波等5^th7^th,11^th。因此,有必要进一步研究谐振变换器的输出特性受电网背景谐波的影响。

附近的共振频率ω_rg,得到一个近似表达式和滤波电容器的电容很小。

从(不难看出11)的产品k_pg和l₂提供阻尼共振。产品越大,阻尼效果越强。

因为当前的控制参数k_pg相对容易改变吗l₂在实践中,只有的影响k_pg研究了在图7。

从图可以看出7当电流环控制器的参数k_pg相对较小,magnitude-frequency曲线的有一个共振峰。作为k_pg增加,共振峰逐渐减少消失。此外,图7还表明,控制器参数k_π少影响magnitude-frequency曲线因为术语的积分G_搞笑在高频率几乎是零。

总之,LCL滤波器共振的存在可能会导致谐波放大grid-side转换器的输出的风力发电系统,通过调整参数和共振可以抑制电流控制器k_pg。应该注意的是,k_pg也会影响变换器控制系统的动态响应和稳定性,这是超出了本文的范围。因此,参数k_pg应该增加尽可能多的抑制谐波的输出转换器的前提下满足系统的动态性能和稳定性的要求。

4.2。特征分析Rotor-Side变换器的谐波模型

根据(4)- (8)和图5的magnitude-frequency曲线和得到如图8。它可以看到从曲线在图8在更高的频率,rotor-side转换器有影响的抑制高频PWM谐波和电网背景谐波。由于没有电容器rotor-side转换器和异步电动机的magnitude-frequency曲线和没有显示出明显的共振峰。然而,它还应该指出,在较低的频率(约300赫兹在图8),有高峰斜坡(超过0级dB)。因此,进一步研究特征需要较低的二级网格背景谐波。

rotor-side转换器,分母和在(5)可以扩展(R_rgydF4y2Ba被忽略,K_脉宽调制= 1被认为是出于同样的原因)

它可以看到从(12),当频率是转子的基本频率的3倍,也就是说,(认为较小的项可以忽略,当两个术语的区别是工程应用的10倍以上),分母窝_rgydF4y2Ba可以近似

(13),它可以发现第一和第三条款形式谐振杆的谐振频率

虽然没有共振造成的rotor-side转换器LCL滤波器的电容和电感,(14)表明,会有共振相互作用引起的控制器积分项和转子漏电感。此外,它可以从(8),这个共振将最终反映到定子和 。

从(13)和(14),共振频率与转子速度ω_米,转子漏电感l_rgydF4y2Ba和控制器参数k_红外。转子漏电感l_rgydF4y2Ba与电机参数和电机制造后是固定的。转子速度根据实际风速,变化和变异的范围是有限的。只有控制器参数k_红外很容易改变。类似于grid-side转换器,控制器参数k_公关有阻尼的影响。

图9显示的magnitude-frequency曲线与不同的k_红外,k_公关,ω_米。从图可以看出9,在增加k_红外的峰值斜率转移到一个较低的频率和幅度减少。相反,magnitude-frequency曲线在很大程度上是下降k_公关是增加了。的滑年代_滑从−0.2(对应变化 )−0.1(对应 ),和高峰的斜率转移到一个较低的频率。考虑到实际滑移变化范围很小,参数k_公关和k_红外是主要的影响因素的谐波输出特征rotor-side转换器。

4.3。双馈风力发电系统的谐波模型考虑电网阻抗

根据谐波模型相当于grid-side rotor-side转换器如图3和5,整体等效双馈风力发电系统的谐波模型图所示10。在图10,电网等效阻抗和吗是栅极电压。根据图10,当前可以获得的 在哪里 , ,和所示如下:

考虑电网背景谐波的影响,magnitude-frequency曲线根据(15)和(16)如图11。从图可以看出11当存在明显的共振和 ,出现类似的共振频率 。的共振峰抑制的参数k_pg,k_公关,k_红外适当增加,显示类似的功能吗和在数据7和9。因此,在电网阻抗的存在可以抑制电网背景谐波还适当地调整控制器参数。

5。案例研究

5.1。仿真验证

为了验证上述特征分析,实时半实物从ModelingTech构建系统(边境),如图12。每个DFIG的电磁暂态模型和控制算法由StarSim软件和倪FPGA上实现董事会7868 r(实时模拟器)。上的控制算法实现pxie - 8821控制器(快速控制原型(RCP))。

的LCL滤波器参数grid-side转换器l₁= 2 mH,l₂= 1 mH,C= 18μ异步电动机参数l_rgydF4y2Ba= 0.404 mH,R_rgydF4y2Ba= 0.0079Ω,Ls= 0.08 mH,R_年代= 0.0025Ω,l_米= 4.4 mH,年代_滑=−0.2。电网等效电感l₁= 0.1 mH。5^th7^th,11^th, 13^th,17^th,19岁^th,23岁^{理查德·道金斯},25^th,29岁^th31岁的^圣,35岁^th,37^th谐波源的0.02级聚氨酯系列网格。

图13显示grid-side转换器的输出电流搞笑ydF4y2Ba_遗传算法,异步电动机stator-side电流搞笑ydF4y2Ba_sa和栅极电流搞笑ydF4y2Ba_一个对于不同的控制参数。图13显示了谐波电流的大小测量在不同的情况下。在不同的情况下的参数设置如下:(1)案例1:k_pg= 0.5,k_搞笑= 100,k_公关= 0.5,k_红外= 800;(2)案例2:k_pg= 10,k_搞笑= 100,k_公关= 0.5,k_红外= 800;(3)案例3:k_pg= 0.5,k_搞笑= 100,k_公关= 10,k_红外= 100;和(4)例4:k_pg= 10,k_搞笑= 100,k_公关= 10,k_红外= 100。

数据(13日)和14表明,既有高频谐波放大(约29^th共振频率放大由于LCL滤波器共振)和低频谐波放大(约5^th和7^th谐波放大造成的不当rotor-side转换器的控制参数)由于电网谐波电压的存在。数据13 (b),13 (d),14表明,通过适当地增加k_pg,可以抑制高频谐波附近(29^th谐波电流)LCL滤波器的共振引起的。

数据13 (c),13 (d),14表明,适当的增加k_公关在减少k_红外可以抑制低频谐波(附近5^th和7^th谐波电流)引起的不当rotor-side转换器控制参数。仿真结果与理论分析是一致的。

5.2。实验测试

进一步验证理论,包含实际风能转换器的测试平台是建立在实验室里,如图15。在测试平台,交流伺服电机用于模拟实际风力涡轮机和风力发电变换器采用。DFIG和电网的额定电压690 V和380 V,分别是由变压器连接。

变频器的额定功率为2.0兆瓦。利用LC滤波器的grid-side转换器,0.43 mH的滤波电感。三相电容器连接在一个三角形的形状,和电容是120μf . LC滤波器和grid-side行抗性一起变压器等效阻抗结合成一个拼箱过滤器。L过滤器使用在转子端,与0.15 mH的电感。的开关频率转换器在电网方面是3000 Hz,在转子端是2000 Hz,和SVPWM调制方法。直流侧电压是1050 V, AC-side电网的频率是50赫兹。测试平台的具体参数如表所示2。

采集装置安装在PCC获得样品同步电压和电流信号,采样率是6000赫兹。在本部分中,提出了谐波建模的准确性验证DFIG的四个方面,即:,米odulation method, altering controller parameters, altering output power, and the unbalance of three-phase voltage.

5.2.1。调制方法

图16显示电压和电流的波形在PCC,以及谐波频谱。grid-side转换器和rotor-side变换器的开关频率3000赫兹和2000赫兹,分别有明显的谐波频率接近开关频率高。电压和电流的高频谐波分量分布在1920,1980,2020,2080 Hz的grid-side转换器和2800和2900赫兹rotor-side转换器。

5.2.2。改变控制参数

为了研究不同控制器参数对电流谐波的影响在PCC组件,不同的内部电流环PI控制器的参数设置对DFIG grid-side转换器。具体来说,首先,k_pgydF4y2Ba将0.23和0.71,分别什么时候k_{搞笑ydF4y2Ba}仍然是30。其次,k_pgydF4y2Ba分别将21岁和45岁,什么时候ki仍然是0.45。图17显示了DFIG转换器的输出电流谐波频谱不同的PI控制的参数。当k_pgydF4y2Ba当前的内部循环的PI控制器grid-side转换器增加,较低的谐波电流的DFIG低于1500赫兹降低,表明该参数k_pgydF4y2Ba有一些阻尼效应。与此同时,当k_{搞笑ydF4y2Ba}当前的内部循环的PI控制器grid-side转换器变化,谐波电流的DFIG没有显著变化,表明该参数k_{搞笑ydF4y2Ba}变化几乎没有影响的谐波输出的风力涡轮机,这与理论分析是一致的。

5.2.3。改变输出功率

图18显示当前谐波图不同有功功率条件下,即当输出有功功率300千瓦和2000千瓦,分别。如图18,当风力涡轮机的输出有功功率增加,DFIG转换器的输出功率增加,和谐波电流的频率接近开关频率也增加。

5.2.4。三相电压不平衡

为了验证三相电压不平衡的影响在DFIG的谐波特性,电网电压违规行为被设置为20%和50%,分别。图19表明,不平衡的三相电压越大,振幅越大的3^{理查德·道金斯}谐波电流搞笑ydF4y2Ba_年代,这与理论分析是一致的。

5.2.5。基于测量数据的谐波模型的修正

基于谐波的谐波模型修正DFIG测试平台的测试数据。表3显示了DFIG转换器的precorrected和修正参数模型。模拟结果如图20.说明DFIG转换器之前和之后的谐波电流在额定运行条件下修正。从图可以看出20.,当仿真模型的参数是一样的那些真正的测试平台,谐波电流的仿真结果是远远大于测量是在实践中。当纠正仿真模型中使用的数据表3,谐波电流的频率接近开关频率(也就是2000和3000赫兹)在模拟接近实际测试中的数据。因此,修改后的模型可以用来模拟实际风力发电机的谐波特性。

6。结论

摘要谐波grid-side变换器的等效模型和rotor-side变换器的双馈风力发电系统建立,和两个转换器的输出谐波特征进行研究的基础上,建立了模型。研究表明,LC或LCL滤波器的共振grid-side转换器可能导致谐波放大的邻近resonace频率,可以抑制谐波放大,合理调整电流控制器参数k_pg。积分项的电流控制器rotor-side转换器共鸣转子漏电感,这可能会导致低频谐波放大stator-side异步电动机的输出电流,并适当地可以抑制谐波增加k_公关和减少k_红外rotor-side电流控制器。实时仿真试验结果验证了理论分析的正确性。此外,验证了该模型的有效性基于实际DFIG测试数据,也可为理论模型的修正提供指导。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由国家电网公司科技项目拨款NYB17201700081 cfb205和湖北省自然科学基金拨款2018。

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