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  • 基于虚拟同步发电机并网的微电网运行控制
  • 虚拟同步发电机(VSG)并网控制

    千次阅读 2020-10-15 11:10:20
    虚拟同步发电机(VSG)并网控制 虚拟同步发电机通过功率环的控制来模拟同步发电 机,使得逆变器具有惯性、阻尼以及调压调频的能力,在0.5s时增加另一个负载,根据输出功率可知,输出功率跟随给定,符合并网功率输出...

    虚拟同步发电机(VSG)并网控制

    虚拟同步发电机通过功率环的控制来模拟同步发电 机,使得逆变器具有惯性、阻尼以及调压调频的能力,在0.5s时增加另一个负载,根据输出功率可知,输出功率跟随给定,符合并网功率输出;且输出功率的变化都是缓缓变化的,因为含有惯性,所以满足VSG控制。需要的可以加扣扣私聊3223787740,价格实惠!
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  • 在可再生能源中,风力发电是世界上公认的... 目前世界上有多种型号的大型风电机组在商 业化运行,大体可分为三种类型:第一种是直接并 网定速异步风力发电技术,传统风力发电机系统多 采用这种型式;第二种是变速恒频双

    在可再生能源中,风力发电是世界上公认的最 接近商业化的可再生能源技术之一。风力发电不 消耗矿产资源,发电过程中对环境没有破坏影响, 在强调可持续发展、保护环境的今天,风电已经成 为全球普遍欢迎的清洁能源。国际上风电技术的 创新很快,一方面装机容量越来越大,另一方面不 断采用新型机组结构形式和材料,最新主流技术为 变桨变速恒频和无齿轮箱直驱技术。 目前世界上有多种型号的大型风电机组在商 业化运行,大体可分为三种类型:第一种是直接并 网定速异步风力发电技术,传统风力发电机系统多 采用这种型式;第二种是变速恒频双馈风力发电技 术,这是新一代风力发电系统种应用最广的机型; 第三种为变速恒频直驱型风力发电技术,也称直驱永磁同步风力发电技术,是第三代风力发电技术。
    1、直驱永磁同步发电技术
    直接并网定速异步风力发电技术和变速恒频 双馈风力发电技术(见图 1)的共同点是风力机与发 电机之间采用齿轮箱相连。由于齿轮箱的存在,变 速恒频双馈风力发电机还存在碳刷和滑环,使得系 统成本高、可靠性差、维护量大、噪声污染严重。并 且当其低负荷运行时,效率较低,特别是随着单机 容量的增大,问题更加突出。因此,直驱和无刷化 越来越受到人们的关注,基于变速运行、变桨距调 节、低转速、高效率、高功率因素的直驱永磁同步风 力发电技术(见图 2)已成为研究开发与应用的热点之一。
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    直驱永磁同步风力发电技术采用的发电机为 低速永磁同步发电机,且取消了风力机和发电机之 间的可靠性差的齿轮箱。当转速变化时,发电机定 子输出频率也跟随变化,通过功率变流器将定子发 出的变频变压的电能转换与电网频率幅值一致的 稳定电能。发电机采用永磁体结构,无需外部励 磁,没有电刷和滑环,简化了系统结构,提高了可靠 性和发电效率,而且永磁结构比电励磁结构更适合 做成多极低速结构,极距小、电机体积和质量相对 较小,大大减少了系统体积重量和成本,提高了可 靠性,同时,由于能量只从发电机流向电网,无需双 向流动,因此功率变流器结构可以较为简单。该系 统除可以实现变速恒频控制外,也可灵活实现有 功、无功的解耦控制,而且发电机定子通过功率变 流器连接电网,具有更好的稳定性。
    2、1.5MW直驱永磁风力发电机电磁设计
    东方电机在大、中型常规电机的研发设计中具 有长期的积累和雄厚的技术实力,但在以永磁为特 色的新型、特种电机电磁设计上[1],技术储备相对 不足、参考机型很少,在这些不利条件下,针对 1.5MW永磁电机与常规电励磁电机在电磁设计上 的差异性,结合其固有的技术特点,经过大量深入 细致的研究工作,同时充分吸收和借鉴在常规电机电磁关键问题研究的思路和成果,充分运用有限元 计算精度高与解析计算速度快的优点,提出了永磁 电机的电磁设计方法及电磁设计中若干关键问题 的处理技术。
    2.1、主要参数
    1.5MW 直驱永磁风力发电机主要参数如下:
    额定功率 1650kW
    额定电压 690 V
    额定电流 1580 A
    相数 3
    极对数 40
    额定转速 17.3 r/m
    效率 94.5 %
    防护等级 IP54
    绝缘等级 F
    工作制 S1 (连续工作制)
    2.1、磁场分布优化设计
    不同于常规能源,风能具有很强的随机性,大 多数时间风力发电机只能够运行在低负荷水平。 因此,对于优秀的电磁方案,不仅要合理优化分配 额定负荷的磁势、磁势分布,还要对不同负荷水平 下的磁场进行全面分析,达到成本与性能的合理匹 配(见图 3、图 4)。
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    2.2、磁路关键系数的有限元精确计算
    磁路系数(如气隙波形系数、漏磁系数、交直轴电枢反应系数等)的准确度很大程度上决定了设计 精度和电机的性能、成本。精确的磁路参数是设计 先进的必要条件。采用有限元计算,可以得到高精 度的磁路参数,再将其应用于磁路计算中,便能兼 顾设计精度与计算速度,非常适用于在新机型开发 时间紧的情况下,快速准确地开发出性能优良的电 磁方案。
    2.3、电抗参数的精确计算
    为实现风力发电机的矢量控制,需要提供准确 的直轴电抗参数 d 和交轴电抗参数 q。永磁电 机的磁路与常规电励磁电机有一定不同,在负载运 行时,这两个参数又受到气隙磁势、定转子漏磁在 交直轴之间耦合交叉的影响,常规解析方法采用了 相当程度的简化,误差较大,需对这种特殊磁路带 来的影响进行具体分析。研究中提出了更加精确 的电流—磁链回线法,用参数表示的回线去逼近有 限元计算的回线,特别适合在电机呈不均匀饱和状 态下高精度求解。
    2.4、电势齿谐波优化 电机定子槽开口引起的气隙磁导不均匀,因此产生齿谐波。齿谐波的存在不仅会使发电机的电 压波形畸变率增大,还会引起附加损耗的增加,效 率下降。当电机采用整数槽方案,将会产生严重的 一阶齿谐波。为削弱整数槽带来的齿谐波影响,提 出了分段偏移磁极的方法,结合电磁场有限元仿 真,并通过样机试验结果进行验证。
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    2.5、齿槽转矩优化 齿槽转矩是由永磁体与定子齿间作用力的切 向分量所形成。齿槽转矩会带来振动和噪声,增大 传动链疲劳效应,降低机组运行寿命。有针对性地 采用斜极和短距等综合措施,在基本不增加电机材 料成本的情况下,大幅降低齿槽转矩,优化电机性 能。
    2.6、故障工况下的瞬态分析
    发电机在故障状态下的过渡过程,涉及到电机 对故障的承受能力及疲劳损伤程度。采用场路耦合 时步有限元法,充分考虑机械运动、材料非线性、转 子涡流对瞬态过程的影响,提高电机运行寿命设计 的准确度,三相突然短路故障冲击电流曲线见图 5。
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    2.7、永磁体防失磁分析
    永磁体是一种非线性材料。在一定温度下,当 受到一个较强的反向磁场作用,使永磁体工作点落 在退磁曲线的拐点以下时,永磁体便会发生不可逆 退磁。引起永磁体发生不可逆退磁的因素与永磁体材料、磁化方向长度、温度和外部故障磁场有关 [2]。通过三相短路时永磁体去磁磁场的计算与分 析,合理设计永磁体的厚度,达到在成本与安全性 的一个平衡点,永磁体工作点的选取见图 6,三相 突然短路故障永磁体磁场分布见图 7。
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    2.8永磁体涡流损耗分析
    利用时步有限元法,对永磁体在空载、负载和 故障工况时的涡流损耗分布进行仿真计算,得出永 磁体在不同运行工况下涡流损耗的变化规律,并通 过合理分块、分段、调整极槽配合等技术手段,有效 降低永磁体涡流损耗,降低永磁体运行温度,确保 发电机具有优秀的工作性能和长期运行的可靠性。
    3、1.5MW直驱永磁风力发电机结构设计
    3.1、总体结构
    大型风力机的转速一般较低,约每分钟几十转 甚至十几转。直驱永磁同步发电机直接与风力机 相连接,其转速低、极数多,定、转子尺寸大,呈扁平 状结构,具有转动惯量大的特点。发电机采用外转子结构,结构紧凑,重量轻。主要由定子、转子、轴 承、冷却循环系统、定子主出线盒、辅助出线盒等组 成,发电机总装配见图 8。
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    3.3、定子装配
    整个定子由机座、铁心和绕组等组成。机座为 高性能球墨铸铁件,具有很好的抗疲劳性,且较适 合批量生产的需要;定子铁心采用高导磁、低损耗、 无时效优质硅钢片冲制而成的定子冲片叠装且设 有径向通风沟以保证绕组散热,弹性压环装压结构 使铁心在热态和冷态下都处于压紧状态,保证运行 可靠性。
    定子绕组采用圈式线圈,绝缘结构充分考虑了 变频器高次谐波等影响,对匝间绝缘及对地绝缘进 行了加强。定子铁心和线圈采用 VPI 真空压力整 体浸漆,这样既保证了电机的整体绝缘性能,又加 强了整体结构强度和传热效果。定子装配见图 9。
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    3.4、转子装配
    转子机座采用高性能球墨铸铁件,由转轴与转 子支架及磁轭一体铸造成型后加工而成。 磁钢采用高剩磁、高矫顽力、低失重钕铁硼,完 全防止温度及电机故障状态下的外磁场退磁效应 (如三相短路等情况发生)。加强表面处理措施有 效防止盐雾、潮湿环境对磁钢的腐蚀,保证 20 年的 磁钢使用寿命。转子装配见图 10。
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    3.5、主轴承
    轴承采用 2 个调心滚子轴承,驱动端为主要受 力轴承,非驱动端为浮动轴承,轴承采用自动注脂 润滑,保证轴承良好运行,通过高导电碳刷削弱轴 电流的影响,主轴承结构见图 11。
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    3.6、主轴
    主轴材料为耐低温锻钢 42CrMo4A,起到支撑 发电机及风轮的作用,同时也是轴承油室的重要组 成部分。对其进行了刚强度计算和疲劳分析,满足 20 年安全运行要求。
    3.7、刹车及锁定装置
    采用液压制动,并在刹车盘上设有锁定装置, 利于机组停机检修和维护,其结构见图 12。
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    3.8、冷却系统
    用空空冷却器,仅有空气一种介质参与热交 换,从根本上消除了水的泄露问题且同样可以保证 发电机运行系统的密闭性。空空冷却器结构简单, 利用空气冷却器进行热交换,冷风稳定,温度低,空 气清洁干燥,延长绝缘寿命,安装维修方便,便于运 行维护,见图 13。
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    4、结 语
    直驱永磁风力发电技术省去了维护成本较高 的齿轮箱,总体比较来看,其总损耗低、效率高、年 发电量高,但成本仍是制约其发展的关键因素。通 过对发电机进行优化设计,可以降低发电机的材料 成本,同时,随着电力电子技术的发展,变频装置的 成本也在不断降低。综合考虑长期运行、维护等各 方面的成本,直驱永磁同步风力发电技术具有良好 的发展前景。 目前,国内外对直驱永磁风力发电技术的研究 具有以下趋势: (1)研究并提出新型的定、转子结构,优化极、 槽配合,定子超高压,发电机大型化,提高系统的集 成度,降低成本[3]。 (2) 结合直驱风力发电机的特点,优化磁路结 构设计,推广、应用性能优越的新型永磁材料。 (3) 改善大功率变频电路拓扑结构;提高能量 转换效率,削弱谐波影响,增强电磁兼容性。
    QY-TF18型1KW永磁电机风力发电机并网实验系统
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  • 永磁直驱风力发电机简介

    千次阅读 2020-12-23 02:25:27
    永磁直驱风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点成为继双馈感应风电机组之后的有一重要风力发电机型受到广泛关注,并逐渐开始投入使用。一、永磁直驱风力发电原理的基本原理,就是利用风力带动风力...

    原标题:永磁直驱风力发电机简介

    顾名思义是在传动链中不含有增速齿轮箱,仅仅依靠增加磁极对数使得电机的额定转速下降达到转速调节的目的,由于不需齿轮箱,所以称之为直驱。

    永磁直驱风力发电机由于机械损耗小、运行效率高、维护成本低等优点成为继双馈感应风电机组之后的有一重要风力发电机型受到广泛关注,并逐渐开始投入使用。

    一、永磁直驱风力发电原理

    的基本原理,就是利用风力带动风力机叶 片旋转,拖动永磁直驱发电机的转子旋转,实现发电。永磁直驱风力发电系统和笼型变速恒频风力发电系统类似,只是所采用的发电机为永磁式发电机,转子为永磁 式结构,不需外部提供励磁电源,提高了效率。它的变频恒速控制是在定子回路中实现的,把永磁直驱发电机的变频的交流电通过变频器转变为电网同频的交流电, 实现风力发电的并网,因此变频器的容量与系统的额定容量相同。

    二、永磁同步风力发电机技术特点

    1、 系统不需要励磁装置,具有重量轻、效率高、功率因数高、可靠性好等优点;

    2、变速运行范围宽,即可超同步运行也可以亚同步运行;

    3、转子无励磁绕组,磁极结构简单、变频器容量小,可以做成多极电机;

    4、同步转速降低,使风轮机和永磁发电机可直接耦合,省去了风力发电系统中的齿轮增速箱,减小了发电机的维护工作并降低噪声,使直驱永磁风力发电机系统;

    5、直驱永磁发电机采用全功率的交-直-交变频技术,与电网隔离,具有低电压穿越能力,对电网友好;

    三、永磁同步风力发电机适用场合

    1、在电力设施匮乏、交通不便、缺乏常规燃料,但风力资源丰富的地区,可以解决部分用电问题,如为高速公路照明设备提供电源等;

    2、在单机容量比较小的风场, 能够高效并网发电;

    3)为农村、牧区、边防哨所、气象台站等偏远、负载较轻的用户,提供交流或直流电源。

    四、银河与永磁风力发电机的故事

    2006年,由 承建的2MW永磁风力 发电机试验台成功下线国内第一台2MW永磁风力发电机;2010年,国内第一台5MW海上永磁风力发电机在湘电下线,此试验台同样由银河电气承 建;2011年,由湖南银河电气有限公司承建的金风科技6MW永磁直驱风力发电机组试验系统完成验收;此外,东方电气、北京京城新能源等等大型风力发电机 设备制造商采用银河的变频测试设备均在国内外引起了巨大的反响,银河电气用实践证明, 可以完美解决低频、大电流、强干扰的永磁 直驱风力发电机领域的测量难题。

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  • 摘要新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)的研究...该文针对分散式结构,提出利用一台虚拟同步发电机(VSG)进行无通信的预同步控制方案,并通过引入电流限幅环节解决环流问题。首先介绍了基于虚拟功率的预同...
    9dba1c9406374847beec1689b8566929.gif 摘要

    新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)的研究人员颜湘武、王德胜、贾焦心,在2019年第19期《电工技术学报》上撰文指出,分散式微电网结构因为设备间无通信,具有成本低、稳定性好的优势而成为研究热点,但是其多机预同步并网却成为技术难点。

    该文针对分散式结构,提出利用一台虚拟同步发电机(VSG)进行无通信的预同步控制方案,并通过引入电流限幅环节解决环流问题。首先介绍了基于虚拟功率的预同步原理和三种多VSG预同步方案;其次,采用小信号模型对比分析了两种相位预同步控制器的性能,采用VSG并联系统频率等效模型对预同步过程中的有功环流问题进行理论分析,采用等值机的方法对一阶虚拟惯性环节参数进行整定;最后进行仿真和实验验证。

    结果表明,该文的预同步方法能够减小多VSG并联系统的动态功率环流,满足快速预同步并网,进而实现分布式电源间的无缝切换控制。

    虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)技术通过在并网逆变器控制中加入传统发电机的摇摆方程算法,使得电力电子装置可以模拟同步机的物理惯性和机械阻尼特性,这为分布式电源的友好消纳提供了解决途径,在光伏、风电、储能等领域应用前景广阔。

    与传统同步机相比,VSG主电路由脆弱的电力电子器件所组成,过电流能力相对较差,如不能实现VSG输出电压幅值和相位的无静差跟踪电网电压,那么在并网过程中会出现冲击电流。因此,在并网合闸前必须进行精准的预同步控制。

    预同步控制主要包括电压的幅值、相位和频率调节,以实现并网开关两侧的电压同幅、同相、同频。电压幅值的检测和调节相对简单,一般通过比例积分PI调节器或二次调压进行控制;电压相位、频率的检测和调节则较复杂,一般通过电网频率和相位检测单元进行检测,通过传统PI控制器对相位和频率偏差直接进行调节。

    相位检测单元存在非线性、响应慢、参数设计难等问题,为满足预同步过程的快速性和稳定性要求,近几年有学者提出了改进的预同步方法,包括无需相位检测单元的预同步方法和基于VSG技术的方法。其中,有学者通过对d/q坐标系下的并网开关两侧电压分量差值进行闭环控制来间接实现相位的调节;有学者利用并网开关两侧电压引入新的控制变量,同样可以间接实现相位的调节;有学者通过虚拟电流或虚拟功率的控制来实现相位的调节。

    上述改进的方法中,有学者的预同步步骤是先调频调压再调相,而有的学者则是同时调节,可减小预同步时间。有的研究根据VSG控制器本身具有自同步功能的特点,将虚拟电流或虚拟功率反馈至VSG控制器,使得VSG在预同步过程中体现出惯性和阻尼特性。有学者的方法不需要增加额外的同步单元,从而减少了系统的复杂度,但该方法的预同步控制器在数学上为惯性环节,无法同时实现频率和相位的无差调节。有关文献并未考虑此问题,而有学者则增加一个PI控制器来调节频率,进而实现相位的无差调节。

    以上文献未涉及多台VSG并联运行系统并入大电网的预同步控制(VSG多机预同步控制),而且未对控制器参数进行分析与设计。有学者提到了多下垂控制逆变器的并离网模式切换,但并未对多机预同步过程中的功率环流问题进行分析。

    虽然相比于传统下垂法,VSG控制策略稳定性能更好,但是却更容易出现低频振荡现象。有学者指出了大电网在电力电子渗透率逐年增高的情况下,电压在功角动态稳定方面存在的问题,主要表现在各VSG会在很宽的频带内响应扰动,不利于稳定。

    本文通过一台VSG的控制来实现多VSG相位预同步,选用一阶虚拟惯性环节作为相位预同步控制器,并采用VSG多机并联频率等效模型分析解决有功环流问题。

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    图1 并网VSG的电路等效模型

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    图4  微电网结构

    结论

    本文针对分散式微电网结构,提出了单台VSG无通信预同步控制方案,但这使得并联VSG间出现功率环流问题,制约和影响了并网的速度和稳定度。本文通过小信号模型分析法对两种相位调节器的性能和多VSG并联系统的有功环流问题进行了分析,提出在预同步过程中引入电流限幅环节。

    仿真和实验结果表明,通过增加一阶虚拟惯性环节作为二次调频控制器和相位调节器(即预同步方案三)具有最优的控制性能,有效地减小了系统的动态功率环流。不足之处,在开环相位调节的稳态时段仍存在较大的有功环流,如何更进一步地减小该时段环流有待深入研究。

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空空如也

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同步发电机并网运行