基于永磁同步发电机的电流控制矩阵变换器在风能转换系统中的应用

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）108基于永磁同步发电机的电流控制矩阵变换器纳加湾艾哈迈德·萨阿德穆罕默德？萨塔尔马雷湾aAin Shams大学工程学院电力和机械系，开罗11517，埃及b埃及钻井公司维修部，埃及接收日期：2015年6月22日;接收日期：2015年12月6日;接受日期：2016年1月3日2016年3月18日在线发布摘要风能转换系统（WECS）的主要挑战是最大限度地从风中捕获能量并在故障期间注入无功功率本文提出了一种电流控制矩阵变换器的接口永磁同步发电机（PMSG）的WECS与电网。为了实现快速的动态响应和减少的电流纹波，使用了磁滞所提出的控制系统将PMSG电流的有功和无功分量叠加，以在给定风速下从风中提取最大功率，并将无功功率注入电网。故障时的无功注入满足电网规范要求。采用PSCAD/EMTDC软件包对所提出的WECS进行了建模和仿真© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：滞环电流控制;矩阵变换器;永磁同步发电机;无功功率控制;风能转换系统1. 介绍风力发电作为一种最经济、清洁和无排放的发电技术，已经成为一种快速发展的技术。WECS用于捕获风中可用的能量以转换为电能。变速风力涡轮机具有一系列优点;它提高了能量转换效率，减少了由阵风引起的机械应力（Ofualagba和Ubeku，2008）。将风力涡轮机连接到发电机的齿轮箱引起许多问题，特别是在故障期间，并且需要定期维护。采用永磁同步发电机直接驱动可以显著提高变速风力发电机组的可靠性。永磁同步发电机具有效率高、功率密度大、功率因数高、噪声低、使用方便*通讯作者。电子邮件地址：mohammedbrahim@yahoo.com（M.I. Marei）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.01.0012314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108109命名法λopt最佳叶尖速度比ωm，ωref 实际和参考发电机速度（rad/s）β螺距角返回当前错误H为滞后带宽度idref、iqref为PMSG的直流和正交电流分量irref、isref、itref是PMSG三相电流的参考值矩阵变换器的额定电流Q是馈入电网的P馈入电网涡轮机的RVppc公共耦合Vw风速（m/s）Vd、Vq PMSG的直流和正交电压分量对照（Yang等人，2012;Inomata等人，2013年）。这些优点使得永磁同步发电机在风能应用中受到广泛关注。由于没有转子绕组，可以实现高功率密度，从而减小发电机的尺寸和重量此外，没有转子绕组损耗，这导致转子上的热应力减小传统的AC-DC-AC变换器的主要限制矩阵转换器不需要任何中间存储元件，因为矩阵转换器为四象限频率转换器提供了紧凑的解决方案矩阵转换器的关键元件是完全受控的四象限双向开关（Li等人，2012;Haque等人，2010），其允许高频操作（Kang等人，2011;ReddyandKumar，2013;JahangiriandRadan，2013）。在文献中介绍了用于矩阵转换器的各种调制技术（Rodriguez等人，2012; Youm，1999; Marei，2012）。滞环电流控制（HCC）具有响应速度快、结构简单等优点。HCC可能是最有效的技术之一，因为它在控制电流和固有的峰值电流限制能力的快速响应。最大功率点跟踪对于确定涡轮机速度以从风中提取最大电功率是必不可少的（Howlader等人，2013;Khajuria和Kaur，2012;Sun等人，2015;Mingminget al.，2014;Li等人，2014;Tang等人，2014;Abdullah等人，2012年）。此外，桨距角控制对于保护涡轮机免受损坏也很重要（Khajuria和Kaur，2012年）。 矩阵变换器控制器应当管理诸如电网侧无功功率的电网侧量，以提高系统稳定性和电能质量（Sun等人，2015;Mingming et al.， 2014年）。在李等人提出的控制系统。（2014）除了完全受控的无功功率之外，在各种速度下提取最大功率时显示出良好和快速的动态响应（Tang等人，2014年）。在本文中，一种改进的HCC技术被用于矩阵变换器，以减少注入电网的功率的电流纹波所提出的控制使用的PMSG电流的有功和无功部分，以增加在PMSG侧和电网侧在变速运行期间的有功和无功功率生产的控制能力。此外，动态限制器用于控制注入电网的无功功率，而不超过矩阵变换器的额定电流桨距角控制器用于通过限制永磁同步发电机的速度来防止在高风速下超过发电机的额定功率2. 系统描述本文对基于永磁同步发电机的无齿轮风力发电系统的动态性能进行了全面的研究，该系统采用矩阵变换器通过LC滤波器接入电网，以注入纯正弦波电压和电流。建议WECS的主要组成部分是风力涡轮机，永磁同步发电机，矩阵变换器，建议的控制系统基于HCC，和桨距控制器。110新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108ω=λFig. 1.用于PMSG电网接口的直接矩阵转换器配置。风速VPCCirrefisrefitref图二. PMSG接口系统的拟议控制策略框图。如图1所示，与ac-dc-ac转换相比，ac-ac转换的主要优点输入LC滤波器用于消除矩阵变换器的输入电流的高频分量，这导致正弦源电流。此外，在电网异常条件下，基于矩阵变换器的风力发电机组应该能够提供适当的无功功率，以支持本文将介绍的电网电压3. 提出的控制系统在所提出的控制系统中，风力涡轮机的最大功率运行是通过保持叶尖速比到其最佳值λopt来实现的。根据最佳叶尖速比λ opt，测量风速V w用于产生发电机速度参考值ωref（rad/s），如图所示。 二、发电机速度ωm由矩阵变换器控制，并且在稳态下将等于其参考，在该稳态下实现MPPT。对于选定的以下公式适用于所选模型：VWref optR六、3Vw25= 0。252Vw（1）永磁同步发电机采用间接转子磁场定向控制。速度参考值ωref，由方程计算得出。由发电机/涡轮机的最大角速度3.5rad/s限制，其与风速iq参考id参考LVRT控制器dq/abc变换ωm--一种+ωrefPi控制器相位角估计器ωref计算器X 0.252ωref限幅器.3.5弧度/秒新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108111额定图三.提出了无功功率控制。每秒14PI控制器用于调节发电机/涡轮机的速度ωm。PI控制器的输出是PMSG的正交电流基准iqref低电压穿越（LVRT）控制器根据PCC电压分配定子电流的直流分量的值。在PPC电压高于0.9 pu的正常条件下，零电流基准被分配给定子电流的直流分量idref，以实现最大转矩/安培能力。将d分量和q分量应用于Park变换和Clarke变换以生成用于矩阵转换器的三相参考电流irref、isref和itref。第3.2节中介绍的HCC用于通过为矩阵变换器的开关生成适当的门极信号来控制PMSG电流。以下小节介绍了基于矩阵变换器的PMSG接口系统的拟议控制技术的细节。3.1. 无功功率控制基于永磁同步发电机（PMSG）的风力发电系统最大功率跟踪控制器的目标是最大化公共耦合点（PCC）处的输出有功功率此外，所提出的控制器提供了重要的服务，如注入有限的无功功率的电网故障期间。PMSG电流的d分量用于管理由MC接口注入公用电网的无功功率。如图3所示，根据电网规范要求，LVRT控制器确定PMSG的d分量的pu值idref，以根据Vpcc控制馈送到电网的无功。动态限制器定义在（2）用于设定故障时有功功率分量的最大允许值iqr ef=.I22昆泰索引号（二）当id被控制时，PMSG和电网无功功率被控制。PMSG的无功功率等于Vq id，其与id成正比，其中PMSG的端电压的d分量减小，Vd= 0。在电网的正常条件下，idref被设置为零以最小化PMSG电流和损耗。然而，由于PMSG的高电抗，其即使在idref= 0时也汲取无功功率，特别是随着风速的增加3.2. 矩阵变换器的滞环电流控制矩阵变换器如图1所示，由九个四象限半导体组成，以矩阵配置连接。在这种配置中，任何输入相都可以通过连接到三个输出相的三个双向半导体连接到任何输出相如图4所示，每个双向开关由在其发射极端子处连接的两个半导体组成。一个开关称为正向开关，另一个称为反向开关。如果开关的集电极连接到输入相，则称为正向开关。另一方面，如果开关的集电极连接到输出相，则称为反向开关。- -我112新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108HCC-+ir ref表一区域检测器（6个区域）图四、单相矩阵变换器：1 =正向开关，2 =反向开关。VaVbVcIrSa1Sa2Sb1Sb2Sc1Sc2图五.单相矩阵变换器的HCC的框图。控制矩阵变换器有两个约束条件，第一个是防止输入端短路，第二个是避免输出相开路。将HCC应用于矩阵变换器。输入的三相电压根据三个线间电压中的最大值分为六个60Ω的分区在任意分区，一个输出相和三个输入相之间的开关被分成三组：导通开关、关断开关和滞环调制开关。第一组，关断开关，被控制为在分区间隔期间处于断开状态这些开关可以通过评估电网侧的三相输入电压来确定任何分区。电压既不是最大值也不是最小值的相在分区期间不连接到输出侧。第二组，磁滞调制开关，在任何分区期间被控制，以允许输出电流跟随参考电流波形。通过考虑连接到具有最大电压的输入相的正向开关和连接到具有最小电压的输入相的反向开关，图中所示的HCC。 5的单相矩阵变换器，是基于一个区域检测器和输出电流和参考电流之间的比较。然后将误差与控制两个磁滞调制开关的状态的磁滞带H如果实际电流和参考电流之间的误差达到磁滞比较器的下沿，则闭合正向开关以增加输出相电流，并且断开反向开关以避免输入侧短路类似地，如果实际电流和参考电流之间的误差超过磁滞比较器的上沿，则反向开关闭合以在其连接到较低输入相电压时减小电流。第三组，导通开关，被闭合以确保电流的路径，以避免在互换磁滞调制开关的瞬间出现尖峰通过选择最高输入相电压的反向开关和最低相电压的正向开关，在特定分区处确定导通开关。例如，如果分区中Vab是最大输入线电压，则接通开关是Sa2和Sb1，断开开关是Sc1和Sc2，并且磁滞调制开关是Sa1和Sb2。对于单相矩阵变换器，所有可能的开关状态如表1所示。类似的开关状态用于其他两个输出相位。如图5所示，计算网侧的相电压以确定区域。此外，根据开关表的命令，控制误差电流在滞后窗口内被调节新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108113表1单相矩阵变换器的开关状态最大输入线电压对关闭吉吉磁滞调制VabSb1Sc2Sc1>H<-HSa1Sb2VACSa2Sc1Sb2>H<-HSa1Sc2VbcSb2Sc1Sa2Sa1>H<-HSb1Sc2V吧Sb2Sa1Sc2Sc1>H<-HSb1Sa2VcaSc2Sa1Sb2>H<-HSc1Sa2VCBSc2Sb1Sa2Sa1>H<-HSc1Sb2见图6。 风力和发电机转速。4. 仿真结果本节基于PSCAD/EMTDC的时域仿真，评估了所提出的控制策略的动态性能和有效性。对于本研究，假设风速的不同阶跃变化，如图6（a）所示，从5、8、14到7 m/s。随着风速的增加，MPPT控制器计算最佳参考速度ωref，以从可用风能中提取最大功率。所提出的控制系统能够在不同风速下有效地控制PMSG的速度工作点，如图所示。 6（b）.对于风速的任何增加，MPPT开始以最佳速度调节发电机速度以产生最大机械功率，如图7（a）所示。一旦机械功率增加，机械扭矩增加，如图7（b）所示。在变速瞬间，速度调节器将电磁转矩减小到零，以使加速转矩最大化，从而将发电机速度调节在最佳速度。一旦发电机速度达到最佳速度，加速转矩消失，电磁转矩抵消涡轮机的机械转矩。114新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108见图7。不同风速下的扭矩性能。见图8。能源和环境控制系统的机械和电力在时间t= 20 s时，风速上升到其额定速度（13.5 m/s）以上。因此，桨距角控制器通过将涡轮机的速度调节到额定值，来限制涡轮机的机械功率，如图2和图3所示。6和8。该动作保护涡轮机免受可能的机械损坏。从图8中可以注意到，速度控制器瞬时充当风速的补偿器，并调节参考q轴PMSG电流。因此，参考q轴PMSG电流分量达到其极限设置，如图9所示，并且涡轮机功率和速度趋于增加。一旦风速达到极限，桨距控制器就会采取行动，产生新的适当桨距角，如图所示。 8（b），其中参考q轴PMSG达到新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108115见图9。 当前对WECS的控制。见图10。PMSG和电网的相电流。它的极限。桨距控制器连续地调节桨距角以将发电机速度保持在其额定速度，3.5 rad/s。 图图8（b）描绘了输送到电网的有功功率，其跟随PMSG产生的有功功率。它们之间的差异很小是由于矩阵变换器和滤波器的损耗很小值得一提的是，PMSGq轴电流分量成功地跟随其参考，而d轴被调整为零。图图10（a）表示所提出的用于矩阵变换器的HCC的快速响应和准确性能，其中PMSG的相电流紧密地跟踪其参考电流。电网的相电流如图所示。 10（b）.可以注意到，矩阵转换器的输入和输出电流是正弦的，总谐波失真（THD）小于5%，这是根据IEEE标准519所允许的。图11探索了反应性116新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108见图11。不同风速下的电网无功性能。见图12。所提出的系统在降低的电网电压下的性能。在i_d_ref= 0时注入到电网的功率无功功率随着风速或从涡轮机提取的功率的增加而增加在给定风速下增加idref会增加注入电网的无功功率，如将在下一场景中所示。最后一个场景是专门评估拟议的无功功率注入的PMSG接口系统的基础上矩阵变换器。在风速为9 m/s时，假设PCC电压从t = 11 s时的额定值逐渐降低到t = 15 s时的0.5 pu，如图所示。 12（a）. 根据E.ON电网规范，可再生能源需要在故障期间连接到电网并提供无功功率以帮助电压稳定（slideshare，2013）。在0.5pu电压暂降时，接口系统应向电网提供PMSG额定容量的 根据PCC电压的降低，确定idref，如第3.1节所述，以控制注入到电网的无功功率，如图2所示。 12（b）和（c）。 一旦达到矩阵变换器的额定电流，控制器通过动态限制器减小i qref，以避免超过矩阵变换器的额定电流，如图1所示。 12（d）. 应注意，iqref的减小影响注入的反应性聚合物。新罕布什尔Saad等人/电气系统与信息技术学报3（2016）108117动力.该动作是由于PMSG电流的dq分量与电网电压之间的耦合。相应的有功功率如图所示。 12（e）. 值得一提的是，有功功率的减少是由PCC电压和PMSG电流的有功功率分量i_q的减少引起的。仿真结果表明，所提出的控制接口系统具有简单、有效和快速的瞬态响应等优点5. 结论针对基于矩阵变换器的永磁同步风力发电系统，提出了一种高性能的电流控制策略最大功率跟踪控制器的设计，以确定最佳的速度，结果提取最大功率从风在不同的风速。结果表明，该方法在风速低于额定值时，通过控制发电机转速，具有良好的动态响应在高风速下，当发电机速度超过其额定值时，利用桨距角控制器来调节速度并限制从涡轮机提取的功率此外，所提出的矩阵变换器的控制满足电网规范的要求，馈送可控的无功功率与电网电压的降低成比例汽轮机的注入无功功率取决于PMSG电流的d分量和与发电机转速成比例的提取有功仿真结果表明了该接口系统的有效性和快速的瞬态响应在不同的风速。此外，所提出的接口系统的无功功率馈电能力证明在不同的PCC电压水平。所提出的接口系统的模型可以用于调查变速WECS和电网之间的动态相互作用。引用Abdullah，M.A.，Yatim，A.H.M.，Tan，C.W.，赛杜尔河，2012年。风力发电系统最大功率点跟踪算法综述续订。坚持住。能源收入16，3220 http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.016。哈克，法医，Negnevitsky，M.，Muttaqi，K.M.，2010年。永磁同步发电机变速风力发电机的新型控制策略IEEE Trans.Ind.Appl.46，331http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2009.2036550。Howlader，A. 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