风力自励感应发电机供电隔离直流负载的仿真及分析

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报4（2017）257风力自励感应发电机供电隔离直流负载Khaled S.Sakk ourya， Mohammed Kamal Ahmedb， Saf aa Emaraa埃及吉萨Dokki电子研究所电力电子和能源转换部b埃及开罗爱资哈尔大学电气工程系接收日期：2016年7月29日;接收日期：2016年8月2日;接受日期：2016年8月9日2016年10月11日在线发布摘要本文对风力自励感应发电机进行了分析、建模和仿真。三相SEIG由变速原动机驱动，代表风力涡轮机。此外，本文还研究了在启动过程中，增加或减少负载或转子转速的SEIG的动态计算SEIG所需的激励电容值，以给出适当的饱和水平，从而确保自激励并避免严重的饱和水平。可从风力涡轮机获得的最大功率的匹配通过改变负载值来执行。研究了交流-直流功率变换对发电机性能的影响利用MATLAB/SIMULINK工具箱程序对系统进行了仿真© 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：风力发电系统;自励式异步发电机;励磁电容控制;不控整流器;直流负载1. 介绍风能是可再生能源的主要来源之一它是无污染和经济上可行的。风力涡轮机发电系统在可变风速条件下发电此外，它是世界上发展最快的能源技术之一（Mittal等人， 2010年）的报告。早在20世纪80年代，许多研究人员就已经研究和分析了SEIG的性能（Murthy等人，1982; Tandon等人，1984年）。 稳态分析的SEIG的研究已经获得了作者在Murthy等人的兴趣。（1982），Tandon et al.（1984），Khater et al. （1992），Bouchiba et al. （2015），以及Sandhu和Jain（2008）。 在Murthy et al.（1982）和Tandon et al. （1984）研究了静载荷，而Khater等人（1992）研究了电机负载。SEIG馈入感应电动机的瞬态性能表明，*通讯作者。电子邮件地址：khaled@eri.sci.eg（K.S. Sakkoury）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.08.0032314-7172/© 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/）。258K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257W可以在仔细选择激励电容器和适当控制的情况下工作（Sakkoury等人， 1993年）。许多SEIG与公共激励电容器的并联操作也是可能的（Sakkoury，1995）。SEIG应用于偏远地区的优点包括无刷（鼠笼转子）、减小的尺寸、坚固、不存在传统发电机中的用于励磁的DC电源、降低的维护成本、自短路保护能力和没有同步问题（Neam等人，2006; Seyoum等人， 2003年）。然而，感应发电机的电压调节能力较差，其值取决于原动机速度、电容器组大小和负载特性（Sandhu和Jain，2008年;Bansal，2005年）。已经研究了用于耦合到风力涡轮机并且通过AC-DC-AC转换器连接到电网的SEIG的最大功率点跟踪MPPT（El-Spherical等人， 2006年）。为了将SEIG产生的电力输送到电网或家庭或农业负载，首先必须将其转换为直流形式，然后通过逆变器转换交流/直流整流桥与SEIG一起使用。许多出版物已经描述了DC转换器与SEIG的使用和可能的应用（Wu，2009; Rodríguez等人，2005;Prasad等人， 2008年）。本文介绍了由变速风力发电机驱动的SEIG提供直流负载的动态性能。研究了不可控AC/DC变换器对SEIG输出电压和电流的影响2. 系统描述2.1. 风力发电机系统本文研究的风力发电系统如图所示。1.一、 风力涡轮机通过齿轮箱联接到感应发电机（IG）的轴。IG连接到用于自激的电容器组和不受控制的转换器以供应DC负载。2.2. 风力发电机特性涡轮机的功率输出取决于通过叶片的有效风速vw、空气密度ρ、叶片半径R和功率系数Cp。P w= 0。5ρCpAv3（一）当量（1）描述了风力涡轮机的输出功率Pw。考虑到风力涡轮机的旋转速度ωr，风力涡轮机机械扭矩由下式给出：Tw=Pw/ωw（2）风力涡轮机的性能系数Cp受叶尖速度比或λ的影响，λ被定义为叶片叶尖的线速度与风速之间的比率。λ=（R·ωr）/vw（3）使用SEIG的主要优点是它能够在很宽的速度范围内产生电力。这使得风力涡轮机能够在宽范围的风速下以其最大Cp运行，并提取最大可用风力Fig. 1.自激IG风能转换系统。K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257259一个Ca图二.感应电机的D(a)d轴和（b）q轴。2.3. 自励感应发电机建模感应电机中的自励磁过程已经被了解了几十年。当电容器跨接在由外部原动机驱动的感应电机的定子端子上时，将在其端子处感应出电压。受电机磁饱和的影响，定子绕组中的感应电动势（EMF）和电流将继续上升，直到达到稳态条件。图2示出了在静止参考系中具有负载的SEIG的完整d-q电容器C连接在定子端子上，用于自激。为方便起见，假设所有值均参考定子侧。机器参数见表A.2。对于空载情况，在写出图1的回路方程后，重新排列各项。 2，我们得到以下电压方程，表示为：Vds=rs·ids+pλds（4）Vqs=rs·iqs+pλqs（5）Vdr=rr·idr+pλdr+wr·λqr（6）Vqr=rr·iqr+pλqr−wr·λdr（7）其中，Vqs、Vds、iqs和ids分别为定子电压和电流。Vqr、Vdr、iqr和idr分别为转子电压和电流。λqr和λdr为转子磁通。λqs和λds为定子磁通。rs、Lls、rr和Llr分别是定子和转子的电阻和自感根据固定参考变量的电磁转矩的表达式可以表示为：3个pTem=2 2（λds·iqs−λqs·ids）（8）转子速度定义为：1个ppωr=J2（Tem−TL）（9）其中，J是风力涡轮机和感应发电机的有效惯量TL是风力涡轮机输出扭矩。系统的端电压由下式定义V= −1i（十CA260K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257BNCb）V= −1i（十一）CBK.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257261CNCc图3.第三章。相电压C= 58.5µF，额定风速8 m/s。见图4。空载时电容值、转子转速和发电电压之间的关系。V= −1i（十二）3. 无整流器本节介绍了由变速风力涡轮机驱动的SEIG的计算机模拟。利用MATLAB/SIMULINK软件包进行了仿真。利用仿真软件对定子端接适当电容的三相异步发电机在额定转速下的空载电压进行了预测。等式（10）当电容器跨接在由外部原动机驱动的感应电机的定子端子上时，将在其端子处感应出电压。定子绕组中的感应电动势（EMF）和电流将继续上升，直到达到稳态条件，受到电机磁饱和的影响。在这个工作点，电压和电流将稳定在一个给定的峰值和频率，如图所示。3.第三章。CC262K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257图五.产生电容指令给PI控制器。图六、（a）相电压;（b）电容;（c）PI控制情况下的误差（v= 8 m/s）。K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257263见图7。变风速时的相电压。表1电容器和电阻值与风速的关系。V风电容值（µF）载荷值（▲）5140656864976939858.534.53.1. 自激电容效应空载条件下电容、转子转速和发电电压之间的关系见图。 四、可以假定O点是图中的额定电压。 四、 额定电压可以在转子速度ωr2下使用电容C2产生。为了在较低的转子速度ωr1下产生相同量的电压，电容增加到C3，励磁电流可以超过感应电机定子电流的额定值并且在较高的速度ωr3下，可以用较小的电容值C1产生额定电压。3.2. 励磁电容器计算正确选择励磁电容值对于将定子电压和频率设置为额定值至关重要。从谐振条件可以看出，稳态电压与励磁电容、转速和负载有关。因此，应调整励磁电容器，以提供不同运行速度的额定电压频率比，即：以保持V/f对于不同速度恒定激励电容的控制在图中产生。 五、系统操作在图6中示出。系统在风速为8 m/s时空载启动。连接一个140µF的启动电容器，以保证在发电机端子处建立电压引入负载，并且控制器在时间t= 0.6开始操作以改变电容器值。系统在时间t= 4 s时达到稳态。图6（a）示出了在启动期间的电压变化，在连接负载的情况下发生电压骤降。控制器增加电容器直到电压再次升高到设计值。 图图6（b）示出了由于PI控制器动作而引起的电容器变化。 图图6（c）示出了（V/f）实际值和参考值之间的误差信号。在风速小于额定风速时，系统以V/f恒定运行后，电容器和负载的最终值在表1中列出。选择这些值以给出不同速度的额定V/f。每个选定值应涵盖一个速度区间（5.5-6.5 m/s），工作电容值为86 µF，负载电阻为49 ▲。264K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257图8.第八条。在t= 7 svw = 8 m/s时，对应于负载电阻从R= 34.5▲变化到R= 40▲的模拟SEIG负载图 7.系统在风速为6 m/s时空载启动。连接一个300µF的启动电容器，表1作为锁定表包含在控制器回路中。当风速小于额定风速时，系统以V/f3.3. 荷载变化及其影响对于具有恒定转子速度的SEIG，旋转磁场的速度滞后于转子速度。当SEIG的负载增加时，负滑移的幅度也增加。在这种情况下，由于转子速度是输入并且是恒定的，因此转差率的增加将导致旋转磁场的速度降低的K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257265图9.第九条。风速从8 m/s到9 m/s的变化，负载阻力R= 34.5▲。产生的频率和电压与旋转磁场的速度成比例对于相同的电容值，旋转磁场速度的降低将不可避免地降低所产生的电压及其频率。从图中所示的结果。从图8可以看出，对于相同的速度，感应发电机的电压和频率随负载而下降。266K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257见图10。 SEIG相电压。见图11。 线电压。3.4. 风速效应在这一段中，风速突然从8 m/s变为9 m/s，同时保持恒定的励磁电容和负载电阻。这种风速上升的影响是发电机转子速度更高，呈阶梯变化形式，如图1所示。 9（a）。随着风速增加，来自风力涡轮机的机械输入功率增加。这导致如图9（b）和（c）所示的增加的端电压和频率。4. 连接到不受控整流器的SEIG的性能利用MAT-LAB/SIMULINK对三相二极管桥式整流器与自励风力发电机进行了仿真。三相二极管桥式整流器用于将感应发电机端的可变幅值、可变频率电压转换为可变输出直流电压。当二极管整流器连接到发电机端子时，整流器将产生失真电流。产生的谐波将注入交流电容器和感应发电机。这将导致发电机端子处的输出电压失真，如图10所示。交流负载电流映射对应于线电压的波形，如图1和图2所示。11和12因此，交流负载电流将注入发电机。发电机电流波形在峰值附近是平坦的，不像图1中的正弦波形。 13岁 电流失真导致电压失真，谐波问题也会导致更多的磁芯损耗，从而导致机器额外发热。这种由谐波引起的发热意味着发电机的额定功率降低此外，电压失真也会引起问题K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257267见图12。 产生的交流负载电流。图十三. 发电机电流。见图14。 直流输出电压。268K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257图15. 输出负载电流。用于负责电容和负载控制的控制电路电阻负载的整流器的负载电流和负载电压在图1和图2中给出。14和15。5. 结论研究了风力发电机驱动的SEIG的动态性能。SEIG的发电电压总是跟随风速的变化所需的励磁电容与负载成正比选择激励电容器以将磁场的饱和水平保持在设计限制内，以避免严重的饱和水平或失去激励。激励电容器的控制采用PI控制器实现励磁电容器经过调整，使额定电压与频率之比在不同的运行速度下保持恒定。研究了AC/DC变换器对SEIG的影响由于谐波，SEIG的生成电压从正弦波形失真分析了整流器产生的动态电压和负载电流可连接平滑电容器以消除直流电压中的纹波。阑尾涡轮机功率系数由各种近似表达式表示 在本文中，Cp（λ）是用一个五阶多项式曲线拟合来近似的，它由下面的方程给出，如图所示。 A1C p（λ）= 0。0084948+ 0。051868 λ-0。022818 λ2+ 0. 01191 λ3− 0。0017641 λ4+ 0. 00007484λ5本文所用风力发电机的参数见表A.1。表A.1风力涡轮机参数转子机械功率[kW]4.6转子叶片半径[m]3.63空气密度[kg/m3]1.2齿轮箱传动比24.5K.S. Sakkoury等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 4（2017）257269图A1.功率系数与叶尖速比。表A.23-IG相参数Pe= 5.5 kWRs = 0.94▲V= 220 VRr = 0.73▲电极= 2Ls = 0.0069 Hf= 50 HzLr = 0.0069 H引用Bansal，R.C.，2005年 三相自励感应发电机的研究。 IEEE Trans. 能源转换器。 20（June（2）），292-299.Bouchiba ， N. ， Sallem ， S. ， Kammoun ， 工 商 管 理 硕 士 ， 2015 年 。 三 相 自 励 感 应 发 电 机 单 机 运 行 分 析 。 In ： 6thInternationalRenewableEnergyCongress（IREC），Tunisia，March，pp. 1比6El-S.，F.F.M.，Orabi，M.，Godah，H.，2006. 变速自励风力发电机并网最大功率点跟踪控制方案。J.PowerwerElectron.6（January（1）），52-66.哈特，F.M.H.，艾哈迈德，F.I.，Sakkoury，K.S.，1992. 独立感应发电机给感应电动机供电的分析。J.Eng.Appl.Sci. Fac.Eng. CairoUniv. 39（February（1）），209-222.米塔尔河，Sandhu，K.S.，Jain，D.K.，2010年。 综述了与风能转换系统（WECS）有关的几个重要问题。 Int. J. 在维龙。Sci. 德v. 1（October（4）），351-363.Murthy，S.S.，马利克，O. P.，Tandon，A.K.，1982. 自励感应发电机的分析。Proc.IEE129（Nov. C）），260-265. 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