风力SEIG向直流微电网供电技术研究

工程科学与技术，国际期刊19（2016）1600完整文章通过单级功率变换器向直流微电网供电的风力SEIGVellapatchi Nayanar，NatarajanKumaresan，Nanjappa Gounder Ammasai Gounden印度泰米尔纳德邦Tiruchirappalli国立理工学院620 015阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年2月21日收到2016年5月3日修订2016年5月30日接受2016年6月8日在线发布保留字：DC微电网数字信号控制器（DSC）感应发电机最大功率点跟踪（MPPT）半变换器风能转换系统（WECS）A B S T R A C T目前，人们越来越重视利用可再生能源和选择合适的功率变换器为直流微电网供电。在各种可再生能源中，风能在装机容量方面排名第一因此，本文对利用风能供电的直流微电网进行了尝试一个自励感应发电机已被用于拟议的风能转换系统（WECS）。一个单级功率转换器，即半转换器连接之间的SEIG和直流电网终端的闭环控制系统。提出了一种基于扰动观测（PO）的最大功率点跟踪（MPPT）算法，并在dsPIC 30F4011数字控制器上实现。在该MPPT算法中，通过连续监测给定风速下的直流电网电流来调整转换器的触发角为了分析所提出的系统，一个MATLAB/Simulink模型已经开发，通过选择各种组件从风力涡轮机模型开始的功率变换器供应直流微电网。在实验室开发的原型模型上获得的实验结果也表明了所提出的WECS的成功工作。©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍在过去的几十年中，风力发电厂的装机容量大幅增加，以满足不断增长的电力需求，同时还具有无污染的环境[1在这样的系统中，由于其低成本、简单、坚固的结构和几乎无维护要求，使用作为发电机的鼠笼式感应电机[5该电机既可以作为并网感应发电机运行，用于向电网供电，也可以作为自励感应发电机（SEIG）运行，用于向隔离负载供电。众所周知，从空载到满载，直接向电网供电的感应发电机的运行滑差和转速变化非常小[13，14]。然而，为了通过以最佳功率系数操作风力涡轮机来提取风中可用的最大功率（MP），应该允许该旋转速度广泛地变化为*通讯作者：印度泰米尔纳德邦Tiruchirappalli国家理工学院电气和电子工程系，邮编：电子邮件地址：vnayanar27@gmail.com（V. Nayanar），nkumar@nitt.edu（N.Kumaresan），amms@nitt.edu（N.G. Ammasai Gounden）。由Karabuk大学负责进行同行审查为了实现这一点，电机在自激模式下运行，电容器连接在定子端子[13然后，需要在发电机端子和交流电网之间连接合适的电源转换器。在文献中还提出了各种控制策略，用于控制这些功率转换器，以提取风中可用的MP并馈送到交流电网[13需要快速准确地检测电网电压/电流的相位和频率，以控制风力发电机系统中的功率转换器[18]。此外，风力发电输出的间歇性会影响互联系统的运行以及电网侧的电能质量[19]。因此，在文献中提出了能量存储设备的集成，以平滑来自风的这种波动功率输出[20随着电力电子技术的发展和可再生能源分布式发电机（DG）的使用越来越多，文献中提出了混合AC/DC微电网，以提供更高效率的绿色和高质量的能源[24，25]。交直流混合微电网的主要优点是消除了不必要的多个转换级，从而降低了总转换损耗并降低了电子产品的成本直流负载（如LED照明、计算机负载、电动车辆和变速驱动器）的使用增加是不可避免的，并且此类负载连接到具有减少的功率转换器级的直流微电网[26图1示出了本发明的典型结构。http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.05.0162215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch==主要公用电网DC总==-===燃料电池太阳能PV阵列风力涡轮发电机AC负载=-诉Nayanar等人 /工程科学与技术国际期刊19（2016）1600-16071601低/中压直流微电网系统。直流微电网还有助于DG之间的有效协调，以便在源和负载之间保持功率平衡。例如，Strunz等人已经提出了一种DC微电网系统，用于利用出现在高层建筑物顶部的风能和太阳能[31]。作者最近提出了一种两级功率转换器，即二极管桥式整流器和本工作的目的是采用单级功率变换器，即三相半变换器，用于从风力驱动SEIG供应120 V直流微电网由于在风能转换系统中只需要一个象限操作，功率流总是从SEIG端子到DC电网，三相半变换器电路将满足这种应用。此外，半转换器需要较少数量的控制设备，即，晶闸管和点火电路相比，全转换器，以实现相同的操作。由于直流电网电压保持恒定在120 V，风力发电输出的任何变化都将反映在直流电网电流的变化因此，直流电网电流被连续监测，以通过适当地调节闭环操作中的半转换器的触发角来跟踪风中可用的MP在这项工作中，扰动和观察（PO）的最大功率点跟踪（MPPT）算法已被开发通过感测该直流电网电流为任何给定的风速。所提出的算法是免费的机器参数，因为它只使用电气参数的测量值，因此它是简单的实现。MATLAB仿真模型已经开发，以确定所提出的系统和闭环算法的MPPT的成功工作。系统的功效电动汽车能量存储DC负载Fig. 1. 中低压直流微电网结构。也已经证明了从实验装置获得的结果。在第2节中给出了采用SEIG和半转换器的所提出的WECS的描述。最大功率跟踪算法和发电机的同步触发脉冲的三相半转换器的操作也在同一节中使用MATLAB/Simulink模型，仿真结果和讨论中给出的建议系统的分析第3节。在第4节和第5节中提供了所提出的系统的硬件细节和在实验室开发的原型模型上获得的结果，并得出了主要结论。2. 拟议直流微电网系统的描述图 2 示 出 了 所 提 出 的 馈 入 直 流 微 电 网 的 风 能 转 换 系 统（WECS）。该系统由一个风力驱动的SEIG和晶闸管为基础的三相半变流器与适当的点火和控制电路。考虑使用120 V直流微电网来运行拟议系统[32]。在半换流器的输出侧与直流微电网之间连接一个平滑电感，以获得连续的直流电网电流。在SEIG的情况下，输出电压和频率随驱动速度和负载而变化[5对于本系统，来自SEIG的该可变电压和可变频率（VVVF）输出被馈送到三相半转换器。对于半变换器的平衡操作（即，以120°的间隔触发晶闸管），有必要通过适当的传感器感测该VVVF信号，并将其馈送到过零检测器（ZCD）电路。ZCD输出被馈送到控制器，该控制器计算频率并识别电压过零点，用于产生触发晶闸管的点火在这项工作中提出的MPPT算法假设直流电网电压是刚性的，恒定在120 V。由于风速的变化，这导致SEIG输出功率发生任何变化时，直流电网电流也会发生变化因此，所提出的算法连续监测直流电网电流的值，以跟踪风中可用的MP。最大功率点跟踪采用P O算法实现.它涉及直流电网电流的当前值和先前值的比较该组合的相对值决定触发角α的调节，用于跟踪风中可用的MP，如图3的流程图中所述。此外，已知WT应在给定风速下以特定转速运行，以提取风中可用的MP[15在这项工作中，通过针对任何风速调整功率转换器的触发角来实现这一点。命名法缩略语列表DSCMPPTPOSEIGWECS WTZCD数字信号控制器最大功率点跟踪扰动观测自励感应发电机风能转换系统风力涡轮机过零检测器IdcIRISNrPdcPePm符号列表CfgIC每相激励电容，F产生频率，Hz电容器线电流，AVDCVSVW一直流电网电流，A整流器输入线电流，A定子线电流，A实际转子速度，rpm直流电网功率，W电输出功率从的发电机，W WT输出功率/发电机的机械输入功率，W直流电网电压，V发电机终端的线电压，V风速，m/s点火角，度1602V. Nayanar et al. /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1600G1G2G 3IDCLISIRRIGYBIC重量T1T2T3D1D2D3VT+FDVdc-电容器组频率计算MPPT算法门脉冲G1FCG2代G3dsPIC30F4011控制器图二.用于直流微电网应用的拟议风力驱动SEIG转换器系统示意图。WT：风力涡轮机; IG：感应发电机; VT：电压传感器; ZCD：过零检测器; FD：续流二极管; FC：点火电路。图3.第三章。用于风力驱动SEIG系统的MPPT算法的流程图ZCD：过零检测器，ZCD输出提供给dsPIC 30 F4011数字控制器的IC 2/PD 1（端口D）;2：容差;a：触发角;Idc：直流电网电流;Idc1：先前直流电网电流;Idc2：当前直流电网电流;Tds：延迟时间（0.1 s）。3. 对拟议的WECS一三相，四极，230伏，50 Hz（1 p.u.）频率），3.7千瓦，三角形连接的鼠笼式感应电机已被认为是拟议的WECS的分析一个三角洲骗局-已选择每相100-1F的连接电容器组，用于在自激模式下操作感应电机[8，10，13]。对于该电容值，机器以1500 rpm（1 p.u.）的额定速度提供230 V电压的额定功率。speed）。感应电机的测量参数为表1三相、四极、230 V、50 Hz、3.7 kW、三角形连接的鼠笼式感应电机在额定转速为1500 rpm时的空载饱和特性I（A）1.72.63.33.84.36.18.110.511.514.116.218.0V（V）118163190208223255285300321367386395ZCDDC微电网诉Nayanar等人 /工程科学与技术国际期刊19（2016）1600-16071603R1= 1.30 Ω，R2 = 1.75 Ω，X1 = X2= 2.6 Ω。实验获得的感应电机在额定速度和频率下的磁化特性如表1所示。为了证明所提出的用于馈送直流微电网的WECS的工作，图2中所示的系统已经使用MATLAB中的SimPowerSystems工具箱进行了仿真。在模拟中使用感应电机的上述测量参数以及磁化特性，并且在前面的子部分中描述了细节：3.1. 仿真模型将电机参数和磁化特性插入到MATLAB中的异步电机模型中，用于分析所提出的系统的工作。一个三相半变换器已建成使用的晶闸管和二极管模型在MATLAB中。作为SEIG运行的异步电机模型的输出端子连接到半转换器的交流端子。转换器的直流端子通过50 mH平滑电感连接到120 V直流母线/微电网。对于这个模拟，直流微电网已实现使用MATLAB/SimPowerSystems工具箱中提供的通用电池模型。用于驱动SEIG的WT的动态建模用以下方程组[15WT的机械输出功率PWT由下式给出：表2中给出了典型风速下使用这些值和（1）-（5）计算的最大功率点条件下WT的机械功率输出和相应转速应注意，MATLAB中可用的WT模型给出了机械扭矩作为给定风速的输出因此，该转矩的负值被给定为SEIG操作的异步电机模型的输入图3的流程图中给出的算法已经使用嵌入式MATLAB函数进行编码，用于所提出的系统的闭环操作。该功能接收ZCD和直流电网电流信号，并向半转换器提供适当的点火脉冲，以提取风中可用的半转换器的这种闭环控制将按照表2中提到的MPPT的典型值针对任何给定风速以旋转速度和输出功率3.2. 仿真结果首先，针对给定风速对所提出的系统的稳态分析进行了模拟，图4给出了提取风中可用MP的结果。在该仿真中，通过监控来调整点火角根据图3的流程图中所描述的逻辑来计算直流电网电流。从仿真中观察到，WT的转速和相应的机械功率输出根据WT特性自动达到特定值13P¼C组，B组，AV组ð1Þ表2中提到的最大功率点跟踪操作。因此，模拟重量2pw其中，q 是空气密度，单位kg/m3 ，A 是涡轮机叶片的扫掠面积（pR2），单位m2，R是叶片半径，单位m，Vw是风速，单位m/s，WT功率系数Cp（k，b）由下式给出图4中给出的结果验证了所提出的用于馈送直流微电网的WECS的成功工作和MPPT算法的闭环操作。该系统还模拟了风速的阶跃变化，以说明MP点CC。C2cce-c5c采用所提出的MPPT算法。 的模拟结果2pk;b1和ki-3b-4Ki þ6k迷你吧图1给出了风速从8米/秒到10米/秒以及从8米/秒到10米/秒再到10米/秒的阶跃变化。 五、该图给出了转子转速（Nr）、风力发电机机械转矩（Tm）、电磁转矩（T m）、十一点零五分ki<$k0： 08b-b313系数c1至c6为：c1= 0.5176，c2= 116，c3= 0.4，c4= 5，c5= 21和c6= 0.0068。叶尖速比k表示为：k¼Rxr=Vw400其中，Xr是WT的旋转速度，单位为rad/s。由WT产生的机械扭矩可以表示为如：Tm¼PWT=xr50为驱动3.7kWSEIG选择了以下参数：额定机械输出功率Pm= 5kW，基本风速Vw= 12 m/s，基本风速下的最大功率= 0.95p.u.，最大风速为12 m/s。基础转速= 1 p.u.（= 1500 rpm）;齿轮比= 1：1，q= 1.205 kg/m3;当k = 8.1和b = 0°时，Cp（max）= 0.48。的表2最大功率点工况下WT的机械输出功率及相应转速。S.风速转速WT最大输出没有（Vw），m/s（Nr），rpm功率（Pm），kW1.811401.222.912251.763.1013362.424.1114213.215.1215004.19发电机的que（Te）、定子输出功率（Pe）、定子电压（vS），定子电流（iS）、电容器电流（iC）、整流器输入电流（iR）、直流电网电流（Idc）和直流电网功率（Pdc）。如前所述，TmTe为负值，用于操作异步感应电机作为SEIG。从该图中可以看出，闭环控制器通过连续监测直流电网电流来调整触发角，从而使转速和机械功率输出稳定在表2中给出的MPPT的指定值。例如，触发角通过闭环控制调整到97°，直流电网电流为15.1 A，在风速为10 m/s的稳态下，将转速设定为1332 rpm，机械输出功率为2.42 kW4. 实验验证在实验室中建立了一个原型模型，以说明所提出的WECS供应直流微电网的闭环操作。同样的三相，四极，230 V，3.7 kW SEIG，每相电容为100L F，用于分析前一节中提出的系统，已被认为是实验研究。在实验室设置中，风力涡轮机已被模拟与一个单独激励的直流电机驱动SEIG。一个三相半转换器已建成使用国际整流器使晶闸管（50RIA120）和Ruttonsha协会使功率二极管（70HMR100）随着适当的点火电路。一个10-kVA的在线太阳能逆变器系统（艾默生制造它包括（i）太阳能光伏阵列，×1604V. Nayanar et al. /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1600图四、在不同转子速度的MP条件下运行的SEIG系统的性能（a）定子线电压、FD两端电压、定子输出功率随转子转速的变化（b）定子线电流（IS）、电容器线电流（IC）、整流器输入线电流（IR）相对于转子速度的变化（c）发电机频率、直流电网电流、点火角随转子速度的变化DC-DC转换器，（ii）电池组和（iii）双向转换器，即，基于IGBT的电压源逆变器。所有的电力电子变换器连接到一个共同的直流母线，形成直流微电网的实验装置。该直流微电网电压通过装置中的闭环控制器维持在120 V（±5%以内）。一个16位dsPIC30F4011数字信号控制器（DSC）与指定的频率，可以通过任何内部，nal RC振荡器或外部晶体振荡器与片上锁相环（PLL）为基础的定时器预分频器值。此外，PLL可选择为具有4、8和16的预分频器（PR）增益。 在这种情况下，dsPIC 30 F4011的工作频率（FO）是通过使用FO=（FOSCPR）/4以每秒百万指令（MIPS）计算的。对于目前的工作，10 MHz（=FOSC）的晶体振荡器已被使用和PLL 的 预 分 频 器 值 取 为 8 ， 使 FO= 20 MIPS 。 这 是 通 过 在 dsPIC30F4011 DSC中编写适当的嵌入式C程序来实现的。此外，它包含10位模数转换器（ADC），具有9个模拟输入通道，用于开发第2节中描述的闭环控制算法。一个LEM使电流传感器（LA 55-P）已被用于感测直流电网电流的转换器。通过信号调理电路从电流传感器获得的输出已作为DSC（端口B中的AN2）中可用的ADC通道之一的输入，用于开发MPPT控制算法。感应发电机的线电压使用LEM制造电压传感器（LV 25-P），用于计算频率和识别电压过零点。这对于产生同步点火/触发脉冲是必要的，因为来自SEIG的输出电压的频率将随风速变化 电压传感器的输出被提供给图1所示的基于运算放大器的ZCD电路。 六、ZCD波形的输出通过计算零电流检测波形两个上升沿之间的时间间隔来估计发生器频率的值。此外，ZCD波形的上升沿已被用作用于生成射击角α的参考点。 用于产生同步点火/触发脉冲的序列也在图1的流程图中给出。3.第三章。这些脉冲从DSC的端口E（RE0、RE2和RE4）取出，并通过点火电路提供为了显示在实验室中开发的原型系统的工作，已经通过设置不同的转子速度来进行实验，其中图4c中给出的对应于给定风速的MPPT条件的相应触发角对应于MPPT条件。在这些工作点上观察到了各种性能参数，这些实验结果也在图中给出。 四、利用数字存储示波器（DSO）观测了不同转速下定子电压、定子电流、电容电流和变换器输入电流的波形，并给出了对应MPPT工况的触发角 为了简洁起见，图中给出了两个工作点（对应于8和10 m/s）下使用DSO存储的实验获得的波形。7.第一次会议。 模拟结果与实验结果吻合较好。图4和图5中给出的波形。图5和图7的结果验证了所提出的用于供应直流微电网的WECS的实际实施。SEIG将为给定的转子速度和励磁电容器[13，32]提供一个MP值。作为一个例子，在这项工作中考虑的实验机器将给出最大功率+15LV 25-PTL082+15312˗1510 kΩTL082+1554081VS1N41485.1 kΩ7˗1510 kΩ6˗1510 kΩ5.1 V诉Nayanar等人 /工程科学与技术国际期刊19（2016）1600-16071605图五、在t= 1 s时风速从8 m/s阶跃变化到10 m/s，在t= 1.4 s时风速从10 m/ s阶跃变化到8 m/s时，拟议WECS的动态响应Vdc= 120 V。见图6。 基于运算放大器的过零检测器电路。定子电压（400 V/div）定子电流（25 A/div）电容电流（25 A/div）转换器输入电流（20 A/div）时间轴：50 ms/div定子电压（400 V/div）定子电流（25 A/div）电容电流（25 A/div）转换器输入电流（25 A/div）时间轴：50 ms/div定子电压（500 V/div）直流电网电压（50定子电流（25 A/div）电容电流（20 A/div）直流电网电流（5转换器输入电流（20 A/div）tsctsc稳压电源数字存储示波器电容器组霍尔效应电流探头滤波电感dsPIC30F4011控制器功率转换器传感器& 点火电路电池组Fluke 345钳形表IG与直流电机直流微电网1606V. Nayanar et al. /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1600(a)1140 rpm（对应于8 m/s）（b）1332 rpm（对应于10 m/s）图7.第一次会议。所提出的系统在MPPT条件下的性能，风速为8和10 m/s。Vdc= 120 V，Idc= 6.1 Aa =89°（8 m/s）和Idc= 13.6 Aa =97°（10 m/s）。见图8。转子转速从1350转/分到1250转/分阶跃变化时MPPT的动态响应，C= 100l F/相，Vdc= 120 V，tsc：转子转速开始变化的瞬间。时间轴：2秒/格。见图9。 实验装置的照片。诉Nayanar等人 /工程科学与技术国际期刊19（2016）1600-160716073.92每相100-lF励磁电容器时，转子转速为1500 rpm时的功率为100kW。对于相同的激励电容，SEIG输出功率的最大值这一方面，即，速度的阶跃变化已被用于在实验室中显示所提出的MPPT控制器的动态响应。图8给出了一个这样的实验结果，其速度从1350转/分变化到1250转/分。该实验结果进一步证实了所提出的WECS和MPPT控制器在直流微电网应用中的成功工作。图9示出了所提出的WECS的实验设置5. 结论本文提出了一种具有单级功率变换器的风力驱动SEIG一个简单的MPPT算法，不断监测直流电网电流和调整触发角的三相半转换器，提取MP在风中可用已被提出。该MPPT算法不依赖于机器参数和实际风速或WT转子速度，因此它是简单的实施。因此，单电力电子变换器级和参数不敏感的MPPT算法是所提出的WECS向直流微电网供电的吸引人的MATLAB/Simulink模型已被开发用于分析所提出的系统的稳态和动态性能。在该仿真模型上获得的结果表明，所提出的MPPT算法通过针对给定风速以特定转子速度/机械输出功率操作WT来清楚地跟踪风中可用的MP所提出的系统的有效性和成功的工作也已被证明与使用3相，3.7千瓦SEIG系统开发的实验原型模型的帮助下。晶闸管为基础的半转换器，随着ZCD和脉冲触发电路也已建成作为这个实验装置的一部分闭环控制算法已实施使用dsPIC30F4011 DSC本实验研究。在各种工况下，样机模型的实验结果与仿真模型的实验结果吻合较好。这验证了系统的分析，通过仿真开发的需要注意的是，本系统在发电机端子处将具有电流谐波，因此适当的滤波器对于将SEIG操作到其额定值是必不可少确认作者希望感谢印度Tiruchirappalli国家技术研究所当局为编写本文提供的实验和模拟工作所提供的所有设施。引用[1]全 球 风 能 理 事 会 ， 《 全 球 风 能 统 计 》 ， 2015 年 。 （2016年4月29日查阅）。[2] A.R. 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