永磁直驱风力发电在煤矿蓄水系统中的应用.pdf

第3期机电元件VoL32N0．32012年6月ELECTRoMfEcHANlcALCOMPONENTSJurL2012永磁直驱风力发电在煤矿蓄水系统中的应用郑本海’。秦显远2，王万渝3(1兖矿贵州五轮山煤业有限公司，贵州毕节553309；2兖矿贵州能化有限公司，贵州贵阳550022；3广元长虹电子科技有限公司，四川广元628017)摘要：本文研究一种直驱风力发电在煤矿蓄水系统中的应用，基于背靠背双三电平拓扑结构，分析永磁直驱风力发电系统的运行特性，并给出永磁同步发电机(PMSG)数学模型及其具体的矢量控制策略，分析一种简化的三电平电压空间矢量调制算法。基于MATLAB仿真，验证了系统在风速变化时能够实现追踪最大功率，充分利用风能进行抽水蓄能。关键词：风力发电；直驱永磁同步发电机；矢量控制；Doi：10．3969／j．issn．1000-6133．2012．03．008中图分类号：TN784文献标识码：A文章编号：1000-6133(2012)03—0036—04TheApplicationofDirect-drivenPermanentMagnetSynchronousWindGeneratorinCoalWaterStorageSystemsZHENGBen—hall，QINXian—yuan2，WANGWan—yu3(1YanzhouCoalMiningGuizhouWulunMountainCoalCo．，Ltd，Bijie553309，Guizhou；2YanzhouCoalMiningGuizhouChemicalCo．，Ltd，Guiyang550022，Guizhou；3GuangyuanChanghongElectronicTechnologyCo．，Ltd，Guangyuan628017，Sichuan)Abstract：Thepaperresearchestheapplicationofdirect—drivenpermanentmagnetsynchronouswindgeneratorincoalwaterstoragesystems，andinvestigatestheoperationcharacteristicsofdirect—drivenwindpowersystembasedonthreelevelsofback—to—hacktopology，giveoutthemathematicmodelofpermanentmagnetsynchronousgenera-toranditsdetailedvectorcontrolstrategy，andanalyzesasimplifiedthreelevelvoltagespacevectormodulationalgo。rithm。BasedonMATLABsimulation，thepaperdemonstratesthatthesystemcouldrealizemaximumpowerpointtrackingwithwindspeedchanges．andmakefulluseofwindenergyforpumpingwaterstorage．Keywords：windgeneration；direct—drivenpermanentmagnetsynchronousgenerator(DDPMSG)；vectorcontrol1引言篙矗?暴譬盏篙嚣蔷喜蓑鬈蓑套茎，幂嘉凳某裳嚣目前，废弃的老旧煤矿具有大量可利用水资水抽到矿山顶部的蓄水池中进行发电。该系统可以收稿日期：2012—03一07 第3期郑本海等：永磁直驱风力发电在煤矿蓄水系统中的应用37在有风的时候多抽水，弥补了风能的不足。永磁直驱风力发电系统因具有众多优点H1而成为风力发电领域中的后起之秀。在永磁直驱风力发电系统中，风力机直接驱动永磁发电机，通过发电机将风力机获取的风能转化为电能，再通过变流器变换为频率和幅值都恒定的交流电，最后带动电机抽水。本文研究了基于双PWM的三电平永磁直驱风力发电系统，并仿真验证所建系统的正确性，采用双三电平变流器的永磁直驱风力发电系统如图1所示。2永磁同步发电机数学模型及其控制2．1永磁同步发电机数学模型为分析永磁交流同步电机的动态性能，建立旋转坐标轴dq轴数学模型，取永磁体基波磁场基波方向为d轴，q轴沿转子旋转方向超前d轴90度电角度。基于PMSG转子磁场dq坐标系的数学模型如下：机转动惯量；Fo,为阻尼系数；峨为电机机械角速度(∞g=甜。／p。)。2．2永磁同步发电机控制策略由上节永磁同步发电机的数学模型可知，为实现最大风能跟踪，系统采用较为简便的i。=0控制策略。此时，系统按照转子磁链定向，转矩与转子磁链和定子电流的转矩分量i。成正比，且∥与i。相互解耦⋯，系统控制框图如图2所示。图2电机侧变换器控制系统框图3参考电压分解的三电平SVPWM(1)其中，砂小砂。为dq轴磁链；％、‰为dq轴电压；i孙i。为畋轴电流；乙、厶为吒轴电感；以为转子在定子上的耦合磁链；P。为电机极对数；∞。为转子电磁角速度；R，为定子相电阻‘31。电机图1采用双三电平变流器的永磁直驱风力发电系统发电机的电磁转矩方程为：t=1．5p。(沙di。一儿id)=1．5p。[砂，+(乙一￡。)‘](2)L一疋=．，警+凡％(3)■、t为电机输出力矩和输入力矩；J为电动图3所示为三电平逆变器空间矢量图，该电压空间矢量图是由六个两电平电压空间矢量构成的小六边形相互叠合着组成，而且这六个小六边形又是以三电平逆变器输出的六个小矢量的顶点为中心[4】。基于这个思路，任何三电平参考空间电压矢量都可分解为一个基矢量和一个两电平矢量。以参考电压矢量％位于图5所示的小三角形区域，按照N，Ⅳ原则，参考矢量可由K、K，、玛来合成，根据”伏秒”平衡原理：V村·T。=Vl·Tl+V13‘T13+V7‘T7(7)其中，T。为采样周期，T。、T小T7分别为电压矢量V，、V13、V，的作用时间，且T。：TI+T13+T7(8)则(7)式可化为：(V耐一V1)·T。=(V1一V1)‘Tl+(V13一VI)·T13+(V7一V1)·T7(9)即：V’fef·T。=V’l·Tl+V’13·T13+V’7·T7(10)其中，V’小V’。、V’13、V77分别为与V耐、VI、VmV，对应的修正后的两电平中的电压矢量。竹∞+．～．屹乙如蚺喝一．k．屹覆兄+比石盟出加如lI= 38机电元件2012年。泌<_譬瓠订。。。j、kj瞄．誊上辅黼一：姑。娩型i，／／／“叫?p寺静图3三电平逆变器空间矢量图中点箝位式三电平变流器存在中点电位偏移问题，本文采用调整小矢量及其冗余开关状态的作用时间来抑制中点电位波动¨】。对于图5中的参考电压矢量V。，其合成矢量作用次序为：(0一I—1)一(I—l—I)一(10—1)一(100)，其作用时间依次为T。。一Tl，一T，一T】，。其中，TI，、T．。为V。小矢量对应的正、负冗余开关状态的作用时间，且TIP+T。。=T。。引入控制因子f(一1≤f≤1)，使：ft，=L．毕kt．毕。”根据中点电位的波动情况相应地改变控制因子f的大小，即重新分配正、负小矢量的作用时间，即可对中点电位波动进行有效的抑制”1。4系统仿真分析基于MATLAB／Simulik建立永磁直驱风力发电模型，系统参数如表1所示。表1系统仿真参数参数／单位数值大小直流母线电压Udc／V开关频率fs／HzPMSG定子电阻／OPMSG的d轴电感Ld／mHPMSG的q轴电感Ixl／mHPMSG极对数pn／对转动惯量J／(ks．n12)转子磁通／Wb风速变化如图4(a)所示，系统由最大功率追踪得到的电机转速波形如图4(b)所示，电机转速变化平稳，超调量小，电机较好的跟踪MPPT给定转速；图4(c)所示电机的定子电流波形；图4(d)所示直流侧电压波形、图4(e)所示上下电容电压波形表明直流侧电压可以较好的稳定在1lOOV，且直流侧上下电容均压。}＼：；／{Il，垤(a)风速变化波形j广_____。___一|}|li1Ⅻ1仰)％≥mⅧ锄0515l，s(b)电机转速波形(C)定子电流波形寥’门t__代!(d)直流侧电压波形‘2086420(st—、{，丛：协，¨o(u—E著姗砌m。m舢蛐≤羔∞一㈣孤啷㈦¨∞册：= 第3期郑本海等：永磁直驱风力发电在煤矿蓄水系统中的应用396∞>500l400i”；加01000t“(e)上下电容电压波形图4系统仿真波形5结论本文针对永磁直驱风力发电系统的运行特性，机侧采用id=0矢量控制，调节永磁同步发电机转速，实现最大功率点跟踪；基于参考矢量分解的三电平SVPWM调制算法较好的控制了中点电位的平衡；充分利用风能进行抽水蓄能，具有一定的应用价值。参考文献：[I]杨勇．阮毅，张朝艺．沈欢庆，汤燕燕．基于背靠背三电平电压变换器的直驱式风力发电系统[J]．电网技术，2009，33(19)：148—155．[2]张崇巍，张兴．PWM整流器及其控制[M]，北京：机械工业出版社，2003。10．[3]袁登科，陶生桂．交流永磁电机变频调速系统[M]，北京：机械工业出版社，2011，3．【4]宋金梅永磁直驱风力发电并网变流器控制策略研究[D】．徐州：中国矿业大学，2010．(上接第35页J对于斜开槽插孔，与分离力相关的工序安排往往为预缩口一预吊分离力一热处理一缩口一吊分离力一电镀一吊分离力一入库。由于热处理后分离力的变化往往无规律可循，致使热处理后的缩口调整非常困难；同时插孔分离力放置一段时间后可能会发生变化。因此。为了避免上述问题的产生，取消了热处理前的预缩口和预吊分离力工序，同时在”吊分离力”后增加了”人工时效”工序，即工序变为热处理一缩口一吊分离力一人工时效一电镀一吊分离力一人工时效一入库。此外，插孔装配前也需要由操作者再次对插孔分离力100％复查。以保证最终插孔分离力满足要求。(3)合理的缩口模设计为了提高插孔缩口后分离力的一致性，需要专门设计相应的缩口模。在设计缩口模时，应充分考虑插孔的定位，缩口位置的确定以及缩口方式的选择。比如，对于斜开槽类的插孔的缩口方式以簧片的单向施压为佳，而簧片对面的插孔固定部分则应避免受压变形。除了以上分离力的控制措施外，还应对插孔与标准针实际加工过程进行有效控制，以使其尺寸和表面粗糙度等满足技术要求。从而达到较好的—致性。4结论插孔分离力的计算和控制应综合考虑材料、结构尺寸、表面粗糙度以及加工工序过程等诸多因素。本论文即是通过理论计算与实际验证的方式，对斜开槽结构插孔分离力的计算进行了有益的探索。与实测结果相比，理论计算方法和结果基本在允许的误差范围内。同时针对插孔实际加工和装配中遇到的一些问题，提出了一些解决措施。经实践验证，上述措施有效地改善了分离力。总之，插孔(不仅限于斜开槽)分离力的计算和控制比较复杂，为了使分离力达到要求的范围，需要多管齐下，从设计(含计算)、加工、装配以及检测等几方面进行有效控制，才能达到较为理想的效果。参考文献[1】GJB1217A一2009，连接器试验方法[S]．[2]付哲．电连接器可靠性研究[D]．武汉：华中科技大学．2006．[3]刘鸿文主编材料力学(上册)．第二版[M]．北京：机械工业出版社．2000．[4]彭字．插孔分离力的控制[J]．机电元件，2005，25(2)：44—45．