變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真

1、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真2010年08月12日13:46:48      查看數(shù)：91 【關(guān)鍵詞】 雙饋發(fā)電機(jī)   變速恒頻雙饋電機(jī)摘  要：建立了包含風(fēng)力機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)及發(fā)電機(jī)電氣控制部分的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型；以該數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)應(yīng)用MATLAB軟件搭建了用于研究變速恒頻風(fēng)電機(jī)組和固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性的數(shù)字仿真工具。并以風(fēng)速發(fā)生階躍變化及風(fēng)速發(fā)生不規(guī)則擾動(dòng)為例，仿真比較了具有相同參數(shù)的變速和固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)組相應(yīng)物理量的響應(yīng)特性。仿真結(jié)果表明了所建模型的正確性及變速恒頻雙饋電

2、機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。1  引言可再生能源特別是風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用已得到世界各國(guó)的高度重視。在過(guò)去的20多年當(dāng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由最初的定槳距型發(fā)展到變槳距型，從轉(zhuǎn)速固定的變槳距型發(fā)展到目前技術(shù)最為先進(jìn)的變速變槳距型，發(fā)電效率在顯著提高。特別是變速變槳距機(jī)組，其發(fā)電機(jī)中采用的變速恒頻技術(shù)提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在低風(fēng)速情況下的出力水平。我國(guó)關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的研究主要是針對(duì)中小型固定轉(zhuǎn)速的變槳距型1，而兆瓦級(jí)的大型變速變槳距型的風(fēng)電機(jī)組的研究還僅處于起步階段。目前兆瓦級(jí)變速風(fēng)電機(jī)組多采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，有關(guān)其模型和仿真方面已做了一些研究工作，如dq/abc混合坐標(biāo)下的電機(jī)模型考慮了雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組與系

3、統(tǒng)間變流器的作用2，建立了適用于諧波分析的雙饋電機(jī)動(dòng)態(tài)模型，但模型階數(shù)較高，不適用于變速恒頻風(fēng)機(jī)（VSWT）整體動(dòng)態(tài)特性的分析；將描述雙饋電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程的復(fù)數(shù)形式數(shù)學(xué)模型線性化，建立了“小干擾穩(wěn)定”數(shù)學(xué)模型3，文3通過(guò)分析轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組電壓幅值和相角變化對(duì)雙饋電機(jī)穩(wěn)定域的影響，說(shuō)明了該模型也適用于電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)后的穩(wěn)定分析，但該模型是在假設(shè)擾動(dòng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化不大的前提下得到的，因此不適用于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍較大的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的建模；以雙饋電機(jī)運(yùn)行機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)磁鏈、電勢(shì)、電流的關(guān)系推導(dǎo)出了雙饋電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型4，該模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但文4作者對(duì)模型中定義的模擬轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓特性的控制

4、變量與作為受控對(duì)象的發(fā)電機(jī)出口處有功功率、無(wú)功功率之間，沒(méi)有給 出明確的數(shù)學(xué)關(guān)系，因此不利于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。本文根據(jù)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各組成構(gòu)件的特性，建立了能表征變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB軟件的Simulink環(huán)境5，開(kāi)發(fā)了用于分析固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組和變速恒頻風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性的數(shù)字仿真程序。還以具有相同參數(shù)的變速和恒速風(fēng)電機(jī)組為例，詳細(xì)模擬了風(fēng)速發(fā)生階躍變化及風(fēng)速發(fā)生不規(guī)則擾動(dòng)時(shí)兩種風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。2  變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型2.1  機(jī)組結(jié)構(gòu)本文討論的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，與固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組

5、相比，在發(fā)電機(jī)部分增加了定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的變頻裝置，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 2.2 風(fēng)功率特性風(fēng)功率特性是表征風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性的一個(gè)重要指標(biāo)。本文引用某一典型變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)功率特性，用分段函數(shù)表示為式中v為風(fēng)速，m/s，切入風(fēng)速取3m/s，切出風(fēng)速取20m/s，額定風(fēng)速取12m/s；Pe為風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率，pu。2.3 機(jī)械傳動(dòng)部分從輪轂到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的聯(lián)軸器和齒輪箱可近似用一階慣性環(huán)節(jié)描述為 式中Td為機(jī)械傳動(dòng)部分的時(shí)間常數(shù)，s；Tm為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，pu；TM為風(fēng)力機(jī)末端軸上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，pu；其中TM為6式中為空氣密度, kg/m3；CP

6、為功率系數(shù)；R為風(fēng)力機(jī)槳葉半徑，m；W 為葉片轉(zhuǎn)速，rad/s；B為轉(zhuǎn)速基值，rad/s；為葉尖速比，=R/v；PB為功率基值，kW。2.4 發(fā)電機(jī)部分由于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，因此采用dc，qc，0定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，忽略定子電磁暫態(tài)過(guò)程，建立發(fā)電機(jī)電磁部分模型如式(4)、(5)所示4（式中下標(biāo)d，q表示該坐標(biāo)系統(tǒng)下的對(duì)應(yīng)dc，qc軸的分量），發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)電路圖如圖2所示,各電氣相量的參考方向以圖2中電氣相量的方向?yàn)闇?zhǔn)。式中X為發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)電抗，pu，X=X1+Xm，X1為定子漏抗，Xm為激磁電抗；X'為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)為發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電勢(shì)，pu；Ws為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度， 為

7、轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓，pu；  雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為2.5 雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓的控制變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制核心是對(duì)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓的控制，根據(jù)不同的控制目標(biāo)引入不同的控制變量及不同的控制規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓幅值、相角的調(diào)整，以達(dá)到與電機(jī)機(jī)械部分運(yùn)行特性相互配合、提高風(fēng)能的利用效率及改善供電質(zhì)量的目的。由于通過(guò)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓既可調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速又可控制發(fā)電機(jī)出口處的有功功率和無(wú)功功率7,8，因此關(guān)于轉(zhuǎn)子電壓控制的設(shè)計(jì)方案也多種多樣。本文以控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)為目標(biāo)的控制方案如圖3所示。圖中，cosqref為功率因數(shù)參考值，sref為轉(zhuǎn)差參考值，該

8、控制方案由轉(zhuǎn)差控制和功率因數(shù)控制兩部分組成，其中sref由式(1)和控制特性給出，Ks、Ts、Kq、Tq 分別為轉(zhuǎn)差控制PI控制器的控制參數(shù)和功率因數(shù)控制PI控制器的控制參數(shù)。這四個(gè)控制環(huán)節(jié)參數(shù)由經(jīng)驗(yàn)及試算所得。3 變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的仿真與分析3.1 仿真算例1選定同參數(shù)的800kW變速恒頻風(fēng)電機(jī)和固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機(jī)作為仿真比較模型。具體參數(shù)為：風(fēng)力機(jī)槳葉半徑R=25m，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.0073pu，雙饋發(fā)電機(jī)定子電阻Rs=0.0076pu，定子漏抗X1=0.1248pu，轉(zhuǎn)子漏抗X2=0.0884pu，激磁電抗Xm=1.8365pu，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣性時(shí)間常數(shù)TJ=7.10p

9、u，風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)之間機(jī)械傳動(dòng)部分時(shí)間常數(shù)Td=0.5s，雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制部分PI控制器參數(shù)Ks=0.1，Ts=1.5，Kq=0.1，Tq=1.5?？烧J(rèn)為運(yùn)行在接近額定風(fēng)速的變速和固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的CP基本恒定并維持在最大值處，本文算例設(shè)定CP=0.453。假定系統(tǒng)電壓VS為10°并在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保持不變，風(fēng)電機(jī)組初始穩(wěn)定運(yùn)行在風(fēng)速為10m/s的狀況下，1s后風(fēng)速突然階躍變化為11m/s。相應(yīng)兩種風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩TM、發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩Tm、風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)差率s、發(fā)電機(jī)定子側(cè)無(wú)功功率Qe、發(fā)電機(jī)出口處功率因數(shù)cosq、發(fā)電機(jī)暫態(tài)電勢(shì)的幅值E'及雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓V

10、9;rq、V'rd 的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖4所示（虛線表示恒速風(fēng)機(jī)，實(shí)線表示變速風(fēng)機(jī)）。3.2 仿真算例2機(jī)型和參數(shù)與算例1相同，假設(shè)風(fēng)電機(jī)組初始穩(wěn)定運(yùn)行在風(fēng)速為11m/s的狀態(tài)。2s之后風(fēng)速發(fā)生如圖5的擾動(dòng)，該擾動(dòng)持續(xù)6s后回復(fù)到原始風(fēng)速狀態(tài)。變速與固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖如圖6所示（虛線表示恒速風(fēng)機(jī)，實(shí)線表示變速風(fēng)機(jī)）。3.3 仿真結(jié)果分析比較圖4和圖6兩種機(jī)型的動(dòng)態(tài)過(guò)程，得到如下結(jié)論：（1）兩種類(lèi)型的風(fēng)電機(jī)在同一風(fēng)速的擾動(dòng)下都能夠運(yùn)行達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，并且兩種類(lèi)型的風(fēng)電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間很接近。這是因?yàn)閮煞N類(lèi)型的風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)相同。（2）固定轉(zhuǎn)速的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出口處的功率因數(shù)

11、偏低，一般小于0.9，無(wú)功需求量大，且該種風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)過(guò)程相對(duì)劇烈；而變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出口處功率因數(shù)可維持在給定值附近，無(wú)功需求量小，動(dòng)態(tài)過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)。這是因?yàn)樽兯俸泐l雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組勵(lì)磁電壓是可控的。（3）風(fēng)速相同時(shí)，變速恒頻雙饋電機(jī)的發(fā)電機(jī)輸出有功功率大于固定轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)輸出有功功率，即變速風(fēng)機(jī)提高了風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率。4 結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)變速恒頻風(fēng)機(jī)特性的研究，建立了變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。針對(duì)某一風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行模式，利用現(xiàn)有參數(shù)及編制的程序?qū)ψ兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組及固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真比較，仿真結(jié)果表明了變速恒頻風(fēng)電機(jī)組優(yōu)越的運(yùn)行特性。筆者建議可根據(jù)本文的研究成果進(jìn)一步

12、研究關(guān)于變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制策略以不斷提高其性能。參考文獻(xiàn)1 申洪，梁軍，戴慧珠（Shen Hong，Liang Jun，Dai Huizhu）基于電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的電力系統(tǒng)穿透功率極限計(jì)算（Calculation of wind power penertration based on power system transient stability analysis）J電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2002，26(8)：8-112 Çadirci I，Ermis MPerformance evalution of a wind driven

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