（电力系统及其自动化专业论文）变速恒频双馈电机风电场综合控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t m o r ea 1 1 dm o r ew i n df a 肌st 1 1 a ti n t e 黟a t ei n t op o w e rg r i dh a v eag r e a te f f e c to n p o w e rs y s t e m t or e d u c et h ed e 仃i m e n t a le f 艳c to fw i n df l a r m so np o w e rg r i da n dm e e t t h en e e do ft e c l l l l i c a lr e g u l a t i o n sf o rc o i l l l e c t i n gw i n df a m st op o w e rs y s t e m ，i ti s n e c e s s a 巧t 0s t u d yt h ec o n n d ls y s t e mo fw i n df - 踟s t l l i sp 印e rm a k e sl o t s o f r e s e a r c h e so nt h ev o l t a g ea 1 1 df k q u e n c yc o n 廿o lo fw i l l df a m s o nn l eb a s i so fm o d e l i n gw i n dt u r b 抽e s ，w i n df a m l sa n di t sc o n 仃o ls y s t e m ，a v 0 1 t a g ec o n 毛r o ls 仃a t e g y i si n 仃d d u c e di n t 0w i l l df a 册sb a s e do nv 撕a b l e s p e e d c o n s t a n t 一舶q u e n c yd o u b i yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ( d f i g ) t h i sc o n 仃o ls t m t e 纠冰e s h i 曲s i d ev 0 1 魄eo fw 砌陆m ss t 印一u p 仃a n s f o 珊e r 船ag o a l t h eo v e r a l l c o n f i g u r a t i o no fv o l t a g ec o n 缸d la n d 妇1 ep d n c i p a lo fh i 曲s i d ev o l t a g ec o n 仃o l ( h s v c ) o fw i n df a m sa r ed e s c r i b e di i lt h ep a p e r c o n s i d e r i n gt h er e a c t i v ep o w e rl i m i ti 1 1 也e f a m s ，r e a c t i v ep o w e rc o n n 0 l ，d i s t r i b u t i o na n de m e r g e n c yv o l t a g ec o n t r o lu i l d e rg r i d f a u nc o n d i t i o na r ei n t r o d u c e d c o n l p u t e rs t i l d i e sc o n s i d e r i n gb o 也w i n d s p e e d v a r i a t i o na n dv o l t a g e - s a ga r ec 蚰d u c t e dt 0c o m p a r et l l ed y n a m i cr e s p o n s eo f 吐l e s y s t e mw i t l lp o w e rf a c t o rc o n 臼o la n d 恤d i t i o n a lv o l t a g ec o n 缸d 1 s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wm a tn l eh 诎s i d ev 0 1 魄ec o n 仃0 1o fw i n df a n n sc a l lb o o s tn l e1 e v e lo fv 0 1 切g e 0 b v i o u s l yw i t h o u ta n ya d d i t i o n a l f e e d b a c ks i 弘a 1j 6 r o mh i 曲s i d e0 fs t 印- u p t r m s f o 咖e r s t h ec o n t r o ls n a t e g yi sp r o v e dt ob ee c o n o m i c a la n de 伍c i e n t s e c o n d l y ，t l l ep a p e ra i l a l y s e st h ec h a r a c t e r s 也a tv a r i a b i es p e e dd o u b l y - f e dw i l l d t u 而i n e sp a r t i c i p a t ei 1 1s y s t e m 丘e q u e n c yc o n 0 1 ar e v i s e d 仔e q u e n c yc o n 廿o lo fw i l l d t u r b i n e sb a s e do n 的d i t i o n a ld e c o u p l i i l gc o n 臼o li s p r o p o s e d t h ec o n 臼o ls y s t e m c o n t a i n sf i o u r 劬c t i o n a lm o d u l e st h a ta r ee e q u e l l c yc o n t r o l ，r o t a t i o m ls p e e dd e l a y i n g t or e s t o r e ，s p e e dp r o t e c t i o na n dc o o r d i n a t i o nc o n 仃o lw i t hc o n v e n t i o ng e n e r a t o r s 锄d s oo n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w 由a tt h e 丘e q u e n c yc o m r o ls t r a t e g ) rn o to n l yh a sf a s t r e s p o n s et 0 订a n s i e n t 舶q u e n c ye m fb u ta l s oc a nb r i n g t l l er o t a t i o n a ls p e e do fr o t i 阿t 0 t h eb e s to p e r a t i o ns t a t u s 嬲s o o na sp o s s i b l e i ta l s op r o v e dt h a tw i l l df a m sc a n p a 而c i p a t ei ns y s t e m 丘e q u e i l c yr e g u l a t i o nt oac e n a i ne x t e n t a tl a s t ，n l ep 印e ri n 仃o d u c e st l l ei n t e g r a t e dc o n 臼o ls y s t e mo fw i n df a m s 锄d e x p l a i n st 1 1 em a i nm o d u l e so f 也es y s t e mi n c l u d i n go p e m t i o nm o d e ，a c t i v ea n d r e a c t i v ep o w e rr e f e r e l l c es e t t i i l ga n dp o w e rd i s t r i b u t i o ne t c i i 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t k e yw o r d s ： w i n df a n n s ；v 撕a b l e - s p e e dc o n s t a u l t f r e q u e n c yw i n dt u r b i n e s ； d o u b l y f e di n d u c t i o ng e 媳f a t o r s ；h i 曲- s i d ev o l t a g ec o n t r o l ： f r e q u e n c yc o n t l o i ；i n t e 伊a t e dc o n t r o ls y s t e m i i l 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨 大，全球的风能约为2 7 4 x1 0 9 m w ，其中可利用的风能为2 1 0 7 m w ，比地球上 可开发利用的水能总量还要大1 0 倍。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上 的风能储量约2 5 3 亿千瓦。随着全球经济的发展，风能市场也迅速发展起来。 近几年来，世界风能市场每年都以4 0 的速度增长。预计未来2 0 2 5 年内，世界 风能市场每年将递增2 5 。现在，风能发电成本已经下降到1 9 8 0 年的1 5 。随着 技术进步和环保事业的发展，风能发电在商业上将完全可以与燃煤发电竞争。 1 1 风力发电的发展现状 风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发 电方式之一。世界上很多国家，尤其足发达国家和一些迅速崛起的发展中国家， 己充分认识到风电在调整能源结构、缓解环境污染等方面的重要性，对风电的开 ， 发给予了高度重视。 自1 9 9 0 年以采风力发电技术日趋成熟，风电场建设趋于规模化，世界风 力发电得到了前所未有的飞速发展，仅2 0 0 8 年全球风电新增装机容量达到2 7 0 0 万千瓦，增长速度达2 8 8 。图1 1 是世界各主要国家的风电装机规模和所占的 市场份额。根据全球风能协会的统计资料，截止到2 0 0 8 年1 2 月底，全球的总装 机容量已经超过了1 2 亿千瓦。其中美国( 2 5 ，1 7 0 m m 、德国( 2 3 ，9 0 3 m m 、西班 牙( 1 6 ，7 5 4 m w ) 、中国( 1 2 ，2 1 0 m w ) 、印度( 9 ，6 4 5 m w ) 、意大利( 3 ，7 3 6 m w ) 、法国 ( 3 4 0 4 m w ) 、英国( 3 ，2 4 l m w ) 、丹麦( 3 ，1 8 0 m w ) 、葡萄牙( 2 ，8 6 2 m w 卜世界其他地 区( 1 6 ，6 8 6 m m 。图1 2 为近十几年来世界风电总装机容量图。 o l 美国一2 5 1 7 o ：德国一2 3 9 0 o 西班牙一1 6 7 5 o j 中国l2 2 l o j 印度一9 6 5 o “意大利3 7 4 9 i 洼围一3 4 0 o h 英国3 2 4 - q 月麦3 1 8 电虫虹韭二一 图】1 截止2 0 0 8 年底世界各国风电装机规模及所占比例 1 4 0 0 0 d 一i 二 ，。i “l ：一二。_ _ _ _ _ _ _ ，芦尹矿梦芦”“” 图12 世界风电总装机容量图 我国风力发电起步较晚，白1 9 8 6 年在山东荣城建立了第一个并网风电场以 来，我国政府一直在努力支持风力发电的发展，先后颁布了多项政策法规有利的 推动了风力发电的发展。 图l3 为全年累计装机容量及增幅变化图。从图中看出，2 0 0 8 年中周新 增装机容量达到6 万千瓦使得中国的总装机容量再次翻番达到1 2 0 0 万千瓦， 提6 0 两年实现丁国家发改委提出的2 叭o 年实现风电装机1 0 0 0 万千瓦的规划发展 第一 绪论 目标。中国政府提出要促进我国风电产业健康发展，加强风电建设管理，不断完 善政策，坚持以风电特许权方式建设大型风电场，推动风电设备国产化，逐步建 立我国的风电产业体系。按照“融入大电网，建设大基地”的要求从2 0 0 9 年 起，国家将力争用l o 多年时间在甘肃、内蒙占、河北、江苏等地彤成几个上千 万千瓦级的风电基地。 ! ! ! ! ! ! ：互! ! 二二! 兰兰l 图l3 全国逐年累计装机容量及容量增幅变化 按照中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会的估计，2 0 1 0 年，中国 风电有望超过欧、美成为世界风电第一大国，可能选到或超过3 0 0 0 万千瓦，提 前1 0 年达到中国政府确定的风电2 0 2 0 年发展目标，而2 0 2 0 年有望实现1 亿或 者l2 亿千瓦的风电装机容量嗍。 l - 2 选题背景 随着风力发电技术的不断进步，风电场容量从目前的十万千瓦到规划的千万 千瓦风屯基地，并网风电场容量不断增大，在区域电阿所占的比例不断增多：同 时，风电场接入电网的电压等级越来越高。大容量风电场与接入高电压等级电网 使得风电场对于电力系统的影响越来越大影响范闱也越来越广。 为减少大规模风电并网给电力系统的冲击，使得风电场满足日益严格的电力 系统并阿技术导则有必要深入研究风电场并网给电力系统带来的影响，设计符 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 合并网规则的变速恒频双馈电机风电场综合控制系统。 风电机组安装机型正在从传统的基于异步机的固定转速风电机组过渡到控 制更加灵活的变速双馈风电机型( d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t i o n ，d f i g ) 。由于 d f i g 优良的有功、无功解耦控制性能，使得基于变速双馈风电机组的大型风电 场综合控制成为可能。 其控制系统按控制级别可分为风电场级和风电机组级控制器。风电场综合控 制系统主要是根据调度的指令和风电场并网点的各采集信号，调节风电场的无功 补偿设备及风电机组本身的控制系统，使得整个风电场在满足并网条件的前提下 实现整体优化控制；而风电机组的控制器主要接收场级控制系统的指令，调节机 组发出的有功、无功功率。 风电场控制系统按控制目标的不同分为有功、频率和无功、电压控制系统两 种。有功、频率控制系统主要是控制风电场和风电机组完成上一级设定的有功指 令，同时在必要情况下参与系统频率调整；而无功、电压控制系统则根据系统运 行要求控制风电场功率因数恒定，即p f c 控制方式，或者控制风电场出口母线 或远程负荷节点电压为恒定值，即电压控制方式。 本文在分析风电机组和风电场模型及控制系统的基础上，提出了一种风电场 高压侧电压控制策略，研究了风电场参与频率调整的控制方式，最后给出了风电 场综合控制系统的架构，为设计风电场综合控制器奠定了一定的理论基础。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 风电机组与风电场模型及控制系统 变速恒频风电机组由于优良的运行特性，逐渐成为风电市场的主流机型。国 内外很多学者对变速风电机组的模型与控制系统都进行了深入研究。 文献 4 】【8 】分别对风电机组的风力机、机械传动系统、双馈感应电机和控制 系统进行了详细建模；文献【9 】在电力不平衡运行的条件下，推导了不平衡电压 情况下风电机组的模型：文献【1 4 】可谓风电机组控制系统的经典之作，文中详细 的阐述了转子侧和网侧逆变器矢量控制原理，并对控制器的设计进行了分析；文 献【1 5 】将非线性控制策略应用到双馈风电机组控制系统，取得了较好的控制效 果；文献【1 6 】对于实际运行的g e l 5 和3 6 m w 风电模型及控制进行了研究。 而关于风电场的建模研究较少，应用较多的建模方法是通过机组等值策略对 4 第一章绪论 各区域风电场建立模型。 1 3 2 变速双馈电机风电场电压控制策略 变速恒频双馈风电机组由于能够对有功和无功进行解耦控制，使得风电场可 以通过调整风电机组发出的无功功率，从而在一定程度上参与电压控制。 文献【1 7 】分析了双馈电机风力发电系统的功率关系和无功功率极限，提出了 风电场无功功率控制策略。文献【1 8 】和文献【1 9 】分别提出了风电场远程电压控制 ( r e m o t ev 0 1 切g ec o n 仃o l ，r 、，c ) 和优化二次电压控制( s e c o n d a 巧v 0 1 t a g ec o n t r o l ， s v c ) 策略，来控制远端负荷节点和区域内主导节点的电压。但两种方法都需通 过远程信号的传输，对于偏远地区的风电场实用性较差。文献【4 2 1 提出了一种兼 顾风电接入地区无功需求的风电场无功控制方法，该方法以接入变电站低压侧电 压作为控制电压，将风电场无功控制区分为正常控制区、异常控制区、紧急控制 区和脱网控制区，并给出3 种控制模式，即异常控制、紧急控制和故障控制模式。 1 3 3 变速双馈电机风电场频率控制系统 随着风电场装机容量在区域电网所占比例的不断增加，风电场有必要在一定 程度上参与频率控制。因此d f i g 参与频率调整成为国内外学者研究的热点问题。 所提出的方法总结起来，主要包括2 种频率控制方式： ( 1 ) 备用功率控制方式( p r c ，p o w e rr e s e ec o n 仃0 1 ) 为最大限度的利用风能，传统的d f i g 一般运行在最大风能追踪控制模式下， 输出的有功已经达到可利用风能的最大值。当系统频率降低时，在此控制模式下 的d f i g 机组并不能提供持续、稳定的额外有功支撑，无法参与系统频率控制。 鉴于此，文献【2 6 】提出正常情况下通过控制桨距角减少一部分有功输出，留作备 用功率。当系统频率降低时，调节桨距角，增加机组有功输出；文献【2 7 】则通过 调整功率一转速最优曲线，使正常情况下部分有功功率作为备用参与频率调整。 2 种控制方式都是通过某种方式减少一部分有功输出，作为储备参与频率控 制，在当前形势下这一策略不具备经济性和实用性。 ( 2 ) 转子动能控制方式( k e c ，k i i l e t i ce n e r g yc o n 缸0 1 ) 无论d f i g 运行在超同步或次同步状态，风电机组转子中都储存了大量的旋 转动能，如何有效的利用这部分动能参与到系统频率控制中，成为研究的热点。 文献【2 8 3 4 】主要提出了2 种控制方式：频率惯性控制( f r e q u e n c y1 1 1 e r t i a lc 0 n 订0 1 ) 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 频率下降控制( f r e q u e n c yd r o 叩c o n 仃0 1 ) ，2 种控制方式都通过一定的控制策略 将风电机组的转子动能在系统频率下降时释放出来。 1 4 本文的创新工作 本文所做的创新工作包括： 1 ) 提出了一种基于变速恒频双馈电机的风电场电压控制策略，该策略以风 电场出口升压变压器高压侧电压为控制目标。介绍了该控制方法的总体结构，阐 述了风电场高压侧电压控制的原理，并考虑风电场无功功率极限，研究了无功功 率控制、分配和故障情况下紧急电压控制方案。针对风速扰动和电压骤降两种情 况与功率因数控制和传统的电压控制策略进行了仿真比较； 2 ) 在传统变速双馈风电机组解耦控制中附加带分布式信号过滤器的风电机 组频率控制单元。控制系统包含频率控制、转速延时恢复、转速保护系统和与常 规机组配合等4 个功能模块，并对包含风电机组频率控制单元的风电场进行了仿 真分析： 3 ) 构建了风电场综合控制的总体结构，并对综合控制系统中风电场运行方 式模块，有功、无功功率参考值设定模块和功率分配单元等进行了详细阐述。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章变速乜土频双馈电机风电场模型 第二章变速恒频双馈电机风电场模型 2 1 引言 资源与环境压力及社会可持续发展的战略需求使得风力发电在世界各国得 到越来越多的重视和发展。随着风力发电在电网中所占的比例不断增加，大规模 并网风电场给电力系统带来的影响以不容忽视。为研究并网风电场给电力系统带 来的冲击，建立适用于大型电力系统仿真计算的风电机组和风电场模型显得尤为 关键。 本章首先介绍了四种典型风电机组类型，对当前应用最广泛的变速双馈风电 机组进行了建模。模型主要由风力机部分、双馈感应发电机和风电机组控制系统 三部分组成。其中风电机组控制系统将在第三章进行详细讲述。 2 2 典型风电机组介绍 在风力发电发展过程中，风电机组有多种形式，按叶片数量区分有单叶片i 两叶片和多叶片风电机组；按转轴区分有水平轴风电机组和垂直轴风电机组；按 叶片与风向的关系区分有上风向和下风向风电机组；按风力机叶片控制方式区分 有定桨距和变桨距风电机组；按转速变化情况区分有恒速和变速风电机组：按采 用的发电机区分有异步、同步、双馈和永磁风电机组等；按运行方式有离网型和 并网型风力发电机组。经过长时间研究与实践，现在使用的主流风电机组为三叶 片、水平轴、上风向、变桨距、变速、双馈并网型风力发电机型。 本节主要介绍世界风力发电机组市场上四种主流的风电机型。 ( 1 ) 恒速恒频风力发电机组 恒速恒频风电机组的主要结构如图2 1 所示。其标准组成是风轮、鼠笼式异 步发电机、齿轮变速箱和无功补偿电容器组等。这种恒速运行的风力机组采用定 桨距失速控制或采用主动失速的桨距角控制，通过风轮叶片的失速特性来控制高 风速时机组的功率输出。在正常运行时风轮只能在很小的转差范围内运行，不能 充分利用风能。因此一般采用双速发电机，使风机可以运行在两种不同的速度下， 从而提高机组的功率输出。 浙江大学硕士学位论文第_ 章变速恒频舣馈电机风电场模型 异步机 补偿电容 图2 1 恒速恒频风力发电机组 ( 2 ) 恒速恒频最优滑差风电机组 基于异步发电机的恒速恒频最优滑差风电机组( 图2 2 ) ，与上一种机型的最 大不同是发电机转子绕组通过滑环接入变频器控制的外加可变电阻，根据机组运 行方式的不同通过变频器调节转子可变电阻，从而调节转子转速。由于此种发电 机组变速范围有限，因此仍属于恒速风电机组的范畴。 变频器 图2 2 恒速恒频最优滑差风电机组 ( 3 ) 变速恒频双馈感应风电机组 这种风电机组主要由风轮、齿轮箱、感应发电机( d f i g ) 和逆变器等部分组成 ( 图2 3 ) 。双馈式电机的定子直接与电网相连，而转子通过逆变器连接到电网中。 由于具有变速运行的特性，能够提高风电机组的风能转换效率，实现最大风能跟 踪并减小风电机组机械部件所受应力；并且能够通过变频器控制系统将发电机有 功、无功功率实现解耦控制，调节改善风电场的功率因数及电压稳定性。但这种 风电机组控制方式及保护策略相对复杂，且机组昂贵。 浙江大学硕士学位论文第_ 二章变速恒频双馈电机风电场模型 转子侧变频器网侧变频器 图2 3 变速恒频双馈感应风电机组 ( 4 ) 基于永磁多极同步机的变速风电机组 基于同步发电机的变速、变桨距控制风电机组多采用多极永磁的同步发电机 ( 图2 4 ) ，通过全功率变频器接入交流电网。由于逆变器的解耦控制策略，使得 基于同步发电机的变速风电机组与电网完全解耦，其特性完全取决于变频器的控 制系统及控制策略。 图2 4 变速永磁同步风电机组 2 3 双馈变速风电机组模型 变速恒频双馈发电机的结构类似绕线型感应电机，其定子绕组直接接入电 网，转子绕组通过逆变器和电网相连。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子 中形成一个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度抛与转子的机械速度珥相叠加， 使其等于定子的同步转速行，即：刀严聊砌，从而在发电机定子侧保持频率恒 定。 当风速变化时，转速聊随之变化，在聊变化的同时，相应改变转子电流的 频率，以补偿电机转速的变化，保持定子侧输出频率恒定不变。发电机可以超同 步运行，即除定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力，也可以次 同步运行，即定子向电网和转子输送电力。发电机运行时，变速运行的范围比较 宽，而定子输出电压和频率可以维持不变，既可调节电网的功率因数，又可以提 高系统的稳定性。这种控制方案除了可实现变速恒频控制、减小变频器的容量外， 浙江大学硕士学位论文第_ 章变速怔频双馈电机风电场模璎 还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用。 变速双馈风电机组的主要运行特性体现在： 1 ) 利用变速变桨距控制技术，可以最大限度的捕获风能。变速恒频风电机 组的控制主要通过两个阶段来实现：在额定风速以下时，调节发电机电磁力矩使 转速跟随风速变化，以获得最佳叶尖速比，故可作为跟踪问题来处理；在高于额 定风速时，通过变桨距系统改变桨叶节距来限制风力机获取能量，使风电机组保 持在额定值处运行】。 2 ) 由于电力电子控制技术的引入，风电机组可以对有功、无功进行解耦控 制，使得变速恒频风电机组具备了一定的无功一电压调节能力，因此，变速恒频 风电机组的控制不但能够实现最大效率的利用风能，还能参与系统的无功调整， 提高风电电能质量，特别是使电压波动较小，从而为风电大规模并网提供了安全、 稳定性的保证。 由于这种风电机组性能优越，且采用逆变器的容量小，技术相对成熟，使用 这种风电机组的大型风电场并网运行对电网电能质量的影响较小，是现在提倡使 用的主力机型。 变速双馈风电机组主要由风力机，双馈感应电机和控制系统组成。其结构如 图2 5 所示，其中风力机部分主要包括：风速模型、空气动力系统和机械传动系 统( 即轴系) 模型等。而控制系统主要包括：桨距角控制系统和转子侧、网侧变频 器控制系统。其功能为控制风电机组发出的有功功率以实现风能的最大功率跟踪 或高风速时限制风电机组出力、控制风电机组与电网之间交换的无功功率。 图2 5 变速双馈风电机组结构图 l o 浙江大学硕士学位论文第：一：章变速恒频双馈电机风电场模型 2 4 风力机模型 2 4 1 空气动力模型 风电机组一般通过叶片将风能转化为机械能，然后通过机械传动系统传送给 发电机，最终转化为电能。其中风力机叶片将风能转化为机械能是一个复杂的涉 及空气动力学和流体力学的过程。对于风力机转轮和叶片的空气动力模型一般采 用叶素理论( b l a d ee l e m e mm o m e n m m ，b e m ) ，但采用这一理论所建立的模型复 杂，计算速度慢，不适用于大型电力系统的分析和研究。 由于电力系统只关注风力机组的电气特性，可以采用简化的方法对风力机的 空气动力系统建模。 假设风力机叶片半径为r ，风速为以则风力机获取的风功率p 口。为： 乙= o 5 r 2 c 。( ，五) 矿( 2 一1 ) 式中，夕为空气密度( 姆聊3 ) ；夕为桨距角；五= r y 为叶尖速比； 为风力机叶片的转速( 阳协) ：g 为风机的风能转换利用系数，是和旯的函数。 工业实践表明，不同类型的风电机组其风能利用系数g 大致相同【1 1 。因此 针对不同类型的风电机组可以建立相同的风能利用模型。本文采用的h e i e “1 9 9 8 ) 模型。如式2 2 所示【5 】： q ( ，彳) ：c l ( 孚一c 3 一c 4 c 5 一c 6 ) e x p ( 辜) ( 2 2 ) 舯以= c 南h 南 1 为使得模型和实际数据更好的吻合，针对不同风电机组拟合了两组参数，如 表2 1 所示： 表2 10 拟合参数值 根据表2 1 中变速风电机组g 拟合参数值，绘制了图2 6 所示的变速风机 0 - 五关系曲线。 浙江大学硕士学位论文 第一章变速恒频双馈电机风电场模型 图2 6 变速风机0 一名关系曲线 从图2 6 可以看出，对于给定的叶片桨距角，不同的叶尖速比五所对应的 0 值相差很大，但有且仅有一个k 对应的0 最大值0 一即最大风能利用系数。 由名= ，尺y 可知，当风速变化矿时，可以通过调节即风轮机转速，来保证 风能的最佳利用系数。 2 4 2 轴系模型 机械传动系统是风力机的重要组成部分之一，虽然风力机的轴系长度远不及 汽轮发电机，但当系统发生严重故障时，其机械传动系统会发生振荡从而带来电 气量的波动。因此在电力系统机电仿真过程中需要对风力机机械传动系统进行详 细建模。 风力机的机械传动系统包括低速轴、齿轮箱和高速轴三部分组成。其低速轴 刚性较低，而齿轮箱和高速轴的刚性较高，将桨叶和低速轴作为一个质量块而齿 轮箱和高速轴作为另一个质量块，得到风力机轴系模型的两质量块模型如图2 。7 所示旧。 图2 7 两质量块轴系模型 1 2 浙江大学硕十学位论文 第二章变速恒频双馈电机风电场模型 设桨叶和低速轴用风力机惯性时间常数玩，表示，齿轮箱和发电机转子侧的 高速轴用发电机惯性时研表示，则轴系两质量块数学模型叮表示为： 堂k ：鱼二笠兰 d l 2 h 矗 警= 警 口3 ， 一= ； i 一i d t2 h 、。 譬= 2 万厂( 一q ) 廊 。、” 式中：k 为轴系刚性系数，y 为低速轴相对于高速轴的扭转角度，和疋 分别为风力机机械转矩和发电机转子机械转矩，q 为风力机和发电机转子转 ：速。 2 5 双馈感应电机模型 双馈感应电机是指绕线式异步发电机的定、转子三相绕组都接到三相对称电 源，其中定子绕组直接接入电网，而转子绕组由变频器供电，变频器的输入直接 通过变压器接入电网。 双馈感应电机与普通异步电机最大的不同是其转子回路可以外接交流电源。 这样就可以通过改变外接电源的电压值从而控制双馈感应电机发出的有功、无功 功率。 下面建立双馈感应电机的状态方程。为计算和分析的方便，一般将相变量变 换到以同步速旋转的坐标系下，选择d 轴在乒o 时与定子a 相轴重合，定子电流 流出电机为正方向( 即发电机惯例) ，转子电流流入为正方向( 即电动机惯例) ，得 到同步旋转坐标系下有名值形式的定转子电压方程为： 乜i 等叫咄咄 以= 警+ ( 嘞一q ) 以+ 母t 详细的电压方程展开式为： 1 3 浙江大学硕士学位论文 第_ 章变速恒频双馈电机风电场模型 u 南= 等- r 凡一刚q s 吁爹。足”毗 ( 2 - 5 ) u 静= 挂k s 矿 、 u q r = + r r + s 参三二绘兹 亿6 ， 妒r = 一l m is + l r ir 、。 - ，警= 乙一乃= 乙一三烈。一u ( 2 - 7 ) 电机降阶( 兰阶) 模型。 誓= o ( 2 8 ) 出 。 也= 母t + 警+ 歹( 一q ) 以 ( 2 9 ) 爹一扣y b 。， 等一j + 号一哇+ 。 ，等= 乙一互= 乙一吾( o 一么) ( 2 1 1 ) 眈：车墼( 2 - 1 2 )虬= 业( 2 1 2 ) 1 4 浙江大学硕士学位论文第一章变速恒频双馈电机风电场模型 田瓦l 2 咱，得： 峥- l s is + 婶r + l m i s 、) 鼍 从式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 得： 也+ 足丘= - ，铴 一t 丘+ c 虬+ l 丘，等 从而： o 。= z f is + u f 式中z ，= 以+ 刚等圳儿畦 榍棍式( 2 15 1 得刮图2 8 所示的双慵感廊申机潍稳杰樟犁 4 】。 2 6 风电场整体模型 图2 8 双馈感应电机准稳态模型 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 与常规的发电厂不同，一个容量较大的风电场内往往有数量众多的风力发电 机组。风电场内风力发电机组的位置不同，由于尾流效应的影响，各风机获得的 风能大不相同。另外，由于各风机间的相互影响使得风电场作为一个整体表现出 了与单个风机不同的特性。在与风电接入系统相关的研究中，一般不需要把关注 的焦点放在风电场内部机组之间复杂的联系上，往往将风电场的整体特性作简化 处理，本文采用机组等值的方法进行风电场建模。 考虑尾流效应，根据风电场内风速和发电机组转速的不同，将风电场分为若 干区域。划分区域的多少视计算精度要求确定。假设每个区域上的风力发电机风 速相同，发电机在相同运行点上运行；不同区段上因尾流效应，风速递减，发电 机运行情况不同。 根据以上假设，每个区域的风力发电机用一台风力机对应一台发电机等值， 风力发电机的额定容量是该区域内所有发电机组额定容量的代数和对风电场各 个区域进行单机等值。 浙江大学硕十学位论文第二章变速恒频双馈电机风电场模型 2 7 小结 本章对双馈感应发电机的变速风电机组模型进行了分析与研究，建立了适用 于电力系统稳定性分析和仿真的风电机组模型。 首先给出了基于双馈感应发电机的变速风电机组模型的总体结构；对风电机 组的空气动力学模型、机械传动系统的轴系模型及桨距角控制系统进行了建模和 分析；对双馈感应发电机在同步旋转参考坐标系下的动态方程进行了推导，给出 了其动态模型并根据静态过程的假设推出了双馈感应电机准稳态模型；最后简要 介绍了风电场等值模型。 1 6 浙江大学硕士学位论文第三章变速双馈风电机组控制系统 第三章变速双馈风电机组控制系统 变速恒频风电机组的运行特性很大程度上决定于其控制系统，优良的风电机 组控制平台对于提高风电机组运行性能和减少并网影响具有举足轻重的作用。因 此，深入研究和分析变速风电机组控制模型显得至关重要。 本章研究了基于双馈感应电机的变速恒频风电机组综合控制系统，包括：双 馈感应电机转子侧、网侧逆变器控制系统，最大功率跟踪、转速控制系统和桨距 角控制系统等，为进步改善机组控制性能和提高风电并网的稳定性奠定了良好 的基础。 3 1 变速双馈风电机组综合控制系统 变速双馈风电机组综合控制平台的控制目标是：控制发电机组发出的有功功 率，调节转速以实现有功功率最大跟踪；在高风速下限制风电机组出力或切除风 电机组；控制风电机组与电网之间交换的无功功率以实现功率因数或并网点电压 控制。随着各国电网公司对风电场提出更加严格的并网导则，风电机组控制系统 也在不断更新，以适应并网要求，如最新的风电机组控制系统增加了故障穿越能 力、爬坡和减出力约束，参与系统频率调整等。 变速双馈感应电机综合控制系统如图3 1 所示，其主要包括； 1 ) 双馈感应电机转子侧、网侧逆变器控制系统：控制风电机组发出的有功、 无功功率： 2 ) 风力机控制系统：包括桨距角控制：高风速时限制风电机组出力或控制 风电机组退出运行；最大功率跟踪及转速控制器：跟踪风电机组最优运行点， 并提供用于转子侧逆变器控制的有功功率信号参考值。 浙江大学硕士学位论文第三章变速双馈风电机组控制系统 图3 1 变速双馈风电机组综合控制系统 3 2 双馈感应电机控制系统 双馈感应电机控制系统包括转子侧、网侧逆变器控制模型。其中转子侧控制 器主要是实现双馈感应电机有功、无功解耦控制：而网侧逆变器主要保持直流电 容器电压恒定，控制网侧逆变器发出的无功功率。 3 2 1 转子侧逆变器控制系统 转子侧逆变器控制是通过矢量控制技术实现有功、无功的解耦14 1 。忽略定子 电磁暂态过程和定子电阻上的压降，将同步旋转坐标系下d 轴与定子磁链方向重 合，根据式( 2 5 ) 得到简化的双馈感应电机电压方程为： = 一= 0 u g s = 蠡= u s = e l + 警吖 ( 3 - 1 ) u q r ：r i q r + 粕删打 磁链方程为： 妒b ：一l s i l s 千l m i 扣：坠 哆 秘= 一丘+ 匕= o( 3 2 ) v 舟= 一l m l 缸+ l r i 打 l ；，铲= 一l m iq s 七l r iq r 浙江大学硕士学位论文第三章变速双馈风电机组控制系统 驴毒+ 每p 3 ， s l sl i ， i q s = 争i r 只= 吾( 气+ ) = 吾每以， q ：沁姒睁荽扣， 。4 u 由啾七：r 姒t 蛳 u q r r r l q r + 吐等+ s 叩v 一知 。 1 9 浙江大学硕十学位论文第三章变速双馈风电机组控制系统 图3 2 转子侧逆变器控制系统 3 2 2 网侧逆变器控制系统 电网侧变频器的控制采用了基于电网侧变频器电压定向的矢量控制方案，此 矢量控制方案可以用于电网与电网侧变频器之间传输的有功、无功的解耦控制 【1 4 】。其中，d 轴电流用于保持电容器的电压为恒值、口轴电流用于控制电网侧变 频器发出的无功功率。图3 3 为网侧逆变器结构示意图。 荔 = r 萎 + 三丢 萋 + 三妻 u d = 融d “等一h q + u 蝉 u q = 砌q “茜七h d + u 钾 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 浙江大学硕士学位论文第三章变速双馈风电机组控制系统 p s = 去娜d id + uq l i q g = 专哪q i d u d l 0 向一致，虬= 0 ，代入上式得： p g = 专ud la q g = 一专u d i q 绞实现了解耦控制，分别受控于历和岛。 l 二专鸠 ( 3 1 0 ) c 粤：l o s i ：r ?7 班 一一 之三荔二麓广蚴 = 一叫一( 坞) 、 其中：= 码+ 三警，u = 心+ 三鲁 2 1 浙江大学硕士学位论文第三章变速双馈风电机组控制系统 图3 4 网侧逆变器控制系统 3 3 最大功率跟踪控制系统 由风力机的空气动力学模型可知，对于固定的桨距角，有且仅有一个k 使 得风能利用系数q 为最大值。再由旯= 尺q 矿可知，在风速变化的情况下只有不 断调整转子转速才能保证风力机捕获的能量最大。 图3 5 最大功率跟踪控制系统 图3 5 为最大功率跟踪模块控制模型。为实现机组的最大功率跟踪目标，本 文采用曲线拟合的方法将风电机组最优功率曲线拟合为发电机转子转速和功率尸 的一对一多项式。 由风电机组实际发出的有功功率通过拟合的多项式进行计算得到对应的风 电机组最优转速，与实际测量的发电机转速值的差值，经刀控制器后输出最优 功率的参考值输入到d f i g 功率控制系统，因此变速风电机组通过变速运行以实 现最大风能跟踪功能是依靠最大功率跟踪、转速控制器及d f i g 的功率控制共同 实现的。 3 4 桨距角控制系统 桨距角控制是通过调整轮毂上的风轮机叶片安装角，从而改变叶片的气动特 性，控制风电机组输出的有功功率。当风速低于额定风速时，桨距角控制系统一 浙江大学硕士学位论文第三章变速双馈风电机组控制系统 般不动作，始终保持桨距角在最大获取风能的角度。当风速高于额定风速时，为 避免风电机组输入机械功率过高而损坏机组，又要维持风电机组额定功率输出， 必须调节风力机桨距角，减少输入机械功率。其控制指令一般通过机械液压系统 来实现，因此动作响应速度较慢。 图3 6 桨距角控制系统 本文采用的桨距角控制系统模型如图3 6 所示。风电机组发出的有功功率与 最大功率参考值比较后产生功率误差信号，经过刀控制器调节，与桨距角补偿 值叠加后，产生桨距角参考值，在与实际的桨距角比较，误差信号输入到液压伺 服系统进行调节。其中乙为伺服时间常数，砧、厶是桨距角调节限值， 掣、华为桨距角变化限值。 3 5 小结 本章对变速双馈感应电机控制系统平台进行了分析和研究。从理论上分析了 变速双馈感应电机转子侧逆变器与电网侧逆变器的解耦控制策略，其中转子侧逆 变器采用定子磁链定向的矢量控制策略实现对双馈电机定子有功与无功功率的 解耦控制；而电网侧逆变器则采用电网电压定向的矢量控制方法实现解耦。同时， 本章还给出了控制系统的详细模型和结构示意图，在m a t i a b s i m u l i n k 中进行了 搭建和仿真。 浙江大学硕士学位论文第四章变速恒频双馈电机风电场电压控制策略 第四章变速恒频双馈电机风电场电压控制策略 4 1 引言 风电的迅速发展，使得并网风电场对电力系统的影响已不容忽视。各国电 网公司对风电场并网都提出了严格的技术要求，包括低电压穿越能力、有功和 无功电压控制能力【l ，3 1 。由于风电场一般位于电网薄弱的偏远地区，具有快速、 先进电压控制的风电场无疑对于维持输电系统的电压水平和提高电压稳定性起 到很好的作用，同时也可以提升风电场故障穿越能力。 变速恒频双馈发电机组( d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，d f i g ) 由于具有 独立、灵活的无功功率控制能力【l4 1 ，使得基于d f i g 的风电场电压控制成为 可能。本章将高压侧电压控制( h i g hs i d ev o l t a g ec o n t r o l ，h s v c ) 理论应用于 风电场电压控制。首先介绍了风电场电压控制策略的总体框架，然后分别对 风电场高压侧电压控制( w i n df a m sh i 曲s i d ev | 0 1 t a g ec o n t r o l w f h s v c ) 的 基本原理以及风电场内无功功率的控制和分配方案进行详细分析，最后通过 仿真验证了所提出方法的有效性。 4 2 基于d f i g 风电场的电压控制策略 当前，风电场的电压控制策略主要采用功率因数控制( p o w e r f a c t o r c o n 缸o l ， p f c ) 模式，这种控制方案并没有充分发挥该类型风电场的无功调节能力。图4 1 为基于d f i g 风电场的电压控制策略总体框架。其中，风电机组均采用变速恒 频双馈发电机组( d f i g ) ，发电机组的控制策略为基于有功、无功解耦的矢量控 制2 2 ，2 5 1 。 基于d f l g 风电场的电压控制系统主要包括风电场高压侧电压控制 ( w f h s v c ) 模块和风电场内无功功率控制与分配模块。将风电场出口升压变压 器低压侧的电压和电流值连同电压参考值( 嘲输入到研h s v c 模块，经过高 压侧电压控制后产生风电场无功功率参考值( ，详细控制结构见图4 2