（电力系统及其自动化专业论文）基于psasp接口的双馈风电机组建模与系统仿真.pdf

a b s t r a c t w i 也t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fw i n d p o w e rt e c h n o l o g y v a r i a b l e - s p e e d c o n s t - 舵q u e n c y ( v s c f ) 、v i n dt 1 1 r b i n ei nm w l e v e lh a sb e e i lw i d e l ym i l i z c di nl a 唱e w i n dp o 、v e rp l a n t s i nt h i sp a p c r ，m o d e l so fi m e g r a t e dv s c fw i n d ”b i n ew i l i c ha r ec o m p o s e do f 埘n ds p e e d ，m e c h a n i c a lp a no ft u r b i n e ，d o u b l y f e di n d u c t i o nm a c h i n e ( d f i g ) 柚d c o n t r o ls y s t e ma r ee s t a b l i s h e d t h er e l a t i o n s h i po f p o w e r 玎o wb e t w e e nt h es t a t o ra 1 1 d r o t o ra l l dm a t h e m a t i c a ld y n 锄i cm o d e lo fi n t e 掣a t e dd f i ga n dm em t o ra c e x c i 诅t i o ns y s t e ma r es t u d i e di nd e t a i l w i t l lu s e rp r o g m mi n t e r f a c e ( u p i ) o f p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o r w a r e p a c k a g e ( p s a s p ) d e v e l o p e db yc e p r j ，s t e a d ys t a t e d y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l so fv s c f d f i gp r o g r 枷m i n ga r er e a l i z e d t h es i m u l a t i o no fg r i dc o 衄e 曲e dw i t l lv s c fw i n d t i l r b i n ei n d i c a t e st l l a tt h i su p i p r o g m mi sv a l i di nb o t hm t o r - s p e e d t r a c i n ga n d i m p l i c i tp o w e rr e g u l a t i o ns i m u l a t i o n ，a i l di ti sa l s ov a l i di nd i s p l a y i n gt h ed y n a m i c s 诅b i l 时o fd f i gw h e n 血es y s t e mf a u l to c c u 丌e do rt h ew i n ds p e e dc h a i l g e d s t u d yr e s u l t so ft h i sp a p e rm a d et h eu p ip r o g r a mb e c a m eu s e f u ls i m u l a t i o n t o o l sf o ra i l a l y s i so fl a r g e 谢n dp o w e rp l a l l “m e 伊a t i o n ，w h i c hc a nb eu s e de i t h e rt o 柚a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co fs i n g l ev s c f 丽n dt 1 1 r b i n e ，o rt op e 墒np o w e rs y s t e m a i l a l y s i sf o r 舛di n t e 笋a t e dw i t hv s c fw i n dt u r b i n e k e ) ，o r d s ：v s c f ，d f i gp w - v wc h a r a c t e r i s t i c ，n r v wc h a r a c t e r i s t i c ，p s a s p ，u p i ， v e c t o rc o n t m l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年6 月以日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年6 月j ) 日 缎 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的 常规能源日趋匮乏。为实现能源的持续发展，世界各国都开始开发新能源和可再 生能源。欧盟计划到2 叭o 年新能源提供的电力比重能够提高到2 2 。而我国到 2 0 1 0 年电力规划中，煤电占8 0 ，水电占近1 5 ，风电等可再生能源只占o 4 ， 与世界能源消费的主流方向有很大的偏离【i 】。 我国煤炭可开采储量为1 3 9 0 亿t ，按目前的消费量及增长水平计算，仅能 维持2 0 年：我国水能经济可开发量为3 9 亿m w ，即使全部开发利用也无法解决 我国的电力紧缺问题；据中国气象科学研究院测算，我国实际可供开发的陆地风 能资源总储量有2 5 3 亿k w ，近期具备丌发条件的风电场约有5 0 个，分布在全 国1 6 个省( 市，自治区) ，而且风力发电具有无污染、施工周期短、投资灵活、 占地少、造价低等显著优势。综合资源、技术、经济、环保各方面因素，风力发 电是解决我国电力和能源紧缺问题的重要战略选择i l 引。 近年来，风力发电在国际、国内得到了快速的发展。据国际能源署预测，2 0 2 0 年风电总装机l1 2 亿k w ，其发电量占世界总发电量的1 【4 】。但是，尽管近十年 来我国风力发电有了快速发展，据2 0 0 5 年l o 月份统计数据表明：直至2 0 0 6 年 风电装机容量仅占全国总发电总量的o 1 7 ，可进一步开发的风能潜力还很大【5 】。 我国己把对新能源的开发列入了国家科技攻关计划。 风力发电的高速增长得益于风电技术的成熟。目前单机容量5 0 0 k w 、6 0 0 k w 、 7 5 0 k w 的风电机组已达到商业化生产水平，成为当前世界风力发电已装机机型中 的主力军1 6 】。而更大、性能更好的机组也已研制成功并投入试运行。在风力发电 发展过程中，曾经出现过多种风电机组：按转轴区分有水平轴风电机组和垂直轴 风电机组；按叶片数量区分有单叶片、两叶片和多叶片风电机组：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固定转速和变速风电机组；按照风电机组定子 河海大学硕上学位论文 侧频率区分有恒频和变频风电机组；按采用的发电机区分有异步、同步、双馈和 永磁风电机组等【7 】o 目前，国内投入运行的兆瓦级以下的主流风电机组主要还是 采用恒速恒频机组：异步发电机，三叶片，水平轴，叶片位于上风向，采用定桨 距或变桨距两种形式，转子为固定转速，定子侧频率恒定。这种机组结构简单， 易于维护，操作方便，没有复杂的控制，因而在一段时问内能够满足风电发展的 要求。随着风电机组的制造技术与工艺的不断提高，人们一直在努力提高风电机 组的性能和效率。固定转速风电机组存在一些缺点，如：( 1 ) 风能转换效率不能始 终保持最优：( 2 ) 动态特性较差，机械部件承受应力冲击较大，从而影响风力机的 寿命：( 3 ) 发出有功功率的同时吸收无功功率，影响系统无功功率分布等。而变速 风电机组则可以有效的解决固定转速风电机组的上述缺陷。 与固定转速的风电机组相比，变速风电机组具有明显的优点i s j ：低风速时它 能够根据风速变化在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能，高风速时利用风 力机转速的变化，储存或释放部分能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加 平稳：当风速随机波动时，它能够很好的跟踪风速的变化，调节桨距角和转子转 速，使风电机组的功率输出波动平滑，减小了风速随机性对风电机组各零部件的 冲击。变速风电机组另一个比较明显的优越性，是它的无功功率可以在一定范围 内调节。变速恒频发电技术中，双馈电机以其变流器容量相对较小，系统设备成 本较低，高效，实用，并且技术相对成熟而倍受关注。目前，国际上风力发电机 的主流机型已经达到1 5 m w 以上，随着机组大型化的发展，兆瓦级以上的机组普 遍采用变桨变速的先进技术p j 。 虽然变速恒频风电机组与固定转速风电机组相比具有良好的运行特性，但 考虑到风速扰动的随机性，它必然对电力系统产生一定的冲击1 9 】，因而必须研究 这种风电机组的并网运行特性，而仿真计算是研究其并网运行特性的主要方法。 当前一些可用于风电系统分析的仿真软件如m a t l a b 7 o ，p s c a d e m t d c 虽然都整 合了风电系统模块，但是一方面这类软件对用户的要求比较高，比方m a t l a b 7 0 要求用户不仅清楚风电系统的模型和参数，而且还要掌握s i m u l i n k 的知识；另 一方面由于风电系统专业性比较强，这对软件研发人员也有极高的要求，往往会 存在一些模块内部模型合理性问题。比如风轮机的风功率特性c 。是一个高度复 杂的非线性函数，其数学模型至今在学术上尚在不断论证中，在m a t l a b 7 0 和 p s c a d 对该部分模型都只是给出了参考文献，用户只能被动接受模块采用的模型。 2 第一章绪论 因此，本文重点研究分析变速恒频双馈风力发电系统数学模型及控制策略， 并实现对包括风速、风轮、传递环节、双馈电机及其控制系统在内的风电机组部 分模型的程序化，为用户提供一个操作便捷、界面友好的风电系统分析软件接口。 1 2 研究现状 由于双馈电机在运行上具有很多优点，展现了其广阔的应用前景。因此，近 十年来，世界各国的学者对双馈电机无论是作为电动机还是作为发电机运行都进 行了大量的研究工作，并逐步在工业上得到应用。下面主要就双馈电机作为发电 机运行的研究现状进行归纳总结。 变频器 图1 一l 双馈犁变速恒频风力发电机 双馈风力发电系统如图卜l ，该并网型风电系统的风机一般采用水平轴式， 其发电的基本原理是：风吹动风轮机的叶轮，风能转化为机械能，叶轮通过增速 齿轮箱带动发电机旋转，发电机再将机械能转化为电能送入电网供用户使用。在 该发电系统中存在两套控制装置：风轮的桨距控制和双馈电机的励磁控制。 1 2 1 风功率特性 风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过 程。在这个过程中，风力机捕获风能的过程起到了至关重要的作用，它直接决定 了风电机组的转换效率。 根据空气动力学原理，流动的空气带有风能，贝兹( b e t z ) 从物理学角度 给出计算风能的数学公式：毛：委坍矿：( j ) 。当风通过风轮时，流过风轮截面的 河海大学硕上学位论文 气流在风轮里被延迟而释放了能量。这部分能量即被风力机通过叶片捕获，并转 换为作用在轮毂上的机械转矩，风速与转矩之问的关系如下m 1 2 1 ： 埘0 = o 5 p c 。一足2 五( 1 一1 ) 式中p 为空气密度( 堙小3 ) ，c 。为风能转换效率系数，a 为桨叶迎风扫掠面积 ( 脚2 ) ；r 为叶片半径( m ) ，k 为风速( 肌s ) ；q 为叶片机械角速度， = 等 为叶尖速率比； 上式亦可转换成风速与风轮机捕获的风功率之删的关系： 只= o 5 0 p 爿喀 ( 卜2 ) 风能转换效率系数q 是关于桨叶尖速比兄和桨距角卢的函数c ，= ( 五，) ， 该函数是一个高度复杂的非线性函数，其计算需要结合空气动力学和桨叶元件理 论。就目前为止，学术界对该数学模氆尚在不断地寻求与论证中，目前所提出的 函数多是采用曲线拟合和逼近【1 3 - 1 6 1 ，有的文章甚至提出采用“查表法来获取巴 值。 根据文献1 7 1 给出的q 特性曲线( 图卜2 ) 作为风场实测c 。一五( 屈) 曲线进行 具体分析。 0 6 j 0 5 0 4 j 一、 c p ，厂? 、 0 3r 7 + 7 、 。i ，7 一ijj、 趣一j _、 o 手一；“；寺- f 丁咭f 亍i 卉n 1 21 1 3 - 古古占1 8i f 订 图1 2 风轮机c 。一五特性曲线 根据空气动力学的贝兹极限理论，c 。最大不可能超过5 9 3 ，从风力机 的数学模型可以看出在风速给定的前提下，风轮获得的功率将取决于功率系数 c ，。如果风力机都能在q 。下运行，则风力机输出功率最大。根据q = 妒( 五，) 可见，调节 或b 可阻改变c 。大小。 假设在任意给定的风速下，若风轮机的机械角速度q 保持不变，则尖速 4 第一章绪论 比五亦保持不变，此时可通过单独调节来获取最大e 值，即变桨调节。变桨 距调节具有使风机桨叶受力小、捕捉风能效率高以及在高风速时段保持输出功率 平稳等诸多优点，已成为兆瓦级风力发电机的重要发展方向。 反之，若保持恒定，通过调节九的方式来改变c 。大小的方法称为变速调节。 由于肛詈= 崭r 当风速变化时，调节风轮旋转角速度m 使拈k 不 变。就可以维持风力机在c 。下运行，因此变速调节是有效改善风力机输出的 重要手段。 1 2 2 桨距角控制系统 双馈风力发电机组的桨距控制系统在低风速时通过调节桨距角使风轮叶片 与风速保持最小夹角，以获得最大风能，高风速时又可通过顺桨调节“放弃”多 余的风能，保持额定输出，同时也减小风机所承受的应力，有效保护风电机组的 桨叶等零部件，延长其机械寿命。 风电机组的桨距控制系统，通常采用典型的p i d 速度，功率和桨距角三模 态控制f 1 9 】。速度控制和直接桨距控制常用于风力发电机组的起动、停止和紧急事 故处理；风力机正常运行时，主要是采用功率控制。 图卜3 典型桨距控制系统 典型的桨距控制系统如图卜3 所示，其数学模型表达如下： 譬：三( 厦一卢) 西f 7 譬：陋一) ( 1 - 3 ) 百2 “p v e 一1 、l 一。j 河海大学硕士学位论文 屈= t 。k + 七 化一只可j + x 式中为积分环节引入的中间状态变量；f 为控制器伺服机构时间常数 ( s ) ；七。，为控制器参数；只和分别为风力发电机组输出有功和给 定的参考有功。 在工程上设备制造商往往会根据实测提供相应的风轮机“j ) c l 功率特性”和“转 速一风速特性”曲线或表格，如附录b 图b 一1 、图b 一2 所示。其中风功率特性曲 线是桨距角控制系统的依据，即桨距角控制系统总是按照该曲线调节桨距角大 小。由于风轮机桨叶调节对整个风力发电系统都是有突出的影响，为了能够直观 分析双馈电机的动态特性，本文假设桨距控制系统为理想状态，即风轮机的风功 率能够严够遵守风力机的j x l 功率特性曲线。 1 2 3 双馈电压励磁控制系统 采用双馈风力发电机，定子直接与电网相连，转子通过一个三帽变流器实现 转子交流励磁。当风速变化时发电机转子转速变化，可控制转子励磁电流的频率 使定子频率恒定，实现变速恒频。同时，该发电系统还可实现有功功率与无功功 率的解祸控制，灵活调节无功功率。 风电机组的励磁控制是通过转子绕组励磁实现的，双馈电机技术的核心就 是对转子励磁电压进行控制，根据不同的控制目标引入不同的控制变量及不同的 控制规律，从而实现对转子励磁电压幅值、相角的调整，以达到与电机机械部分 运行特性相互配合、提高风能的利用效率及改善供电质量的目的口。氆l 。 由于通过转子励磁电压d ，既可调节发电机转子转速月，又可控制发电机出 口处的有功功率和无功功率q 口3 。3 1 1 ，因此关于转子电压控制的设计方案也多 种多样。本文主要介绍以下两种励磁控制策略。 以控制双馈电机定子输出有功、无功功率为目标的控制方案如图卜4 所 示。 6 第一章绪论 p - w 也一一1 1 1 立y 垒 f 二-j q 。j( q 。 u d r r 。f 图卜4 基于定子功率控制的双馈电机励磁控制系统 图中，。、q 。分别为控制系统定子有功功率、无功功率目标值，该控 制方案由有功功率控制和无功功率控制两部分组成，其中只。根据风速、双馈 电机转速及功率控制要求给出；k 、乃、分别为有功控制的p i 控制参 数和无功控制的p i 控制参数。 以控制双馈电机转差率s 和功率因数c o s 目为目标的控制方案如图1 5 所示。 s r e p 睦、p 4 s c o s e 。叫卜 u a rr e f 屿 卜+ u 。 佴 c o s e u d l r e f 图卜5 基于转差率及功率因数控制的双馈电机励磁控制系统 图中，为控制系统转差率目标值，c o s 眈为功率因数目标值，该控制方 案由转差控制和功率因数控制两部分组成，其中s 。根据风速及转速控制要求给 出，在追逐最大j x l 能输出范围内，与最佳尖速比九。一致。墨、c 、局、乃 分别为转差控制的p i 控制参数和功率因数控制的p i 控制参数。 综合以上两种控制方法，基于定子功率控制的励磁控制策略直接以调节功 率输出为目标，原理简洁便于分析，而以调节双馈电机转差率及功率因数为控制 目标的控制策略直接以双馈电机运行的重要参数转差率( 或转速) 及功率因数作 为测量量，具有很强的实用性，被广泛采用。 河海人学硕士学位论文 嫂馈电机类型 “ t 、馈风力发电机可以分为有刷双馈风力发电机、级联双馈风力发电机 ”刖，力发电机三种。无刷双馈风力发电机又分为鼠笼型无刷双馈风力发 圳i1 雀无刷双馈风力发电机。有刷双馈风力发电机就是普通的绕线式感 ! j 绕组必须通过电刷和滑环供电，电刷和滑环之问有摩擦，会影响电 ，。 。雠风力发电机不存在电刷和滑环摩擦的问题，它由两台绕线式感应电 ，。两台电机通过转轴和转子电路连接，实现机械和电气一体化，以消 。j j 联双馈风力发电机的控制与有刷双馈风力发电机的控制类似，但损耗 ? 。c ，种过渡形式。 ，馈风力电机定子有两套级对数不同的绕组，一个是直接与电网相连的 另个是控制绕组，控制绕组通过双向变换器与电网相连。功率绕组 1 奇制相当于有刷双馈风力发电机的定子和转子，所以两种双馈风力发 ? 策笃相同，特性相同。相比较有刷双馈风力发电机而言，无刷双馈风 ，rt 屯刷和滑环，既降低了发电机的成本，又提高了运行的可靠性，优 埔s 风力发电机。 芝顿器控制技术 。i “力发电系统中变频器主要是基于i g b t 的电压源变换器，能量双向流 。省，谐波少，控制技术很多【3 3 j ：正弦p w m 、特定谐波消除p w m 、空间矢 ，儿 l 、滞环电流控制p w m 等，其中应用较多的是正弦p w m 和空间矢 i 弦1 ，w m 技术和空间矢量p w m 技术需要考虑到电压补偿环节，转子电流 眵对系统参数敏感。 颦速恒频双馈风力发电机系统中，对转子励磁电源的关键在于采用直接电 e ；! j ，滞环电流矢量控制技术就属于这一类技术。滞环电流控制本质上是 lj 。杞，实际电流在一个滞环带内跟踪指令电流，从而产生电压源变换器 ：，交现简单，动态响应快，对直流侧电压的波动不敏感，能够提高与 净“换器输入输出性能。 第一章绪论 1 2 6 仿真软件 目前，风力发电系统仿真中应用较多的是m a t l a b 、p s c a d 、p s a s p 等。本文 选用北京电科院的电力系统综合分析软件包p s a s p ( p o w e rs y s t e ma n a l y s i s s o f t w a r ep a c k a g e ) ，该软件作为国内自主开发的电力系统交直流仿真软件，以 其在系统潮流、暂态稳定计算、静态安全分析、小干扰分析以及电压稳定分析等 方面的良好运行效果而被多家运行单位广泛接受。该软件包中的暂态稳定分析计 算所用的数学模型包括发电机、电网、负荷、无功补偿等元件，还具有用户白定 义模型功能，另外p s a s p 还提供了用户接口u p i ( u s e rp r o g r a mi n t e r f a c e ) 的 功能，使用户能将新元件的数学模型通过自己的编程加入p s a s p 的计算幽】，大大 缩短了研究、开发周期，提高了程序的可靠性。 基于上述理由，本文利用动态链接库文件构建风电机动态仿真模型，通过 与p s a s p 交互运行，有效仿真双馈电机在风速扰动及系统故障时的动态特性，取 得良好的分析结果。风电场动态分析程序与电力系统分析综合程序( p s a s p ) 的接 口关系如图5 2 所示。 图卜2 风电场动态特性分析程序与电力系统分析综合程序( p s a s p ) 的接口关系 9 河海大学硕上学位论文 1 3 本文研究内容及主要工作 本文研究工作安排如下： ( 1 ) 分析变速恒频双馈风电机组的基本工作原理。建立合理的风速模型， 包括基本风、阵风、渐变风、随机j x l ，分析动力部分包括风轮、齿轮箱、传动轴 装置之间的机械转矩关系，建立相应的数学模型。 ( 2 ) 建立变速恒频双馈风电机组稳态数学模型。研究稳态条件下电机内部 电磁量包括功率、电压、电流之间的相互关系，分析定转子之间的功率分配及能 量流动关系，为动态计算提供初值。 ( 3 ) 建立双馈电机动态数学模型，分析交流励磁的定向磁链矢量控制策略， 并研究双馈风电机组在风速扰动及系统故障扰动下的并网运行特性。 1 4 本文的组织结构 全文共七章，各章的主要内容简单介绍如下： 第一章为绪论，简单介绍世界风电及中国的风电事业发展状况，提出双馈风 电机组的优点，介绍相关研究现状，并简述本文的研究内容和主要工作。 第二章研究了变速恒频风电机组动力部分特性，建立合理的风速模型和风轮 机机械特性模型，并编制完成风电场动力部分分析模块程序。 第三章研究变速恒频双馈电机的稳态特性，推导稳态条件下电机内部电磁量 之间的相互关系，编制完成相应的稳态潮流分析程序。 第四章研究变速恒频双馈电机的动态特性，分析比较双馈风电机组在风速扰 动及系统侧故障扰动下的运行特性，并编制完成相应部分的动态分析程序模块。 第五章将变速恒频双馈电机接入典型系统进行计算仿真，分析其在风速扰动 和系统故障扰动时的并网运行特性。 第六章对全文进行了总结，并就本文不足及可进一步研究的问题进行了讨 论。 1 0 第二章变速恒频风电机组动力部分特性 第二章变速恒频风电机组动力部分特性 2 1 引言 要研究变速恒频风电机组的并网运行特性就必须先对双馈电机前面的风速、 风轮、齿轮箱、传动轴部分，必建立合理的数学模型，我们将以上几个部分合称 为变速恒频风电机组动力部分。 图2 1 变速恒频风电机组动力部分组成 本文研究的重点之一就是双馈机组在风速扰动下的运行特性，因此，对动力 部分特性的分析研究对整个系统的运行特性分析有着重要的意义，它是计算双馈 电机注入机械功率和对整个风电系统进行动态分析的重要基础。 2 2 风速数学模型 风是水平运动的空气，风向和风速是不断变化的，由于风在运动的时候具 有动能，它是带动风力机转动的原动力，称之为风能，它的特点是随机性和问歇 性。为了能够精确描述风速随机性和间歇性的特点，通常用四种成分的风速来模 拟9 炉1 9 5 删：基本风、阵风屹、渐变风k 和随机风巧。 1 ) 基本风。可以由风电场测风所得的威布尔( w e i b u l l ) 分布参数近似确定： 河海大学硕i 学位论文 例十爿 ( 2 一1 ) 式中k 为基本风速( m s ) ，爿、足为威布尔分布的尺度参数和形状参数，厂0 为 伽马函数。当考虑秒级时间段的计算时，基本风速可视为常数。 2 ) 阵风。描述风速突然变化的特性一般用阵风来表示。 j o ， = 吃。正6 f 互g + ( 2 2 ) 【o，五u + 吃。= ( m x g 2 ) l c 。s 2 万 ( ) 一( ) 式中圪、朋鼎g 分别为阵风风速( m s ) 、周期( s ) 、启动时间( s ) 和最大值。 3 ) 渐变风。对风速的渐变特性可以用渐变风成份来模拟。 k = o m a x 尺 o 。= 埘积r 1 一o 疋。) 瓴。一e 。) 】 式中、卅卿r 、己。、分别为渐变风速( 聊s ) 、最大值( 卅s ) 、起 始时间( 5 ) 、终止时间( s ) 和保持时间( s ) 。 4 ) 随机风。风速变化的随机特性可用随机噪声风速成份来表示。 _ ：2 兰 昌( q ) m ”c 。s ( q + 仍) ( 2 4 ) 式中仍为o 2 石之问均匀分布的隧机变量，k 。为地表粗糙系数，一般取o 0 0 4 ， 3 瓦 + k + 鲥g k 垃 r川鬲 血 型 一 i i g q 耳 第一二章变速恒频风电机组动力部分特性 f 为扰动范围( 川2 ) ，卢为相对高度的平均风速( 所s ) ，品h ) 为风速随机分 量分布谱密度( m 2 ，s ) ，通过对功率谱密度函数进行积分即可得到短期的风速数 据。 综上，实际作用在风机上的风速则由以上四种风速组合而成： k = 圪+ + 圪+ 巧 ( 2 5 ) 2 3 典型风速仿真曲线 ，j ： 1 4 i 5 弘 ： ”5 ” 图2 2 平均风速为8 聊s + 阵风3 朋s 起始时间t = 1 s ，作用时间t - 3 s 慨5 泄 孙 眦 铲”辘 【| 1 蛾 群 。”窜 i 唰 1 蝌 时可睫蜥 。 图2 3 基本风速1 3 0 所j + 渐变风 2 m j 、起始结束时间= 2 5 3 5 棚 矿 l ； 、 刁 i 1 3 ；) 对树 w妲 们1 璺三：善拳多速袈船7 羔二孽墨曼慧煮要 图z s 基本风速- s o 脚， 数粗糙系数k 。= o 0 0 4 ，扰动范隔2 0 0 0 卅2 削。一一 渐变风2 卅s ，起始结束时间4 j 1 2 j 阵风5 脚s ，互月= 1 j ，正r = 8 j 河海大学硕士学位论立 2 4 风力机机械传动特性 根据图2 1 可知，风能经过风轮叶片捕获后，通过轮毂一齿轮箱一联轴器后 达到发电机转子侧，在分析该部分机械特性时，考虑到叶片和轮毂之间的非刚 性，以及齿轮箱、联轴器与发电机之间的柔性连接，采用2 阶模型： 警2 专( ”帆) 协。， 掣：告( 吖，一肼。) d tt 、? ” 式中m 。为叶片侧机械转矩，m 。为齿轮箱联轴器输入侧机械转矩，m 。为齿轮箱 联轴器齿轮箱输出，即发电机侧的机械转矩，工为齿轮箱惯性时间常数，n 为 齿轮箱输入侧机械角速度。 瓶| 崔 l ； 氍l 赢溯 翮 l | r j ： 艄阻 。v 飘 熬 一毽 ，只 l i 出e 卧l 溅 蘸 k：鬻 器冁 一； 晦w ，7 1 ( a ) 图2 6 ( a ) 风速信号，v b = 8 m s ，v g = 3 m s ( 1 s ，4 s ) ( b ) 风力机的输入、输出机械转矩 如图2 6 所示为变速恒频双馈风电机组风轮机的输入输出转矩特性，其中 风力机的惯性时间常数t h _ 1 0 s ，显然风力机一阶惯性环节机械特性对由阵风、随 机风扰动具有平滑输出的作用，事实上风力机的传递环节一方面对风速扰动具有 平缓输出的效果，另一方面这种延时作用也增加了发电机转速控制的难度。 1 4 第二章变速恒频风电机组动力部分特性 2 5 小结 建立合理的变速恒频风电机组动力部分数学模型是本章的目的，也是进行双 馈电机动态运行特性分析的基础。 本章建立了能够精确描述风速随机性和间歇性特点的四种基本风速模型，并 给相应的风速仿真曲线。其次，根据空气动力学及桨叶设计知识分析了风轮的风 功率特性及机械特性。由于风轮机的风能利用系数c 。= ，( 卢，五) 在学术界尚未取 得一致，此外，风轮机桨叶调节影响风轮机实际获取的风功率，在风电系统仿真 中，该桨叶的动态调动对系统仿真具有重要的影响。对于该风机动力部分，本文 假设风轮机的桨距角调节系统为理想状况，风力机的输出能严格遵守由厂家提供 的风功率特性曲线，通过曲线插值的处理方法，编制完成该动力部分的p s a s p u p i 程序。 阿海人学硕t 学位论文 第三章变速恒频双馈电机的稳态建模 与接口程序实现 3 1 引言 对变速恒频双馈风电机组的稳态特性的研究可以考察风电机组稳态运行时 各电磁量之间的稳态关系，剖析作为控制变量与输出变量之间的本质联系，研究 双馈电机定、转子间的有功、无功功率关系和特性，并可以为变速恒频双馈电机 动态仿真提供初值。因此，研究变速恒频双愦电机的稳态特性对本文有着重要的 意义。 由于双馈电机的无功可调，根据不同的控制策略，双馈电机可以作为p v 节 点或p q 节点处理。本文主要采取恒功率因数控制进行调节转子励磁电压，因此， 我们将双馈电机接入节点作为p q 节点处理。 3 2 双馈风力发电机的工作原理 双馈风力发电系统主要由风速、风力机、双馈发电机、变频器励磁系统、控 制检测系统组成。如图3 一l 所示。 挺氰返 电网 闰3 1 变速恒频双馈风力发电机并网图 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 组由一台频率、电压可调的低频电源供给三相低频励磁电流，通过滑环和电刷与 变频器c 乙，侧连接在一起。当转子绕组通过三相低频电流时，在转子中形成一 1 6 第三章变速恒频双馈电机的稳态建模与接口程序实现 个低速旋转磁场，这个磁场的旋转速度与转子的机械速度协相叠加，使其等 于定子的同步转速，即：托= 疗，。从而在发电机定子绕组中感应出相应于 同步转速的工频电压。当风速变化时，转速以随之而变化。在”，变化的同时， 相应改变转子电流的频率和旋转磁场的速度，以补偿电机转速的变化，保持输 出频率恒定不变。系统中所采用的循环变流器是将一种频率变换成另一种较低频 率的电力变换装置，半导体开关器件采用线路转向，为了获得较好的输出电压和 电流波形，输出频率一般不超过输入频率的三分之一。a c d c a c 变频器有两个 部分组成，如图3 1 ，转子侧变频器( c 二，) 和电网侧变频器( c o ) ，它们使 用电力电子装置( i g b t s ) 来合成交流电压，连接在它们之间的电容器充当直流 电源的作用。控制系统产生桨距角命令和电压命令一、v 。来控制风力发电机的 电压，直流母线电压和无功功率、电网端电压。 3 3 双馈电机的稳态数学模型及功率关系 3 3 1 双馈电机的稳态数学模型 励破电源i 乜磁功率n 注凡电网电磁功率巳眦 图3 2 双馈发电机的功率图 如图3 2 ，风轮机捕获的风能只经过机械传递环节送到双馈电机的转子侧形 成注入机械功率巴，该机械功率己在功率转换过程中包括四部分：机械损耗，l 、 附加损耗巳、电磁功率只和转子动能峨( 稳态时蝇= o ) ；双馈电机转子获 得的总的可交换功率圪。，除了由只经转换获取的电磁功率只部分，还包括由变 频器送入的励磁功率p ；。，在能量传递过程中由三部分组成：转子铜耗圪：、 转子经气隙磁场传递到定子侧的电磁功率和转子磁链暂态势能只( 稳态时 河海人学硕1 学位论文 一 一- 笆子经过气隙磁场获得的电磁功率气也由三部分组成：激磁支路铁 i ：铷牦吃。和定子输出有功功率：定子有功输出又可分为注入电 ， f f l ；二t 入转子侧的励磁功率只两部分。总的来说，双馈电机的功率转 。 输、的机械功率巴转换为注入电网的电磁功率e 。的过程。 j 一，以惰电机的转速可调，当双馈电机的转差率取不同值时，双馈电机的运 、 小十1 同。按照通常转差率的定义 s ：堡二! ! ( 3 一1 ) 体 u 扩曩率s 的不同取值可以将双馈电机工作状态分成以下三种情况 3 9 】： 吲j 步运行：转子绕组向电网送出有功； 倒l 】步运行：转子绕组励磁功率只= o ； 州日步运行；转子绕组从电网吸收有功进行励磁； p 蛐 p 。 图3 3t 形等效电路中电阻上的功率和损耗 ! 托在能晕转换过程中，不可避免地也会产生各种损耗，可表达为 j 只+ p = ( 圪+ p ) + p 。+ p ( 己+ p ) = p m + 几2 ( 3 2 ) 【匕= + 如+ l i 一札轮机传递到双馈电机转子侧的机械功率；只是变频器提供并注入双 j 。的励磁功率；昂是对应风轮机传递到双馈电机转子侧的机械功率己 + e 过程中发生功率损耗厶+ 巴。后转换成的转子侧电磁功率部分； 二! 态情况下双馈电机转子获得的可交换总功率；乙是双馈电机定子获 1 8 第三章变速恒频双馈电机的稳态建模q 接口程序实现 得的电磁总功率；吃是激磁支路上的铁耗；只是双馈电机机端输出有功功率。 上述功率可在双馈电电机的t 形等效电路中表示出来，如图3 3 所示。等效电路 中、_ 分别为发电机定子绕组的电阻和漏抗：、为转子绕组电阻和漏抗( 折 算值，下文如无特殊说明，即以、岛直接表示折算之后的转子绕组电阻和漏抗) ； k 、靠为激磁电阻和电抗。图中转子铜耗为如：= 厶2 ，定子铜耗为儿。= 厶2 ， 转子励磁功率只= r e 也t 】。通过气隙传递到定子侧的电磁功率为 厶= p + 圪一几2 ( 3 3 ) 双馈电机在与定子同步旋转的同步旋转d q 坐标系下，根据图3 3 所示电压、 电流参考方向，其稳态电压方程和磁链标幺值方程的如下【4 0 】【4 1 】： u 缸 u q s 乙秆 u q r 一心 靠 ，； o s x 。 蹶 o o 一靠 0 吒一腻r r 吃 垂d 。= 一xs s d s + x m i d r 牵q s = 一x ss q 3 + x m qr 牵d r = xr r i dr x m i d s 簪q r = xr r iqr x m i q s 一0 1 一i il ( 3 4 ) 芝j ( 3 5 ) 其中k = _ + ，= 而+ ，、分别是定子电疰的d q 轴分量，、u ， 是转予励磁电压的d q 轴分量，丘、l 是定子绕组电流的d q 轴分量，l 、l ，是 转子绕组电流的d q 轴分量，、是定子磁链的d q 轴分量，、是转子 磁链的d q 轴分量。 定子侧和转子侧的有功功率和无功功率分别如下所示。 毁二数 争e ， qe = uq s id s u 出iq s “w 9 河海大学硕上学位论文 p r = u 打i 打+ uq r i q r q r = uq r id r u d ，lq r ( 3 7 ) 为了简化分析，可以将同步转速旋转的坐标d 轴放在定子合成磁链上，则 定子电压只有q 轴分量，即阢= 阮i 么o ，该方法称为定子磁链定向矢量控制【4 2 1 ， 在定子磁链定向矢量控制坐标下定子侧功率方程可简化如下： p 。川o iq 。= 阮h ( 3 8 ) 由式3 8 可见，改变定子电流的q 轴分量，就可以改变双馈电机定子有功，而调 节定子电流的d 轴分量则可阻调节无功，进而改变双馈电机的功率因数，即调节 电流的d q 轴分量可以分别独立地控制定子的无功功率和有功功率，实现有功无 功的解耦控制。 由于双馈电机对于定子输出功率的调节是通过转子励磁电压控制实现的， 因此有必要推导稳态情况下转子励磁电压与定子电流及电压之间的关系。 在标幺值系统下，根据式( 3 4 ) 、( 3 5 ) ，可得： i o ：堕盟 卜竽 啕 由式( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) ，消去定子电流，稳态情况下转子电压可计算如下： k k k 0 0 一：站 一。盯 毫| x 生x 肼一+ 趼一- 一2 _ 2 鑫鑫 0 0 趼 蹦 0 0 第三章变速恒频双馈屯机的稳态建模与接口程序实现 3 3 2 双馈电机的稳态有功功率计算 根据图3 3 ，我们提出如下假设条件对双馈电机作简化： 1 忽略转子输入侧机械损耗己。及附加损耗岛； 2 忽略励磁支路上的铁耗气； 一p 。 根据图3 4 所示双馈电机简化t 形等效电路可列写方程如下： i m = i ? 一is e = i m j x m 址= e 一( + a ) l 笠：应+ ( 垒+ 鸽) t j j p = 足【u ，】 式中，t ，厶是定、转子电流和励磁电流相量；也，玩是定、转子电压相 量；庄是气隙磁场感应电动势相量；，疋是定、转子电阻；五，t ，是定子、 转子电抗和激磁电抗；s 是双馈电机转差率；只是励磁有功功率。( 以上转子各 量均已折算到定子侧) 根据式( 3 一1 1 ) 可求得，p = ，玩+ s ( c + 匕+ ) ，我们记巴：= ，k 、 乇。= f ，= k + 0 则上式可以写成：0 = 圪：+ s ( 名。+ ) ，显然根据 定义名，、圪：、分别为定予铜耗，转子铜耗及双馈电机机端输出有功功率。 根据图3 3 ，定义厶= + 名。为定子通过气隙获得的电磁功率，由上式可进一 步表示成： 只= 圪2 + 蛾 ( 3 一1 2 ) 2 1 河海大学硕上学位论文 由图3 5 ，可知： 稳态时，双馈电机的注入总功率 喹。= 巴+ p 双馈电机损耗及机端输出有功之和 生。2 吃z + 七一+ 一一j 蠢幢、 器： 一一 rl 睦，e ；e 。1 电i 、一：j【网j、一一7 l i 图3 5敢馈电机能量流动示意图 根据能量守恒原则：专。= 喹。，即有： 最+ p = 兄2 + 名l + = 名2 + 厶 ( 3 一1 3 ) 将式( 3 1 2 ) 代入( 3 1 3 ) 可得： 只= ( 1 5 ) 只， ( 3 1 4 ) 式( 3 一1 4 ) 即为双馈电机稳态时定予侧电磁功率与风轮机注入机械功率的数学关 系。 将式3 一1 4 代入3 一1 2 可得 e = 名2 + 士己= ；吒+ 去最 ( 3 一1 5 ) i sj s 由，：_ l 一 驴，+ ( + p ，) j ，】结合式( 3 1 5 ) 的计算结果，可解出霹， 代入式( 3 1 5 ) ，则进一步可计算获取e 。= 一p 。 式( 3 1 1 ) ( 3 一1 5 ) 即为双馈电机稳态功率计算模型，为了进一步简 化双馈电机数学模型，有效提高运算效率，我们假设定子电阻= o ，即忽略 定子电阻，则双馈电机的电压方程改写如下： 哆一风- + 几( 3 m ) wr = 一j s x s 七嗵+ j s x o lr 根据式( 3 1 6 ) ，由图3 4 所示等效电路相量关系消去定子电流，则在定子 磁链定向矢量控制坐标系统下，转子电压可计算如下： 第三章变速恒频双馈电机的稳态建模0 接口程序实现 其中，x ，：靠一立。 k ( 3 一1 7 ) 此时，双馈电机的定子铜耗圪，= o ，故有匕= 成立，在风轮机注入转子 机械功率已已知的情况下，有如下简化功率关系： 1 只= 只。：+ j 只 k 鲁 _ 1 8 根据式( 3 一1 8 ) ，假设e 。：* o ，得e * s ，则可知： 当双馈电机转速高于同步速旋转子，转子绕组发出有功功率，只 0 。转子这种可以双向馈电的性能正是“双 馈”电机名称的由来。 3 3 3 双馈电机的稳态无功功率计算 双馈电机的一个重要优点是 无功可控，即功率因数可调节， 这是通过变频器提供励磁无功而 实现的。在本文研究分析中，选 取交直交变频为双馈电机提供励 磁无功。变频器根据需要既可以图3 6 烈馈电机无功流动示意图 产生无功，也可以吸收无功，由于交直交变频器中直流环节的存在，使变频器只 传递有功。因此变频器两侧的变频器可以独立控制。为了简化分析，在变频器连 结电网侧采取单位功率因数运行。在变频器连结双馈电机转子侧根据励磁需求提 供无功功率，根据设计，变频器的容量一般不高于双馈电机装机容量的1 3 。根 据图3 6 可知，注入电网的无功q 。= q q 。由于本文研究的双馈系统在电 u l k j+ 缸 x z j j 一 + ，q 0 也 吃 = i i 打 旷 u u rl q 坠， 1 1l、 一 匿撷滞一一，h 如一 雠 河海大学硕上学位论文 网侧变频器采取单位功率因数运行，因此2 。= o 。双馈电机机端输出采取恒功率 因数控制，功率因数设为c o s 妒。在稳态时，风轮注入机械功率只已知，根据简 化双馈电机功率模型分析( 式3 一1 8 ) 可知只* l ，因此， q 槲= q q 1 t a n 妒 ( 3 1 9 ) 在转子侧，由变频器提供励磁无功功率q ，可根据q = i m 吼t 】求得，结合 方程组( 3 1 1 ) ，求