（电力系统及其自动化专业论文）基于pscademtdc的变速风电机组控制系统仿真研究.pdf

摘要 s t u d i e so nt h ev a r i a b l es p e e dw i n dt u r b i n e c o n t r o l s y s t e m b a s e do np s c a d e m t d c a b s t r a c t av a r i a b l es p e e dw i n dt u r b i n ef v s w t ) b a s e do nd 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 ) h a sac o m p l i c a t e dc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a u s e st h a tt h ev s w th a ss o m e a d v a n t a g e sa n db e t t e ri n t e g r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb yc o m p a r i n gw i t hf i x e ds p e e dw i n d t u r b i n e ( f s w t ) o nt h eb a s i so fe x i s t i n gw i n dt u r b i n em o d e l si nt h em o d e ll i b r a r yo f p a c a d e m t d c ，t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mo fv s w ti sb u i l tu s i n gp s c a d e m t d c ， a n dv e r i f i e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo b j e c t i v e t h ec o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea s f o i l o w s ： ( 1 ) a sab a s i so ft h es t u d y , t h em o d e l i n gm e t h o do fw i n dt u r b i n ec o m p o n e n t sa n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o ra r ed e s c r i b e df i r s t l y , i no r d e rt o s t u dt h ee l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fg r i d c o n n e c t e dw i n dt u r b i n e ( 2 ) a i m i n gt ot h ec o n t r o lo b j e c t i v eo fr o t o r - s i d ec o n v e a e lg r i d - s i d ec o n v e r t e ra n d d c - l i n k ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sd e r i v e du s i n gv e c t o r - c o n t r o l p r i n c i p l e ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ec r i t e r i o n ，t h ep is e r i e sc o r r e c t i o ni se m p l o y e dt o d e s i g nt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mo ft h ev s w t , a n db a s e do nt h er e q u i r e m e n t so f c o n s t a n tp o w e rf a c t o rc o n t r o lm o d e ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yo f v s w ti sp r e s e n t e d ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo b j e c t i v ea n do p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev s w t , t h e r o t o r - s i d ec o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h eg r i d s i d ec o n v e r t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h e d c l i n kc o n t r o ls y s t e ma n dt h ea b i l i t yo fv s w tm o d e lt r a c k i n gt h ew i n dt u r b i n e o p t i m u mo p e r a t i o np o i n t sa r ev e r i f i e d ( 5 ) b a s e do nt h es a m ee x a m p l es y s t e m ，t h ef a u l t yc u r r e n tc o n t r i b u t i o no ft h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , f s w ta n dv s w t a r ea n a l y z e dd u r i n gas h o r tc i r c u i tf a u l t t h ee f f e c to f c r o w b a rp r o t e c t i o no nt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ti sa l s oa n a l y z e d k e yw o r d s ：v a r i a b l es p e e dw i n dt u r b i n e ，d o u b l yf e di n d u c t i o ng e n e r a t o r , c o n t r o l s y s t e m ，d y n a m i cm o d e l ，s h o r tc i r c u i tc u r r e n t 中国l 乜力科学研究院硕i 学位论文 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 众所周知，现代社会的高度发达建立在对能源过分依赖的基础上。在人们享 受由工业化带来的种种便利的同时，却又不得不为资源被过度丌发，生存环境遭 到破坏而付出沉重的代价。大气温度的上升、绿地的减少、南极上空出现的臭氧 空洞，以及世界各地频繁发生的洪涝灾害等各类反常的自然现象，都是人类对地 球过分且无节制的榨取和破坏后，地球对人类实施的“报复”。面对现状，人类 当然不能无动于衷，世界各国纷纷采取措施以实现在取得经济和社会发展的同 时，生念环境得到保护。在此背景下，利用洁净能源、可再生能源取代常规化石 类、不可再生能源就越来越受到人们的重视，并成为了全世界的热点问题。 在对洁净能源的研究进程中，由于风能的清洁性、可再生性、丰富的储量以 及人类利用风能的悠久历史使其得到了优先发展。作为利用风能的一种技术形 式，风力发电技术也因此驶入了发展的快车道。自1 9 9 0 年以来，世界风力发电 装机容量几乎每三年翻一番，到2 0 0 4 年底，总装机容量已超过4 7 3 1 7 m w 。 我国拥有丰富的风能资源，采用l o m 高度的风速测算，陆地风能资源理论储 量约为3 2 t w ，技术可丌发的风能资源储量为2 5 3 f , w 。而且，掘初步估计我国近 海风能资源约为陆地的3 倍，所以我国可丌发风能资源约为1 o t w 。为实现经济 与社会的可持续发展，减少有害气体的排放，国家在政策上也给予了风力发电很 大的支持，先后颁布了多项鼓励风电发展的政策法规，如：国家科委、国家计委 和国家经贸委于1 9 9 5 年1 1 月共同制定了新能源和可再生能源发展纲要( 1 9 9 6 2 0 1 0 ) 把“大型j x l 力发电机组制造”和“风电场及其与电力系统相关的技术 研究”列为新能源和可再生能源发展优先项目：t 9 9 6 年4 月起施行的中 华人民共和国电力法也明确规定：“国家鼓励和支持利用可再生能源和清洁能 源发电”：将于2 0 0 6 年丌始实施的中华人民共和国可再生能源法要求“电 网企业应当与依法取得行政许可或者报送备案的可再生能源发电企业签订并网 协议，全额收购其电网覆盖范围内可再生能源并网发电项目的上网电量，并为可 再牛能源发电提供上网服务”。在此背景下我国的风力发电事业发展迅速，总 装机容量不断增加，现己成为了一项具有相当规模的产业。自1 9 8 6 年5 月山东 荣城建成第一个并网型风电场丌始，到2 0 0 4 年底，我国已经在1 4 个省( 自治区) 建立了4 4 个风电场，共安装风电机组1 2 9 1 台，总装机容量达到7 6 4 m w 。为了 进一步加快我国风电事业的发展步伐，从2 0 0 3 年起，国家先后在江苏、广东、 内蒙、吉林、甘肃以及山东等省份实施了8 个i o o m w 以上风电场的特许权项目。 第一帝绪论 虽然，与风力发电发达国家相比我们还存在一定的差距；但是，随着人们环保意 识的逐渐增强和j x l 力发电成本的不断下降，我国的风力发电事业必将进入大规模 快速发展阶段。 从最仞的为蓄电池单独供电发展到现在的并网发电，风力发电技术走过了一 段漫长的发展道路，机型得到了不断的提高与改进。 在风力发电发展初期，风电机组一般都采用鼠笼式感应电机作为发电机，因 为其转速变化范围很小( 额定转速的l 到2 ) ，所以被称为固定转速机组。 固定转速机组结构简单，易于维护，操作方便，没有复杂的控制，因而在一段时 间内能够满足j x l 力发电发展的要求。然而，随着风电产业的商业化运营，风力发 电规模不断扩大，固定转速风电机组逐渐暴露出一些缺点，如： ( 1 ) 效率较低，风能转换效率不能始终保持最优： ( 2 ) 动念特性差，机械部件承受应力冲击较大，影响风电机组尤其是齿轮箱 的寿命； ( 3 ) 额定转速较高在低风速地区应用效益较低： ( 4 ) 发出有功功率的同时吸收无功功率，影响系统电压水平与无功分布等 2 0 世纪7 0 年代木8 0 年代初，月。麦等国丌始研制变速风电机组。经过最近 几十年的快速发展，变速风电机组的研究、制造与应用等都取得了很大的进展， 并逐步取代固定转速机组，成为了全球风电市场中的主流机型。与固定转速机组 相比，变速风电机组具有比较明显的优点，如： ( 1 ) 可以获得更多的能量，提高了整个能量转换系统的效率； ( 2 ) 风电机组输出功率的波动可以通过调节转速柬减小； ( 3 ) 具有无功功率调节功能，可以提高胍电机组功率因数，减小对电力系统 的无功需求； ( 4 ) 降低了作用在l x l 电机组齿轮箱与传动系统上的冲击性机械负荷。 图卜1 为n o r d e x 公司生产的n 5 0 和n 5 0 0 型风电机组风功率特性曲线。 1 0 0 0 8 0 0 耋6 0 0 姜4 0 0 2 0 0 0 - 一n 5 0 卜- n s o p 051 01 52 02 53 0 风速( m s ) 图卜1 固定转速风电机组与变速风电机组功率特性比较 n 5 0 为定桨距固定转速风电机组。n 5 0 p 为变桨距变速风电机组，机组叶片 半径都为5 0 m ，额定功率为8 0 0 k w 。从图中可以看出，同容量的变速风电机组 2 中团i u 力科学研究院硕i 学位论史 比固定转速j x l 电机组的额定飙速小，且在相同风速下，变速风电机组的有功出力 要大一些， 与固定转速风电机组相比，变速风电机组虽然在能量转换效率和并网特性上 都有了很大的改善，但是归根到底其仍然是以自然风作为原动力。而自然风的随 机性与不可控性也必然导致风电机组的出力难以预测与控制。换言之，对于电力 系统来说采用交速风电机组的并网风电场仍然是个不稳定的i 日j 歇性电源，因此， 如何准确模拟变速风电机组的特性，并采取措施尽量抑制其对电网造成的消极影 响，就成为了胍电机组设计和制造当中必须进行的一项研究工作。另外，作为一 种并网运行的电源，在进行风电场接入电力系统的规划与设计时也必须针对所接 入电力系统的具体特性，分析风电场并网运行后可能带来的影响。 通常，研究工作的进行主要是利用商业化的软件对含有风电场的电力系统进 行仿真分析，以此得出风电场接入电力系统后两者之日j 的相互影响。一般来说 此类仿真软件中关于电力系统的常规组成部分，如：发电厂、输电线路以及变电 站等的模型都得到了很好的丌发，并可以满足仿真精度与速度的要求：然而关于 风电机组和j x l 电场的基准模型却一直没有能够形成。为此，国际能源署( i e a ) 专门组织世界各地的研究机构和大学来研发可用于电力系统仿真分析的通用风 电场动念模型【i 】。风电场动态模型的建立必然要涉及到风电机组的动念模型，由 于当日u 全球胍电市场中占主流地位的兆瓦级以上风电机组大都为采用双馈感应 电机的变速恒频飙电机组，因此如何建立变速恒频风电机组的模型就成为了研究 工作的核心内容。由上可见，建立具有相当精确度与可靠度的变速风电机组模型 是分析并网风电场运行特性的关键，在此基础上，可以较准确的评价风电场与电 力系统之日j 的相互影响，为风电场接入电力系统规划与运行提供科学依据，从而 促进我国风电事业的快速与健康发展。 1 2 国内外研究现状 关于双馈电机特性以及变速恒频风电机组动态模型的建立，国内外科研工作 者已经做了大量的工作，并取得了许多研究成果。针对不同的研究内容可综述如 下： 关于双馈电机的控制策略：文献 2 根据双馈电机特性，提出了一种灵活的 有功功率和无功功率控制策略，可以使得风力机在减少电机铜耗的同时，还能一 直按照最优的扭矩一速度曲线运行，并且可以控制无功功率；文献【3 】提出了 种可应用于双馈电机的新型电机矢量控制方式，即所谓| 日j 接定子磁场定向法，该 方法对定子磁通的观察并不是通过对定子电压测量而得出的，因此避免了电压法 中因为定子电压中存在噪声和谐波而造成对定子磁通的误估计。另外，应用该方 第一章绪论 法计算出的定子磁通角还可壹用于电网侧变流器的矢量控制中：文献 4 就控 制双馈电机电网侧变流器提出一种幅相控制方案。认为电网侧变流器的控制目标 为：保持功率因数为1 0 三且能够使得功率反馈回电网。作者将电流转换成电 压控制，实现了对电流的随袭控制。 关于风电机组动态模垒：文献【5 】在美国p t i 公司的仿真软件p s s e 中分别 建立了固定转速风电机组、果用双馈电机的变速风电机组以及采用永磁电机的变 速j x l 电机组动态摸型，并i 二j 上凡种机型的稳念与动态特性进行了详尽的比较； 文献【6 】在德国仿真软件d i g s i l e n t7 p o w e r f a c t o y 上建立了变速风电机组的动念模 型，并比较了双馈电机模垒舒别按照5 阶和3 阶考虑时。风电机组特性的差异， 此外，作者还对变流器按照萄化模型考虑时对仿真结果造成的误差进行了分析。 关于 札电机组与电力系统之i 日j 的影响：文献【7 】在加拿大曼尼托巴高压直流 研究中心丌发的仿真平台p s c a dr e m t d c 中建立了固定转速与变速j x l 电机组的 动念模型分析了变速风电，1 组恒功率因数控制模式的实现方法，并比较了两种 机型在系统扰动过程中的q 之童特性；文献【8 】给出了变速风电机组恒功率因数控 制模式与恒电压控制模式的实现方法，并比较了系统发生短路故障时，采用不同 控制模式的机组响应特性；支献 9 在p s c a d e m t d c 中建立了采用双馈电机 的变速风电机组的动态模型并就桨距角控制系统对加快故障后机端电压的恢复 所起作用进行了分析；文献：1 0 建立了实验用双馈风力发电系统，并在磁通观 测时提出了种改进的电压嘎型法，解决了电压模型法由于干扰误差的积累所造 成的模型系统失稳现象：文氡【l l 】在p s s e 中建立了固定转速风电机组与变速风 电机组的动念模型并对电匪欢障清除后的两种机型机端电压的恢复时| 日j 进行了 比较；文献【1 2 】在p s c a d ，7 e m t d c 中建立了固定转速风电机组的动态模型，并 分析了桨距角控制系统对提哥系统暂念稳定性所起的作用进行了分析。 关于风电引起的电能质量问题：文献【1 3 】在仿真平台d i g s i l e n t p o w e r f a c t o y 中建立了用于电能质量分析约变速帆电机组动念模型，作者详细分析了并网风电 场对系统闪变水平的影响：文献【l4 】就风电机组对独立电网电能质量的影响进行 了研究，并在仿真软件c r e 上建立了机组动念模型，分析了并网风电场对系统 频率和电压的影响。 以上文献针对不同的研宅目标建立了相应的风电机组动态模型，为本文模型 的建立提供了许多有益的帮豸，但对于如何建立满足变速风电机组控制目标的控 制系统，文章中并没有提供详细的说明。另外，从文献中我们还可以看出，对定 子磁通的准确观测是建立变运风电机组控制系统的基础。准确观测定子磁通必须 使用较小的仿真步长，所以选择适当的仿真平台也是建立模型的关键。此外，因 为研究内容的侧重点不同，文献中风电机组动念模型中各元件模型的详略程度也 有着较大的差别。一般来说。研究变速风电机组电压稳定性时，双馈电机模型需 按照5 阶模型考虑，3 阶模型可能会造成对变流器动作的误估计，并导致短期电 4 中国f u 儿科学研究院硕i ：学位论史 压稳定性研究结果出现偏差。以变速风电机组对宅两的注入谐波为研究目标时。 需要详细考虑变流器丌关动作。研究电网故障时，风电机组中机械部件的振荡现 象时需要详细考虑叶片几何形状及弹性特征等。根据研究目标的不同，对模型做 出合理的简化是建模之前必须明确的。本文第二章将对以并网风电场的电气特 性为研究目标时，风电机组各主要部件的建模方法进行介绍。 1 3 仿真平台的选择 为了加快仿真计算速度和突出主要矛盾。在分析电力系统稳定性问题时，现 有的电力系统分析计算程序一般都是忽略电力系统中各元件电磁暂念过程而只 计及机电暂念过程的仿真平台，如美国p t i 公司的p s s e 、美国通用电气公司的 p s l f 、中国电科院的p s a s p 与中国版b p a 等。以上软件在电力系统规划设计 以及在线安全评估等方面都发挥着重要作用。 变速j x l 电机组模型中带有复杂的控制系统，而该控制系统涉及到对电机定子 磁通的准确观测，因j l t ，如果在机电暂念仿真平台上建立变速飙电机组模型，则 会因为仿真步长较大而降低定子磁通观测的精确度，从而降低整个风电机组模型 的有效性。所以，在建立变速风电机组模型时通常选择电磁暂念仿真软件作为模 型搭建平台。众所周知，全世界范围内由加拿大曼尼托巴高压直流研究中心丌发 的电力系统仿真软件p s c a d e m t d c 在电力系统电磁暂态计算方面是最具权威 的计算平台之一，该软件友好的界面设计、可靠的计算结果、丰富的模型库等优 势使其成为了变速风电机组模型搭建平台的优先选择，需要特别指出的是，针对 近年柬弧力发电快速发展的要求，p s c a d r e m t d c 的模型库中专门增加了与风 电机缓相关的一系列模型，包括：风力机模型、机械传动系统模型以及考虑电机 定子绕组电磁暂念过程的双馈电机模型等。以上模型的存在更是为变速风电机组 模型的建立提供了非常便利的条件，本文所建模型即采用p s c a d ，e m t d c 作为 搭建平台。另外，国外已经出现风电场通过轻型直流( h v d cl i g h t ) 接入电力系 统的示范工程，可以预见，随着我国陆地和近海风电场的丌发建设，通过轻型直 流接入电力系统的并网方式必将会在国内出现，而p s c a d e m t d c 在直流系统 仿真计算方面的权威更是不容置疑，所以在p s c a d e m t d c 中搭建飙电机组模 型也可以为后续研究工作的丌展提供便利条件。 1 4 本文工作 f1 ) 作为研究工作的基础，首先介绍了以并网风电机组的电气特性为研究 目标时风电机组各主要部件的建模方法，并介绍了双馈电机的各类特性； 第一章绪论 ( 2 ) 针对变速风电机组中转子侧变流器、电网侧变流器以及直流连接环节 控制目标的要求，应用矢量控制原理得到了控制对象的数学模型。根据控制系统 性能指标的要求，应用p i 串联校币法设计出了整个变速风电机组的控制系统， 并按照恒功率因数控制模式的要求给出了变速风电机组的控制策略： ( 3 ) 应用设计完成的控制系统，在仿真软件p s c a d e m t d c 上建立了变速 风电机组的动念模型，并根掘变速风电机组控制目标与运行特性，分别校验了转 子侧变流器控制系统、电网侧变流器控制系统、直流连接环节控制系统以及模型 跟踪j 扎电机组最优功率曲线的能力： ( 4 ) 基于相同的算例系统，分析比较了同步电机、固定转速风电机组以及 d f i g 变速j x l 电机组在短路故障期i 日j 所提供短路电流的特性。分析了短路器 ( c r o w b a r ) 保护对d f i g 变速风电机组短路电流特性的影响。 6 中周i b 力科学研究院坝i ：学位论文 第二章变速风电机组主要部件建模方法 2 1 引言 采用双馈电机的变速风电机组( d f i g 变速风电机组) 动念模型主要包括以 下几大部分：胍力机的空气动力学模型、能量传输系统的机械传动模型、电气元 件模型( 即双馈电机模型、p w 电压源型变流器模型以及控制系统模型) 。图2 1 为d f i g 变速胍电机组的结构图。 a c ，d cd c a c 图2 1 带有双馈电机的变速恒频风电机组结构图 由i 所述，p s c a d e m t d c 的模型库中已经提供了风电机组模型中的风力机模 型、机械传动系统模型以及考虑电机定子绕组电磁暂念过程的双馈电机模型，因 此。只需将已有模型有机的连接起柬并在此基础上建立相应的控制系统就可以完 成d f i g 变速风电机组动态模型的建立。本文工作将主要集中在d f i g 变速风电 机组控制系统的设计上，作为论文研究工作的基础，本章将介绍d f i g 变速风电 机组中各组成部分的建模方法。 2 2 风力机的空气动力学模型” 帆力机捕获b 吨能并将其转化为机械能的过程是一个非常复杂的空气动力学 过程，要详细研究该过程需要用到叶素理论( b l a d ee l e m e n tt h e o r y ) ，而叶素 理论将会涉及到叶片详细的几何形状，显然这在工程研究中是不实际的。因此工 程中常用一种近似方法来模拟风力机的空气动力学特性。 以风电机组的电气特性为主要研究对象时，常采用下式来近似模拟风力机的 空气动力学特性，即 7 笫- 二章变速风电机纽主要部件矬模方法 b = 去c ，( ，a ) p a r2 v 之 ( 2 一1 ) 其中：只为风力机从b 叱中捕获的风能 w 。p 为空气密度 k g m ， ，r 为叶轮 半径 m ，为等效风速 m s ，b 为叶片桨距角 d e g ，旯：( o h 7 r r ，称为 v 删 叶尖速比：。为叶力机械转速i r a d s ，c 为风力机的功率系数。 对于给定的叶尖速比五和叶片桨距角，可用下式计算功率系数c 。f f 6 f 7 】： c ，( ，名) = 0 2 2 ( 1 1 6 一o 4 一5 o 弦t - 1 2 5 ( 2 2 ) 其中五= 1 o 0 3 5 五+ 0 o s p 口3 + 1 根掘不同的、z 取值由上式计算得到的c 。曲线如图2 - 2 所示： 图2 - 2c 。( 五，) 五关系曲线 由图2 2 可见，对于给定的叶片桨距角，不同的叶尖速比五所对应c 值 相差较大，同时对于给定的卢有且仅有一个固定的k 能使c 。达到最大值 0 ，一，再出五= o ) j ，7 p r 可得，在风速不断变化的情况下要保持五= ，必须使 r 州 】 。随着风速按照一定的比例( k ，= = ) 变化，只有在这种运行方式下才能 保证风力机捕获的风能最大、效率最高。风力机的这一特性决定了风电机组控制 指标和控制方案的设计原则，也是人们采用变速风电机组代替固定转速风电机组 的初衷之一。 8 中周i u 力科学研究院倾i ：学位论义 2 3 机械传动系统模型” 风电机组的机械传动系统模型通常有以下两种： 集总的单赁块系统 2 h i j 等旷t rd 舰(2-3) 其中，q 为集总系统的转速 r a d s ，瓦，、瓦为机械转矩和发电机的电磁转矩 n m 】，d ，一集总系统的阻尼系数 n m t a d ，h 为j x l 力机和发电机转子的联合惯 性时问常数i s l 。 两质块模型 2 h 、f 百d a ) t = t 、f k 0 , - d a f 。 2 h “等成- t e _ d 黻；( 2 - 4 、 鲁诅( 训 其中，k ，为主轴霉4 度 k g m2 s2 】，d ，和q j 分别为风力机转轴和发电机转子的阻 尼系数i n m r a d 】，h ，和日。i 分别为风力机转轴与发电机转子的惯性时| 日j 常数i s ， 哦表示电气转速 r a d s ，鼠为扭转角e r a d 。 一般而言，当风力机主轴刚度大于3 0 p u e 1 r a d 时，转速的波动会引起扭矩 振荡，不过扭矩振荡并不会对电气特性产生重大的影响。此时的传动系统可用集 总质量模型来表示。但是对于采用双馈电机的变速风电机组而言。轴系中通常 含有大变比的齿轮箱这种风力机的轴系柔性很大，应该按照两质量块模型来处 理。此外，电网扰动可能会导致轴系发生振荡现象，轴系的振荡对风电机组的正 常运行有着重大的影响；当轴系的振荡阻尼较小时，轴系的扭矩振荡幅值就会呈 现不断增加的趋势，必须在机组模型中反映这特征”j 。综合考虑以上因素，本 文中风电机组轴系模型采用两质块模型。 2 4 双馈电机与变流器模型 目前全球j x l 电市场中，占主流地位的变速风电机组大都采用双馈电机作为发 电机。f 是双馈电机自身的特性使得变速风电机组具有固定转速机组无法比拟的 优势，准确描述双馈电机的稳态与动态行为是建立变速风电机组模型的关键所 在，也是设计机组控制系统的基础。如何考虑机组中变流器的模型一直以来都是 人们争论的焦点，详细的变流器模型可以使整个模型更加接近于实际运行中的机 组，但同时也会大大延长仿真时刨，且降低模型的稳定性。 本节将详细介绍双馈电机的稳态与动态行为，并对该型电机的有关特性进行 9 第- 二章变速风i u 机组土爱部件业模方法 分析，在通用感应电机状态方程的基础上得出了双馈电机的三相状念方程：并应 用p a r k 变换导出同步旋转坐标系下的电机状态方程。此外，还介绍了变流器的 工作原理，并由此得出了变流器模型的一种简化方法。 2 4 1 双馈电机综述邮- 9 不同于普通的鼠笼式感应电机，双馈感应电机是转子滑环上带有背靠背式变 流器的绕线式转予感应电机( 如图2 3 所示) 。所谓双馈是指电机的定子绕组直接 与电网相连，而转子通过变流器也与电网实现了连接，此时电机定、转子绕组均 可与电网进行能量的交换。转子变流器的存在如同在电机转子电路上增加了一个 可控的外部电压相量，通过对该外部电压相量的控制可以使双馈电机实现变速运 行。一般而苦，稳念时转速甜，的变化范围为：从同步转速的一j o 到+ 1 0 ，动 态时可以达到+ 3 0 。风电机组的变速运行可以使其年有功输出增加约5 t5 1 。 势： 图2 - 3 双馈电机结构图 与普通感应电机相比，通过对转子变流器的控制可以使双馈电机具有以下优 可以通过转子电路出转子变流器进行励磁，而不需要像普通异步电机那 样由电力系统提供励磁： 通过独立控制转矩和励磁电流，可以实现对有功功率和无功功率的解耦 控制： 控制定子绕组发出的无功功率与发电机机端电压； 转速变化范围宽，在次同步转速和超同步转速时均可以处于发电状态， 提高了风电机组的效率。 1 0 中固i u 力科学究院帧i 。学位论土= 2 4 2 双馈电机稳态等值电路1 2 0 在普通感应电机等值电路的转子电路中加入电压源后就形成了双馈电机的 等值电路，如图2 - 4 所示( 图中转子各量均折算到定子侧) 。 r 灿丁j 。当揣播占。 iil 图2 - 4 双馈电机稳态等值电路 q s 图中，u ，( ，分别为定子与转子相电压e v ，e ，为转子的丌路相电动势 v 。 ，、，分别为定、转子电流e a 3 。与0 分别为定、转子电阻 q ，工、与分 别代表每相定、转子漏抗 q 。代表励磁支路电阻 q ，x 。代表励磁支 路电抗 q 。j 为发电机滑差e p u 。 根据图2 - 4 所示等值电路，应用基尔霍夫电压定律可得下式： u ，= ，+ 肛，- + ，( 2 5 ) 生：生f ? j x ? fr + er(2-6) jj 2 4 3 双馈电机运行特性分析”9 1 对于普通鼠笼式感应电机而苦，因为自身没有励磁系统，所以处于发电状念 时电机转速必须高于同步转速。再根掘其转速一转矩特性可知，发电机状态的鼠 笼式感应电机只可以运行在很窄的转速范围内( 额定转速的1 一2 ) 。双馈电 机不同于普通鼠笼式感应电机，它可以在较宽的速度范围内都处于发电机状念， 原因如下： 双馈电机实质上是一种绕线式转子感应电机，该电机除了定子绕组与电网相 连外，转子绕组通过背靠背式的变流器也与电网连接，此时双馈电机实际上已经 棚有了励磁系统。根据电机原理，在三相对称绕组中通入三相对称交流电。将在 电机气隙中产生旋转磁场，且旋转磁场的转速与所通入交流电的频率以及电机的 极对数有关，即： 第一章变速风, 0 i l 纽土舞部件建模方法 tr：60f,(2-7) p 上式中，一，为电机转子绕组通入频率为f 的三相对称电流后所产生的旋转磁场 相对于转子本身的旋转速度，p 为转子极对数。 由式( 2 7 ) 知，改变，即可改变胛，而且改变转子三相电流的相序还可以 改变旋转磁场的旋转方向。因此，设胛为对应于电网频率为5 0 h z 时感应电机的 同步转速，若取疗为转子本身转速，则只要维持胛行，= y 。，那么感应电机定子 绕组的感应电势就如同步电机一样，其频率维持5 0 h z 不变。 若取感应电机的滑差率为： j ：垒二兰，则双馈电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： 打。 ，= ，s( 2 - 8 ) 式( 2 - 8 ) 表明，当感应电机以变化的转速转动时，只要在转子的三相对称 绕组中通入滑差频率的电流( 即，= 工s ) ，那么就将在定子绕组中产生5 0 h z 的恒频电势，而不管转子转速是否大于同步转速。 2 4 4 双馈电机的能量传递”q 次同步运行 双馈电机在次同步运行时可处于发电机状念的前提是，在转子三相绕组内通 入的电流所产生的旋转磁场方向应与转子转向相同，且满足式( 2 - 8 ) 要求；所 以，电机处于次同步发电模式时，能量传递关系为：电机轴上的机械功率与加在 转子上的转差功率都以电磁功率的形式送到定子侧，扣除损耗后馈回电网。 同步运行 同步运行时有7 1 ，= 疗。，此时加在转子上的转差功率为0 ，所以定子侧的电磁 功率都来自电机轴上由原动机提供的机械功率。 超同步运行 超同步运行时，为了满足式( 2 - 8 ) ，此时加在转子上的旋转磁场的转向与转 予转向相反。所以此时的能量传递关系为：原动机产生的机械功率，一部分以电 磁功率的形式直接由定子馈回电网，另一部分以转差功率的形式，由接在转子上 的变流器馈回电网。 2 4 5 双馈感应电机无功功率调节批 由图2 - 4 双馈电机的稳念等值电路图，可以看出气隙磁场的励磁电流从定子 1 2 中国i 乜力丰 学研究院琐i j 学位论义 和转子两方面得到。又因为定子磁场与气隙磁场之问存在着串联关系，则可认为 定子磁场的励磁电流也从定子与转子两方面得到。因为定子与电网相连，此时可 认为定子磁场保持恒定。在这一约束条件下，可以通过控制来自转子侧的励磁电 流来调节电机定子从系统中吸收的无功功率。从而起到了调节双馈电机功率因数 与机端电压的作用。 2 5 双馈电机动态模型”2 2 双馈电机动，奈模型包含以下内容： ( 1 ) 用状态方程式表示的双馈电机模型： ( 2 ) 对有功功率与无功功率实现解耦控制的变流器控制系统的表达式： 本节将给出用状态方程式表示的双馈电机模型。变流器控制系统模型将在第 三章详细介绍。 2 5 1 三相电机状态方程式 双馈电机与普通感应电机的区别仅在于后者的转子回路中接入了幅值和相 角均可调的外部电压相量，故可通过对普通感应电机的状态方程做出相应的修改 后得到双馈电机的状叁方程。在给出电机状念方程之前，假设有以下条件成立： ( 1 ) 电机定、转予- - f l 绕组完全对称； ( 2 )电机定、转子表面光滑无齿槽效应： ( 3 ) 电机气隙磁通在空| 日j 按照币弦分布； ( 4 ) 铁芯的涡流饱和及磁滞损耗忽略不计。 若取定、转子电磁量的正方向符合电机法则。则双馈感应电机的基本电磁关 系如式( 2 9 ) 所示： 甜= r f + p v ( 2 - 9 ) 上式中：“= - 。，“- r a “， “。17 ， f = 【f 、。f 、 ，f 、。，f 。f m ，i 。】j ， r = d i a g ! r 、，r 。，r ，r ，r ，r ， 7 少制_ ：篇 ： 式( 2 - 1 0 ) 中，各子矩阵和子相量分别为： y ，= 9 。，9 n 。】7 少，= 【。，9 , b 吵。】1 第_ 二市变速风l 乜机组主璺部件建模方法 = 【f 。，i “f 。】。 i ，= i r ai m i 。r r 。m 。m 。1 l ：lm 。k 肘，l l m 、m kj 。m ，m r ：lm ， km ，i l m ，m ，oj 上。( 口) = l ，( 口) = c o s 目 c o s ( 口+ _ 4 7 ) j c 。s ( 臼+ _ 2 7 i ) c 。s ( 臼+ _ 2 7 ) j c o s 曰 c 。s ( 口+ 4 = _ 7 ) c 。s ( 口+ 4 - 1 ) j c 。s ( 口十娶) j c o s p 以上各式中，。、甜b 、。，“。、“r b 、“。，f 。、i m ，f 。，i 。、i t b 、f 。分男0 为 三相电机定、转子绕组的电压与电流，。、。、妒。妒。、为电机定、 转子绕组磁链，一。为三相电机定、转子绕组自感。m 、m ，为电机定子绕 组与转子绕组互感，m 、，为三相电机定转子互感，。，为随转子位置变化的三相 转子互感矩阵，曰为转子订相绕组与定子d 相绕组之间的夹角。 三相电机方程具有直观、物理意义明显等优点，但是出于方程中一些绕组的 自感和互感与转子的位置有关，所以基于此坐标系得到的模型将是一个变系数微 分方程组，这对分析和计算带来诸多不便。此时需要应用p a r k 变换原理将定、 转子电压、电流和磁链的三相分量通过相同坐标变换矩阵变换为d 、4 、0 三个分 量。进行p a r k 变换时，可以选择将d 、q 轴放在定子上、转子上也可以放在旋转 磁场上，还可以放在某一变量，如电压、电流或磁通的方向上，这样就导致了不 同的坐标系和控制方法。本文选择将d 、印轴放在同步旋转坐标系上来建立电机 的状态方程。 2 5 2 同步旋转坐标系下的电机状态方程 根据前面分析，对三相电机方程中的定、转子各状态量分别按照式( 2 一1 2 ) 与( 2 - 1 3 ) 进行p a r k 变换。 k 一2 ，l “c o s n o 口“c o s n 。- 1 2 ：0 z 1 4 。0 8 ( 口+ 1 2 0 。) f( 2 1 2 ) 一s i n ( e 4 - 1 2 0 。) l 中嗣电力科学研究院坝i ：学位论文 只，：三lc o s ( o 一只) c o s ( o 只一1 2 0 。) c o s ( o 一只+ 1 2 0 i ( 2 一1 3 ) ” 3l s i n ( o 一统) 一s i n ( o 一只一1 2 0 。) 一s i n ( o 一易+ 1 2 0 ) ”一 式中：口为同步旋转坐标轴中d 轴与定予d 相绕组夹角。p 为转子口相绕组与定 子a 相绕组之间的夹角，且q 轴超前d 轴9 0 。 经过p a r k 变换后，得到的同步旋转坐标下的电机电压方程为： h 。= 訾吨t 。 驴警地。 廿= 警咆叫加，+ ，。 圹等+ ( ( 0 ，- - ( - o r 帆帆 上式中：。为坐标系旋转角速度，此时等于同步转速峨，街，为转子旋转角速度a 相应的磁链方程为： 式( 2 1 5 ) 中：，= 厶+ 厶，= 厶+ 乙，l = 3 2 l 。：其中：乙为定、转子 互感幅值，k 、“分别为定、转子每相漏感。 式( 2 1 4 ) 与( 2 1 5 ) 构成了双馈电机在同步旋转坐标轴下的状态方程。需 要说明的是：因为双馈电机的中性点不接地，所以零轴分量不产生跨过气隙的基 波磁通，也就不出现在转矩表达式中，因此在分析中将其略去不计。 2 6p w m 电压源型变流器模型 变流器是实现变速风电机组诸多优越性能的保证，变速风电机组也因为变流 器的存在而使其不论在稳念运行还是暂，奁过程中都与固定转速风电机组存在较 大差异，变速风电机组动态模型中必须反映变流器对变速风电机组电气特性的影 响。 变流器经历了从最初的六脉冲、十二脉冲交直交变流器到现在采用p w m 控 制技术的电压源型变流器的发展过程，图2 5 给出了六脉冲变流器与p w m 电压 源型变流器的结构图。 与早期的变流器相比，采用p w m 控制技术的变流器具有以下主要特点1 2 3 2 4 1 ： $ g ，协协如：哳 厶“ + + + + 0 0 0 l l l 厶 = | i = = 第一二幸变速风f 乜机纽主要部件建模方法 ( 1 )可以得到相当接近正弦波的输出波形，减少了注入电力系统的谐波； ( 2 ) 可获得接近1 的功率因数； ( 3 )整流器与逆变器之间的直流环节可看作为理想直流电压源： ( 4 )采用绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 作为开关元件，开关频率高( k h z ) ； ( 5 )只用一级可控的功率环节，电路结构较简单： ( 6 )通过对输出脉冲宽度的控制就可以改变输出电压，大大加快了变流器的 动态响应。 x 7 弋 l5 7弋7 7 弋 l1 1 l g l 一c 一c 一c _ i g 21 2 = i g 31 3 = = 弋7 弋 5 7 弋 lsl5 7 一c 一 忡 c d 爵0 玑、 电 u o k j 二i i - 一 _ _ _ 嗥乙0 v 厶乙乙0 图2 - 5 六脉冲变流器与p w b l 电压源型变流器结构图 d f i g 变速j x l 电机组中的p w m 电压源型变流器主要包括：转子侧变流器、 电网侧变流器以及直流连接环节，以上各部分在整个变流器系统中发挥着不同的 作用，关于这一部分内容将在后面的章节中再进行详细的介绍，此处只给出d f i g 变速风电机组动念模型中变流器模型的一种考虑方法。 在建立变流器模型之前。首先对变流器在风电机组运行中所起的作用给予简 要的说明。p w m 电压源型变流器的主要作用是尽可能完整的复制来自变流器控 制系统的参考电压波形，从而保证对变速风电机组实施的各类控制。而变流器复 制控制系统参考电压波形的过程是通过参考电压波形与三角载波调制后产生的 s p w m 波控制i g b t 开关来实现。 1 6 l ： 巨 中周i u 力科学研究院顾l ：学位论文 电力电子元件的丌关动作处于很高的频率，如果详细描述变流器丌关动作的 话，就需要非常小的仿真步长，这样就会大大降低仿真速度。另外，本文主要研 究变速风电机组与电力系统之i 日j 的相互影响，而不是变流器本身。鉴于以上因素， 本文采用一种不带具体开关的所谓“均值变流器”( a v e r a g em o d e l ) 的变流器模 型来描述。采用以上假设的变流器模型可以在满足仿真结果精度要求的前提下采 用较大的仿真步长，提高仿真速度。 综1 - 所述，变流器的模型可简单的看作为一个将控制系统给出的电压波形联 系到电机转子上的通道。 2 7 小结 本章介绍了d f i g 变速风电机组的各部分模型，包括风力机模型、机械传动 系统模型、双馈电机模型与变流器模型，其中风力机模型、机械传动系统模型、 双馈电机模型在p s c a d e m t d c 中已经提供。对于变流器模型，本章介绍了其 工作原理，并说明了在以风电机组与电力系统之日j 的电气影响为研究内容时，可 以采用不带具体丌关动作的均值模型。以上这些内容是本文研究工作的基础。下 一章将主要研究如何建立变速风电机组的控制系统，这也是本文的重点内容。 1 7 第三章变速风i b 机纽栉制系统研究 3 1 引言 第三章变速风电机组控制系统研究 相对于固定转速风