对于生产限制的双馈风力发电机组的控制系统.doc

上海大学 2010-2011 学年 春 季学期研究生课程考试小论文课程名称： 现代运动控制及其应用 课程编号： 091103911 论文题目: 对于生产限制的双馈风力发电机组的控制系统 研究生姓名: 王小海 学 号: 10721028 论文评语:成 绩: 任课教师: 沙立民 评阅日期: 对于生产限制的双控风力发电机组的控制系统王小海摘要：当前，基于风力涡轮机的双馈异步发电机在发电厂中有着广泛的应用，因为它可以实现变速操作和进行有功功率和无功功率的解耦控制。现在，这些风力涡轮机操作的时候没有发电量的限制。但是随着风力发电在电力系统的渗透，风力发电厂必须在电力系统操作员所设置的生产限制的条件下运行来维持电力网络的稳定性。在这篇论文中，通过增加功率限制，对于有空和无功功率的控制情况下提出了一个新的双馈风力涡轮机的异步发电机。这个控制系统提出了有功功率控制器、无功功率控制器、桨距角控制器，目的是操作风力涡轮机使得功率的效率最好。这个控制方法提供双馈异步发电机能够得到更好的电网整合。关键字：双馈风力发电机；有功功率控制；无功功率控制；桨距角控制 Control System of Doubly Fed Induction Generators Based Wind Turbines With Production LimitsWANG Xiao-hai(School of Electrical Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: Doubly fed induction generators based wind turbines are today one of the most widely used generation systems in wind farms due to the ability of variable speed operation and with decoupled control of active and reactive power. Nowadays these wind turbines are operating without generation limits, but the increasing wind power penetration in power systems must lead to that the wind farms have to operate with production limits imposed by the electrical system operators to maintain the stability of the electrical network. In this paper, a new control system of doubly fed induction generators based wind turbines is proposed for the control of active and reactive powers according to the imposed power limitations. This control system presents an active power controller, reactive power controller and pitch angle controller, in order to operate the wind turbine with optimum power efficiency or with limited active power and the demanded reactive power. This generation control provides a better grid integration of doubly fed induction generators.Key words: DFIG; control of active powers; control of reactive powers; pitch angle controller 1 介绍风能是一种用来发电的可再生能源，主要使用风力涡轮机把风能集中到风力发电厂，然后把流动的空气转换为电能。风能是增长速度最快的能源，以每年30%的速度增长，到2020年，风能发电将占到整个全球电力需求的12%。其中在风力发电系统使用最广泛的是双馈风力异步电机（DFIGs），它包括四象限交流-直流-交流功率变流器与转子绕组相连的。风力涡轮机表现出突出的优点，比如变速发电，有空和无功的解耦控制，机械应力的减少，噪声的减少，系统的有效性和功率的质量的提高。现在，DFIGs的风力发电厂操作运行使得在低于正常风速的时候得到最优的功率效率。对于额定功率来说，输出功率有限制。尽管风力发电厂在一些特殊的情况下发电量会自动的减少，随着系统操作员的命令，目的是维持电力网络在风速比较高的稳定性。增加风力发电在发电系统中推广意味着风力发电厂逐渐取代了传统的发电厂。因此可以预见风力发电在整个电力网络中将会起到积极的作用，主要是通过有功和无功功率的调度计划来发电和电压控制。变速风力发电机组的优越性在于:低风速时能够随风速变化,在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能;高风速时利用风轮转速的变化,存储或释放部分能量,提高传动系统的柔性,使功率输出更加平稳。变速风力发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,主要是调节发电机反力矩使转速跟随风速变化,以获得最佳叶尖速比,因此可作为跟踪问题来处理;在高于额定风速时,主要通过变桨矩系统改变桨叶节矩来限制风力机获取能量,使风力发电机组保持在额定状态下发电,并使系统失速负荷最小化。DFIG控制中一个很重要的策略是对于低于正常风速的情况基于最低功率效率来获得最优的功率。对于经济开发条件来说这种操作方式保证了风力涡轮机的最优发电，使得所有的能量都可以传到电网中。但是比较高的风力发电渗透在发电厂中必须要求DFIGs风力涡轮机在发电限制的条件下操作，包括有功和无功功率，需要依靠发电能力和网络功率的需求。在这个系统中，DFIG风力涡轮机通过使用转子电流的q轴分量作用于叶片俯仰角转矩来调整发电机的速度。无功功率的控制主要使用转子电流的d轴分量来控制的。 在这篇文章中，我们提出了新的DFIGs控制系统，我们准许在给定的生产限制的情况下实现有功和无功的控制。DFIG双馈风力发电机组已被建模成为的三阶异步发电机模型并且双向功率转换器建模成为两个受控源。提出的控制系统有三个控制器。1、有功功率控制器作用在转子电压的q轴分量来控制有功功率；2、无功功率控制器作用在转子电压的d轴分量来控制无功功率；3、叶片桨距角控制器来改变叶片的桨距角度来限制发电机的速度。2、DFIG风力涡轮机图1 DFIG 风力涡轮机结构图双馈风力发电机采用了绕线式转子异步发电机，定子绕组直接给出了电网耦合，双向功率转换器输送给转子绕组，组成了两个后端到后端的IGBT的直流母线相连的桥梁。这种感应发电机由一变速器耦合风力涡轮机转子，因为风力涡轮机的和发电机速度范围的不同。图1中给出了DFIG风力涡轮机的结构图。 通过功率逆变器的控制，DFIG风力涡轮机可以通过对电力系统电力频率和转子机械频率的解耦在不同的速度下运行，这使得风力涡轮机速度作为风速的函数来调整使得输出的功率最大。DFIG结构使功率可以通过转子还有定子测传输到电网成为可能。传输的转子和定子的功率可以根据下面的式子得到： （1） （2）其中Pr是功率通过逆变器传到转子，Ps是通过定子测的功率，Pm是机械功率传递到发电机，s是转差率。当风力涡轮机运行在低于同步速的时候，转子将会从电网中获取功率。当高于同步速的时候，转子将会产生功率，功率通过转子和定子传递到电网。因此，s的变化范围决定了转子电路测逆变器的大小，它的大小是额定功率的一部分，典型的选取s为25%。除了这些，连接在转子绕组上的功率逆变器的合适控制能够对发电机有功和无功功率实现解耦控制。2.1 DFIG风力涡轮机的模型A、 风力涡轮机风力涡轮机转子把风力转换为机械功率，从风力中获得的机械功率可以由下下面的式子表示 （3） （4）为风轮吸收的功率，为空气密度，为叶尖速比，为桨距角，为风能利用系数，它是和的函数，A为风轮扫过的面积。是风力涡轮机转子速度还有R是风力涡轮机的半径。 如果转子速度还有是最大的时候，那么从风力当中所获得的功率也是最大的，这个发生在叶尖速比试确定的情况下。DFIG风力涡轮机的控制系统保证了风力涡轮机的可调速运行为了在风速变化范围内获得最大的输出功率，根据功率-速度最优特性曲线 （5）在风速比较大的时候，考虑到风力涡轮机的输出功率限制在额定功率的情况，功率速度曲线被截断成额定功率。这个功率-速度曲线作为DFIG风力涡轮机一个动态的参考，保证了在低于正常风速的情况下风力涡轮机可以在最优功率效率下运行，在高于正常风速的情况，风力涡轮机可以使输出功率限制在额定值下面。除此之前，DFIG风力涡轮机使用桨距角控制来限制从风力中提取功率。B、发电系统 1）、异步发电机DFIG风力涡轮机的异步发电机的动态性能可以由异步发电机的5阶模型详细的表示或者是3阶模型，或者是1阶模型。在这篇论文中，异步发电机由3阶系统表示，这在电力系统中是很普遍的。这个系统包含3个微分方程，2个是电力等式，第三个是机械等式。这个模型表示为dq坐标系以同步速选择，在d轴对应的位置有最大的定子磁通，这样就实现了有功功率和无功功率的解耦控制。接下来的讨论将会给出两个电力等式，按照发电机的习惯，当电流流入电网的时候是正的，有功和无功功率输送到电网的时候也是正的。这里的u代表电压，i代表电流，d和q表示dq坐标系，s和r表示定子和转子，和是异步发电机的内部分量，是同步速。定子电抗，定子瞬态电抗和瞬态开关电路时间常量是其中是定子和转子的电阻，是定子和转子的漏抗，是励磁电抗。机械微分方程的等式如下：是发电机的机械转矩，是发电机的电磁转矩，H是惯性常量，是发电机速度。发电机的电磁转矩可以由下面的式子表示：2） 变流器双向功率变流器包含了两个有直流总线连接的变流器。一个变流器连接到转子绕组和另外变流器连接到电网。在这篇论文中变流器考虑成理想的，连接两个变流器的电压是常量。这样就假设了变流器的解耦仅仅考虑最为基本的功率元素。转子测变流器在理想的无功功率中运行驱动风力涡轮机，在低于正常风速的情况下风力涡轮机可以在最优功率效率下运行，在高于正常风速的情况，风力涡轮机可以使输出功率限制在额定值下面，变流器通过作用在转子测电流分量来实现有功功率和无功功率的解耦控制。这样，DFIG风力涡轮机的发电控制可以通过改变转子测电压来实现。这个变流器可以用一个受控电流电压源来建模。为了决定转子电压的d轴和q轴分量，控制系统提出了两个控制器，对于每个电压分量的每个控制器都有转子电流的串级控制。供给测变流器维持从转子电路和电网交换功率。因此DFIG风力涡轮机仅仅通过定子绕组把无功功率传递到电网。这个变流器通过一个受控电流源来建模。上面描述的DFIG风力涡轮机的放电系统可以分成定子和转子两个部分。 功率变流器中的有功和无功功率传递到电网的可以表示为：因此，DFIG风力涡轮机传递到电网的有功和无功功率为：DFIG风力涡轮机的等效电路由下图表示。图4 DFIG风力涡轮机的控制系统3 DFIG风力涡轮机的控制系统DFIG风力涡轮机的控制系统的目的是控制输出功率来跟踪风力涡轮机使在最优功率运行，在风速比较大的时候把输出功率限制在额定功率上或者当生产限制设置好的时候得到一个限制功率值，来控制无功功率传递到电网上。为了这个目标，DFIG风力涡轮机的控制系统可以由三个控制器来表示，有功功率控制器、无功功率控制器和桨距角控制器。 有功功率决定了转子电压的q轴分量来控制输出功率。为了定义参考输出功率，这个控制器根据功率-速度曲线使用了实际的转子速度。这样风力涡轮机可以变速运行，在低于正常风速的情况下可以从风力提取的功率最大化或者输出功率限制在额定功率。此外，控制器允许风力涡轮机在生产限制下运行，使用功率限制作为参考值。控制器中主要有两个控制回路。一个外部控制回路调节有功功率，主要是定义了参考的转子电流的q轴分量。内部控制回路主要调节转子电流决定了转子电压的q轴分量。无功功率控制器决定了转子电压的d轴分量，目的是为了风力涡轮机在期望的功率因素下运行。控制器包含3个控制回路：一个外部的控制回路调节无功功率决定了参考的发电电压。一个子电压控制回路定义了参考的转子电流d轴分量目的是保证产生的电压在限制之内，当尝试到达参考无功功率的时候。一个内部的控制回路调节转子电流，定义了应用在DFIG风力涡轮机上的一个转子电压的d轴分量。桨距角控制器调整桨距角为了减小功率因素，这样可以从风力当中获取功率当发电机速度可以到达控制速度的时候。这样，桨距角控制器阻止了发电机高速度运行，风速低于正常风速或者在生产限制条件下，风力涡轮机运行在输出功率限制在额定功率额定功率。当发电机速度低于控制速度时，控制器使桨距角维持在一个最优值，这样风力涡轮机运行在最优功率效率上。图3 DFIG风力涡轮机的控制系统4 仿真结果A、案例仿真 上述的控制系统通过在不同的操作条件下仿真一个与电网相连的660kw的DFIG风力涡轮机来进行评估。 对于低于正常风速的情况下达到最优的功率效率。 对于低于正常风速的情况下输出功率限制在额定功率。 对于高于正常风速的情况下输出功率限制在额定功率的一半上。 有了这个目标，风力涡轮机在在传入风速的时候的仿真图如图4所示，相对于低于正常风速来说的（正常风速为11.5m/s）在前面30s的时候，在剩余的时间是高于正常风速的。在仿真的例子中，在70s的时候，DFIG风力涡轮机运行时的有功功率限制在额定功率下。在t=70s的时候，DFIG风力涡轮机收到了一个参考有功功率的下降直到0.5pu为止通过一个斜率为0.1。此外，参考无功功率等于0在1000s的时候，在100s的时候当参考通过斜率0.1下降到0.1pu。B、仿真结果仿真结果如下所示：当风速低于正常速度的时候，DFIG风力涡轮机产生的功率低于额定功率（图5）。并且发电机的速度是可变的（图6），使发电机运行在最优的功率效率（图7）。桨距角维持在最优的值上（图8）。 当传入的风速超过了正常风速并且没有给出有功功率限制的时候，DFIG风力涡轮机产生了额定功率，因为有功功率控制器限制了有功功率到额定功率，根据功率-速度最优特性曲线。桨距角控制器调整桨距角来减小功率参数并限制发电机的速度。如果功率输出受限制（在70秒以后），DFIG减小有功功率到参考值，通过作用在有功功率控制器和桨距角控制器来增加桨距角来减小从风力中获取功率，从而可以阻止发电机高的运行速度。无功功率控制器允许DFIG风力涡轮机在70秒之前运行在单位功率因素。并且在剩余的仿真中产生一个0.1pu的无功功率，对加在DFIG风力涡轮机上的无功功率进行跟随。5 结论 这篇论文提出了DFIG风力涡轮机的一个新的