【《双馈风力发电机的构成及建模分析综述》5400字】

I双馈风力发电机的构成及建模分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u30416双馈风力发电机的构成及建模分析综述 1132391.1风机工作原理 1185911.2双馈式风电机组构成 372931.1.1风轮及控制模型 3186461.1.2变流器控制器 3278721.1.3有功功率控制模型 5252661.1.4发电机/变流器模型 69891.1.5高/低电压保护控制 6243601.3双馈风机的数学模型 8319591.4仿真平台搭建模型 944211.4.1PSASP仿真平台的介绍 9222641.4.2基于PSASP的模型搭建 10风力发电机类型主要包括恒速鼠笼、双馈和直驱风机三种。恒速鼠笼风机投运较早，目前的市场占有率在下降，但仍然有大量机组在运行；双馈风机和直驱风机是目前风力发电系统中的主力机型，应用广泛。 本文主要研究双馈风机，故下文对双馈风机的模型进行分析。1.1风机工作原理 双馈式感应风电系统的机组(doubly-fedinductiongenerator,dfig)定子绕组直接与系统换流器相连,转子绕组由两个通过双向的变频器和电网进行连接,进而自动控制风机的有功、无功等输出,这种系统的结构类似于定桨距离传递失速型风机在设计上具有较高的风能综合利用效率,转子励磁的方式下使得所需的变频器容量仅仅是整个机组最终额定功率的组成部分,使整个系统的造价大大减少。双馈式感应风电机组基本结构如图2-1。图2-1双馈式感应风电机基本结构图 Pmech是风机输入的机械功率，Pl是风电机定子输出的电功率，Pr是转子与电网之间传输的电功率。由于风机在不同风速下会产生不同的效果，一般双馈风机的正常运行分为两种情况。 （一）当风速值低于风速阈值,发电机的转速n小于定子磁场的同步转速n1,这时电侧的变频器处于同步整流状态,转子侧的变频器是否处于逆变状态。电网侧由一个通过变流器将转子输出并给其转差的速率P 此时DFIG向网侧输出的功率公式为： P 由上式可知,定子绕组在转子电网中输入的机械功率主要包括在转子轴上的电动功率Pmech和在变流器中输入的转子绕组功率P （二）如果电机当前的风速控制值高于电机风速控制阈定的值,则风力发电机转速值n远远大于一个定子旋转磁场的高速同步整流转速n1,这时候在电网测变频器正好处于逆变状态,转子侧的变频整流器就是直接处于一个高速整流的逆变状态。发电机的驱动转子向整个电网输出检测其电机输出的定子转差驱动功率,此时双馈驱动风机向整个电网的转子输出检测转差驱动功率：P 由上式所述可知,转子驱动轴上的一个机械驱动功率电流是由一个定子驱动绕组和一个转子功率传递器供给双馈电网。1.2双馈式风电机组构成 双馈直驱式和通用电力风电驱动机组两种模型对传统风力发电驱动机组系统中的部分部件进行了设计改造和结构简化,忽略了这些部分的风电换流器和风电变频器的各种动态电流工作控制过程,风电驱动机组以直流电抗后者所形成的电流可控制大电压源,模型详细地准确模拟了风电机组自动控制风电系统的各种动态工作特性。 1型双馈风电模型实际上是在双馈直驱风电机组通用模型基础上，细化了风轮及控制模型、变流器电气控制模型，以及发电机/变流器模型，增加了高/低电压穿越保护功能。1.1.1风轮及控制模型 对于一般采用改变桨距的自动化变速风机而言,其控制的目标之一便是尽量从风能中提取到更多的效益且不会超过装置的额定值。 实际上在运行中及应用中对于高风速叶轮机风速控制的基本原理和控制方法主要描述有:一般原理是当其所控制的叶轮风速远远于或高于额定的最大风速时,通过自动变速调节其所控制的风轮叶片轴与桨距间的角长度来使所能接受到的最大机械传动功率乘以Pmech为一个额定值,风速远远于或低于这个额定值时,桨片轴距间的角被自动设置在最小的额定值以便迅速获取最大机械功率。桨距和倾角的精确控制对于其在动态光学仿真中的结果也会有很大量的影响。 风轮控制模型传送一个功率控制信号到电气控制模型，要求变流器按照控制信号传送指定功率到电网中。当功率超过额定值，转子速度将主要由桨距角控制，允许转子速度短时超过参考值1.1.2变流器控制器 该模型通过风轮模型输出有功控制信号（Pord）和无功控制模块的信号（Qord）控制送入系统的有功功率、无功功率。Qord有几种确定的方式，可以由电气控制模型的电压无功控制模块给出，也可以是一个恒定值也可以是由功率因数计算得出。 整个模型框图如图2-2所示。、图2-2双馈风机无功控制和电气控制模型 （一）无功功率控制模块 无功电压控制模块跟踪监视指定的母线电压与参考电压的差异，并根据差异做出无功控制调整。调节器本身是一个PI控制器。用时间常数Tc来反映了整个闭环的时间延迟、风机的通信时延、风机控制的附加滤波时延。时间常数Tr则用电压量测滞后来表征。 I环节增益Kpv和Kiv可根据实际风机情况作修改，使得风电功率随着风速波动而波动，提供良好的电压特性。无功下垂控制如下图所示，它是一个动作相对较慢的控制功能，当无功功率变化时该功能控制减小电压参考有效值（Vrfq—Vqd）。这提高了多重功能控制相同母线电压之间的协调性。默认情况下，无功下垂控制是无效的。输入这个模块的无功功率为风机发出无功。 （二）电气控制模块 电气控制模块简化了实际风机的变流器控制系统。电压无功控制功能通过跟踪发电机无功功率Qgen和机端电压Vterm计算出确定无功功率控制的信号Qcmd的电压控制信号E"qcmd。Qcmd与变流器输出的无功功率比较，差值进行Kqi倍的积分放大，得到参考电压值Vref。为使Qgen接近给定值，不得都不将Vterm设置为闭环控制。电压偏差则使用一个比例积分环节得到电压命令信号E"qcmd。（直驱式风力发电机组是无功电流控制命令IQcmd）其增益的大小决定了与电压控制环节有关的有效时间常数。如系统故障电压跌落，就会导致出现一个较大的瞬时电压差值和一个增大的无功控制信号。1.1.3有功功率控制模型 APC模型是有功功率控制的一个简化模型，这个功能是风场管控系统的一部分。APC主要的控制目标是：保证风电场最大的有功输出产生的功率比额定值少时确保留有一个指定的裕度确定一个风场功率爬坡速度限制对系统频率扰动做出响应。 默认情况下，APC模型是无效的。通过设置apcflg=1启动该功能。在正常运行情况下，系统频率正常波动，APC控制既可以保证风机最大的功率输出（Pmax），也可以输出比额定值小的功率，保证留一个指定的裕度，如从风功率中获取95%的有效功率。频率波动响应后，APC控制转入另外一种模式，通过频率响应曲线计算出一个风场功率的控制信号作为系统频率控制的响应。这种控制功能需要在系统低频的情况下获取一个高于正常功率的功率控制信号，而在系统高频的情况下获取一个低于正常功率的控制信号。风电场在系统失去其他发电设备时发出更多的功率，当系统失去部分负荷时减少功率输出。图2-3给出一个频率响应曲线的实例。响应曲线上A到D的值被设置成特定的值以满足主网特殊的性能需求。PD的值需要大于或等于最小功率，具体下文中做介绍。Fb值必须小于1，而Fc值必须大于1。图2-3频率相应曲线实例 频率响应曲线模块的两个主要输入分别是有效功率（由风速、Cp曲线和常数Kb共同决定）和风机机端母线频率。正常频率时，风电场输出的最大功率乘以系数Pbc，得到功率设定值Pset。这个功率设定值与给定的上下限Pmin、Pmax比较。当频率波动时，根据频率响应曲线得到功率系数，乘以由风电场最大有功功率计算得到的功率设定值Pset。在所有的频率调节下，最大功率设定值PsetAPC作为两个功能模块的输入，一个是桨距角补偿功能模块的输入，另一个是功率响应速度限制函数的输入。1.1.4发电机/变流器模型 该模型属于双馈式异步风电机组的模型,对于发电机组各部件进行了精确的简化,一定程度上改善了变流器在动态运转中的作用。发电机/变流器的网络模型,相当于一台的发电机和互联网侧的一个变流器,提供了一台的发电机和网络接口。与我们目前传统的的风力机电子模型不同,该电子模型中不一定可能囊括包含任何一台风力发电机及其转子的任何机械运动状态变量,这一重要组成部分数据可以用传统风力机的电子模型中数据进行具体描述。发电机驱动模型从整个系统中自动分别读取一定的直流电压注入vterm,根据系统电气控制管理单元自动提供的一个控制变量v，E``qcmd,Ipcmd计算每一个电压注入电流到指定并网工作地点的额定电流v和i 由于变流器一般采用控制策略来限制过电流，防止变流器在低电压过程中的过电流，并在故障结束后的恢复过程中对有功和无功功率进行特殊的限制。模型根据不同机型自动选择了不同的低电压及恢复过程的功率控制功能。低压有功控制模拟实际系统的快速调节器及变流器锁相环控制功能，可以快速的跟着系统故障，降低有功功率输出，减轻系统压力。这个有功电流控制信号具有顶值限制和爬坡速度限制，最大爬坡速度限制（rrpwr）对低电压穿越后功率恢复的速度进行了限制。高压无功控制模拟快速调节器和变流器的锁相环控制，故障过程中无功过大，可以快速调节以减少无功电流，限制机端电压升高。机端电压限制在额定值的1.2倍以内，无功电流限制在风机额定值范围内。1.1.5高/低电压保护控制 发电机模型包括了高电压和低电压保护控制。低电压保护逻辑可以通过设置低电压穿越（LVRT）曲线实现。这个边界条件限制和耐受时间限制会随着不同的工程项目有变化，因此为了满足不同的并网导则和并网协议的要求，低电压穿越曲线设计成可以根据实际要求作修改的形式。 风机高、低电压穿越切机保护曲线如下图2-4与图2-5。 实际应用中采用的高电压保护和低电压保护曲线如图2-6与图2-7所示。当机端电压在低电压保护曲线以下时，低电压保护动作；当机端电压在高电压保护曲线以上时，高电压保护动作图2-4风机高电压穿越切机保护图2-5风机低电压穿越切机保护图2-6低电压保护曲线图2-7高电压保护曲线1.3双馈风机的数学模型 双馈风机的方程系统包括2个电压方程，2个磁链方程和1个运动方程，具体方程如下所示： 电压方程：uu其中：us为定子侧电压，rs为定子侧阻抗，is为定子侧电流，ψs为定子侧磁链，uR为转子侧电压，rR为转子侧阻抗，iR磁链方程：ψψ其中，ls为定子侧自感系数，lR为转子侧自感系数，其中我们定义电感系数为：ll运动方程：dω其中ψRd为转子定向在d轴的磁链，iSq为定子定向在q轴的电流，ψRq为转子定向在q轴的磁链，i1.4仿真平台搭建模型1.4.1PSASP仿真平台的介绍 现代电力工程师研究电网系统时，总是离不开电力系统仿真软件，利用这些现代电力系统仿真软件可以模拟仿真出电力系统的各种静动态数据，潮流分布，故障动作分析等。随着电力工程师们的各种需要，拥有不同功能的电力系统仿真相继被开发出来勇于电力系统仿真。主流的电力系统仿真软件有如下几种。 EMTP软件主要时用于电磁暂态仿真软件，它拥有运算精度高，功能丰富等特性，一般用于预测系统故障后的各种变量规律，为研究系统控制策略提供研究方向。PSS/E是一种入门比较难的仿真软件，但是由于其人性化的交互以及用户自主开放程度较高受到较为专业的电气工程师的喜爱。MATLAB对于拥有大量数据的研究更有效，常用于电站模型或者电网系统模型仿真。PSCAD是一种收益全球的软件，全球大量电气工作者都用此软件进行电力系统仿真，其优点是其可将各种负责元件模型可视化，直观化。PSASP是一款具悠久历史的电力系统分析软件。其拥有自由度极高的自定义建模方式，可建模任何元件的模型来进行各种计算，它还具有直观方便的文本图形两种编辑模式，入手容易，使用简单，计算快速。 本文将选用PSASP软件进行双馈风机接入系统的仿真计算，主要有一下几个原因： （1）加大风力比例是当今电网的发展趋势，未来风电也必然成为发电行业的支柱产业，PSASP软件自带很多风电机控制模块，且改变同步机模型就能得到风机仿真模型，极大的方便了风机模型的搭建。 （2）PSASP支持自定义模型图以及图形，曲线，报表等各种形式输入的功能，PSASP能与EXCEL，AutoCAD，MATLAB等常用的软件分析工具互通，能充分利用各种资源来对仿真进行分析与探究。 （3）PSASP仿真软件元件模型库齐全，且暂态稳定计算式其主要功能之一，适合用于分析电力系统遭受大干扰后，系统同步运行稳定性的问题。1.4.2基于PSASP的模型搭建 PSASP程序提供了三种主要的风力发电机的仿真模型，分别为：恒速鼠笼风机，双馈风机以及直驱风机三种。发电机模型号对应关系如下：表2发电机模型号对应表发电机模型模型号鼠笼异步风电机组7双馈直驱通用风电机组81型双馈式风电机组101型直驱