【《风电场虚拟惯量发电机控制器设计案例分析》2500字】

III风电场虚拟惯量发电机控制器设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u13651风电场虚拟惯量发电机控制器设计案例分析 1118681.1三相逆变器常规控制 1115081.2功频控制器 1200411.3励磁控制器 3175041.4虚拟惯量支撑能力分析 61.1三相逆变器常规控制逆变器是一种电力电子器件，它能实现一般为正弦波或方波等其它形式的直流电向交流电的转换。其组成结构一般包括逆变桥、控制逻辑和滤波电路三个部分。逆变电源的存在，使部分直流电源可以直接接入交流电网，极大地丰富了电网的运行方式，使交直流电源优势互补，提高了电能利用效率。开闭环控制通常是最常用的。开环控制方式的特点是原理简单，电路简单，控制可靠性高，但输出信号易受干扰，波形稳定性差。通过加入一些反馈变量，闭环控制可以调整电压输出波形，抗干扰能力大大提高。在电压调节子系统中，3p-BVI系统基于脉宽调制技术，将直流电压变换成交流电压，并且对输出电压实时监测，与基波电压进行比较，经过一定的反馈PI调节，对谐波分量加以处理，使逆变器输出电压的幅值小于一定的波动误差范围，以满足实际要求。该逆变电路中，核心器件为IGBT，同时具备LC滤波电路以减少谐波分量。通过以上分析可知，闭环反馈调节方式具有更好的抗干扰能力，电压输出波形更加优良，其稳态特性和动态特性都很好;同时，LC滤波器的作用下，谐波分量也得到了有效的抑制。1.2功频控制器1.2.1风力发电机功频特性频度是衡量电能质量的核心指标之一，是电力系统稳定运行的重要标志。调频发电机组发出的总功率与系统内消耗的总功率相协调，能有效保持频率稳定。假如发生负荷突然变化的情况，这种平衡就被打破了，那么，就不能保证系统频率稳定在额定值。一般情况下，在调整系统频率时，都是基于原动机自动调速系统。若变频调速引起电力系统负荷突变，则原动机的调速系统立即动作，使发电机输出功率发生显著变化。然后系统在新的工作状态下运行，此时，发电机的有功功率与频率的关系就是功频特性。电力系统的一次调频作为有差调节，并不能使频率恢复到额定值。图1.1就是功频特性曲线模式，在分析时，可用直线替代曲线做简化处理。图1.1中曲线展现的是初始状态发电机工作情况，其中，工作点a位置对应额定频率为fN、额定有功功率pN，如果有负荷突增为p1，此时工作点的变化，就是从a向b沿着功频特性曲线移动，系统频率降低至f1将下垂调节特性展现出来。图1.1功频特性曲线发电机频率调差系数的计算方法如下：（1.1）QUOTEψ*函数关系整理有：（1.2）1.2.2功频控制器设计对调速器原理分析后，可得出VSG中功频控制器原理框图，其中凡为比例环节系数；PN为VSG在额定频率下的初始输出有功功率，PT为VSG所需要的机械功率。具体如图1.2所示。图1.2功频控制器原理根据上述分析，在Matlab/Simulink中建立功频控制器仿真模型如图1.3所示。图1.3功频控制器模型1.3励磁控制器1.1.1风力发电机励磁特性电压是反映电力系统电能质量的核心指标之一，若该数值不稳定，将对系统和设备的安全造成较大影响。当系统电压超过容许范围时，电力系统必须进行合理的控制，保证电压值在容许范围内。电网无功功率平衡非常重要，它是维持电网电压稳定的基本前提，其平衡函数表达式总结如下：（1.3）QG代表电源提供的无功功率，QL代表负荷消耗的无功功率。以电力系统无功电源产生无功功率总和的计算结果来看，该数值要与负荷消耗无功功率总和时刻相等才能保证无功平衡。Q-U关系可由系统无功负荷静态电压特性来分析，如图1.4。图1.4无功负荷静态电压特性当电力系统处于正常工作状态时，电压值必须保持在一个确定的值区间内。在此期间，要保证无功电源产生的无功功率总量动态稳定于消耗总量。利用励磁控制器对同步发电机的无功输出进行调节，合理分配机组间的无功，保持系统电压稳定。定义电压调差系数QUOTEσσ为：（1.4）其标幺值QUOTEσ*σ*可表示为：（1.5）电压调差系数6能够将同步发电系统负荷变化导致的电压变化，以定量的方式表达出来，并且对机组间无功功率分配有决定性作用。如图1.5为两台发电机并联运行时的无功分配曲线：图1.5两台发电机并联无功功率的分配通过将2台同步发电机并联共同为负载供电来研究无功功率分配情况，此时发电机1、2无功负荷为Q1、Q2。如果负荷值有变，发电机组输出无功功率变化量就为QUOTEΔQ1、ΔQ2（1.6）1.1.2励磁控制器设计根据前文分析，画出VSG励磁控制器原理框图如图1.6所示：图1.6励磁控制器原理图1.7励磁控制器仿真模型根据上述分析，在Matlab/Simulink中作出励磁控制器仿真模型如图1.7所示。图中，QN为VSG的额定无功功率；Q为实际输出无功功率；KQ为比例环节系数，对其取值后，有QUOTEKQ=σKQ=σ；UN为系统额定电压；如果系统无功变化，Q与QN二者相减经过调差系数模块，得到△U。将此时并网电压指令值Uref与实际并网电压幅值Um比对，所得结果经PI控制器得到E01.4虚拟惯量支撑能力分析利用系统频率偏差信号，可以实现双馈感应风机对虚拟惯量的支撑。风机的转子运动方程为：（1.7）其中，QUOTEωDωD为转子转速，HD是风机惯性时间常数，Pwind、Pref分别为风机捕获的风能和由MPPT控制所得的风机有功功率参考值。为响应交流电网频率变化以提供相应的频率调节能力，风电场必须实现有功功率的灵活调节。通过利用电网频率偏差信号实施辅助功率Pad控制，则风机的功率控制律变为：（1.8）（1.9）这里QUOTEΔfWFΔfWF是系统频率偏差信号，QUOTEPWFPWF为传递到交流系统的有功功率值，QUOTEPadPad为反映由频率偏差产生的辅助功率调节量。由于风机转子侧的换流器可以快速跟踪有功指令，故QUOTEPWFPWF可认为是风机发出的有功功率。在虚拟惯量综合控制器作用下，可以将式（1.7）中的风机有功功率输出值Pref用PWF替：（1.10）通过模拟同步发电机的有效惯量，可得：（1.11）这里HW为风电场提供的虚拟有效惯量。假定风速恒定并且不启动桨距角控制，那么在转子转速变化的动态过程中，Pwind的变化很小，基本可以忽略，从而转子动能可全部用于系统的惯性支撑，可得：（1.12）将上式两边积分，并在转子起始转速QUOTEωD0ωD0处利用Taylor展开为：（1.13）可以看出，风场惯量支撑能力的大小与转子转速有关:转子转速偏差越大，风场所提供的惯量越大。同时可知，风机的起始转速对惯量支撑能力也有很大的影响：起始转速越大，风场所提供的惯量也越大。综合式（1.7）、式（1.8）与式（1.12）可得：（1.14）其中QUOTEPWF0PWF0为风电场起始有功功率。将（1.14）的两端积分后可得：（1.15）从而可得风场所能提供的有效虚拟