【《双馈风机运行原理和建模分析》2500字】

双馈风机运行原理和建模分析目录TOC\o"1-3"\h\u9804双馈风机运行原理和建模分析 1302811.1.1双馈风机数学模型及基本控制方式 1177181.1.2双馈风机变速恒频原理 4132331.1.3双馈风机风力传动模型 5DFIG由双馈感应电机和风力机构成，其并网系统结构如图2-1所示。DFIG的定子与电网直接连接，转子通过背靠背换流器实现变频励磁，即通过控制转子励磁电流频率，维持定子频率恒定，实现变速恒频发电。图2-1双馈风机结构图双馈风机数学模型及基本控制方式双馈发电机属于异步发电机（InductionGenerator,IG），可用IG模型描述其数学模型。由于在三相静止坐标系下，双馈发电机数学模型的控制参数较多，为简化控制，对其进行Park变换至同步旋转dq坐标系下。在同步旋转坐标系下，按照发电机惯例建立定子数学模型，并假设发电机dq轴参数对称，将发电机转子绕组参数折算到其定子侧，同时保持各绕组自感和互感不变，忽略发电机转子电阻损耗，可得双馈风机的基本数学方程。其中，电压方程、磁链方程与电磁转矩方程如下所示双馈风机数学模型电压方程：(2-1)式中：uds、uqs、udr、uqr——定子、转子电压的d、q轴分量（p.u.）；ids、iqs、idr、iqr——定子、转子电流的d、q轴分量（p.u.）；ψds、ψqs、ψdr、ψqr——定子、转子磁链的d、q轴分量（p.u.）；Rs、Rr——定子、转子绕组等效电阻（p.u.）；ωs、ωr——定子角频率、转子角频率（p.u.）。定、转子磁链方程：(2-2)式中：Ls——定子绕组等效自感（p.u.）；Lm——定子绕组与转子绕组之间的等效互感（p.u.）；Lr——转子绕组等效自感（p.u.）。电磁转矩方程：(2-3)式中：Te——电磁转矩（p.u.）；p——极对数。DFIG基本控制方式控制DFIG主要由转子侧换流器（RotorSideConverter，RSC）控制和网侧换流器（GridSideConverter，GSC）控制完成，其中RSC控制实现有功、无功功率的解耦控制。RSC控制一般采用定子电压定向控制，令同步坐标系的d轴沿定子电压矢量的方向，因此有d轴电压分量uds=us，同时q轴电压分量uqs=0，则DFIG定子输出有功、无功功率与转子侧电流d、q轴分量的关系为(2-4)由式（2-4）可知，当采用矢量控制策略时，DFIG机组的有功功率和无功功率可分别通过转子侧电流的d轴有功分量idr和q轴无功分量iqr精确控制。根据公式（2-1），RSC控制的d、q轴电压与转子电流的关系为(2-5)由式（2-5）知，为消除交叉耦合项，可在PI控制器后加入前馈补偿，实现有功、无功功率的解耦控制。RSC外环的控制目标是控制发电机输出有功功率跟踪风机的功率参考值Pref，并使发电机端口电压恒定；内环采用电流跟踪控制，即跟踪电流参考值idr_ref和iqr_ref，RSC定有功、定电压控制的控制框图见图2-2。图2-2RSC控制器框图区别于RSC，GSC的控制任务为维持背靠背直流环节电压和注入交流侧功率因数稳定，常采用定子电压定向矢量控制策略，令同步旋转坐标系的d轴沿定子电压矢量方向，则GSC向电网输出的有功功率，pg和无功功率，qg为(2-6)当GSC采用电网电压定向控制时(2-7)由式（2-7）可知，双馈风机GSC的有功功率和无功功率可分别通过网侧电流的有功分量idg和无功分量iqg实现精确控制，d、q轴上的电压方程表示为(2-8)式中：ucd、ucq、udg、uqg——dq坐标轴下的电网电压、GSC电压（p.u.）；udg、uqg——电流的d、q轴分量（p.u.）；ωs——系统频率（p.u.）。如图2-3所示，双馈风机GSC采用双闭环电流矢量控制结构，外环的控制目标为直流电压udc，外环电压差值经PI跟踪环节得到内环控制电流参考值idg_ref，内环的控制目标为d、q轴电流分量，内环控制的电流参考值iqg_ref一般取为0，解耦项常采用PI控制器实现，通过超前控制减小电流最大偏差，改善系统稳定性。图2-3GSC控制器框图双馈风机变速恒频原理设风机定子对称绕组极对数为p，由其产生的旋转磁场转速n1与系统频率f1成正比，如式（2-9）所示(2-9)若转子侧励磁电流频率为f2，则由其产生的旋转磁场转速为n2(2-10)调节转子励磁电流频率能改变其旋转磁场的转速，实现对转子电流相序和磁场转向的控制。所以当转子转速为nr，n1、n2、nr间存在如下关系(2-11)把式（2-9）、（2-10）带入式（2-11）得(2-12)即通过调节转子励磁电流频率f2，便能实现对DFIG的变速恒频控制，维持定子侧的系统频率f1恒定。DFIG转子转速处于不同状态时，其功率流动方向不同，由此，可将DFIG运行状态分为三种：（1）同步运行状态：此时nr=n1，与同步发电机类似，风机进行直流励磁，定子侧向电网输出电能。（2）亚同步运行状态：此时nr<n1，转子磁场转速方向和转子旋转方向相同，定子向电网输出电能的同时，电网向转子输送功率。（3）超同步运行状态：此时nr>n1，转子磁场转速方向和转子旋转方向相反，发电机定子和转子均向电网输送电能。双馈风机风力传动模型首先，风力机从风中捕获到的输入机械功率Pm由式（2-13）确定 (2-13)式中：ρ——平均空气密度；Cp——风机风能捕获效率系数；λ——叶尖速比；β——桨距角；R——风机桨叶半径；v——平均风速。除风速和风能利用系数外，其他参量在风机建成落地后可视为不变。由式（2-13）可以看出在特定风速下，Cp值的大小基本决定了双馈风机的摄入机械功率大小，该值越大，风力机捕获风能的效率就越高。Cp(λ,β)的计算式为 (2-14)其中， (2-15)另一方面，风机运行于MPPT模式下的参考输出电磁功率PMPPT为 (2-16)式中：QUOTEλoptλopt是风机捕获最大风功率时的最佳叶尖速比；在本文中，当β=0时QUOTEλoptQUOTEλoptλopt设为9.95，此时取到Cp最大值Cp,max；ωr为风机转子转速；k是一个中间计算常数，取值为0.52。式（2-17）描述了风机的两质量块轴系传动模型 (2-17)式中：Hg、Dg、Tg——发电机质量块惯性时间常数、阻尼常数和转矩；Ks、θs、Ds——轴系刚度系数、扭转系数和阻尼常数；Ht——风力机质量块惯性时间常数；ωt——风力机质量块角速度；Tt——风力机质量块转矩；ω——角速度基准值。风电机组的输出和电磁特性相关，本文不需建立精确的轴系模型，同时忽略传动机构的能量损耗。则风电机组的等效惯量可表示为(2-18)式中：JD——风电机组等效转动惯量；JT——发电机惯量；JW——风力机惯量；N——齿轮箱变比。等效转子运动方程为(2-19)式中：Tm——风力机摄入机械转矩；Te——风力发电机输出电磁转矩。DFIG可以通过调节桨距角对风力机所摄入的机械转矩进行调整，除了能防止风速过高时风机转子超速，在一定条件下还能达到控制自身输出功率跟踪参考输出、控制自身