新能源發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)仿真報(bào)告

1、靜態(tài)模型：基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組屬于變速恒頻的風(fēng)電機(jī)組，由于具有變速運(yùn)行的特性，能夠提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲并減小風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部件所受應(yīng)力；并且能夠通過變頻器控制系統(tǒng)將發(fā)電機(jī)有功、無功功率實(shí)現(xiàn)解禍控制，調(diào)節(jié)改善風(fēng)電場(chǎng)的功率因數(shù)及電壓穩(wěn)定性，因此近幾年來逐步取代了基于普通異步發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組成為當(dāng)前新建風(fēng)電場(chǎng)采用的主流機(jī)型。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)是在普通繞線式異步感應(yīng)電機(jī)的基礎(chǔ)上，外加了連接在轉(zhuǎn)子滑環(huán)與定子之間的四象限變頻器及其控制系統(tǒng)而構(gòu)成的。通過雙饋電機(jī)的部分功率變頻器與電網(wǎng)之間交換轉(zhuǎn)差功率，并可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)雙饋電機(jī)有功、無功功率的控制。圖2-6為典型雙饋感

2、應(yīng)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)子的電角速度碑、轉(zhuǎn)子外加勵(lì)磁電源產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)角速度叭與同步磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速叭的關(guān)系為：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)為異步運(yùn)行，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以通過改變交流勵(lì)磁電源的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服了傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)必須嚴(yán)格同步的限制，把發(fā)電機(jī)機(jī)械與電氣之間的剛性聯(lián)系變?yōu)槿嵝缘穆?lián)系。1雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的靜態(tài)等值電路如圖2-8所示：1. 雙饋感應(yīng)電機(jī)的能量傳遞雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)不同于普通的異步機(jī)，其在s>O次同步運(yùn)行及s<O時(shí)為超同步運(yùn)行狀態(tài)下都可以作為發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，但其功率流向有所不同。對(duì)于發(fā)電機(jī)定子繞組：兩邊同乘以sj，則：電磁功率：上式是對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)慣例規(guī)定正方向下的表示方法，對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)的能量傳遞，應(yīng)

3、當(dāng)以發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定的正方向表示，上式化為：對(duì)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組：兩邊同乘以rj，則：取實(shí)部得電磁功率：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的能量傳遞和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)有Pmech>0。（1） 發(fā)電機(jī)運(yùn)行在次同步狀態(tài)時(shí)，O<s<1：此時(shí)有：轉(zhuǎn)子繞組從變頻器側(cè)吸收電功率，其功率傳遞如圖2-9所示。（2） 發(fā)電機(jī)運(yùn)行在超同步狀態(tài)時(shí)，s<O：當(dāng)轉(zhuǎn)差率s較大，此時(shí)轉(zhuǎn)差功率較大，除了提供轉(zhuǎn)子繞組的功率損耗(Pcu2)，還有一部分功率(轉(zhuǎn)差功率)通過轉(zhuǎn)子繞組與變頻器回路饋入電網(wǎng)。其功率傳遞如圖2-10所示。風(fēng)電機(jī)組變頻器的控制能力決定了風(fēng)電機(jī)組及其發(fā)電機(jī)的靜態(tài)運(yùn)行特性及其

4、在電網(wǎng)故障擾動(dòng)情況下的運(yùn)行情況，因此，變速風(fēng)電機(jī)組的變頻器控制系統(tǒng)是變速風(fēng)電機(jī)組模型中最關(guān)鍵的一環(huán)，本文將在第三章中詳細(xì)介紹基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的變速風(fēng)電機(jī)組的變頻器控制模型。動(dòng)態(tài)模型1. 風(fēng)力機(jī)模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能是從風(fēng)能中轉(zhuǎn)化來的，風(fēng)電機(jī)組的葉片從風(fēng)中捕獲部分能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，然后通過機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將機(jī)械能傳送給發(fā)電機(jī)，通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)的能量,最終轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力機(jī)的葉片從風(fēng)中將能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率是一個(gè)十分復(fù)雜的涉及空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)的過程。對(duì)于風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)輪、葉片的空氣動(dòng)力建模,須采用葉素理論。然而，采用葉素理論建模的過程仍有許多的不足：由于風(fēng)電機(jī)組三個(gè)葉片的掃風(fēng)面積很大

5、，因此對(duì)于葉片不同的區(qū)域風(fēng)速值不同，不能采用單一的風(fēng)速信號(hào)而必須采用風(fēng)速序列信號(hào)。需知道葉片詳細(xì)的幾何構(gòu)造的信息。計(jì)算過程更加復(fù)雜,所需的計(jì)算時(shí)間更長(zhǎng)。為了解決上述的問題，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組電氣特性是主要的研究重點(diǎn)時(shí)，通常采用簡(jiǎn)化的建模方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行建模。風(fēng)速與空氣動(dòng)力功率的關(guān)系可由下面的方程描述：相應(yīng)的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩方程為：此處，Pw是從風(fēng)電機(jī)組從風(fēng)中獲取的能量轉(zhuǎn)化為的風(fēng)力機(jī)機(jī)械功率(w)，Tw是從風(fēng)中獲取的能量轉(zhuǎn)化為的風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩(.Nm)，p為空氣密度(KG/m3)；R為風(fēng)機(jī)葉輪半徑(m)；=R為葉尖速比；為槳距角(deg)；為風(fēng)力機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速(rad/s)；Cp為風(fēng)機(jī)的

6、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)，是兄與刀的函數(shù)；為等效風(fēng)速。對(duì)于給定的葉尖速比兄和葉片槳距角刀，可用下式計(jì)算風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率系數(shù)。其中：式根據(jù)不同的刀!兄計(jì)算得到的Cp，如圖2-11所示：對(duì)于給定的葉片槳距角刀，不同的葉尖速比兄所對(duì)應(yīng)C,的值相差較大，同時(shí)對(duì)于給定的聲有且僅有一個(gè)固定的標(biāo)能使吼達(dá)到最大值，再由又=Rhoar/可得，在風(fēng)速不斷變化的情況下要保持，必須使 隨著風(fēng)速按照一定的比例 變化，只有在這種運(yùn)行方式下才能保證風(fēng)力機(jī)捕獲的風(fēng)能最大、效率最高。風(fēng)力機(jī)的這一特性決定了風(fēng)電機(jī)組控制指標(biāo)和控制方案的設(shè)計(jì)，也是人們采用變速風(fēng)電機(jī)組代替固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組的初衷之一。2. 發(fā)電機(jī)模塊/同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)發(fā)電

7、機(jī)狀態(tài)方程雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)與普通異步機(jī)最大的不同就是其轉(zhuǎn)子回路通過發(fā)電機(jī)滑環(huán)可以外接外部電壓源，因此，其轉(zhuǎn)子電壓urd與urq不等于0，并且通過控制轉(zhuǎn)子外接電壓的值便可以控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功與無功功率，得出同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下雙饋感應(yīng)電機(jī)的方程如下。電機(jī)電壓方程：上式中：然為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度，即為同步轉(zhuǎn)速。磁鏈方程：式中：對(duì)于雙饋感應(yīng)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子側(cè)電壓u!與u,有外接的電壓值，且整個(gè)雙饋電機(jī)的控制也都是通過變頻器控制轉(zhuǎn)子外接電壓來實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程：風(fēng)力機(jī)的低速軸相對(duì)于發(fā)電機(jī)的高速軸有很大的柔性，通過軸的剛度系數(shù)K與軸的阻尼系數(shù)D來建模表示；而發(fā)電機(jī)的高速軸可以假設(shè)為剛性的。軸系的運(yùn)動(dòng)方程

8、中，分別用風(fēng)力機(jī)的阻尼系數(shù)；與發(fā)電機(jī)的阻尼系數(shù) 表示兩質(zhì)塊的粘性摩擦。在兩質(zhì)塊軸系的數(shù)學(xué)模型可表示為：式中 分別為風(fēng)力機(jī)、發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)(s)；Ks為軸的剛度系數(shù)；D分別為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的阻尼系數(shù)， 為兩質(zhì)塊之間相對(duì)角位移(rad)；T與T分別為風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；分別為風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，為同步轉(zhuǎn)速(rad/s)。發(fā)電機(jī)的電磁功率：定子的瞬時(shí)電磁功率為：上式中第一項(xiàng)為定子銅耗，第二項(xiàng)為電磁功率，第三項(xiàng)為暫態(tài)過程中的功率項(xiàng),若忽略定子的電磁暫態(tài)過程，該項(xiàng)為0。定子吸收或發(fā)出的無功功率為：類似的，轉(zhuǎn)子的瞬時(shí)電磁功率為：雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定!轉(zhuǎn)子總電磁功率為：由于對(duì)于雙饋

9、感應(yīng)電機(jī)有下式成立：雙饋感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：3. 槳距角模型在風(fēng)電機(jī)組中，槳距控制系統(tǒng)通過控制風(fēng)力機(jī)槳葉角度改變槳葉相對(duì)于風(fēng)速的攻角，從而改變風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的風(fēng)能。槳距角控制在不同的情況下采用不同的策略：1.風(fēng)電機(jī)組功率輸出優(yōu)化。在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角控制用于風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，目的是在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組發(fā)出盡可能多的電能。2.風(fēng)電機(jī)組功率輸出限制。在風(fēng)速超出額定風(fēng)速時(shí)，利用槳距角限制風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率不超出其額定功率，同時(shí)能夠保護(hù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)不會(huì)過載及避免風(fēng)電機(jī)組機(jī)械損壞的危險(xiǎn)。槳距角控制由于能夠在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率的調(diào)節(jié),類似于同步發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)的快關(guān)汽門功能

10、,因此可以用于電網(wǎng)故障時(shí)的風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定控制及作為提高風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)電壓穩(wěn)定性的措施,這將在本文中予以詳細(xì)的研究。風(fēng)電機(jī)組的槳距角控制可以分為下面兩種:L)槳距角控制：隨著槳距角刀增加，風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率降低。槳距角控制大多用于變速風(fēng)電機(jī)組，也有少部分的恒速風(fēng)電機(jī)組采用槳距角控制。2)主動(dòng)失速控制：隨著槳距角刀減小，風(fēng)電機(jī)組機(jī)械功率降低。此控制方式多用于基于普通異步發(fā)電機(jī)的恒速風(fēng)電機(jī)組。圖3-6為用于功率限制的槳距角控制模型示意圖。輸入信號(hào)為風(fēng)電機(jī)組發(fā)出有功功率的測(cè)量值，與最大功率參考值相比較后得出誤差信號(hào)，輸入PI控制器，產(chǎn)生槳距角參考值，再與實(shí)際的槳距角比較，槳距角誤差信號(hào)輸入到槳距角控制系統(tǒng)的伺服

11、機(jī)構(gòu)。為了在仿真中得到真實(shí)的響應(yīng)結(jié)果，伺服機(jī)構(gòu)的模型是必不可少的，它能夠反映出真實(shí)的槳距控制系統(tǒng)伺服機(jī)構(gòu)的響應(yīng)特性。在仿真模型中用伺服時(shí)間常數(shù)踢尺"!槳距調(diào)節(jié)的限值八/尤!八留陰及槳距變化的梯度限值塑!塑柳表示"dtdt。既可用于表示主動(dòng)失速槳距角控制，又可用于表示槳距控制。對(duì)于表示主動(dòng)失速槳距角控制的情況，其槳距角上限值：，槳距角控制范圍一般為o0一100；對(duì)于表示槳距控制的情況，其槳距角下限值：控制范圍一般為o0300。不同的槳距角控制情況下，其PI控制器及伺服系統(tǒng)的參數(shù)可能有所不同。風(fēng)電機(jī)組的槳距角控制系統(tǒng)還可以接受電網(wǎng)的調(diào)度信號(hào)，將電網(wǎng)調(diào)度下達(dá)的槳距角參考值 輸入槳

12、距控制系統(tǒng)，控制風(fēng)電機(jī)組的槳距角為電網(wǎng)調(diào)度下達(dá)的參考值，用于風(fēng)電場(chǎng)參與整個(gè)電網(wǎng)的頻率控制。4. 控制系統(tǒng)模型變速風(fēng)電機(jī)組通常由感應(yīng)發(fā)電機(jī)或者同步發(fā)電機(jī)及電力電子變頻器構(gòu)成，相比于恒速風(fēng)電機(jī)組具有更復(fù)雜的電氣系統(tǒng)。電力電子變頻器的應(yīng)用使得風(fēng)電機(jī)組變速運(yùn)行成為可能，因此，能夠在一個(gè)更寬的風(fēng)速范圍內(nèi)以最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)運(yùn)行。雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)為：控制發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的無功交換功率、控制風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率以追蹤風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)或者在高風(fēng)速情況下限制風(fēng)電機(jī)組出力。雙饋電機(jī)的控制子系統(tǒng)用于獨(dú)立控制風(fēng)電機(jī)組的有功、無功功率；包含了兩部分解禍控制通道：一個(gè)用于轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制，一個(gè)用于

13、電網(wǎng)側(cè)變頻器控制。脈寬調(diào)制系數(shù)是變頻器的控制變量。轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)側(cè)變頻器的控制通道分別產(chǎn)生不同的脈寬調(diào)制系數(shù)。脈寬調(diào)制系數(shù)為一復(fù)數(shù)，用于同時(shí)控制兩個(gè)變量,如轉(zhuǎn)子外接電壓的幅值和相位角。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制原理雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的控制是通過矢量控制技術(shù)來完成的，通過對(duì)雙饋感應(yīng)電機(jī)的有功、無功解耦控制，實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)電機(jī)組變速運(yùn)行并提供無功電壓控制能力的目的。在本論文中，采用了定子電壓定向的轉(zhuǎn)子電流控制方法，以實(shí)現(xiàn)有功功率與無功功率的解禍控制。將同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)系d軸與定子電壓矢量方向重合，于是有usd=Us，usq=0。在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究中，往往都忽略網(wǎng)絡(luò)的電磁暫態(tài)過程，因此DFIG定子電磁暫態(tài)過程也可

14、以忽略，而定子電阻上的壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于定子的端電壓，因此定子電阻上的壓降也可忽略，在采取上面假設(shè)的條件下，采用定子電壓定向的方法時(shí)，雙饋感應(yīng)電機(jī)的電壓方程簡(jiǎn)化為：由電壓方程可知，d軸磁鏈ds=0，磁鏈方程簡(jiǎn)化為：由于DFIG定子輸出的有功、無功功率為：根據(jù)磁鏈方程可得：代入有功功率方程得出有功功率與轉(zhuǎn)子有功電流ird之間的關(guān)系：同理，可得到無功功率與轉(zhuǎn)子無功電流irq之間的關(guān)系：轉(zhuǎn)子電流的有功電流分量ird可以實(shí)現(xiàn)對(duì)定子繞組有功功率Ps的控制，而無功電流分量irq可以控制定子繞組的無功功率Qs。通過控制轉(zhuǎn)子電流可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的有功、無功解禍控制，但是，控制轉(zhuǎn)子電流是通過間接控制變頻器加在轉(zhuǎn)子上的外加電壓來實(shí)現(xiàn)的，因此，可導(dǎo)出變頻器加在轉(zhuǎn)子上的外加電壓與轉(zhuǎn)子電流之間的關(guān)系：上面是定子電壓定向下的轉(zhuǎn)子電流控制公式，在定子電壓定向坐標(biāo)系下，轉(zhuǎn)子有功、無功電流分量是完全解耦的，但是相應(yīng)的控制電壓矢量沒有完全解禍。電網(wǎng)側(cè)變流器電網(wǎng)側(cè)變頻器的控制采用了基于電網(wǎng)側(cè)變頻器電壓定向的矢量控制方案，此矢量控制方案可以用于電網(wǎng)與電