双馈感应风力发电机的动态建模.doc

双馈感应风力发电机的动态建模

摘要

许多大型风力发电厂采用双馈感应发电机（DFIG）的变速风电机组，这一现象是现在公认的。许多这样的风力发电厂已经运转着这样的机组,还有更多正在计划或在施工建设中。随着风力发电进入电网的比例不断上升,需要更加深入的关于风力发电站和电力系统相互作用的综合研究。这就需要精确的双馈感应风力发电机模型及相关的控制和保护电路。因此，一个动态模型被推倒出来,可以用来模拟使用单笼和双笼的双馈感应风力发电机及它的控制和保护电路。该模型适用于研究大型电力系统的暂态稳定过程。利用该动态模型，可以研究在各种系统干扰下的风力发电厂和电力系统的表现。考虑了在不同的控制收益下，通过使用变换器定子侧和转子侧电压控制，研究了DFIG对于风力发电场的稳定性的影响。

关键词：双馈感应发电机，电力系统动态稳定性，电力系统建模

符号说明

QUOTEV定子电压

转子电压

定转子电流

QUOTEV头2定子，转子和双笼转子的电阻

同步角频率和转子角频率

磁通匝数

磁感

转子互感

定子，转子和双笼转子的漏感

定子，转子和双笼转子的自感

转差

风机的转动惯量

机械力矩，电磁力矩和设定点力矩

最优力矩

最优风机力矩速度比

上标表示每单位数量

第一种小标表示正轴和交轴量

第二种小标表示定子，转子和双笼

一、绪论

许多国家现在认可了风是可持续发展的能源，而且全球的风力发电机的装机容量现在已经超过了25兆瓦。因为可以减少网络兼容性和机械载荷这两个原因,许多大型风力涡轮机(安装在离岸或陆上的)都可变速运行的，且使用双馈感应发电机(DFIGs)。[1]

在过去,大多数国家的网络设计规范和标准不需要风电场在干扰中支持电力系统。例如，在发生网络故障或者频率突然下降时，风机从电网中断开。然而,随着风能被越来越多地使用，风力发电场就必须在系统干扰中持续工作，并且维持网络的电压和频率。网络设计规范现在也被修改,以体现这一新的需求。因此,有必要进行仿真研究来弄清系统扰动对风机和电力系统本身的影响。这些研究需要风力涡轮机和相关的控制及保护部分的精确的稳态和动态模型。

针对DFIG风力涡轮机的降阶动态模型的研究结果已经发表[2]-[4]。这些模型都是基于单笼的风力涡轮机而言的。要想正确描述DFIG风力发电机,使用控制系统模型是很重要的。在文献[2]和文献[3]的中,假定d轴定向在定子磁链最大值方向(这个假设导致从动态模型在电力系统负荷流量初始化时非常困难)，而且这些论文只提供了控制系统使用的有限的详细信息。在文献[4],并没有给出控制装置的信息。

很久以前人们就已经认识到要想在系统扰动下如故障，描述一个异步电动机,使用双笼模型才能达到满意的效果，因为双笼模型能够表示更精确地描述出机器的瞬态特性和次瞬态特性[5]。本文提出一种模型,可用于描述单笼和双笼的DFIG和其控制保护电路。

二、DFIG建模

DFIG风力涡轮机利用绕线式异步发电机，转子绕组是通过连续可变频率电压源变换器馈通的[1][2]。一个典型的基于DFIG的风力发电机的结构如图1所示。这台机器和变换器由限压条件和过流保护电路。变换器通过对电力系统频率和转子机械频率解耦实现使得风力发电机的变速操作。一个对DFIG系统及其控制保护电路更详细的说明可见文献[6]。

图1DFIG风力涡轮机的基本结构图

2.1机器建模

广义降阶机器模型是基于以下条件和假设的。

假设定子电流在流向机器是正方向的。

等式是在dq同步参考坐标系中推导出来的。

假设q轴在旋转方向上超前d轴90°。

在模型中使用的定子电压q轴分量被选择为等于模型初试化的潮流解中发电机母线电压的实数部分。

忽略定子瞬态电流的直流分量,只考虑基频分量。

忽略转子注入电压的高阶谐波分量。

得到单位降阶机器模型

此处

且

在（4）和（5）中

从（4）和（5）中可知，可推出单位定子电流如下

利用（2）到（5），接下来可以推出单位转子电流，见式（7）

此处

可得出单位电磁转矩（对于一个发电机来说为正数）

最终，如果是取决于风速的机械转矩，那么运动方程为

当然，等式（9）将风力发电机作为一个单一集中惯性来表达。在一些研究中，其他人已经证明了[9],用多质量模型表示动态