基于Matlab的双馈风力发电机的模型研究与仿真

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Rr L m L s L m( X 2- X 1 ) Rr L s X 2 L sL r - X 1L m
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L r L m( X 1- X 2) Rr L m
2 X1 L m - X 2 L sL r
同样 , 保持其它变量值不变, 仅 U qr 在 0 . 5 s 时, 从 28. 426 1 V 调到 29. 967 V 时的仿真结果如图 3 所示.
收稿日期 : 2006 03 14
步电机 , 定子绕组并网 , 转子绕组外接滑差频率电源 实现交流励磁. 当发电机转子旋转频率 f r 变化时, 控制励磁电流 f 2 来保证定子输出频率 f 1 恒定 , 也 就是与电网频率一致 , 实现风力发电机的变速恒频 控制, 即 f 1 = np f r + f 2 式中 np 发电机极对数 (1 )
基于 M atlab 的双馈风力发电机的模型 研究与仿真
胡绍猫, 陈秉均 ( 华南理工大学, 广东 广州 510640)
Sim ulation Research on the M odel of Doubly fed Wind T urbine Based on M atlab
HU Shao mao, CHEN Bing jun ( South China U niver sity of T echno lo gy , Guangzhou 510640, China)
联立式 ( 3 )~ 式 ( 7 ), 并且令 p = 0 , 即可得到转 子电流和电压的稳态值 , 即转子控制指令值: i dr = (U 1 + X1 L sI 1 sin U + R r I 1 cos U ) / X1 L m i qr = ( X1 L sI 1 cos U - R sI 1 sin U ) / X1 L m u dr = R r i dr + XsL m I 1 cos U - XsL r i qr u qr = R ri qr - XsL mI 1 sin U + Xs L ri dr 当风力发电机并网后 , 定子电压 U1 、 定子角频 率 X1 恒定 , 则 7 1 也恒定 . 由上述公式可知, 采用磁 场定向控制后, 发电机的转子电流或电压只与转子 角频率 Xr 、 定子功率因数角 U 1 以及定子的输出功率 P 1 有关 . 即通过控制转子的电流或电压, 可以有效 地控制定子的电流或电压的幅值、 相位和频率, 从而 实现变速恒频风力发电机定子输出有功功率、 无功 功率的独立解耦控制. (8)
图 3 对定子侧有功功率的控制
仿真结果表明, 采用矢量控制的变速恒频双馈 风力发电机响应速度快 , 能满足系统的要求 , 从图 2 可以看出单独调节 Udr 时, 无功功率的变化, 图 3 可 以看出单独调节 U qr 时, 有功功率的变化 , 从而实现 了发电机输出有功功率和无功功率的单独调节 . 参考文献:
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交流励磁变速恒频运行原理
运行原理如图 1 所示. 发电机为三相绕线式异
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引言
目前国内外风能开发的发展方向有 2 方面 [ 1] :
图 1 交流励磁双馈发电机
一是着重于中小容量风力发电装置的研制, 这种发 电机组多是为农村或分散的孤立用户设计, 技术较 成熟 , 已成批生产并进入商业市场 ; 另一方面是发展 可与电网并网运行的大型风力发电机组, 以缓解总 体能源紧张的状况 . 传统的风力发电系统主要使用 定桨距风力机, 采用恒速恒频发电方式 , 由于只能固 定在某一转速上 , 当风速变化时风力机必定偏离其 与最大风能相对应的最佳速度 , 导致风力资源浪费、
摘要 : 分析了双馈发电机交流励磁变速恒频发 电运行原理, 给出了双馈发电机矢量控制模型 , 通过 Mat lab/ Sim ulink 仿真, 证明 了可 实现系 统输出 有 功功率、 无功功率的独立解耦控制 . 关键词: 双馈风力发电机 ; 变速恒频 ; 矢量控制 中图分类号 : T M315 文献标识码 : A 文章编号: 1001 2257( 2006) 08 0025 03 Abstract: Analyses the charact er ist ics of dou bly fed Ac excited w ind t ur bine in v ar iable speed const ant f requency ( VSCF ) operat ion, and builds the st at or f ield or ient vect or contro l model of dou bly fed w ind t urbine. T he simulat ion by M at lab/ Sim ulink demonst rat es t he f easibilit y of decoupled act ive and react ive pow er contro l. Key words: do ubly f ed w ind t ur bine; variable speed co nst ant f requency; vect or co nt rol
[ 1] 刘天羽 , 于书芳 , 等 . 无刷 电机在 风力发 电机变 速恒 频 控制中的研究 [ J] . 内 蒙古 电力 技术 , 2002, 20( 4) : 13. [ 2] [ 3] 贺益康 , 郑 康 , 等 . 交流 励磁变 速恒频 风电系 统运 行 研究[ J] . 电力系统自动化 , 2004, 28( 13) : 55- 59, 68. 聂春燕 . 基于 M at lab/ Simulink 异步电动机动态仿真模 型的研究 [ J] . 电工技术杂志 , 2000, ( 8) : 22- 24. 作者简介 : 胡绍猫 ( 1978- ) , 男 , 江西新余人 , 华南理工大 学
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风力发电机的仿真
以电流和 发电 机转 子转 速为 状态 量 , 联 立式
( 3 )、 式 ( 4 )和式( 5 )可以得出变速恒频双馈发电机的 状态方程: I= AI+ B U Xr = 1 ( T m - T e) Tj 1 ! 2 L m- Ls L r
1 机械与电子22006( 8)
这样 , 当发电机转速低于气隙磁场旋转速度时, 作亚同步速运行, 有 f 2 > 0 , 变频器向发电机转子提 # 25 #
1 机械与电子2 2006( 8)
供正相序励磁. 在不计损耗的理想条件下有: p 2 U sp 1 式中 p1 p2
Xs = s X1 = X1 - Xr (2 ) dD / d t= Xr 式中 T T J
R sL m L sL m ( X1- X 2 )
Rr L s
- Lr B= 0 1 2 L sL r - L m - L m 0 i ds I= i qs i dr i qr , U= uds uqs udr uqr
0 - Lr 0 - Lm
Lm 0 Ls 0
0 Lm 0 Lr
利用 M atlab/ Simulink 建立了变速恒频风力发 电机的仿真模型 . 电机参数取为 R s = 3 . 74 8 ,R r = 3 . 184 8 ,L s = 0 . 304 2 H , L r = 0 . 310 7 H , L m = 0 1 292 H ,f 1 = 50 H z , U 1 = 220 V ,s = 0 . 05 ,n p = 2 , cos U = 0 . 9 ,J = 0 . 001 25 kg ! m 2 ,P = 1 500 W . 仿真 参数设置为: 变步长 , 最大步长参数 0 . 001 , 最小步 长参数 0 . 000 5 , 初始步长参数 0 . 000 5 . 仿真过程中 保持输出功率 , 功率因素 , 定子电压等变量值不变 , 仅 U dr 在 0 . 5 s 时从 15. 089 8 V 调到 16. 589 8 V 时 的仿真结果如图 2 所示.
[2 ]
在发电机情况下以定子绕组磁链定向可使控制 系统简化 . 取定子磁链方向与 d 轴 重合, 当忽略定 子电阻时, 定子电压 U qs 正好位于 q 轴上 , 由此得到 发电机定子磁链定向控制时的矢量约束条件为 : u ds = 0 ,u qs = U 1 式中 U1 定子电压 (6 )
同时由 d, q 同步旋转坐标系与 a, b , c 三相坐标 系间的转换关系 [ 3 ] 可知 : i ds = I 1 sin U i qs = I 1 cos U 式中 I1 U 定子电流 定子功率因素角 (7)
发电效率下降. 为在各种风速下实现最大风能捕获, 需根据风速调节风力机的转速, 即作变速恒频发电 运行. 实现变速恒频发电的方式很多 , 其中交流励磁 方案很具优势. 这种变速恒频方式采用双馈型发电 机 , 其定子并网, 转子由变频器提供三相滑差频率电 流进行励磁 . 在追踪最大风能捕获的变速运行中 , 随 时调节励磁电流的 频率、 相序 , 使发电 机能在同步 上、 下广泛范围内作变速恒频运行. 进行各种运行状 态下风力发电机组的动态仿真, 对其运行和设计具 有重要意义 .
机械工程学院硕士研究生 , 研究方向 为变速恒 频风力发 电机的仿 真 及控制 .
图2
对定子侧无功功率的控制
1 机械与电子2 2006( 8)
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双馈型风力发电机矢量控制模型分 析
交流励磁双馈型风力发电机是一个高阶非线性
强耦合的多变量系统 , 只对励磁电压进行标量控制 无法达到满意的效果, 而采用以定子绕组磁场定向 控制可以使系统简化 , 从而进行解耦控制. 通过坐标 变换能得到同步发电机在两相同步旋转坐标系上的 数学模型 . 在定子侧取发电机惯例 , 则双馈型风力发 电机的电压和磁链方程分别如下: uds = p 7 ds - X1 7 qs - r si ds udr = p 7 dr - Xs 7 qr + r r i dr uqs = p 7 qs + X1 7 ds - r si qs uqr = p 7 qr + Xs 7 dr - r r i qr 磁链方程为 : 7 ds = - L s i ds + L m i dr 7 dr = L r i dr - L m i ds 7 qs = - L si qs + L m i qr 7 qr = L ri qr - L m i qs 式中 s 定子量 r 转子量 L s, L r , L m 定、 转子自感和定转子间互感 X1 , Xr , Xs 电机定子角速度、 转子角速度 和转差角速度 , 且满足 Xs = X1 ( 4) ( 3)
- Xr = s X1 转子运动方程表示为 : p Xr = (T m - T e ) / J T e = 3N p L m ( i qs i dr - ids i qr ) / 2 # 26 #
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其中 : Βιβλιοθήκη Baidu=
Rs L r
2 X 1 L sL r - X 2 Lm
X 2 Lm - X 1 Lr L s R sL r L sL m ( X 2- X 1) R sL m
m e
(5) 原动机的机械转矩
定子输出电功率 转子输入电功率 , 因滑差 s > 0 , 有 p 2 > 0 , 变频器向转子绕组输入 有功功
电磁转矩 转动惯量
率 当发电机转速高于气隙磁场旋转速度时 , 作超 同步速运行, f 2 < 0 . 此时 , 一方面变频器向转子提供 反相序励磁, 另一方面因 s < 0 ,p 2 < 0 , 转子 绕组向 变频器送入有功功率. 当发电机转速等于气隙磁场 旋转速度时, f 2 = 0 , 变频器向转子提供直流励磁, 此 时, s = 0 ,p 2 = 0 , 变频器与转子绕组之间无功 率交 换. 由此可见, 发电机励磁频率的控制是实现变速恒 频的关键