变速恒频风力发电机组输出特性分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Pgen : 发电机发出功率 Spgen : 经变频器流动的转差功率
图 1 系统结构图 Fig11 Structure frame of t he system
设转子的转速为 n , 转子绕组通过变频器提 供的励磁电流在转子绕组上产生的旋转磁场相对 于转子的转速为 n2 。当风速变化引起转速 n 变 化时 , 应利用变频器调节转子的励磁电流频率 f 2 以改变转子磁场的旋转速度 n2 , 使得在定子上感
第 4 期 胡冬良 ,等 :变速恒频风力发电机组输出特性分析
3
应出对应同步转速 n1 的工频电压 , 其关系表达 式为
n1 = n ±n2
f2
=
pn2 60
=
s·f 1
=
s
·p n 1 60
(1)
式中 : s 为转差率 ; p 为极对数 ; f 1 为工频频率 。
转子侧三相电流的相序取决于 ( n1 - n) 的
第 35 卷第 4 期 2008 年 7 月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Journal
of
华北电力大学学报 Nort h China Electric Power
U niversity
Vol135 ,
J ul1 ,
No14 2008
变速恒频风力发电机组输出特性分析
胡冬良 , 赵成勇
(华北电力大学 电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室 , 河北 保定 071003) 摘要 : 以变速恒频风力发电系统为研究对象 , 依据发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理 , 设计了交 流励磁变速恒频 (VSCF) 发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统 , 对转子侧变换器建立了外环定功率控制 内环定电流控制的双闭环控制结构 , 实现双馈发电机定子有功 P 和无功 Q 的解耦控制 , 从而获得最大风能捕 获的高效发电运行 。并在 PSCAD/ EM TDC 仿真环境下建立了变速恒频风力发电机组的整体动态数学模型 。以 渐变风和阵风为例 , 对由 5 台单机容量为 2 MVA 双馈感应电机 (DFIG) 组成的风电场并网前后的运行特性 进行仿真研究 , 通过仿真分析 , 揭示了风电场并网运行的动态特性 , 并验证了数学模型和控制策略的正确性 和有效性 。 关键词 : 变速恒频发电机组 ; 双馈感应电机 ; 矢量变换控制 ; 最大风能捕捉 中图分类号 : TM614 ; TP391 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 - 2691 (2008) 04 - 0001 - 06
本文对 DF I G 采用交流励磁控制 , 突破了机 电系统必须严格同步的传统观念 , 使原动机转速 不受发电机输出频率的限制 , 而发电机输出电压 (或电流) 的频率 、幅值和相位也不受转子速度 和瞬时位置的影响 , 实现了机电系统之间的柔性 连接 , 从而提高了发电机的稳定性和电网运行的 可靠性 。按照捕获最大风能的要求 , 在风速变化 的情况下实时地调节风力机转速 , 使之运行在最 佳转 速 上 , 从 而 提 高 发 电 机 组 发 电 效 率 。在 PSCAD/ EM TDC 仿真环境下实现了风电场并网运 行系统的电磁暂态仿真 , 分析由 DF I G 组成的风 电场的运行特性 , 研究风电场接入电网后由于风 速的波 动 对 电 网 的 电 压 稳 定 性 及 电 压 质 量 的 影 响 , 仿真结果验证了数学模型和控制策略的正确 性和有效性 , 揭示了风电场并网运行的动态特 性。
The output characteristic analysis of variable2speed constant2frequency wind generating set
HU Dong2liang , ZHAO Cheng2yong
( Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education , Nort h China Electric Power University , Baoding 071003 , China)
1 交流励磁变速恒频发电原理
交流励磁变速恒频发电是在异步发电机转子 中施加三相低频交流电流实现励磁 , 通过调节励 磁电流的幅值 、相位 、相序 , 实现发电机输出功 率恒频恒压 。
DF I G 在结构上类似绕线式异步电机 , 定子 与一般的交流电机一样 , 布有三相分布式绕组 , 转子与一般的发电机不同 , 它也布有三相分布式 绕组 。定子绕组直接接入电网 , 转子和电网之间 通过变频器连接 , 因为在变换器中能量可以双向 地流动 , 所以称为双馈电机 , 如图 1 所示 。
2
华 北 电 力 大 学 学 报 2008 年
量 , 提高传动系统的柔性 , 使功率输出更加平 稳。
变速恒频发电机目前主要采用双馈感应电机 (Double Fed Induction Generator , DF I G) , 它由绕 线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁变 频器组成 。发电机向电网输出的功率由直接从定 子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率两 部分组成 。目前用于双馈感应发电机交流励磁的 装置中 , 交 - 交变频器中晶闸管采用自然换流方 式 , 变频器始终吸收无功功率 , 输入侧功率因数 很低 , 输出电压中含有大量谐波 , 对电网和发电 机造成了严重的谐波污染 , 在风力发电领域的应 用受到一定的限制[2～3 ] 。矩阵式变换器可使输出 电压和输入电流均为正弦波 , 输出频率不受电网 频率的限制 , 能量可双向流动 , 可实现四象限运 行 , 不需要通过直流环节而直接实现变频 , 效率 较高 , 且省去了直流侧大电容 , 容易实现集成化 和功率模块化[4 ] 。但控制方法较复杂 , 在换流时 既不允许有重叠 , 也不允许有间隙 , 实现起来比 较困难 , 且最大输出电压能力不高[5～6 ] 。交直交 双 PWM 变换器以其良好的传输特性 、功率因数 高 、网侧电流谐波小 、能量双向流动等特点而受 到广泛关注[7～9 ] 。文献 [ 10 ] 建立了在主从控制 方式下应用功率平衡联合控制策略的双 PWM 控 制模型 , 该模型可以对转子侧和网侧两个 PWM 变换器进行协调控制 , 使得整流部分充分利用了 逆变部分的信息 , 提高了直流母线电压的动态控 制性 , 并减少了对变换器中电解电容容量的要 求 , 同时也加快了机组的响应速度 。文献 [ 11 ] 在忽略电子器件的换相重叠 、损耗 , 并只考虑变 频器直流电容放电的动态过程的前提下 , 提出基 于定子磁链旋转坐标系统下的变速恒频风电机组 电气控制部分的控制策略并设计响应的 PI 控制 器 , 保证了变速恒频风电机组的稳定运行 。文献 [12 ] 提出将电网故障励磁控制与正常运行时的 风能跟踪控制相结合 , 在发生故障的情况下保证 了发电机迅速恢复有功输出 , 从而提高整个电力 系统在故障切除后的运行稳定性 。文献 [ 13 ] 基 于定子电压矢量控制 , 引进了电流内模控制 , 有 效地抑制了转子过电流 。在变速风力发电机组的 研究中 , 也有采用适应性控制技术的方案 , 比较 成功的是带非线性卡尔曼滤波器的状态空间模型 参考适应性控制器的应用[14 ] 。但是其计算量大 , 实用性仍在进一步探讨 。
0 引 言
风力发电以其清洁 、可再生 、技术成熟 、风
收稿日期 : 2007212211. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50577018) ; 高等学
校学科创新引智计划 (B08013) ; 长江学者和创新 团队发展计划 ( IRT0515) ; 华北电力大学重大项 目预研基金资助项目.
力资源丰富等优势 , 日益受到人们的重视 , 并得 到许多国家能源政策的支持 。近年来 , 随着电力 发电技术的发展 , 变速恒频风力发电机组已逐步 成为 MW 级风力发电机组的主流机型 。变速恒频 风力发电机组与恒速恒频风力发电机组相比有显 著的优越性[1 ] : 低风速时它能够根据风速变化 , 在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能 ; 高 风速时利用风轮转速的变化 , 存储或释放部分能
反 , 定子和转子都向电网馈送能量 。
2 变速恒频风力发电机控制策略
Abstract : The system of variable speed constant frequency (VSCF) wind power generation is taken as study object in t his paper. According to t he generator mat hematical models and t he control principle of vector2oriented , t he control system of AC excitation VSCF generator is designed based on stator flux orientation. The rotor converter adopts double locked loops control structure. Namely , t he external2loop is controlled by constant power and t he inner2loop is con2 trolled by constant current , which implement t he decoupling control of active power P and reactive power Q to t he stator. Consequently , t he maximal energy capture is obtained to operate wit h high2active power generation. Moreover , a whole dynamic model of double fed induction generator (DFIG) is presented using PSCAD/ EM TDC. Then t he ramp change of wind speed and gust are taken for example. The operation characteristic of wind farm interconnected net2 work , which is composed by five DFIG wit h 2 MVA capacity , is simulated. The interconnecting dynamic performance of wind farm is validated by simulation experiment . The results also show t he mat hematic model and control strategy is exact and effective. Key words : variable speed constant frequency ( VSCF) ; double fed induction generator (DFIG) ; vector transform control ; maximal energy capture
符号 , 当 n1 > n 时 , s > 0 , 发电机处于亚同步运
行状态 , 此时转子旋转磁场相对于转子的旋转方
向与转子机械旋转方向相同 , 定子向电网馈送能
量 , 电网向转子馈入能量 ; 当 n1 < n 时 , s < 0 , 发电机处于超同步运行状态 , 此时转子旋转磁场
相对于 转 子 的 旋 转 方 向 与 转 子 机 械 旋 转 方 向 相
图 1 系统结构图 Fig11 Structure frame of t he system
设转子的转速为 n , 转子绕组通过变频器提 供的励磁电流在转子绕组上产生的旋转磁场相对 于转子的转速为 n2 。当风速变化引起转速 n 变 化时 , 应利用变频器调节转子的励磁电流频率 f 2 以改变转子磁场的旋转速度 n2 , 使得在定子上感
第 4 期 胡冬良 ,等 :变速恒频风力发电机组输出特性分析
3
应出对应同步转速 n1 的工频电压 , 其关系表达 式为
n1 = n ±n2
f2
=
pn2 60
=
s·f 1
=
s
·p n 1 60
(1)
式中 : s 为转差率 ; p 为极对数 ; f 1 为工频频率 。
转子侧三相电流的相序取决于 ( n1 - n) 的
第 35 卷第 4 期 2008 年 7 月
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Journal
of
华北电力大学学报 Nort h China Electric Power
U niversity
Vol135 ,
J ul1 ,
No14 2008
变速恒频风力发电机组输出特性分析
胡冬良 , 赵成勇
(华北电力大学 电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室 , 河北 保定 071003) 摘要 : 以变速恒频风力发电系统为研究对象 , 依据发电机数学模型和交流电机矢量变换控制原理 , 设计了交 流励磁变速恒频 (VSCF) 发电机定子磁链定向的矢量变换控制系统 , 对转子侧变换器建立了外环定功率控制 内环定电流控制的双闭环控制结构 , 实现双馈发电机定子有功 P 和无功 Q 的解耦控制 , 从而获得最大风能捕 获的高效发电运行 。并在 PSCAD/ EM TDC 仿真环境下建立了变速恒频风力发电机组的整体动态数学模型 。以 渐变风和阵风为例 , 对由 5 台单机容量为 2 MVA 双馈感应电机 (DFIG) 组成的风电场并网前后的运行特性 进行仿真研究 , 通过仿真分析 , 揭示了风电场并网运行的动态特性 , 并验证了数学模型和控制策略的正确性 和有效性 。 关键词 : 变速恒频发电机组 ; 双馈感应电机 ; 矢量变换控制 ; 最大风能捕捉 中图分类号 : TM614 ; TP391 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 - 2691 (2008) 04 - 0001 - 06
本文对 DF I G 采用交流励磁控制 , 突破了机 电系统必须严格同步的传统观念 , 使原动机转速 不受发电机输出频率的限制 , 而发电机输出电压 (或电流) 的频率 、幅值和相位也不受转子速度 和瞬时位置的影响 , 实现了机电系统之间的柔性 连接 , 从而提高了发电机的稳定性和电网运行的 可靠性 。按照捕获最大风能的要求 , 在风速变化 的情况下实时地调节风力机转速 , 使之运行在最 佳转 速 上 , 从 而 提 高 发 电 机 组 发 电 效 率 。在 PSCAD/ EM TDC 仿真环境下实现了风电场并网运 行系统的电磁暂态仿真 , 分析由 DF I G 组成的风 电场的运行特性 , 研究风电场接入电网后由于风 速的波 动 对 电 网 的 电 压 稳 定 性 及 电 压 质 量 的 影 响 , 仿真结果验证了数学模型和控制策略的正确 性和有效性 , 揭示了风电场并网运行的动态特 性。
The output characteristic analysis of variable2speed constant2frequency wind generating set
HU Dong2liang , ZHAO Cheng2yong
( Key Laboratory of Power System Protection and Dynamic Security Monitoring and Control under Ministry of Education , Nort h China Electric Power University , Baoding 071003 , China)
1 交流励磁变速恒频发电原理
交流励磁变速恒频发电是在异步发电机转子 中施加三相低频交流电流实现励磁 , 通过调节励 磁电流的幅值 、相位 、相序 , 实现发电机输出功 率恒频恒压 。
DF I G 在结构上类似绕线式异步电机 , 定子 与一般的交流电机一样 , 布有三相分布式绕组 , 转子与一般的发电机不同 , 它也布有三相分布式 绕组 。定子绕组直接接入电网 , 转子和电网之间 通过变频器连接 , 因为在变换器中能量可以双向 地流动 , 所以称为双馈电机 , 如图 1 所示 。
2
华 北 电 力 大 学 学 报 2008 年
量 , 提高传动系统的柔性 , 使功率输出更加平 稳。
变速恒频发电机目前主要采用双馈感应电机 (Double Fed Induction Generator , DF I G) , 它由绕 线转子异步发电机和在转子电路上带交流励磁变 频器组成 。发电机向电网输出的功率由直接从定 子输出的功率和通过变频器从转子输出的功率两 部分组成 。目前用于双馈感应发电机交流励磁的 装置中 , 交 - 交变频器中晶闸管采用自然换流方 式 , 变频器始终吸收无功功率 , 输入侧功率因数 很低 , 输出电压中含有大量谐波 , 对电网和发电 机造成了严重的谐波污染 , 在风力发电领域的应 用受到一定的限制[2～3 ] 。矩阵式变换器可使输出 电压和输入电流均为正弦波 , 输出频率不受电网 频率的限制 , 能量可双向流动 , 可实现四象限运 行 , 不需要通过直流环节而直接实现变频 , 效率 较高 , 且省去了直流侧大电容 , 容易实现集成化 和功率模块化[4 ] 。但控制方法较复杂 , 在换流时 既不允许有重叠 , 也不允许有间隙 , 实现起来比 较困难 , 且最大输出电压能力不高[5～6 ] 。交直交 双 PWM 变换器以其良好的传输特性 、功率因数 高 、网侧电流谐波小 、能量双向流动等特点而受 到广泛关注[7～9 ] 。文献 [ 10 ] 建立了在主从控制 方式下应用功率平衡联合控制策略的双 PWM 控 制模型 , 该模型可以对转子侧和网侧两个 PWM 变换器进行协调控制 , 使得整流部分充分利用了 逆变部分的信息 , 提高了直流母线电压的动态控 制性 , 并减少了对变换器中电解电容容量的要 求 , 同时也加快了机组的响应速度 。文献 [ 11 ] 在忽略电子器件的换相重叠 、损耗 , 并只考虑变 频器直流电容放电的动态过程的前提下 , 提出基 于定子磁链旋转坐标系统下的变速恒频风电机组 电气控制部分的控制策略并设计响应的 PI 控制 器 , 保证了变速恒频风电机组的稳定运行 。文献 [12 ] 提出将电网故障励磁控制与正常运行时的 风能跟踪控制相结合 , 在发生故障的情况下保证 了发电机迅速恢复有功输出 , 从而提高整个电力 系统在故障切除后的运行稳定性 。文献 [ 13 ] 基 于定子电压矢量控制 , 引进了电流内模控制 , 有 效地抑制了转子过电流 。在变速风力发电机组的 研究中 , 也有采用适应性控制技术的方案 , 比较 成功的是带非线性卡尔曼滤波器的状态空间模型 参考适应性控制器的应用[14 ] 。但是其计算量大 , 实用性仍在进一步探讨 。
0 引 言
风力发电以其清洁 、可再生 、技术成熟 、风
收稿日期 : 2007212211. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50577018) ; 高等学
校学科创新引智计划 (B08013) ; 长江学者和创新 团队发展计划 ( IRT0515) ; 华北电力大学重大项 目预研基金资助项目.
力资源丰富等优势 , 日益受到人们的重视 , 并得 到许多国家能源政策的支持 。近年来 , 随着电力 发电技术的发展 , 变速恒频风力发电机组已逐步 成为 MW 级风力发电机组的主流机型 。变速恒频 风力发电机组与恒速恒频风力发电机组相比有显 著的优越性[1 ] : 低风速时它能够根据风速变化 , 在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能 ; 高 风速时利用风轮转速的变化 , 存储或释放部分能
反 , 定子和转子都向电网馈送能量 。
2 变速恒频风力发电机控制策略
Abstract : The system of variable speed constant frequency (VSCF) wind power generation is taken as study object in t his paper. According to t he generator mat hematical models and t he control principle of vector2oriented , t he control system of AC excitation VSCF generator is designed based on stator flux orientation. The rotor converter adopts double locked loops control structure. Namely , t he external2loop is controlled by constant power and t he inner2loop is con2 trolled by constant current , which implement t he decoupling control of active power P and reactive power Q to t he stator. Consequently , t he maximal energy capture is obtained to operate wit h high2active power generation. Moreover , a whole dynamic model of double fed induction generator (DFIG) is presented using PSCAD/ EM TDC. Then t he ramp change of wind speed and gust are taken for example. The operation characteristic of wind farm interconnected net2 work , which is composed by five DFIG wit h 2 MVA capacity , is simulated. The interconnecting dynamic performance of wind farm is validated by simulation experiment . The results also show t he mat hematic model and control strategy is exact and effective. Key words : variable speed constant frequency ( VSCF) ; double fed induction generator (DFIG) ; vector transform control ; maximal energy capture
符号 , 当 n1 > n 时 , s > 0 , 发电机处于亚同步运
行状态 , 此时转子旋转磁场相对于转子的旋转方
向与转子机械旋转方向相同 , 定子向电网馈送能
量 , 电网向转子馈入能量 ; 当 n1 < n 时 , s < 0 , 发电机处于超同步运行状态 , 此时转子旋转磁场
相对于 转 子 的 旋 转 方 向 与 转 子 机 械 旋 转 方 向 相