不同控制方式下雙饋風(fēng)機(jī)受風(fēng)速擾動(dòng)時(shí)的仿真研究

陳 昕

（國(guó)網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州450000）

1 引言

隨著新能源的不斷接入，尤其是風(fēng)電接入電網(wǎng)，原先電網(wǎng)增加了一個(gè)隨風(fēng)速波動(dòng)較為明顯的擾動(dòng)元，對(duì)一段時(shí)間內(nèi)電壓動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究有重要意義，尤其是風(fēng)電廠風(fēng)速波動(dòng)的情況下，并網(wǎng)點(diǎn)電壓的波動(dòng)是否越限，關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。本文以一雙饋式風(fēng)電機(jī)組為例，對(duì)其在風(fēng)速擾動(dòng)情況下的工作特性進(jìn)行研究。

2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，Te是發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，Tm為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，p為極對(duì)數(shù)。

3 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器矢量控制

雙饋風(fēng)機(jī)的定子繞組與電網(wǎng)直接相連，定子電阻值遠(yuǎn)小于電抗值，因此可以基本忽略定子電阻的影響。此時(shí)，定子端電壓矢量與定子磁鏈相位相差90°。以定子磁鏈的方向?yàn)檎?，同步坐?biāo)系的d軸與正方向相一致，則定子電壓矢量的方向超前正方向90°，即為q軸。該過(guò)程忽略了定子的電磁暫態(tài)過(guò)程。雙饋風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的矢量控制模型如下：

定子電動(dòng)勢(shì)恒定時(shí)，定子輸出有功與轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量irq成正比，同時(shí)定子無(wú)功功率與轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁分量ird緊密相關(guān)。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的矢量控制形成了轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制與電磁轉(zhuǎn)矩控制的獨(dú)立控制，即定子有功和無(wú)功的解耦控制。轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)化形成的轉(zhuǎn)子電壓均可完成對(duì)irq的控制任務(wù)。

圖1 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器矢量控制流程圖

矢量控制策略通過(guò)對(duì)定子無(wú)功的控制來(lái)得到轉(zhuǎn)子電流的勵(lì)磁分量ird和轉(zhuǎn)矩分量irq，同時(shí)達(dá)到捕獲最大風(fēng)能的效果。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制策略中，一般必須保證雙饋發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在單位功率因數(shù)的狀態(tài)下，即保證風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)之間幾乎沒(méi)有無(wú)功交換，以提高電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，因此無(wú)功發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功的參考值設(shè)定為0。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)對(duì)最大風(fēng)能的捕捉，對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ωr和轉(zhuǎn)速參考值ωr-ref的對(duì)比值進(jìn)行PI控制，從而獲得轉(zhuǎn)子電流的轉(zhuǎn)矩分量[3-4]。

4 網(wǎng)側(cè)變頻器矢量控制

網(wǎng)側(cè)變頻器采用基于電網(wǎng)電壓定向的矢量控制策略，該策略在一定程度上可以達(dá)到使交換的有功、無(wú)功解耦控制的目的。其中通過(guò)控制變流器電流直軸分量來(lái)維持電容器電壓基本不變，防止電壓過(guò)高損壞功率原件，同時(shí)有效控制交軸分量，達(dá)到控制網(wǎng)側(cè)變頻器與電網(wǎng)流過(guò)電能的目的，從而控制功率因數(shù)接近1。網(wǎng)側(cè)變流器的電壓方程如下：

其中，ugabc是指三相電網(wǎng)電壓，u1abc是指三相網(wǎng)側(cè)變頻器電壓，i1abc是指三相網(wǎng)側(cè)變頻器電流，Rg是指串聯(lián)在網(wǎng)側(cè)變頻器上的電阻，Lg是指串聯(lián)在網(wǎng)側(cè)變頻器上的電感，idcg是指流入網(wǎng)側(cè)變流器的直流電流，idcr是指轉(zhuǎn)子側(cè)變流器流出的直流電流，C為直流母線電容器電容。在同步坐標(biāo)系下，可轉(zhuǎn)化為：

式中，下標(biāo)d對(duì)應(yīng)直軸分量，下標(biāo)q對(duì)應(yīng)交軸分量。電網(wǎng)與網(wǎng)側(cè)變頻器間交換功率可表示為：

采用電網(wǎng)電壓定向技術(shù)后，電網(wǎng)電壓方向與d軸方向一致，q軸超前d軸90°，則有：

根據(jù)上式可知：電網(wǎng)電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)子有功功率與i1d成正比，同時(shí)，轉(zhuǎn)子無(wú)功功率與i1q成反比。由此可見(jiàn)，進(jìn)一步證明網(wǎng)側(cè)變頻器實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子有功、無(wú)功功率的獨(dú)立控制。在變頻器運(yùn)行過(guò)程中，串聯(lián)電阻損耗和變頻器開(kāi)關(guān)損耗非常小，變頻器的工作模式相當(dāng)于理想變頻器的模式，將出現(xiàn)：

為由直流母線流向轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的直流電流，通常為一擾動(dòng)變量。由上式可知，直流母線中通過(guò)控制來(lái)控制直流母線電壓[5]。

網(wǎng)側(cè)變頻器矢量控制技術(shù)的控制目的是保持直流母線電壓處于一個(gè)恒定水平，而對(duì)轉(zhuǎn)子電量沒(méi)有控制作用，并且依據(jù)所需無(wú)功的多少來(lái)確定i1q參考值的大小。在普通的控制策略中，為達(dá)到良好的控制效果且輸出盡可能多的有功功率，需要保證網(wǎng)側(cè)變頻器與電網(wǎng)間沒(méi)有無(wú)功交換，即維持網(wǎng)側(cè)變頻器功率因數(shù)恒為1。

圖2 網(wǎng)側(cè)變頻器控制流程圖

5 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變槳距控制技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組通過(guò)槳距控制系統(tǒng)控制槳距角，從而控制捕獲的風(fēng)能量。不同情況下風(fēng)機(jī)采取不同的槳距控制策略：①風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，槳距角控制目的是使風(fēng)機(jī)功率達(dá)到最大，風(fēng)速恒定時(shí)，機(jī)組能夠盡可能多地發(fā)出電能。②風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，增大槳距角，使風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率維持在額定值附近，避免機(jī)組機(jī)械過(guò)載，并防止風(fēng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)械損壞。

6 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真結(jié)果

6.1風(fēng)速為15m/s。（圖3、圖4、圖5）

圖3 漿距角仿真

圖4 風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真

圖5 風(fēng)力機(jī)輸出功率

6.2基本風(fēng)為15m/s，加1m/s的陣風(fēng)風(fēng)速，陣風(fēng)起始時(shí)間20s，結(jié)束時(shí)間40s。（圖6、圖7、圖8）

圖6 漿距角仿真

圖7 風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真

圖8 風(fēng)力機(jī)輸出功率

6.3基本風(fēng)為15m/s，加隨機(jī)風(fēng)，表面粗糙度為0.0192，擾動(dòng)范圍為100m。（圖9、圖10、圖11）

由仿真結(jié)果可知，采用矢量控制技術(shù)與槳距角控制技術(shù)后：①風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，機(jī)組能夠盡可能多地發(fā)出電能。②風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，增大槳距角，使風(fēng)機(jī)的機(jī)械功率維持在額定值附近，避免機(jī)組機(jī)械過(guò)載，并防止風(fēng)機(jī)出現(xiàn)機(jī)械損壞。③風(fēng)機(jī)的功率輸出與機(jī)械轉(zhuǎn)矩隨風(fēng)速的波動(dòng)相對(duì)減小[6]。

7 小結(jié)

本文主要根據(jù)雙饋風(fēng)機(jī)的基本原理，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行建模，包括風(fēng)速模型，風(fēng)機(jī)的基本模型，分析了風(fēng)能利用系數(shù)、漿距角和葉尖速比的關(guān)系。再次，本文建立了雙饋風(fēng)機(jī)組在三相下的靜止模型，同時(shí)分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程，分析了發(fā)電機(jī)的工作原理。本文采用的交直交變頻器中，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器以及定子側(cè)變頻器均采用了矢量控制技術(shù)。本文采用變槳距控制技術(shù)對(duì)雙饋風(fēng)機(jī)的風(fēng)速漿距角電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)矩發(fā)電機(jī)輸出有功功率以及發(fā)電機(jī)輸出無(wú)功功率進(jìn)行了仿真。

圖9 風(fēng)力機(jī)漿距角仿真

圖10 風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩仿真

圖11 風(fēng)力機(jī)輸出功率仿真

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