双馈变速风电机组模型优化

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：双馈变速风电机组由双馈感应发电机、机械传动系统和变流器等组成，如图1-3所示。双馈变速风电机组通过双馈感应发电机把机械能转换成电能，并通过发电机和变流器控制实现可靠并网。文献[29]计及定子电压、电流过渡过程建立了双馈变速风电机组模型，提出了分别基于定子磁链定向和电网电压定向两种改进的矢量控制方案，为在电网电压骤降的情况下进行有效控制奠定了基础。

双馈变速风电机组由双馈感应发电机、机械传动系统和变流器等组成，如图1-3所示。其中，风电机组机械传动系统由风力机、低速轴（LS）、齿轮箱和高速轴（HS）等部分组成，在风电机组并网研究中可简化为风力机、轴系和桨距角控制。

由于风的随机性以及风力机叶片翼型的不同，风力机从风中捕获风能而转化成风力机输出的机械功率具有很强的非线性特性。目前，风力机的空气动力学建模方法主要有两种：一种是基于叶素理论的建模方法^[10，11]，将叶片分为若干个微元（称为叶素），通过对叶素的受力分析求得微元转矩，把所有微元转矩相加而得到风力机总的输出转矩；一种是基于流体能量转换过程的建模方法^[12]，通过设计参数、统计数据或者经验公式求得风能利用系数或者转矩系数，然后根据功率或转矩公式计算得到风力机的输出功率或转矩。

图1-3 双馈变速风电机组的组成

为了使发电机输出工频电能，风力机和发电机通过刚度较低的齿轮箱相连，组成了风电机组轴系。风电机组运行时轴系的扭振会引起发电机转速波动，发电机转速和发电机其他参数之间为强耦合关系，因此风电机组轴系特性会影响风电机组的运行^[13]。在风电机组建模中，轴系模型有考虑机组轴系扭振的双质块轴系模型和不考虑机组轴系扭振的单质块轴系模型，与单质块简化模型相比，双馈变速风电机组采用双质块轴系模型可以较准确地进行风电机组动态特性分析与控制^[13，14]。为了提高风能利用率，在低风速时，风电机组通过转速调整使风力机获取最大风能；在高风速时，风电机组通过桨距角控制使机械功率维持在额定值附近，保证风电机组安全可靠运行。桨距角控制系统的输入量通常为风电机组的电气量（输出的有功功率）^[15]、机械量（如发电机转速）^[16]或电气量和机械量组合（如输出的有功功率和发电机转速）^[17]。

双馈变速风电机组通过双馈感应发电机把机械能转换成电能，并通过发电机和变流器控制实现可靠并网。双馈感应发电机是一个时变、多变量、强耦合的系统，其模型包括磁链方程、电压方程和机械运动方程等。根据分析需要，可对双馈感应发电机的数学模型进行不同程度的简化。例如，文献[18-20]建立了双馈型风力发电机的8阶、5阶、3阶模型，分析和比较了双馈变速风电机组的动态响应特性；为了对双馈感应发电机建模进行简化，文献[21]将发电机和电网变流器作为一体简化建模，以反映双馈变速风电机组和换流器的动态行为；在文献[22]中，考虑到发电机电流控制比机组的机电暂态快得多，对电力系统的暂态稳定影响不大，采用降阶微分方程研究双馈变速风电机组暂态特性。

双馈感应发电机转子通过变流器与电网相连，为双馈感应发电机提供励磁电流。变流器由两个完全相同的三相两电平电压型双PWM变流器通过直流母线连接而成，其中与电网相连的为电网侧变流器，与发电机相连的为转子侧变流器^[23]，如图1-4所示。电网侧变流器的主要任务是维持直流母线电压的稳定，并提高其抗负载扰动能力；转子侧变流器可控制转子电流，并对直流母线电压保持恒定有一定影响，对它们的有效控制主要取决于双馈感应发电机的控制模型^[24，25]。基于定子磁链定向和基于电网电压定向的同步旋转坐标系下双馈感应发电机控制模型应用最广，因此形成了变流器基于定子磁链定向和基于电网电压定向的两种矢量控制策略^[26]。为了简化仿真过程，在文献[27]中假设电网侧变流器为理想变流器，并假设直流母线电压保持恒定，然后将转子侧变流器等效为电压控制电流源，再基于定子磁链定向控制对双馈发电机的有功、无功功率进行解耦控制。目前，在双馈感应发电机及变流器建模中，都是假设电网电压恒定、忽略双馈感应发电机定子电流动态过程。文献[28]的研究表明，在电网电压恒定时，两种传统的矢量控制方案均可使双馈变速风电机组获得良好的动态和稳态特性。但是，电网故障时，电网电压和定子电流是变化的。文献[29]计及定子电压、电流过渡过程建立了双馈变速风电机组模型，提出了分别基于定子磁链定向和电网电压定向两种改进的矢量控制方案，为在电网电压骤降的情况下进行有效控制奠定了基础。

图1-4 三相两电平电压型双PWM变流器拓扑结构

双馈变速风电机组模型优化

相关推荐