【文章內(nèi)容簡介】 電機(jī)的運(yùn)行理論分析:當(dāng)風(fēng)速變化引起雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n變化時,控制轉(zhuǎn)子電流的頻率,可使定子頻率恒定,即應(yīng)滿足 ，式中，為定子電流頻率,由于定子與電網(wǎng)相連,所以與電網(wǎng)頻率相同； 為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率,，為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速； 為電機(jī)的極對數(shù)； 為轉(zhuǎn)子電流頻率。 雙饋感應(yīng)電機(jī)動態(tài)模型 采用相坐標(biāo)系統(tǒng)的雙饋感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型是一組帶有時變系數(shù)的方程,求解比較復(fù)雜,而將轉(zhuǎn)子及定子各量經(jīng)過坐標(biāo)變換后,可以大大簡化計算過程。坐標(biāo)變換的形式有多種,一般為三類:(l)轉(zhuǎn)子和定子各量全都轉(zhuǎn)換到與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中；(2)轉(zhuǎn)子和定子各量全部轉(zhuǎn)換到與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度同步的坐標(biāo)系中；(3)混合坐標(biāo)系，將定子量轉(zhuǎn)換到與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步的坐標(biāo)系中,而轉(zhuǎn)子量保持abc相坐標(biāo)系不變；也可以將轉(zhuǎn)子量轉(zhuǎn)換為與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度同步的坐標(biāo)系中,定子量轉(zhuǎn)換為與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中等。雙饋電機(jī)的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組都是對稱的,采用上述3種坐標(biāo)變換中的任何一種都能起到簡化模型的作用。由于雙饋電機(jī)定子側(cè)的頻率為恒定,轉(zhuǎn)子側(cè)各參數(shù)都折算至定子側(cè),因而采用第(l)種坐標(biāo)變換更有利于對雙饋電機(jī)的分析計算。當(dāng)電力系統(tǒng)遭受到大的擾動時，表征系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各種電磁參數(shù)會發(fā)生變化，同時發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、激磁電流和電磁功率等也會發(fā)生相應(yīng)的改變。因此，為了對風(fēng)電機(jī)組暫態(tài)過程進(jìn)行仿真分析，以便更好地對風(fēng)電場電壓穩(wěn)定性問題展開研究，需要建立異步發(fā)電機(jī)的暫態(tài)數(shù)學(xué)模型。由于異步發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子磁場和電氣量都是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此如果將以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系作為參考坐標(biāo)系，便會帶來很大的簡化。本文按照把軸放在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上來建立發(fā)電機(jī)的暫態(tài)模型。以定子電流流出發(fā)電機(jī)的方向?yàn)檎较?，并且?guī)定定子的各相正值電流產(chǎn)生負(fù)值磁鏈，同樣，轉(zhuǎn)子電流和磁鏈的正方向也按同樣的方法確定。在不計定子繞組暫態(tài)過程，即認(rèn)為的情況下，定子電壓方程可以表示為： （213）式中，、——分別為定子繞組d軸電壓、q軸電壓(V)； 、——分別為定子繞組d軸電流、q軸電流(A)； 、——分別為定子繞組d軸磁鏈、q軸磁鏈(Wb)； ——定子電阻()； ——同步旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s)。磁鏈、暫態(tài)電勢和電流的關(guān)系: (214)式中，、——分別為發(fā)電機(jī)d軸、q軸暫態(tài)電勢(V)； ——發(fā)電機(jī)暫態(tài)電抗()，、別為定子、轉(zhuǎn)子電抗，為勵磁電抗。不計定子繞組的暫態(tài)過程，把暫態(tài)電勢當(dāng)作狀態(tài)變量，可推得： （215）式中，x——定子同步電抗(),； ——定子繞組開路時轉(zhuǎn)子繞組的時間常數(shù)，是系統(tǒng)頻率；為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度，為微分算子。該暫態(tài)電勢方程寫成相量的形式可以表示為： （216）式中，s——發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率； ——系統(tǒng)頻率(Hz)。根據(jù)上面各式通過推導(dǎo)可得到定子繞組的電磁方程式。在不計定子繞組電磁暫態(tài)的情況下，即在機(jī)電暫態(tài)下，可得到由定子量表示的異步發(fā)電機(jī)的三階數(shù)學(xué)模型： （217）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度跟作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系為： （218）式中，——輸入發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩（）； ——發(fā)電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩（）； ——轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度(rad/s)； ——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量。由式（218）可推得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程式為： （219）式中，——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)； s——發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。異步發(fā)電機(jī)電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩方程為： （220）式中，——定子電流(A)，； ——發(fā)電機(jī)電角速度(rad/s)。 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常由風(fēng)力機(jī)、傳動系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和對應(yīng)的控制系統(tǒng)組成,其中控制系統(tǒng)根據(jù)控制對象可以分為兩大類:發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)；也可以按功能劃分為三部分:槳距角控制、轉(zhuǎn)速控制和無功功率控制。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行控制的總體方案是:額定風(fēng)速以下風(fēng)力機(jī)按優(yōu)化槳距角定槳距運(yùn)行,由發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉尖速比,從而實(shí)現(xiàn)最佳功率曲線的追蹤和最大風(fēng)能的捕獲；在額定風(fēng)速以上風(fēng)力機(jī)變槳距運(yùn)行,由風(fēng)力機(jī)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)槳距角來改變風(fēng)能系數(shù),從而控制風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和功率,防止風(fēng)電機(jī)組超出轉(zhuǎn)速極限和功率極限運(yùn)行而可能造成的事故。風(fēng)電機(jī)組需要通過兩個部分的控制,實(shí)現(xiàn)上述理想狀況下的總控制目標(biāo),即風(fēng)電機(jī)組電氣控制部分和機(jī)械控制部分。而風(fēng)電機(jī)組電氣控制部分是通過控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電壓,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組理想狀況下總控制目標(biāo)的。雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制的目標(biāo)是:（1）實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行,滿足電網(wǎng)對風(fēng)電電能質(zhì)量的要求。（2）對風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)的有功功率和無功功率進(jìn)行控制,以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能追蹤的目標(biāo)。為有效的實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo),本文采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的磁場定向矢量控制技術(shù)。通過這個矢量控制技術(shù),風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)無功功率和有功功率可實(shí)現(xiàn)解耦控制。通過風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)功率的解耦控制,可以保證變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組在實(shí)現(xiàn)最大效率利用風(fēng)能的同時,仍可進(jìn)行無功功率的調(diào)節(jié)[13]。 槳距角控制 槳距角的控制模式包括低風(fēng)速控制模式和高風(fēng)速控制模式。當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，將槳距角確定在某一角度，從而使風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到最高，這種控制模式稱為低風(fēng)速控制模式。當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時，調(diào)節(jié)槳距角的大小使風(fēng)機(jī)的輸出功率維持在額定功率水平，這種控制模式稱為高風(fēng)速控制模式。下式表示高風(fēng)速槳距角控制的動態(tài)數(shù)學(xué)模型： （221）式中，為控制器時間常數(shù)，為當(dāng)前轉(zhuǎn)速對應(yīng)的槳距角，由公式求得，其中 （222）設(shè)，通過以上公式可以得到槳距角控制圖，如圖21所示： 圖21 槳距角控制系統(tǒng)框圖 轉(zhuǎn)速控制和無功功率控制雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制是通過調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)的，公式為和。由以上公式可知，定子電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子軸分量可以通過繞組電流軸分量來調(diào)節(jié)，電磁轉(zhuǎn)矩可以通過定子電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子軸分量來調(diào)節(jié)。因此，可以通過調(diào)節(jié)繞組電流軸分量實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)矩控制框圖如圖22所示，為比例積分控制器放大倍數(shù)，為比例積分控制器的時間常數(shù)。、為雙饋風(fēng)電機(jī)組的給定值。圖22 轉(zhuǎn)速控制框圖變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組不僅可以調(diào)節(jié)有功功率，又可以調(diào)節(jié)無功功率，因此，雙饋風(fēng)電機(jī)組具有調(diào)節(jié)電壓的功能。這是異步發(fā)電機(jī)所無法比擬的優(yōu)勢。變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的無功控制有恒功率因數(shù)控制和恒電壓控制兩種運(yùn)行方式。但是雙饋風(fēng)電機(jī)組大多數(shù)情況下采用恒功率因數(shù)控制運(yùn)行方式，因而本文只介紹恒功率因數(shù)控制，即使定子側(cè)功率輸出因數(shù)為恒定值。由公式： （223） （224）可知變速恒頻雙饋風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)無功功率為： （225），為功率因數(shù)角。由式（226）得： （226）由式（226）可得在恒功率因數(shù)控制下得到的轉(zhuǎn)子電流方程： （227）當(dāng)無功功率控制采用恒功率因數(shù)控制時，對轉(zhuǎn)子電流軸分量的控制是通過對轉(zhuǎn)子電流軸分量的控制實(shí)現(xiàn)的。對 實(shí)行開環(huán)控制，就可以維持功率因數(shù)的恒定。通過控制的大小來控制功率因數(shù)，但是的波動不能太大，因而可以用一階慣性環(huán)節(jié)減小變化的幅度，恒功率因數(shù)控制框圖如圖23所示，表示慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)。圖23 恒功率因數(shù)控制框圖通過以上詳細(xì)分析說明了轉(zhuǎn)速控制和恒功率因數(shù)控制都是通過對轉(zhuǎn)子繞組電流的控制來實(shí)現(xiàn)的，得到了轉(zhuǎn)速控制和恒功率因數(shù)控制與轉(zhuǎn)子繞組電流的控制關(guān)系[14]。 本章小結(jié)本章建立了風(fēng)電機(jī)組中的風(fēng)力機(jī)模型、傳動系統(tǒng)模型和發(fā)電機(jī)模型,其中風(fēng)力機(jī)模型包括風(fēng)速模型和空氣動力學(xué)模型,傳動模型采用集中質(zhì)量塊模型。發(fā)電機(jī)模型又包括基于雙饋感應(yīng)電機(jī)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組動態(tài)模型,在滿足本文研究需要的前提下進(jìn)行了合理的簡化,推導(dǎo)出形式簡單、能正確反映運(yùn)行特性、且易于仿真實(shí)現(xiàn)的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)三階簡化動態(tài)數(shù)學(xué)模型, 該模型是根據(jù)建立在定子磁場旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中，在忽略了電機(jī)定子磁鏈暫態(tài)過程的前提下,得到的采用轉(zhuǎn)子勵磁電壓和發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩為控制變量的三階動態(tài)模型。第3章 風(fēng)電場集總模型 第3章 風(fēng)電場集總模型 引言大規(guī)模風(fēng)電場通常由幾十臺甚至成百上千臺風(fēng)電機(jī)組成，為了減少對每臺機(jī)組分別進(jìn)行詳細(xì)建模帶來的繁瑣，同時為了減少仿真時間，對風(fēng)電場進(jìn)行等值是值得研究的。與傳統(tǒng)的發(fā)電廠相比較，風(fēng)力發(fā)電場由許多容量較小的發(fā)電機(jī)組成。為了有效地進(jìn)行仿真，人們期望將這些發(fā)電機(jī)等效為一臺發(fā)電機(jī)模型。在研究暫態(tài)電壓穩(wěn)定性時，可以使用組合模型和降階模型來表示風(fēng)電場。風(fēng)電場組合模型建模包括風(fēng)電場中的每臺風(fēng)力機(jī)、補(bǔ)償電容器、升壓變壓器以及內(nèi)部電網(wǎng)詳細(xì)模型等。風(fēng)電場降階模型建模是指在特定的條件下用一臺風(fēng)力機(jī)模型來表示風(fēng)電場。大型風(fēng)電場等值建模和研究的內(nèi)容有很大關(guān)系。在滿足一定條件時，可以將風(fēng)電場加人到降階變尺度等值模型中。條件一：降階等值風(fēng)場的容量等于風(fēng)電場內(nèi)每臺風(fēng)機(jī)容量之和： （31）條件二：降階等值風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送的有功功率等于風(fēng)電場內(nèi)每臺風(fēng)機(jī)有功功率之和： （32）傳統(tǒng)的風(fēng)電場模型,忽略了各臺風(fēng)電機(jī)組輸出功率的差異，認(rèn)為它們都在相同的風(fēng)況下運(yùn)行。而實(shí)際上,風(fēng)電場的面積一般都比較大,每個位置的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)況是不完全相同的,不同位置風(fēng)電機(jī)組風(fēng)況的差異會引起單臺風(fēng)電機(jī)輸出功率的不同。如果風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的數(shù)目比較少,這種方法還適用,但是隨著風(fēng)電場規(guī)模的不斷擴(kuò)大,這種方法建立風(fēng)電場的模型的誤差就會越來越大。