【文章內容簡介】 電機的運行理論分析:當風速變化引起雙饋感應發(fā)電機轉速n變化時,控制轉子電流的頻率,可使定子頻率恒定,即應滿足 ，式中，為定子電流頻率,由于定子與電網相連,所以與電網頻率相同； 為轉子機械頻率,，為發(fā)電機機械轉速； 為電機的極對數； 為轉子電流頻率。 雙饋感應電機動態(tài)模型 采用相坐標系統的雙饋感應電機數學模型是一組帶有時變系數的方程,求解比較復雜,而將轉子及定子各量經過坐標變換后,可以大大簡化計算過程。坐標變換的形式有多種,一般為三類:(l)轉子和定子各量全都轉換到與定子磁場同步旋轉的坐標系中；(2)轉子和定子各量全部轉換到與轉子旋轉速度同步的坐標系中；(3)混合坐標系，將定子量轉換到與轉子轉速同步的坐標系中,而轉子量保持abc相坐標系不變；也可以將轉子量轉換為與轉子旋轉速度同步的坐標系中,定子量轉換為與定子磁場同步旋轉的坐標系中等。雙饋電機的定子繞組和轉子繞組都是對稱的,采用上述3種坐標變換中的任何一種都能起到簡化模型的作用。由于雙饋電機定子側的頻率為恒定,轉子側各參數都折算至定子側,因而采用第(l)種坐標變換更有利于對雙饋電機的分析計算。當電力系統遭受到大的擾動時，表征系統運行狀態(tài)的各種電磁參數會發(fā)生變化，同時發(fā)電機的機端電壓、激磁電流和電磁功率等也會發(fā)生相應的改變。因此，為了對風電機組暫態(tài)過程進行仿真分析，以便更好地對風電場電壓穩(wěn)定性問題展開研究，需要建立異步發(fā)電機的暫態(tài)數學模型。由于異步發(fā)電機的定子、轉子磁場和電氣量都是以同步轉速旋轉，因此如果將以同步轉速旋轉的坐標系作為參考坐標系，便會帶來很大的簡化。本文按照把軸放在同步旋轉坐標系上來建立發(fā)電機的暫態(tài)模型。以定子電流流出發(fā)電機的方向為正方向，并且規(guī)定定子的各相正值電流產生負值磁鏈，同樣，轉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()； ——同步旋轉角速度(rad/s)。磁鏈、暫態(tài)電勢和電流的關系: (214)式中，、——分別為發(fā)電機d軸、q軸暫態(tài)電勢(V)； ——發(fā)電機暫態(tài)電抗()，、別為定子、轉子電抗，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(),； ——定子繞組開路時轉子繞組的時間常數，是系統頻率；為轉子旋轉角速度，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)電機的轉差率； ——系統頻率(Hz)。根據上面各式通過推導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，即在機電暫態(tài)下，可得到由定子量表示的異步發(fā)電機的三階數學模型： （217）發(fā)電機轉子的機械角加速度跟作用在轉子上的轉矩間的關系為： （218）式中，——輸入發(fā)電機的機械轉矩（）； ——發(fā)電機輸出的電磁轉矩（）； ——轉子機械角速度(rad/s)； ——轉子轉動慣量。由式（218）可推得發(fā)電機的轉子運動方程式為： （219）式中，——發(fā)電機轉子慣性時間常數； s——發(fā)電機的轉差率。異步發(fā)電機電磁功率、電磁轉矩方程為： （220）式中，——定子電流(A)，； ——發(fā)電機電角速度(rad/s)。 變速風力發(fā)電機組控制技術變速風力發(fā)電機組通常由風力機、傳動系統、發(fā)電機和對應的控制系統組成,其中控制系統根據控制對象可以分為兩大類:發(fā)電機控制系統和風力機控制系統；也可以按功能劃分為三部分:槳距角控制、轉速控制和無功功率控制。變速恒頻風力發(fā)電系統運行控制的總體方案是:額定風速以下風力機按優(yōu)化槳距角定槳距運行,由發(fā)電機控制系統來控制轉速,調節(jié)風力機葉尖速比,從而實現最佳功率曲線的追蹤和最大風能的捕獲；在額定風速以上風力機變槳距運行,由風力機控制系統通過調節(jié)槳距角來改變風能系數,從而控制風電機組的轉速和功率,防止風電機組超出轉速極限和功率極限運行而可能造成的事故。風電機組需要通過兩個部分的控制,實現上述理想狀況下的總控制目標,即風電機組電氣控制部分和機械控制部分。而風電機組電氣控制部分是通過控制雙饋感應發(fā)電機轉子勵磁電壓,實現風電機組理想狀況下總控制目標的。雙饋感應發(fā)電機轉子勵磁電壓控制的目標是:（1）實現變速恒頻運行,滿足電網對風電電能質量的要求。（2）對風電機組定子側的有功功率和無功功率進行控制,以實現最大風能追蹤的目標。為有效的實現上述目標,本文采用雙饋感應發(fā)電機的磁場定向矢量控制技術。通過這個矢量控制技術,風電機組定子側無功功率和有功功率可實現解耦控制。通過風電機組定子側功率的解耦控制,可以保證變速恒頻雙饋風電機組在實現最大效率利用風能的同時,仍可進行無功功率的調節(jié)[13]。 槳距角控制 槳距角的控制模式包括低風速控制模式和高風速控制模式。當風速小于額定風速時，將槳距角確定在某一角度，從而使風能利用系數達到最高，這種控制模式稱為低風速控制模式。當風速大于額定風速時，調節(jié)槳距角的大小使風機的輸出功率維持在額定功率水平，這種控制模式稱為高風速控制模式。下式表示高風速槳距角控制的動態(tài)數學模型： （221）式中，為控制器時間常數，為當前轉速對應的槳距角，由公式求得，其中 （222）設，通過以上公式可以得到槳距角控制圖，如圖21所示： 圖21 槳距角控制系統框圖 轉速控制和無功功率控制雙饋風力發(fā)電機的轉速控制是通過調節(jié)電磁轉矩實現的，公式為和。由以上公式可知，定子電流調節(jié)轉子軸分量可以通過繞組電流軸分量來調節(jié)，電磁轉矩可以通過定子電流調節(jié)轉子軸分量來調節(jié)。因此，可以通過調節(jié)繞組電流軸分量實現對電磁轉矩的調節(jié)。轉矩控制框圖如圖22所示，為比例積分控制器放大倍數，為比例積分控制器的時間常數。、為雙饋風電機組的給定值。圖22 轉速控制框圖變速恒頻雙饋風電機組不僅可以調節(jié)有功功率，又可以調節(jié)無功功率，因此，雙饋風電機組具有調節(jié)電壓的功能。這是異步發(fā)電機所無法比擬的優(yōu)勢。變速恒頻風電機組的無功控制有恒功率因數控制和恒電壓控制兩種運行方式。但是雙饋風電機組大多數情況下采用恒功率因數控制運行方式，因而本文只介紹恒功率因數控制，即使定子側功率輸出因數為恒定值。由公式： （223） （224）可知變速恒頻雙饋風電機組定子側無功功率為： （225），為功率因數角。由式（226）得： （226）由式（226）可得在恒功率因數控制下得到的轉子電流方程： （227）當無功功率控制采用恒功率因數控制時，對轉子電流軸分量的控制是通過對轉子電流軸分量的控制實現的。對 實行開環(huán)控制，就可以維持功率因數的恒定。通過控制的大小來控制功率因數，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，恒功率因數控制框圖如圖23所示，表示慣性環(huán)節(jié)時間常數。圖23 恒功率因數控制框圖通過以上詳細分析說明了轉速控制和恒功率因數控制都是通過對轉子繞組電流的控制來實現的，得到了轉速控制和恒功率因數控制與轉子繞組電流的控制關系[14]。 本章小結本章建立了風電機組中的風力機模型、傳動系統模型和發(fā)電機模型,其中風力機模型包括風速模型和空氣動力學模型,傳動模型采用集中質量塊模型。發(fā)電機模型又包括基于雙饋感應電機變速恒頻風電機組動態(tài)模型,在滿足本文研究需要的前提下進行了合理的簡化,推導出形式簡單、能正確反映運行特性、且易于仿真實現的雙饋感應發(fā)電機三階簡化動態(tài)數學模型, 該模型是根據建立在定子磁場旋轉坐標系統中，在忽略了電機定子磁鏈暫態(tài)過程的前提下,得到的采用轉子勵磁電壓和發(fā)電機輸入機械轉矩為控制變量的三階動態(tài)模型。第3章 風電場集總模型 第3章 風電場集總模型 引言大規(guī)模風電場通常由幾十臺甚至成百上千臺風電機組成，為了減少對每臺機組分別進行詳細建模帶來的繁瑣，同時為了減少仿真時間，對風電場進行等值是值得研究的。與傳統的發(fā)電廠相比較，風力發(fā)電場由許多容量較小的發(fā)電機組成。為了有效地進行仿真，人們期望將這些發(fā)電機等效為一臺發(fā)電機模型。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電場。風電場組合模型建模包括風電場中的每臺風力機、補償電容器、升壓變壓器以及內部電網詳細模型等。風電場降階模型建模是指在特定的條件下用一臺風力機模型來表示風電場。大型風電場等值建模和研究的內容有很大關系。在滿足一定條件時，可以將風電場加人到降階變尺度等值模型中。條件一：降階等值風場的容量等于風電場內每臺風機容量之和： （31）條件二：降階等值風電場向電網輸送的有功功率等于風電場內每臺風機有功功率之和： （32）傳統的風電場模型,忽略了各臺風電機組輸出功率的差異，認為它們都在相同的風況下運行。而實際上,風電場的面積一般都比較大,每個位置的風電機組的風況是不完全相同的,不同位置風電機組風況的差異會引起單臺風電機輸出功率的不同。如果風電場風電機組的數目比較少,這種方法還適用,但是隨著風電場規(guī)模的不斷擴大,這種方法建立風電場的模型的誤差就會越來越大。