雙饋風(fēng)電機組線性建模及特性分析
肖運啟
(華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京102206)
摘要：為研究雙饋風(fēng)電機組變速恒頻運行時發(fā)電機的特性，應(yīng)用小擾動分析方法建立了雙饋發(fā)電機線性模型。結(jié)合機組典型工況點上線性模型的極點分析，總結(jié)出發(fā)電機在變速運行中動態(tài)特性變化的規(guī)律。分析結(jié)果為艤饋發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計及控制器參數(shù)整定提供了參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；變速恒頻；雙饋發(fā)電機
中圖分類號：TM 315文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05 0007—04
0 引言
基于雙饋電機的交流勵磁變速恒頻(VSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)了機電系統(tǒng)的柔性連接，可以使風(fēng)力機運行范圍達到同步速的70％～130％，更加滿足低風(fēng)速下風(fēng)力機追蹤****風(fēng)能的控制需求，發(fā)電效率更高。因此，其逐漸成為風(fēng)力發(fā)電的主流形式。
雙饋發(fā)電機利用雙向變頻器對轉(zhuǎn)繞組以轉(zhuǎn)差頻率進行交流勵磁，進而滿足定子側(cè)頻率要求。其勵磁系統(tǒng)控制通常采用矢量控制技術(shù)對定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量進行解耦，實現(xiàn)有功、無功輸出的獨立調(diào)節(jié)[1-3]。但兩分量之問還存在著與發(fā)電機轉(zhuǎn)差率相關(guān)的耦合作用，導(dǎo)致在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機表現(xiàn)出不同的動態(tài)特性，且受參數(shù)檢測速度和精度的影響。實際運行中耦合難以完全補償，給變速運行中控制效果的保持增加了難度。
本文對雙饋發(fā)電機變速恒頻運行中動態(tài)特性變化規(guī)律進行分析。以同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下雙饋發(fā)電機系統(tǒng)非線性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，應(yīng)用小擾動分析方法，建立機組對象的線陛模型通過對不同運行工況下模型極點分布情況的分析，總結(jié)出雙饋發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)特性變化規(guī)律，為雙饋發(fā)電機控制系統(tǒng)設(shè)計及控制器參數(shù)整定提供參考依據(jù)。
1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)
1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
雙饋型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，風(fēng)力機通過變速齒輪箱與雙饋發(fā)電機相連。發(fā)電機定子繞組直接接人工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組接線端由三只滑環(huán)引出，通常由一臺雙向變頻器接至電網(wǎng)，可以對轉(zhuǎn)子進行交流勵磁，其轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流頻率滿足：
式中：f1——電網(wǎng)頻率；
f2——轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率；
fm——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率；
np——電機極對數(shù)。
因此，雙饋發(fā)電機定子感生電壓始終滿足電網(wǎng)頻率，從而保證系統(tǒng)變速恒頻運行。
1.2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
為便于分析雙饋發(fā)電機特性，通常在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建市數(shù)學(xué)模型，將d軸與雙饋電機定子磁鏈Ψs重合，如圖2所示。
定子側(cè)取發(fā)電機慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)取電動機慣例，可得發(fā)電機系統(tǒng)方程[1-3]為
式中：uds，uqa,udr,uqr——定、轉(zhuǎn)子d、q軸電壓；
Us——電網(wǎng)電壓矢量幅值；
ids,iqs,idr,iqr——定、轉(zhuǎn)子d、q軸電流；
Ψds,Ψqs,Ψdr,Ψqr——定、轉(zhuǎn)于d、q軸磁鏈；
Ψs——定子磁鏈?zhǔn)噶糠担?/DIV>
ω1——同步角速度；
ωr——轉(zhuǎn)f電磁角速度；
Rs,Re——定、轉(zhuǎn)子等效電阻；
Ls,Lr,Lm——定、轉(zhuǎn)子等效自感和互感；
Te,Tm——電磁力矩和機械力矩；
J——軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；
Np——電機極對數(shù)；
ωm——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，ωm=ωr／np。
忽略定子電阻壓降，將式(2)、(4)、(5)整理代人式(3)得：
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