电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制VIP免费

第30卷第8期2006年4月25日电力系统自动化AutomationofEleetriePowerSystemsVol.APr30艺5No.82006电网电压骤降故障下双馈风力发电机建模与控制胡家兵,孙丹,贺益康,赵仁德(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)摘要:双馈感应发电机(DFIG)在变速恒频风力发电中得到广泛应用,对DFIG采用矢量控制可使风电系统实现最大风能追踪和有功、无功解藕调节,从而获得优良的发电运行性能。但在传统的矢量控制方式中,通常认为是无穷大理想电网,忽略了定子励磁电流变化的动态过程,从而得到简化的DFIG数学模型,并以此作为电流内环控制器的设计依据。这种控制器在电网正常的情况下可使系统获得优良的动静态特性,但当电网出现故障时,其拉制性能将恶化。为了提高电网电压故障情况下DFIG不间断运行能力,文中以DFIG的精确数学模型为依据,针对传统的2种矢量控制方式的不足,提出了改进的拉制方案,并对改进前后电网电压骤降情况下DFIG的动态过程进行了仿真对比,结果表明改进方案可以有效控制转子电流,保护转子励磁变频器,提高DFIG变速恒频风电系统在电网故障下的不间断运行能力,是并网DFIG风力发电机的一种有效、实用的控制策略。关键词:风力发电;变速恒频;矢量控制;双馈感应发电机;不间断运行中图分类号:TM315;TM6140引言大型风电已经在世界各地安装和规划,风力机的容量也在迅速增大,许多早期安装的风电机组采用恒速恒频和桨叶失速控制的感应发电机,恒速风力机性能对机械系统有高度的依赖性,会导致电网电压不稳定和输出功率变化。现代大功率风力机组要求提高运行效率,实现最大风能追踪,为此必须实现变速恒频运行。变速恒频风电机组中大多采用双馈感应发电机(DFIG),其优点是可从发电机侧实现速度控制、降低闪变的影响以及通过转子侧变换器控制实现四象限的有功和无功独立调节。此外,励磁变频装置容量小,转速范围限制在0.75一1.25(标么值)时,转子侧变换器的典型容量仅为25%一35写的发电机额定容量川。我国自“十五”期间已对交流励磁DFIG风电机组理想电网条件下的运行控制进行了较为深人的分析和研究,一司。但在工程实际中电网表现出非理想特性,电压骤降就是一种比较常见的故障形式,研究这种故障下DFIG的行为、特性,提高风电机组对这种故障的适应能力,已成为目前国外研究的热点[l,卜列,国内对此研究很少。然而紧急电网规程要求在外部电网故障下DFIG风电机组具有不间断收稿日期:2005一10一03;修回日期:2005一10一31。国家自然科学基金资助项目(5057056);中国高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2001AA512023一3)。运行能力,这就要求在诸如电压骤降的扰动下发电机不能从电网上解列,以免引发更大的后续扰动和更严重的故障。一种公认的实用做法是DFIG转子采用急速短接保护,即短接转子绕组并使转子侧变换器旁路【‘。〕,此时DFIG就如同一台鼠笼式异步发电机,在去除急速短接保护之前将没有任何控制措施可施。因此,只在大值瞬态故障下才考虑使用这种短接保护措施。而在小值故障时,应尽量考虑通过对DFIG的运行控制策略来实现发电机的不间断运行。由于与发电机额定容量相比,转子侧变换器容量相对较小,只能提供对发电系统的部分控制,因而电网电压骤降时必须关注转子侧变换器的过电流和随之而来的变换器直流侧过电压,这样,电网故障时DFIG控制策略研究的主要目标应是对转子过电流和直流过电压的限制仁”,‘习。针对电网正常和故障的不同情况,DFIG的运行控制应有不同的方案〔,一9」。但目前国内广泛采用基于定子磁链定向(SFO)的矢量控制,这种控制方案一般都假设电网电压理想,即频率及电压幅值恒定,不考虑对定子磁化电流的动态过程〔,一6,”一‘5〕。这种控制模型在正常运行条件下能提供良好的动静态性能,但在电网电压扰动时其控制性能将变差。基于定子电压(SVO)的矢量控制也被应用在DFIG系统中,6口,同样也假设定子电压恒定,且未考虑解祸电路的细节导致瞬态下的控制响应不佳。电b系玩自动忱2006,30(8)为了减小电网电压骤降下DFIG转子过电流和直流侧过电压的危害,确定定子过电流的效应和不间断运行下所需功率变换器容量及保护措施,对DFIG进行合适的控制十分重要,确立正确有效的控制模型是关键。对此,本文首先建立了计及...