您的当前位置:首页正文

双馈风力发电系统的小信号模型及其分析

2020-11-11 来源:吉趣旅游网
第12卷第6期 2013年12月 江南大学学报(自然科学版) Journal of Jiangnan University(Natural Science Edition) Vo1.12 No.6 Dec. 2013 双馈风力发电系统的小信号模型及其分析 李新平, 纪志成 (江南大学电气自动化研究所,江苏无锡214122) 摘要:为了研究双馈风力发电系统的小干扰稳定性,文中建立了双馈风力发电系统的小信号模 型。该模型以最大功率跟踪控制下的单机无穷大双馈风力发电系统作为研究对象。基于特征值和 参与因子方法,分析系统振荡模式和衰减模式以及状态变量参与程度,并通过Simulink仿真验证 了小信号模型的有效性。 关键词:双馈风力发电系统;小干扰稳定;特征值;参与因子 中图分类号:TM 712文献标志码:A文章编号:1671—7147【2013)06—0666—06 Small Signal Model of Wind Power Systems Based on Doubly-Fed Induction Generator and the Analysis LI Xin—ping, jI Zhi—cheng (Institute of Electrical Automation,Jiangnan University,Wuxi 214122,China) Abstract:With the increasing proportion of wind power in power systems,this paper constructs the small signal model of a grid connected doubly—fed induction generator in which the maximum power point tracking control with single-machine infinite bus system configuration is used.Based on the eigenvalue and participation factor method,this paper analyzes the state variables and the impact the oscillation modes and damping modes.The validity of the small signal model is confirmed by Simulink simulation. Key words:wind power system based on doubly-fed induction generator,small signal stability,eigenvalue,participation factor 全球可再生能源发电装机容量中风电占有优 势,在被利用的可再生能源中风能占了一半以上, 而风力发电也是可再生能源应用技术中最为领先 的 J。由于风的随机性、不确定性等特点,目前变速 恒频风力发电系统是风力发电的发展方向,而双馈 异步发电机是变速恒频风电系统的主流机型。随着 立及其模态分析成为学者研究的热点。文献[2]建 立了变速恒频双馈风力发电系统的小信号模型,但 在建模的过程中并没有考虑双馈风力发电系统的 控制。文献[3]建立了PQ解耦控制下的全风速双馈 风力发电系统的小信号模型。文献[4—6]建立了双 馈风力发电系统PQ解耦控制及转矩跟踪控制的小 风电单机容量和风电在电网中比例的增加,风电系 信号模型,并在此基础上利用智能算法(粒子群算 法、细菌觅食算法)对系统的控制参数进行优化。但 统的稳定性受到越来越多的关注。 小干扰稳定性在传统的电力系统中已经得到 了很好的发展,现在风力发电系统小信号模型的建 收稿日期:2013—04—05; 修订日期:2013—05—27。 目前基于最大功率跟踪控制的双馈风力发电系统 的小信号模型鲜有学者研究。 基金项目:国家自然科学基金项目(61174032);高等学校博士学科点优先发展领域科研基金项目(20110093130001)。 作者简介:李新平(1989一),女,安徽亳州人,控制工程专业硕士研究生。 通信作者:纪志成(1953一),男,江苏无锡人,教授,博士生导师。主要从事风能转化系统、智能控制技术及其应 用等研究。Email:zcji@jiangnan.edu.cn 第6期 李新平等:双馈风力发电系统的小信号模型及其分析 667 为了提高风能转换效率并保证输出功率平稳 等要求,双馈风力发电系统采用不同的控制策 1 双馈风力发电机组的数学模型 略 ],控制策略的不同对系统影响也不同。文中主 要研究了在最大功率跟踪控制下双馈风力发电系 风力发电就是将风能转化为机械能,进而转化 统小信号模型及模态分析。首先建立在额定风速以 为电能的过程,其中风力机及其控制系统的作用是 下,最大风能跟踪控制的单机无穷大双馈风力发电 将风能转化为机械能;而发电机及其控制系统则是 系统小信号模型,然后基于特征值和相关因子方 将机械能转化为电能。双馈风力发电机组作为风力 法,分析各振荡模式和衰减模式与相应状态变量参 发电设备由风力机、齿轮箱、双馈感应电机和变换 与的程度。 器构成,如图1所示。 图1 单机无穷大系统结构 Fig.1 Single-machine infinite bus system configuration 1.1 风力机空气动力模型 1 dcpa,风力机将风能转化为机械能,根据贝兹理论, = + %(4) 转化的机械能可用如下关系式表示: ‘P qs=一x sIqs+xmIqr (、s、) P ={]D耵尺 cP(A v , 出=一X +X (6) =一X lq,+X Iq, (7) 其中:P为空气密度(kg/m。);Cp(A) m 为风力机的 dr=一X +X,Id (8) 功率系数; 为风轮半径(m); 为风速(m/s); 其中,下标带s表示定子侧的变量,带r的表示转子 侧的变量,除了W (定子的同步转速), ,(发电机转 A: 子的转速)外所有的变量都用标幺值。令 (式中 为风力机的转速度)为叶尖速比。 =风力机输出的机械转矩 为 去 = 一筹, X m = 。 = , =一1.2 双馈感应电机模型 不考虑定子的暂态,由式(1)一(2)及式(5)一(8) 双馈风力发电机采用定子同步旋转d-q坐标系 可以得出定子电压的代数方程(9),(10)。由式 下的数学模型,其中发电机定子侧采用发电机惯 (3)~(4)及式(5)一(8)可以得到转子的瞬态方 例,转子侧采用电动机惯例 。磁链方程 程(11),(12)。 d Vqs=一R lqs一 + (9) t : ’q +R 。一 ‘ 一 出 (1)、 =一.R 一x:/ ̄s+ (10) dV 'q= 枷 (2) 。 =一( +( 一 ) )+ 咄 由(3) 一( 一 ) ) 江南大学学报(自然科学版) 第12卷 警 一( ) )+ 量电流来实现对DFIG的有功功率和无功功率的控 制,网侧PWM变换器的作用是维持变换器直流母 线电压恒定和控制输入功率因数。文中采用最大功 (一 ,一( 一 ) ) (12) 1.3 轴系模型 轴系一般包括低速轴、齿轮箱和高速轴3个部 分。文中采用两质块模型表示轴系。风力机的低速 轴与发电机的高速轴为柔性连接,发电机的高速轴 认为是刚性的。 2H dw = 一 W—dt ‘ ‘ (13)、  d : 一 (14)t 、 : ~ 一Mr (15) =KO D (16) 其中 , , 分别为风力机输出转矩、轴系转矩、 发电机的电磁转矩, = ‘ + ; , 分别为 风力机和发电机的惯性系数; 为轴系扭转角度, 为轴的刚度系数,D为轴的阻尼系数。将式(15), (16)代人到式(13),(14)中可以得出: 丝 : dt 一( +D( 一(1一s) )) (17) (肋2Hg ds 一-n,t D( ( 一s ws)一 )…(18)、  = 一(1一s) (19) 变换器的模型如图1所示,通过变换器的有功 功率是平衡的,既有P。 =P 一P 。其中 是变换 器网侧的有功功率,P = + ;尸,是变换器 转子侧的有功功率,P,= + , ;P。。是电容储 存的功率, PDc= c孥。 Cc = + 一( + ,‘,) (20) 1.4.1 变换器的控制 变速恒频双馈风力发电机 采用背靠背的PWM变换器对其控制,如图1所示。 这种变换器可以实现发电机转子功率的双向流动, 保证了双馈风力发电机在欠同步和超同步两种工 作状态下有效运行。转子侧变换器通过控制转子分 率跟踪控制。令同步旋转d—P坐标的d轴定向于定 子端的电压,则定子的d轴电压大小等于定子的终 端电压。转子侧的控制如图2所示。 P 圈2 转千侧的控制 Fig.2 Rotor side converter control 取4个中间变量 , 2, 3, ,并令 出 =P f—P (21)、  . r一 r (22) dx3一idt = :Q 一Q re 一 (23)I/、  ’I dx4=,d 一Idr (24) 其中,P耐=CW;,c由双馈发电机的参数确定。 ” …一 设 0"11-%1蔷 ……‘’ l, qrref :/1:1:]l- 11..slkI。: … 1+-lKXp-m1 (P ̄k. efP: (K + ( 一P)一 +) : 2(25)6;  l/d,=^rP4(K3 3+ (Q f—Q)一 )+ (28) 1.4.2 变换器网侧端的控制 变换器网侧端的控 制如图3所示。网侧端的d,g轴电压及电流为 , , , ; r, 为网侧电流的参考值。 取3个中间变量 , , ,令 dz cmr一 c (29) d , r一 (30) d r— (31) 其中, 的参考值为0。根据框图可知: = ・( c r一 c)+ - s (32) =一 ( r— )一 + + (33) vqg=一Kp l q 一l qg 一K,g3x1一xtl妇(34 第6期 李新平等:双馈风力发电系统的小信号模型及其分析 669 + 图3 网侧控制 Fig.3 Grid side converter control 2 网络方程和小信号模型 2.1 网络方程 根据图1可以列写代数方程: = +墨 (35) = 一X (36) + ( 一 )=cosT (37) + ( 一 )=sinT (38) 其中, 是定子电压与电网电压的角度差。 2.2 小信号模型 由式(11),(12),(17)~(19),(20)~(24), (29)~(31)构成差分方程组: = , ) (39) 由式(9),(1O),(26),(28),(33)~(38)构成代数 方程组: 0=g( ,Y) (40) 状态变量和代数变量分别为 =[ , ,W , ,0… c, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] Y vb,v qs,Vir,v1r,lir,l qr,v ,v qg,l dg,l qg\ 在运行点线性化方程(39),(40),消去代数变 量Y,得到双馈风力发电系统的小信号模型: △ =AAx (41) DFIG动态模型的仿真结果和动态特性分析结 论依赖于动态仿真中初始值,初始值的计算步骤 如下: 1)将DFIG节点作为PQ节点,接人的无穷大母 线节点作为平衡节点,利用潮流方程计算出DFIG 定子端的电压及其相角。 2)将式(39)左端的差分项置0,并结合式 (40),利用第一步求出的电压值,求出变量的初 始值。 3 仿真及分析 3.1 仿真 首先利用Matlab/Simulink搭建了基于最大功 率跟踪控制的双馈风力发电系统的模型。图4表示 的是风速随时间的变化图。在控制系统的作用下双 馈风力发电机组的输出有功功率及无功功率的变 化如图5,6所示。从图4,5中可以看出,在风速变化 较小的情况下,风力发电系统能够很好的跟踪风速 变化使输出的功率达到最大化。从图6中可以看出, 系统能够有效的控制无功功率,使其在固定值0处。 鼍 噻 图4 风速 Fig.4 Wind speed 2・O 2 0 5 O 1.5 1.o 簿 L — r 。 忙 一0・5 —1.0 _  _● I _ ● ● ● t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 s 图5 有功功率 Fig.5 Active power 熔 斟 雷 r 雷 l I ● t ● - ● - ● O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1O t/s 图6 无功功率 Fig.6 Reative power 为了验证系统的瞬时小干扰稳定性,令风速为 12 m/s,保持恒定,在t=4 s时并网电压发生20% 的阶跃下降并持续1 S,电机转速的变化如图7所示。 从图中可以看出,当电网电压骤降时,电机转速受其 影响发生下降,经过0.5 S左右的调节稳定在新的平 衡点上。当电压恢复时,转速恢复到系统原来的水平, 由此可看出,系统具有电压小干扰稳定性。 O 5 O 5 670 江南大学学报(自然科学版) 第12卷 表2 最大功率跟踪控制特征值 Tab.2 Eigenvalues under the max power tracking control 蜷 叭 ∞ ∞ :1 1 1 2 2 2 1 ;鳃 l 0 5 O 5 O 5 O 0 1 2 3 4 5 s 6 7 8 9 10 图7 电机转速 Fig.7 Rotating speed of the generator 3.2 小信号模型分析 根据初始值的计算步骤,求出的系统变量稳态 值如表1所示。表2是由小信号模型计算出的系统 的特征值。从表2中可以看出,特征值都位于复平面 的左半平面,这说明系统小干扰稳定,与上面仿真 的结果相符。表3表示各状态变量对不同模式的参 与程度。从表2看出,系统存在3种不同的振荡模 式,振荡频率分别为36.07,4.804,3.966 Hz。从表3 看出,频率为36.07的振荡模式主要与瞬态转子电 4 结语 建立了在额定风速以下,基于最大功率跟踪控 制的双馈风力发电系统的并网小信号模型,并利用 Matlab/simulink搭建了系统的模型,验证了控制系 统的有效性。通过对小信号模型的特征值的模态分 析以及参与因子的计算,能够直观清晰的看出系统 压和控制状态变量 , 有关;频率为4.804的振荡 模式主要与控制状态变量 , , , 有关;频率为 状态变量对特征值的影响程度,为控制系统参数设 计及系统稳定性的研究提供有效的信息。 附录:系统的参数 S =1 MVA, =690 V, =3.554 7,Xr= 3.585 9,R =0.010 15,R =0.008 8,Xm=3.509 2, 3.966 Hz的振荡模式主要与风力机的转速、轴系扭 转角度、电机的转差有关。 表1 初始值 Tab.1 InitializatiOn Xe=0.07,Ht=3 s, =0.5 S,K=10 rad,D= 0.01(s/rad),c=1.7×10 (s3/rad ),W =120 -rr/(rad/s), = = ,= =1,S = KS2=KsK3=K =5。 表3 参与因子 Tab.3 Participation factor 参考文献(References): [1]罗承先.世界风力发电现状与前景预测[J].中外能源,2012,17(3):24-30 第6期 李新平等:双馈风力发电系统的小信号模型及其分析 67l LUO Cheng—xian.Wind power generation today in the world and prospect forecast[J].Sino.Global Energy,2012,17(3):24.30. (in Chinese) [2]Francoise Mei,Bikash C Pa1.Modelling and small・signal analysis of a d connected doubly-fed induction generator[C]//Power Engineering Society General Meeting.San Francisco:IEEE,2005,3:358.367. [3]陈波,吴政球,王国,等.双馈风电机全风况条件下小干扰稳定性分析[J].太阳能学报,2012,33(4):525-528. CHEN Bo,WU Zheng-qiu,WANG Guo,et a1.Small sinagl stability analysis of doubly.ed ifnduction generator under different wind speed condition[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2012,33(4):525-528.(in Chinese) [4]YANG L,YANG G Y,XU Z,et a1.Optimal controller design of a doubly—ed ifnduction generator wind turbine system for small signal stability enhancement[J].IET enerGation,2010,4(5):579-597. [5]Yateendra Mishra,Mishra s,LI Fang-xing,et a1.Small—sinagl stbiality analysis of a DFIG.based wind power system under different modes of operation[J].IEEE Transactions on Enery Convergsion,2009,24(4):972-982. [6]wu F,ZHANG X P,Godfrey K,et a1.Small sinalg stability naalysis and optimal control of a wind turbine itwh doubly fed induc. tion generator[J].IET enerGation,2007,1(5):751-760. [7]李生民,何欢欢,张玉坤,等.基于滑模变结构的双馈风力发电机直接功率控制策略研究[J].电网技术,2013,37(O0): 1.6. LI Sheng‘min,HE Huan—huan,ZHANG Yu—kun,et a1.A sliding mode variable structure-based direct power control strategy for doubly efd induction generator[J].Power System Technology,2013,37(O0):1—6.(in Chinese) [8]贺益康,胡家兵,徐烈.并网双馈异步风力发电机运行控制[M].北京:中国电力出版社,2010. [9]付明晓,李守智.变速恒频风力发电系统最大风能追踪的控制[J].电力系统及其自动化学报,2013,25(1):74-78. FU Ming—xiao.LI Shou—zhi.Maximal wind energy tracking control of variable-speed constant—frequency wind-power generation system[J].Proceedings ofthe Chinese Society of Universiites for Electirc Power System and Automation,2013,25(1):74-78.(in Chinese) [10]HUANG H,MAO C,Lu J,et a1.Small—sinagl modelling and analysis of wind turbine with direct drive permanent magnet synchronous generator connected to power d[J].1ET Renewable Power Generation,2012,6(1):48.58. [1 1]Hector Arnaldo Painema1.Wind farm model for power system stbiality analysis[D].Urbana—Champain:Unigversity of Illinois,2010. (责任编辑:杨勇) 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容