雙饋風(fēng)電機(jī)組線性建模及特性分析
肖運(yùn)啟
(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京102206)
摘要：為研究雙饋風(fēng)電機(jī)組變速恒頻運(yùn)行時發(fā)電機(jī)的特性，應(yīng)用小擾動分析方法建立了雙饋發(fā)電機(jī)線性模型。結(jié)合機(jī)組典型工況點(diǎn)上線性模型的極點(diǎn)分析，總結(jié)出發(fā)電機(jī)在變速運(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)
中圖分類號：TM 315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05 0007—04
0 引言
基于雙饋電機(jī)的交流勵磁變速恒頻(VSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電系統(tǒng)的柔性連接，可以使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行范圍達(dá)到同步速的70％～130％，更加滿足低風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)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(jī)利用雙向變頻器對轉(zhuǎn)繞組以轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行交流勵磁，進(jìn)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(jìn)行解耦，實(shí)現(xiàn)有功、無功輸出的獨(dú)立調(diào)節(jié)[1-3]。但兩分量之問還存在著與發(fā)電機(jī)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(jī)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(shí)際運(yùn)行中耦合難以完全補(bǔ)償，給變速運(yùn)行中控制效果的保持增加了難度。
本文對雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻運(yùn)行中動態(tài)特性變化規(guī)律進(jìn)行分析。以同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下雙饋發(fā)電機(jī)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(jī)組對象的線陛模型通過對不同運(yùn)行工況下模型極點(diǎn)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(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)通過變速齒輪箱與雙饋發(fā)電機(jī)相連。發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jī)極對數(shù)。
因此，雙饋發(fā)電機(jī)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(yùn)行。
1.2系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型
為便于分析雙饋發(fā)電機(jī)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(jī)定子磁鏈Ψs重合，如圖2所示。
定子側(cè)取發(fā)電機(jī)慣例，轉(zhuǎn)子側(cè)取電動機(jī)慣例，可得發(fā)電機(jī)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(jī)械力矩；
J——軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；
Np——電機(jī)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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