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    1.引言

    目前,在风力发电中被最广泛应用的风力机是双馈感应型发电机,因为它有以下显著的优点:变速发电,有功功率和无功功率控制,抗机械应力和噪声,以及能提高电能质量。[1]

    直到最近,双馈感应型风力发电场一般已经向电网提供全部可用电能。风力机已经能自动最大程度地捕获风能,而在额定功率因素(0无功功率)运行下没有超出发电机的限制。但是,风力机在特殊情况下与电网脱离,风力发电量会自动下降,特别是处于用电低峰期而此时风力又很强大[2]。在这些情况下,系统操作员建议增加风力发电量提高风力发电率以维持电力系统的稳定性和可靠性。

    风力发电在电力系统中不断增加已经导致常规发电厂逐渐被现在的风力发电厂取代。因而,电力系统操作员已经为风力发电机组和风力发电场修订了并网条件[3—5],要求一些控制任务的操作应和常规电厂相同。其中一个控制任务是发电量的控制,包括风力发电机组的有功功率和无功功率。在这种情况下,系统操作员规定了操作要求,确保风力发电场可靠安全地进行电力系统操作。风力发电厂因此需要一个集中控制系统来计算每个风力机的功率范围(有功功率和无功功率),以调节被电力系统操作员接到特定装置上的风力发电场的发电量。

    大多数参考文献[6—10]的双馈感应风力发电机组的控制策略是基于最佳的经济开发环境下,当所有发电量投入电网时产生最大功率的原理的。在这种情况下,因为大范围风速,风力发电机组呈现最优的功率而没有超过额定功率,并且有理想的功率因素和发电电压。

    然而,正如上面所述,按照风力发电场控制系统规定,目前风力发电机组同时要求调节有功功率和无功功率。这是考虑到发电量(和风速成有关)和电网功率需求而制定的。因此,本文重点研究双馈感应风力发电机组的功率调节控制系统。

    本文的主要目的是对双馈感应风力发电机组在功率调节,有功功率调节和无功功率调节方面进行对比研究。。通过将双馈感应风力发电机组集中到一个有集中控制系统的风力发电场去进行仿真模拟。此外,本文还会提出一个新颖的控制策略,将会和前面的控制方案进行性能比较。

    本文结构如下。第2部分描述双馈风力发电机组的模型。三种双馈风力发电机组控制系统在第3部分作解释。本文应用的双馈风力发电机组模型及其控制系统在第4部分通过和双馈风力发电机组模型的对比包括在Sim电力系统MATLAB/Simulink实验室里进行的对比作了证实。第5部分介绍了风力发电场的控制系统。当风力发电场调节系统操作员所指定的装置的发电量时,控制系统计算每个风力机功率范围。风力发电机组控制系统的这种功能将在第6部分作评价和讨论,最后是得出的结论。

    2.双馈感应风力发电机组

    双馈感应风力发电机组由一个绕线式转子感应发电机经过齿轮箱联接到风力发电机组转子上。绕线式转子感应发电机的定子绕组直接和电网侧及双向功率变换器连接,双向功率变换器将功率反馈到转子绕组上。功率变换器是两个背靠背的IGBT桥式共用直流母线连接结构。它起到了将电网频率和机械转子频率隔离作用。风力发电机组包括桨距角的控制以限制所抽取的风能。图1显示了双馈风力发电机组的结构。

    2.1模型假设

    在本文里,双馈风力发电机组的性能已经通过文献广泛应用的模型的模拟。本文重点比较了几种双馈风力发电机组并网运行进行调功时的控制系统性能。这时,并网的双馈风力发电机组的频率特性在0.1到10HZ之间。因此,基频模拟(也就是为人知的电机瞬态模拟)能够用来表示动态响应[6]。这种方法,仅仅考虑了电流和电压的基频分量,高频谐波忽略不计。这就允许了使用一个负载量代替电力系统。此外,一些与发电机相关的方程也被消去,时间常数小的也被忽略,以能用于较长的时间步。模拟速度被大大地增加。

    用一种准静态方法来描述转子。这就意味着在轮毂高度和从风能中抽取的机械能之间假设是一个代数关系式。更为先进的方法,比如叶片元脉冲方法,需要详细的理解气体动力学和风力发电机组叶片特性[15]。这些数据将不经常用到,假设控制和电网相互作用影响有限。

    关于驱动模型,本文采用最常用的TWO-MASS模型[15]。这种模型里,其中一个模块是为了解释低速转轴(包括轮毂和叶片),另外一模块则为了解释高速转轴(包括发电机的转子)。

    在基频模拟中,对发电机作了以下的假设。

    l         忽略磁饱和。

    l         磁通正弦分布

    l         忽略除铜耗外的任何损耗

    l         定子电压和电流的基频分量都是正弦量

    此外,在基频模拟中忽略定子瞬态,因此感应发电机的性能可以用一个第三序代替第五序模型。

    最后,如往常一样,对于基频模拟,不考虑功率变换器内在的动态特性,功率变换器看成是理想的。因此,变换器被看成电压/电流源,变换器间的恒定直流环节电压则是假设的[6-14]。

    图1 双馈感应风力发电机框图

    感应发电机的5号模型和一个更为复杂的变换器皆要求风力发电机组在电压跌落发生时及故障消除后和电流短路时,都应正确运行。因而,这些模型不能实现本文所要的目标。

    2.2双馈风力感应发电机组的模拟

    双馈感应风力发电机组可用一个有以下子系统组成的模型来代替:转子,驱动模块,发电机系统,控制系统。双馈感应风力发电机组模型及其控制系统框图如图2所示。

    转子模型说明了风能转化为机械能的过程。这是风速、叶尖速比,叶片桨距角共同作用的结果,如调节装置原理解释的一样[15]。

    (1)

    其中:Pwt是风力发电机转子抽取的机械功率;ρ是空气密度;A是转盘面积;u是风速;Cp是功率系数。

    功率系数把转子的气动关系表示为叶尖速比λ和旋转叶桨距角θ的函数。叶尖速比定义为叶尖速度和风速之比。如下式:

    (2)

    其中ωr是转速,R是风力发电机转子直径。

    当叶尖速比为定值,功率系数最大时从风能中抽取的功率达到最大。双馈感应风力发电机组控制系统应能确保在大范围风速下功率输出最大。根据最优功率提取曲线,可给出:

    (3)

    因为风力发电机组在高风速时输出功率受额定功率限制,功率速度曲线被截平到额定功率。功率曲线可作为双馈感应风力发电机组控制系统的动态参考。它确保了当风速低于额定值时风能转化最优,而风速大于额定值时输出功率保持在额定值。

    图3阐述了等式(1)所表示的空气动力与机械功率的关系,最优功率提取曲线根据等式(3)可得,本文则采用双馈感应风力发电机组的功率速度控制曲线。

    在驱动模拟部分,应用了两个广为人知的模型。该建模可由以下方程表示:

    (4)                            (5)                                               (6)

    其中:Twt是风力发电机组转子的机械转矩;Tmec是发电机轴的机械转矩;Te是发电机的电磁转矩;Kmec和是Dmec是机械耦合的稳定系数和衰减系数。

    发电系统由感应发电机和功率转换器组成。如往常,对于功率系统的动态模拟,用三号模型模拟感应发电机[16]。该模型被表示成一个d和q分量,处于定子磁通最大的直轴位置,并以同步转速旋转。这种结构能对双馈感应风力发电机进行有功功率和无功功率的双重控制。

    图2 双馈感应风力发电机组模型及其控制系统

    图3 机械功率、最佳功率提取曲线、功率速度曲线

    (7)

    (8)

    (9)                                       (10)

    (11)

    其中:u表示电压;i表示电流;d和q分别表示直轴分量和纵轴分量;s和r表示定子和转子; 和 是感应电机的内部电压分量; 是同步转速。

    定子电抗 ,转子暂态电抗 ,和瞬时开路时间常数 如下:

    其中Rs和Rr分别是定子和转子电阻; 和 分别是定子和转子漏电抗; 是励磁电抗。

    双向功率变换器和转子绕组相连,由两个共用同一直流母线的变换器连接而成[1,17]。本文中,变换器是理想的,并且连接两变换器的直流电压恒定不变,和一般用于电力系统模拟中的情况一样。

    转子侧的变换器驱动风力发电机组以使当风速低于额定值时电能效率最佳,而当风速大于额定值时输出功率限制在额定值;或当需要进行功率调节时进行有功功率和无功功率的调节。变换器通过改变转子电流分量来控制有功功率和无功功率。因此,双馈感应风力发电机组的控制可通过调节施加在转子上的电压分量来进行。[1,9,17]。变换器可看成是个电流控制型的电压源。接下来部分将对控制变换器的不同方法进行介绍。

    电源侧变流器将功率从转子回路传输到电网,且一般情况下以额定功率因素运行。这样,双馈感应风力发电机组经定子绕组只向电网传递有功功率。这样的变流器被看成是受控电流源,电流源的横轴分量和纵轴分量由从变换器传到电网的功率交换计算出来。

    关于双馈风力发电机模型的更详细介绍可参考[18]。

    双馈感应风力发电机组通过定子和转子绕组向电网传输的有功功率和无功功率可由以下的方程计算[1]:

    其中:Pr是转子功率;Ps是定子功率;Pm是机械功率;s是转差率。

    本文所讨论的风力发电机组所产生的有功功率可得图4的功率速度曲线。通过曲线还可以观察到经定子和转子绕组向电网传递的有功功率容量。

    但是,向电网传递的无功功率受到变流器电抗的限制。变流器电抗是能限制转子电流以避免变换器、滑环和电刷过热[7]。定子无功功率最小值 取决于定子有功功率 ,定子电压 ,和最大转子电流 [7]:

    其中:Xs是定子电抗;Xm是感应发电机的励磁电抗。

    等式(17)解释了从电网获得最大无功功率的情况。图5阐述了双馈感应风力发电机组和无穷大电源连接运行时的有功和无功区域Q-P。

    图4 机械功率、定子功率、转子功率相对于转速的函数

    图5 双馈感应风力发电机组和无穷大电网连接时的运行区域

    3.风力发电机组的控制系统

    双馈感应风力发电机组的控制系统有如下任务:

    l         在大范围风速下获取最大的功率(也就是功率最优)

    l         在高风速情况下限制输出功率为额定值(功率限制)

    l         当电力系统操作员向特定装置调度风电场发电量时,可根据风电场控制系统的整定值调节有功功率和无功功率(功率调节)。

    l         在双馈感应风力发电机组中,功率控制通过控制变换器和叶片桨距角实现。因此,为了提高效率,功率变换器必须和叶片桨距角一起控制操作。如上述,通过施加转子电压横轴分量和纵轴分量控制变换器,以实现有功功率和无功功率的同时控制。但是,双馈感应风力发电机组需要控制叶片桨距角,在高风速时限制风能抽取功率(功率限制),或者要求风力发电机组发电少于可用量时进行调整(低功率调节)。

    因此,控制变量是转子电压和叶片桨距角。这样,风力发电机组控制系统可由每个控制变量的控制元件组成。两种不同的控制方案在已有的文献[11-14]有说明。方法1见文献[11],桨距角控制有功功率,转子电流纵轴分量控制转速,横轴分量控制无功功率。方法2,用于文献[12-14],转子电压纵轴分量控制有功功率,横轴分量控制无功功率,叶片桨距角控制转速。文献[14]中的风力发电机组也包括功率补偿的控制方案,本文没有采用。

    本文的目标是对控制系统进行对比研究,控制系统(系统1、系统2)已经阐述了。控制系统1基于文献[11],而控制系统2则基于文献[12,13]。此外,还介绍了一个新颖的控制系统(控制系统3),它衍生于控制系统2。

    对于无功功率控制,这三种控制提供了相同的控制器,皆基于转子电压的横轴分量 。 控制器决定转子电压横轴分量,使风力发电机组在所期望的无功功率下运行。它包括三个控制环节,如图6所示。外控制环控制无功功率并决定发电机电压的参考值 。辅助的电压控制环则决定转子电流的横轴分量 ,并在快达到无功功率整定值时确保发电机电压维持在规定范围内。内控制环调节 ,并决定 。为了能够很好地跟踪电流,应在 处增加补偿[17]。

    考虑到有功功率和发电机转速由转子电压纵轴分量 和桨距角控制,控制系统1和2介绍了不同的控制方案。控制方案2和3很相似,下面将阐述它们的不同点。

    在下面阐述的三种控制系统以及功率优化和功率限制策略的有功控制设计中,假设任何时候风力发电机组都能向电网传递全部的可利用能量,并根据额定值进行有功功率整定。因此,只当电力发电场需要进行低功率调节时,才可将功率整定值改变为风力发电场控制系统规定的参考值。

    3.1控制系统1

    这种控制系统有以下的特点:(1)速度由加在转子上的电压纵轴分量控制(2)有功功率由桨距角控制。这种控制策略是基于文献[11]所用的一种。

    控制器(图7a)是一个转速控制器。通过控制发电机的转速,以使风能抽取功率最大(功率优化)而不超过发电机的额定功率,或者是在需要减功率(低功率调节)时调节功率输出达到电风力发电场控制系统的功率整定值。在这种控制器中,用到两种控制环。外控制环根据功率速度曲线确定的参照值来调节发电机转速,并决定转子电流纵轴分量的参考值 。内控制环调节 ,并设定转子电压纵轴分量 。在 增加一个补偿环节,以保证能够很好地对电流进行跟踪[17]

    桨距角控制装置(图7b)通过调节桨距角θ被用作一个有功功率控制器。因此,功率系数从风能里抽取来的功率都减少。这种控制器按功率优化策略将桨距角保持在最优值。此外,控制器调节风力发电机组的输出功率,在高风速时为整定值(高风速时为额定功率或需要减功率调节时为参考值)。当输出功率达到参考功率时,控制器调节桨距角,这样就将输出功率限制为参考值。控制器包括对桨距角变化时的速度和和角度进行限制。

    这种控制系统应用的双馈感应风力发电机组的操作策略总结如下:

    l         功率优化策略:在这种情况下,正如前面所述,风力发电机组的有功功率整定值是建立在额定功率基础上的。低于额定风速时,叶片桨距角控制器不起作用,桨距角保持在最优值。 控制器控制转速,叶尖速比保持在最优值,这样风力发电机组获得最大风能抽取功率。

    l         功率限制策略:在这种情况下,风力发电机组的有功功率整定值是建立在额定功率基础上的。当风速超过额定值,桨距角控制器将工作,使功率保持为定额值, 控制器维持发电机转速于额定值。

    l         低功率调节策略:当风力发电机组工作于低功率调节状态时,风力发电场控制系统将对有功功率整定值将从额定值降至参考值。这种情况下,桨距角控制器工作,以实现功率整定。 控制器调节转速至由功率速度曲线和参考功率确定的参考值。

    3.2控制系统2

    在控制系统2中,(1)有功功率由转子电压的纵轴分量控制(2)速度控制通过桨距角的调节作用调整转速至最优功率速度曲线确定的参考值。这种控制策略和文献[12,13]中所采用的很相似,但也有一些不同之处,如下所述。

    控制器(图8a)是一个有功功率控制器,通过作用于转子的电压纵轴分量来控制输出功率。如前面所述,假设风力发电机组运行于最优功率和最低功率是独立的,以获得风力发电场控制系统所整定的额定功率。因此,这种控制器以实际的转速并根据功率速度曲线来确定参考值,将输出功率调整至此值。具有和控制系统1一样控制环,但是,在这种控制系统中,外控制环是调节有功功率的。如文献[12,13]所示的每个风力发电机组的参考功率,风发电场控制系统向每个风力发电机组发送可利用功,这时系统运行于最优功率、功率限制在额定值或低功率调节至整定值的状态。在风力发电机组中,可利用功率来自功率速度曲线,并发送至风力发电场控制系统。因此,文献[12,13] 采用的有功功率控制器并不如此处所提出的方案,并没有包括功率速度控制曲线来规定参考功率。

    桨距角控制器(图8b)可看作是一个速度控制器,调节桨距角以减小功率系数和降低风能抽取功率。在文献[12,13]中,速度控制器的参考值是从作为风速函数关系的最优速度查找表产生的。但是,风速仪测量出来的风速并不能显示整个风力发电机组的所受的风速。而且,测量风速还受到转子振动的严重影响,因为风速仪安装在机舱[6]。因为实际风速测量困难,本文不以风速作为控制变量。这样,速度参考值取自最优功率速度曲线和参考功率。当风力发电机组运行于功率最优或功率限制状态时,参考功率被设定为额定功率,此时控制器将转速限定在额定值。在风速低于额定和最优功率策略中,发电机转速会比额定转速低,这样,控制器会使桨距角保持在最优值。另一方面,控制器作用于叶片桨距角,以保证在限功率和风速超过额定的情况下转速维持在额定值。在减功率运行策略中,转速参考值来自功率速度曲线和风力发电场控制系统确定的参考功率,控制器工作于桨距角以维持转速。

    这种控制系统下的双馈感应风力发电机组的运行状态如下:

    l         功率最优策略:此情况下, 控制器调节输出功率至根据功率速度曲线和实际转速所确定的数值。当发电机的转速低于额定值时桨距角控制器不工作,桨距角保持在最优值。

    l         功率限制策略: 控制器限制输出功率至额定值。此外,桨距角控制器限制转速至额定值

    l         低功率调节策略:此种情况下,桨距角控制器使转速保持在根据功率速度曲线和参考功率确定的转速值。而且, 控制器调节输出功率到产生于功率速度曲线和实际转速的整定功率。

    图7 双馈感应风力发电机组的控制系统1:(a) 控制器(转速控制器)和(b)桨距角控制器(有功功率控制器)

    图6 控制器(无功功率控制器)

    图8 双馈感应风力发电机组控制系统2:(a) 控制器(有功功率控制器)(b)桨跑角控制器(速度控制器)

    3.3控制系统3

    最后,控制系统3介绍了一种新颖的控制方案。它是由控制系统2衍变而来的。这种控制有以下的优点:(1)有功功率控制提供一个选定的模型,通过施加转子电压纵轴分量起作用(2)通过桨距角的作用调节转速至额定值。

    图9 双馈感应风力发电机组控制系统3:(a) 控制器(选定模型的有功功率控制器)(b)桨距角控制器(限速器)

    控制器(图9a)是一个有功功率控制器,通过对转子电压的纵轴分量起作用来控制输出功率。这种控制器提供选择模式以选择运行状态。有两种运行状态可选:功率最优/限制,低功率调节。在功率最优/限制状态下,控制器以转速规定功率速度曲线上的参考值。这样,风力发电机组变速运行,当风速低于额定时使风能抽取功率最大,当风速大于额定时限制输出至额定功率。在低功率运行状态下,控制器则是把风力发电场控制系统规定的数值当作参考值,而不是根据功率速度曲线来确定参考功率。控制器提供了和控制系统2同样的控制环。

    桨距角控制器(图9b)通过减小功率系数以及在转速增至额定值时降低风能抽取功率来调节桨距角。控制器保持桨距角最优当发电机速度低于额定值时,这样,风力发电机组运行在功率最优效率状态下。因此,在任何运行条件下,桨距角控制器皆起限速作用。

    这种控制系统下的双馈感应风力发电机组的运行策略概括如下:

    l         功率最优策略:这种情况下,桨距角控制器使桨距角处于最优值,而 控制器控制输出功率,这样风力发电机组运行于风能抽取功率最大状态。

    l         功率限制策略: 控制器维持额定功率,桨距角控制器则将转速限制至额定转速。

    l         低功率调节策略:这种情况下, 控制器调节输出功率至风力发电场控制系统设定值,而桨距角控制器则维持额定转速。

    4.风力发电机组模型及其控制系统的验证

    本文中的风力发电机模型及其控制系统通过在SP实验室MATLAB/Simulink平台,对双馈感应风力发电机的嵌入式模型的模拟响应比较验证所得结论。这种嵌入式模型,是HQ电力系统模拟实验室开发的,为双馈感应发电机增加一个矢量模型[19]。本文提到的双馈感应风力发电机的额定功率为2MW,额定电压690V。表1显示了它的参数。

    模拟中的风速如图10a所示。风速值在8到13m/s之间,使风力发电机在低风速和风速高于额定值都能响应并做出评价。

    为了评价控制系统的性能,采用了三台不同的风力发电机分别在MATLAB/Simulink平台上进行模拟。每台风力发电机用一种提供的控制系统去控制。风力发电机模拟在额定功率因素下运行(0无功功率),并且没有进行减功率调节操作。对所得的响应和SP系统中的内嵌模型所模拟得来的响应进行比较。比较分析如图10所示,其中给出了有功和无功功率(图10b),转速(图10c),桨距角(图10d)。通过比较这些响应,可得以下结论:

    响应很大程度上和所显示的变量一致。

    l         在风速低于额定值(低于10.2m/s)风力发电机发电功率低于额定值,当运行在变速情况时桨距角保持在最小值(0度)。

    l         在风速大于额定值时,控制系统调节输出功率至额定功率,限制转速至额定转速,并通过作用于桨距角以限制风能的抽取功率。此外,在整个模拟过程中风力发电机在0功率因素下运行。

    l         如所能观察到的,这些比较可以体现出本文所用的模型和控制系统所得响应曲线和SP系统模型的很大程度上是一致的。因此,这里介绍的模型及控制系统可以正确地反映了风力机的响应。

    表1 双馈感应风力发电机的参数

    5.风力发电场控制系统

    风力发电场控制系统的目标是当向电网注入无功和有功功率时能以集中方式进行调节(当风力发电场运行于PQ结点时),或风力发电场作为有功功率和电压这样的结点时(即PV结点)。因此,这种控制系统计算参考功率,包括每个风力发电机的有功和无功功率。

    图10本文所用模型及控制系统的验证,通过SimPowerSystems实验室的MATLAB/Simulink的双馈感应风力发电机模拟所得结果的比较:(a)风速(b)有功和无功功率(c)转速(d)桨距角

    风力发电场控制系统介绍如下:(1)功率控制器,确保风力发电场正常发电(2)辅助控制器械,对风力发电场发电量在各风力发电机间进行分配,并计算每台风力发电机的有功和无功功率。风力发电场的控制系统的方框图如图11所示。

    图11 风力发电场控制系统

    风力发电场的功率控制装置由两个独立控制环组成:其中之一进行有功功率控制,而另外一环则进行无功功率控制或是电压结点控制。有功功率控制环基于比例积分控制器。比例积分控制器确保了风力发电场按系统操作员设定的整定值 来发电。它计算有功功率偏差并为整个风力发电场设定功率参考值 。另外的控制环提供一个可选模型,使风力发电场进行无功功率控制和电压结点控制。当风力发电场运行于PV结点时,结点电压控制工作,调节风力发电场结点电压于系统操作员设定的参考电压 。这个控制由为整个风力发电场设定无功功率参考值 的比例积分器实现。无功功率控制基于比例积分器,将无功功率调节至系统操作员设定的功率参考值 。这种情况发生在风力发电场运行于PQ结点或PV结点,这时参考功率 由结点电压控制产生。比例积分控制器为整个风力发电场设定参照功率 。

    辅助控制器为风力发电场获取参考功率 ,并计算每台风力发电机的有功功率和无功功率 。目前为止,已经有多种方案用于辅助控制[12-14,20]。其中最简单的一种是对每台风力发电机计算相同的参考功率[20]。这样,所有的风力电发机都产生同样的有功和无功功率。文献[12,13]中有一种效率较高的方案,其功率参考值按可利用的有功和无功功率的一定比例来设定。文献[14]介绍了另一种优化的辅助方案,它考虑了每台风力发电机在风停时的内部损耗以优化有功和无功功率参考值。

    辅助控制方案不影响风力发电机控制系统的运行特性。因此,本文采用按一定比例的可利用有功和无功功率的方案,因为它效果更好且易于添加。这种方案中,每台风力发电机的参考功率可由以下式子计算:

    其中: 是功率速度控制曲线(图3)计算得出的可利用有功功率。 是第i台风力发电机根据等式(17)计算出来的可用无功功率。

    本文假设任何时候可用电量(功率最大或功率最小时)都全部输入电网,每台风力发电机的有功功率参考值设定为额定。这样,只当需要减功率调节时,参考功率值才会由辅助控制设定。因此,如果风力发电机没有获得系统操作员设定的参考功率,那么它将根据风输入量自动运行于功率最优或功率限制状态。这种运行方案用在文献[11]。在文献[12,13]中,任何运行条件下风力发电机均需要恒定输出风力发电场控制系统设定的参考功率。因此,参考功率可以是风力发电机运行于功率最优时的额定功率,减功率调节下辅助控制设定的整定功率。

    6.模拟结果

    这部分重点是评价所介绍的双馈感应风力发电机控制系统的性能。包括在风力发机可用电能全部输入电网(功率最优状态和功率限制状态)以及需要进行功率调节时的性能评价。

    本文中,风力发电场由三台双馈感应发电机组成,见图12的风力发电场布局。双馈感应发电力机额定功率为2MW,额定电压为690V,见表1。每台风力发电机都通过容量2 .5MVA,20/0.69kV的变压器连入风力发电场。风力发电场经过8MVA,66/20kV以10km长的馈线接入电网。

    图12 风力发电场布局

    图13 作用于风力发电机的风情况

    图13显示了模拟中作用于风力发电机的风速。这些曲线和前30s低于额定值,其余高于额定值的风速相对应。这就让风力发电控制系统在任何条件下运行于功率最优、功率限制或低功率调节状态。

    控制系统的性能通过以下两种风力发电场模拟评定:

    l         风力发电场运行于PQ结点,控制注入电网的有功和无功功率。

    l         风力发电场运行于PV结点,控制风力发电场结点的有功功率和电压。

    为比较风力发电机的控制系统,模拟了三个风力发电场。每个风力发电场显示了用提供的控制系统控制所有双馈感应发电机的情况。

    情况1:风力发电场作为PQ结点运行。此情况下,对风力发电机的性能及根据系统操作员设定的参考功率调节发电量进行了验证。风力发电场运行情况如下:

    l         在前60s,产生最大可能输出功率注入电网。

    l         在第60s,风力发电场获得60%的有功功率参考值增量,斜率为0.1。

    l         在前80s,风力发电场运行于额定功率因素,而其后模拟中产生最大无功功率,其斜率为0.1。

    图14阐述了三个风力发电场的响应,并标注了风力发电场结点的无功功率和结点电压。可以看到,模拟结果足以显示三种风力发电机控制系统的性能,并实现了要求的风力发电运行操作。但是,值得一提是,当运行于最大无功功率状态,由控制系统3控制双馈感应发电机所在的风力发电场所发的无功功率大于另两风力发电场所发的无功功率。引起的风力发电场结点电压升高的原因将在后面证明。

    三种系统控制系统的性能如图15和图16所示,只提供了离风力发电站最远的3号风力发电机的响应曲线。

    如所观察到的结果,风力发电机在额定以下风速(在前20s)运行,随转速变化产生低于额定的有功功率以实现最佳的功率效率。这样,风力发电机以最大的功率系数运行,桨距角也维持在最优值。

    双馈感应风力发电机在20S到60S间达到额定功率,因为输入风速超过额定值。在控制系统1中,桨距角控制器通过桨距角维持额定功率, 控制器则使转速维持在额定值。控制系统2和3, 控制器调节输出功率至额定,而桨距角控制器则将转速限制在额定值。输入风的变化和叶桨运动速度的限制导致风力发电机控制系统1的输出功率和控制系统2和3的转速产生微量变化。 控制器,通过功率变化器控制,使控制系统1完善调节至额定速度,使控制系统2和3完善调节至额定有功功率。

    在其余的模拟中,因为风速在额定以上,故风力发电机输出额定功率。但是,要求将风力发电机的输出功率减至0.4p.u.(减功率调节)。注意到,虽然控制系统1和2的控制变量实现了相同性能,但是控制系统1的风力发电机的响应变化较大。这种情况下,桨距角控制器工作以达到功率参考值, 控制器则调节转速至0.899p.u.,这个数值是在功率速度曲线上按参考功率得来的。在控制系统2, 控制器调节输出功率至由功率速度曲线及转速得来的参考值,而桨距角控制器则调节转速至0.899p.u.,这个数值取于功率速度曲线和功率参考值。最后在控制系统3是, 控制器调节输出功率至风力发电场控制系统设定的参考功率,桨距角控制器维持转速至恒定额定转速。

    图14 风力发电场作为PQ结点运行的响应:(a)有功和无功功率(b)风力发电场的结点电压。

    图15 风力发电场作为PQ结点时通过3号风力发电机对风力发电机控制系统的比较:(a)有功和无功功率,(b)机械转距,(c)转速,(d)Cp/Cp.max关系.

    图16 风力发电机作为PQ结点时通过3号风力发电机的响应对风力发电机控制系统的比较:(a)桨距角,(b)转子电压直轴和纵轴分量(c)定子和转子的有功功率(d)最大无功功率。

    注意到控制系统1和2的风力发电机是在同步转速以下产生参考功率的,因此,转子绕组消耗有功功率,如从等式(16)推断出来一样。相反,控制系统3的参考功率是在同步转速以上获得。这样,定子和转子绕组均产生有功功率,也可从等式(16)得出。

    在减功率调节状态下,控制系统1和2的风力发电机产生相同的转速,因此它们以同样的方法控制 的变化。因为控制系统3发电机速度不同,风力发电机控制系统需要不同的 。此外,由控制系统3控制的风力发电机需要相比控制系统1和2较小的桨距角,并且由于转速较高,其叶尖速比不同。这个事实证实了桨距角的不同,因为功率系统的减小需要在另一个桨距角下实现。

    当风力发电机运行于额定功率时(在前80s),每台风力发电机调节无功功率至风力发电场控制系统设定的参考值。在其余的模拟中,风力发电机产生最大的无功功率。值得注意的是,当风力发电机从额定功率下运行改为最大无功功率运行时,其无功功率和转子电压的直轴分量 会增加。

    风力发电机不作减功率调节运行时(模拟的前60s),三种控制系统的 控制都呈现相同的性能。但是值得一提的是,由控制系统1控制的风力发电机的无功变化较大,因为有功功率的变化。在其余的模拟中,当需要减速功率调节时,控制系统1和2的 控制性能相似。但是控制系统3却不一样。在减功率调节运行时,控制系统1和2的风力发电机以低于同步的转速运行,因此定子绕组产生功率,而转子绕组则从电网吸收功率。在控制系统3中,风力发电运行于同步以上的转速,其定子和转子都产生功率。因此,控制系统3的风力发电机需要较少的定子功率,且由于最大无功功率取决于定子功率,因此这台风力发电机能产生更多的无功功率。

    图17 风力发电场作为PV结点运行的响应:(a)有功功率和无功功率(b)风力发电场的结点电压。

    情况2:风力发电场作为PV结点运行。为评价风力发电机及风力发电场控制系统,在调节风力发电场发电量时,进行了另一种模拟。这种情况下,风力发电场的有功功率和电压均根据电力系统操作员设定的参考值进行控制。

    在模拟操作中,风力发电场以与减功率调节一样的风况作用于风力发电机,就如情况1。但是,风力发电场的结点电压参考值在前80s被设为1p.u.,而在其后则是1.01p.u.。此模拟中,重点是风力发电场控制系统在风力发电场结点处的性能,因此,只给出了风力发电场的响应。图17标注了有功和无功功率,以及风力发电场的结点电压。

    对于所提供的风力发电机及风力发电场控制系统,在这样的情况下,即作为PV结点,其模拟结果呈现了良好的性能,实现了所要求的运行特性。

    7.结论

    本文介绍了双馈感应风力发电机的三种控制方案在性能方面的比较研究,当进行功率调节时,其有功和无功功率均被设为风力发电场控制系统规定的整定值。双馈感应风力发电机的功率控制,经功率变化器,并配合叶片桨距角控制,适当控制转子电压的直轴分量和纵轴分量实现。

    在本文中,阐述了三种有可能实现控制变量的方法。其中两种(控制系统1和2)是基于已有的方案,而第三种控制系统(控制系统3)则介绍了一种新颖的控制方法,它实质上是控制系统2的衍变。对于无功功率的控制,三种控制系统提供了一样的控制装置,都是基于转子电压的直轴分量 。考虑到转子电压纵轴分量 及桨距角θ,控制系统1和2提供了一种不同的控制方案,虽然方案2和3的控制是相似的,但也有一些区别。在控制系统1中,速度控制通过施加转子电压纵向分量实现,并通过桨距角控制有功功率。在控制系统2中,有功功率由转子电压的纵轴分量控制,而其转速则被控制至从作用于桨距角的功率速度曲线获得的参考速度。在控制系统3中,有功功率也是由转子电压的纵轴分量控制。但是,它提供了一种可选模型以选择运行模式(功率最优/限制或减功率调节)。在些情况下,通过桨距角的作用速度被限制在额定值。

    风力发电控制系统的性能通过在内嵌有集中控制系统的风力发电场对双馈风力发电机进行模拟已经得到评定。风力发电场控制系统根据电力系统操作员设定的参考值对每台风力发电机均计算其功率参考值(有功和无功功率),以调节发电量。在功率配置方面采用了一种有效的方法,它是按可用有功和无功功率的一定比例进行功率分配。三个风力发电场均分别作为PQ和PV结点进行了模拟。每个风力发电场均展示了由所提供的控制系统之一控制双馈风力发电机的情况。

    模拟结果阐述了双馈风力发电机在任何条件下,由所描述的控制系统控制电力产生的特性,包括有功和无功功率。减功率调节下运行除外,控制系统2和3呈现同样的特性。当风力发电机运行于功率限制状态时,控制系统1下的功率输出有微量的变化。在减功率调节时,控制系统1和2特性相似,因为在相同转速下产生参考功率。但是,控制系统3的特性却不同,因为其风力发电机的参考功率是在额定转速下产生的。因此,需要桨距角调节以减小功率系数,并且定子产生的有功功率应比另外两种控制要少。这就暗示了一种更容易利用的无功功率,它对维持风力发电场的电压控制起很大的作用。因此,如从模拟中的控制系统所呈现的特性一样,相比其它两种,控制系统3是最好的控制方案。

    感谢:本文得到西班牙教育科学部ENE2005-04807研究项目的支持。

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