毕业设计论

华北电力大学本科毕业设计（论文）

毕 业 设 计(论文)

题 目 双馈感应风电机组的虚拟惯

性控制研究

`

院 系 专业班级 学生姓名 指导教师

电力工程系 电力实09 陈 赟 王 毅

二○一三年六月

华北电力大学本科毕业设计（论文）

双馈感应风电机组的虚拟惯性控制研究

摘要

本文以双馈式风电机组为研究对象，分析双馈式风电机的运行原理及控制方法，研究双馈机组的虚拟惯量与转速调节及电网频率变化的关系，提出基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制策略，并对该控制策略进行了仿真研究。

首先，本文给出了双馈式风电机的单机模型，其中包括风电场的风速模型，风轮机模型，传动机构模型，以及双馈异步发电机模型。分析了双馈式风电机的控制方法，包括对风轮机的最大风功率跟踪控制、桨距角控制，以及对发电机的网侧和转子侧变换器的控制方法。

其次，仿真分析了含有六台双馈电机的风电场接入系统的动态响应情况，主要包括风速变化、系统负荷扰动及线路故障对风电场各参数的影响，进一步说明了风电机组在运行中的特性，验证了相关控制策略的有效性。

再次，对比分析了传统DFIG机组与常规发电机组的频率特性，验证了传统DFIG风电机组由于其解耦控制对系统频率变化无响应、对系统惯量无贡献这一特性。然后介绍了虚拟惯性的概念，分析推导出DFIG机组的虚拟惯量的表达式。提出了基于功率跟踪优化的双馈机组的虚拟惯性控制策略，并详细介绍了该控制策略的三个模块：功率跟踪优化模块，转速保护模块，功率协调模块。该控制策略通过检测电网频率变化来调节最大功率跟踪曲线，从而释放双馈机组“隐藏”的动能，对电网提供动态频率支持。

最后，利用Matlab/Simulink仿真软件建立含30%风电装机容量的3机系统的仿真模型，验证该控制策略在系统出现不平衡后，能够利用双馈风电机组的虚拟惯量使风电场具备对系统频率快速响应的能力。对DFIG机组虚拟惯性控制下的调频能力随风速的变化规律进行了量化分析，在此基础上提出进一步设置风电场的“弹性控制策略”，根据风电场所处风速环境的不同，兼顾风电机组转速的偏移量、参与调频时间和系统频率的控制效果这三个因素，既充分挖掘其参与系统调频的潜力，又有效降低其参与调频所带来的负面效应。

关键词：双馈感应发电机（DFIG）；动态特性；虚拟惯量；最大功率跟踪；频率控制

I

华北电力大学本科毕业设计（论文）

Investigation of Virtual Inertia Control of Doubly Fed Induction Wind Generators

Abstract

In this paper, with double-fed wind turbines for the study, the operation characteristics and control scheme of the doubly fed induction generator (DFIG) was analyzed firstly, and then the relationship between the virtual inertia, the rotor speed regulation and the network frequency variation was investigated. Finally, a novel virtual inertia control strategy based on the optimal power tracking was proposed and simulation was used to validate the control strategy.

Firstly, this paper presents a doubly-fed stand-alone wind turbine models, including wind farm wind model, wind turbine model, transmission model, and the doubly-fed induction generator model. The doubly-fed wind turbine control methods was analyzed, including maximum power point tracking control, pitch angle control, and generator-side and rotor side converter control.

Secondly, simulate and analyze the dynamic response of a DFIG-based wind farm, including the change of wind speed, load disturbance and line fault. Then, explain the characteristics of wind turbine in operation, to verify the effectiveness of the control strategy.

Thirdly, comparisons of the network frequency response with DFIG-based wind farms and conventional synchronous generators show that, because of decoupling control, the DFIG-based wind farms have no respond ability to the grid frequency deviation and have no contribution to the power system inertia. The conception of virtual inertia was introduced, and a novel virtual inertia control strategy based on the optimal power tracking was proposed. The proposed control strategy includes three modules named virtual inertia control module, speed protection module and coordination control module. The proposed strategy can change the maximum power point tracking (MPPT) curve according to frequency deviation monitoring, so as to release the “hidden” kinetic energy and provide dynamic frequency support to the grid.

Finally, the Matlab / Simulink simulation software was used to establish a three-machine system module with 30% wind power penetration. The simulation results show that the DFIG-based wind farms have fast respond ability to the grid frequency deviation caused by the

II

华北电力大学本科毕业设计（论文）

active power disturbances using the virtual inertia control. The relationship between the wind speed and the frequency control ability of the DFIG with the proposed control regulation was quantified. A “flexible control strategy” of the wind farms was proposed. According to different wind speed of different wind farms, taking into account with the rotational speed, the frequency modulation time and frequency control effect, the strategy can make full use of the frequency regulation ability of DFIGs as well as avoid the negative effects of wind turbines participating in system frequency regulation.

Keywords: doubly fed induction generator (DFIG); dynamic response；maximum power tracking; frequency control

III

virtual inertia;

华北电力大学本科毕业设计（论文）

目 录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract .......................................................................................................................................... II 1 绪论 ............................................................................................................................................. 1

1.1 选题背景及意义 .............................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 .............................................................................................................. 2

1.2.1 常用的风电机组参与系统调频的主要方法 ....................................................... 2 1.2.2 虚拟惯性控制策略 ............................................................................................... 3 1.3 本文主要研究内容 .......................................................................................................... 5 2 双馈感应风电机组的模型及其控制策略研究 ......................................................................... 6

2.1 风速模型 .......................................................................................................................... 6 2.2 风力机模型 ...................................................................................................................... 7 2.3 传动系统模型 .................................................................................................................. 8 2.4 双馈感应发电机模型 ...................................................................................................... 8

2.4.1 d-q坐标系下的数学模型 .................................................................................... 10 2.4.2 定子磁链定向矢量控制原理分析 ..................................................................... 11 2.5 DFIG机组稳态控制策略 ............................................................................................... 12

2.5.1 最大功率跟踪控制 ............................................................................................. 12 2.5.2 转子侧控制器设计 ............................................................................................. 13 2.5.3 网侧控制器设计 ................................................................................................. 14 2.6 本章小结 ........................................................................................................................ 16 3 基于双馈电机的风电场动态特性仿真分析 ........................................................................... 18

3.1 风速变化对风电场的影响 ............................................................................................ 18 3.2 负荷扰动对风电场的影响 ............................................................................................ 21 3.3 三相短路对风电场的影响 ............................................................................................ 23 3.4 本章小结 ........................................................................................................................ 24 4 基于功率跟踪优化的虚拟惯性控制策略研究 ....................................................................... 25

4.1 DFIG风电机组对系统频率的响应情况 ....................................................................... 25 4.2 双馈风电机组的虚拟惯量 ............................................................................................ 26 4.3 双馈风电机组的虚拟惯性控制策略 ............................................................................ 28

4.3.1 功率跟踪优化模块 ............................................................................................. 28 4.3.2 转速保护模块 ..................................................................................................... 30 4.3.3 功率协调模块 ..................................................................................................... 31

IV

华北电力大学本科毕业设计（论文）

4.4 本章小结 ........................................................................................................................ 31 5 双馈风电机组虚拟惯性控制策略的仿真分析 ....................................................................... 32

5.1 系统简介 ........................................................................................................................ 32 5.2 基本特性仿真分析 ........................................................................................................ 33

5.2.1 负荷突增导致频率突减时的仿真分析 ............................................................. 33 5.2.2 风速突增导致频率突增时的仿真分析 ............................................................. 34 5.3 不同风速下DFIG的虚拟惯性控制特性分析 ............................................................. 36

5.3.1 中低风速带内调频能力分析 ............................................................................. 36 5.3.2 高风速带内调频分析 ......................................................................................... 39 5.4 本章小结 ........................................................................................................................ 41 6 总结与展望 ............................................................................................................................... 42

6.1 总结 ................................................................................................................................ 42 6.2 展望 ................................................................................................................................ 42 参考文献 ....................................................................................................................................... 44 致 谢 ............................................................................................................................................. 46

V

华北电力大学本科毕业设计（论文）

1 绪论

1.1 选题背景及意义

以煤、石油、天然气为主的常规能源，资源有限，不可再生，且其开发利用带来了严重的环境污染。日益紧迫的生态污染和能源短缺问题，使得开发利用可再生能源、实现能源的可持续发展成为世界各国能源发展战略的重大举措，推动了风能、太阳能、朝夕能、地热能等可再生清洁能源的发展。风能作为重要和最成熟的可再生能源技术，具有蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性，使之成为可再生能源发展的重要方向。10多年来，全球风电稳步发展，2011年全球新增风电装机容量达40 564MW，这一新增容量使全球累计风电装机达到237 669MW，约占全球发电装机容量的5%[1]。

随着风力发电在电力系统尤其是在风能资源丰富的区域电网中渗透率的不断增加，大量的风电机组并网运行会对电力系统安全稳定运行产生一些不利影响，研究与风电并网运行相关的技术问题己成为重要课题。电力系统频率作为电力系统运行参数中最重要的参数之一，即使是很小的偏差（中国电能质量标准规定，正常情况下频率偏差不应超过±0.2Hz)也会造成用电设备出力降低、设备工作异常，甚至发电机组跳脱、系统频率崩溃等严重事故[2]。因此，电网中含大量风电机组时，对频率控制的分析与研究是电力系统安全运行中一个不可忽视的部分。并网型风力发电机组一般分为两大类，即恒速恒频型和变速恒频型。在风力发电发展的初期，风力发电多采用定速的鼠笼式异步感应电机，这类风力发电机的特点是定子绕组直接与电网连接，因此具有与常规发电机类似的调频特性[3]。而随着大容量电力电子元器件的加入运用，变速恒频风力发电机组以其风能利用率高、有功和无功功率更灵活快速可控等优势，已成为目前风电场中普遍使用的主流机型。基于双馈感应电机(DFIG)的变速恒频风电机组是现今各国使用最广泛的风机类型，而直驱式永磁同步电机(PMSG)风电机组则以其直接驱动、结构简单、效率较高等优点，将成为今后风电场中风电机组的发展趋势。但是电力电子换流器在实现最大功率跟踪的同时，使得风力机的转速和电网频率之间不再耦合，使得风力机无法像传统的同步发电机一样对系统的频率变化产生惯性响应。风电在系统中的渗透率越大，电网的有功扰动造成系统频率的波动就越大。变速恒频风力发电机组对电力系统的惯性几乎没有贡献，这将成为风电场大规模接入电网后面临的新问题[4]。

文献[5]通过仿真对比分析了笼型异步发电机组和双馈异步发电机组对电网频率的支撑能力。由于笼型异步发电机组的转差与定子侧频率相互耦合，笼型异步发电机的电磁功率能自动响应电网频率的变化。对比分析传统同步发电机组、笼型异步发电机组和双馈异步发电机组在响应电网频率变化的过程中，电磁功率的变化幅度和变化速率、功率注入水平及发电机组类型对电网频率变化过程中最小值的影响，可以看出，相对于同步发电机组

1

华北电力大学本科毕业设计（论文）

的频率响应特性，笼型异步发电机组没有明显恶化电网的频率特性，而双馈异步发电机组则对电网的频率响应没有贡献。

文献[6]专门针对风电功率波动对电网调频影响研究分析了不同规模的风电接入对电网频率的影响。因此，为了缓解风机出力波动对系统功率平衡所带来的冲击，同时提高含大规模风电并网系统的整体调频能力，对于风电机组的频率响应能力及其参与系统调频的控制方法及策略的研究具有重要的意义和价值[7]。

文献[8]对风电穿透率对系统频率的影响进行了仿真分析，结果表明当变速恒频双馈异步发电机组取代同步电机之后，由于系统总惯量的减少，频率变化率随风电穿透率的增加而增大；由于系统总动能储备的减少，频率稳态偏差随风电穿透率的增加而增大。因此，大量风电并网后，系统的频率调节能力下降。为保证系统频率的稳定性，风电机组必须具备参与系统频率调节的能力。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 常用的风电机组参与系统调频的主要方法

国内外学者已经对风电场参与有功及频率控制策略进行了一些研究，主要包括三种控制方式，这三类控制方式都与风机结构无关，因此对于主流的基于双馈感性电机和永磁同步电机的风力发电机来说都适用。

第一类是备用功率控制方式。该方法是通过控制风电机组使其进行减载运行，从而预留一定的功率备用并以此来支持系统调频。能够实现风电机组减载运行的控制手段主要有桨距角控制[9-10]。当风机稳定运行时，增大桨距角能够减小风能的利用率以产生一部分备用功率，进而当系统频率变化或波动时，便可通过控制桨距角的变化来调整风电机组的有功出力。该方法多适用于风电机组为额定功率输出(即风速在额定风速以上)的情况，因为低风速时为了使风机最大限度地捕获风能，DFIG风电机组通常处于最大功率跟踪运行，且桨距角为0。然而，桨距角控制的控制速度较慢，往往具有一定的延迟，且当桨距角变化过于频繁时，也容易加剧风机机械部分的磨损。

风电场采用备用功率控制方式后，可以有效的减少其所接入的电网的备用容量。但实际应用中，该方法还存在几个问题。由于风机要留有一定的功率备用，其输出功率低于可达到的最大功率，因此这种控制策略是以损失一部分风能为代价的。要求风电场提供的调频能力越高，风能的损失也就越大。此外，风电场的输出功率是随风速的波动而波动的，因此它的输出功率会受到风速的限制。在风速高于额定风速时，可以通过桨距控制等措施使输出功率维持在额定输出功率或更小的值上，但在风速低于额定风速时，输出功率只能跟随风速的变化而变化。如果此时系统出现功率缺额，这种控制方式下的风电场便无能为力了。

第二类是借助储能装置[11-12]。利用飞轮、电池组等附加储能设备来使风电机组参与系统一次调频的相关研究也越来越多，该类协调控制方法可以从一定程度上缓解风电机组本

2

华北电力大学本科毕业设计（论文）

身调频备用容量和能力有限等缺陷，从而使系统中的风电机组更好地发挥其调频作用。借助储能装置的控制策略的主要问题在于，这种方法的控制效果受储能装置的容量限制。理论上来说，储能装置的容量越大，频率控制的效果越好。然而储能装置的容量越大，相应的成木也就越高。对于一个几百兆瓦的大型风电场来说，即使采用飞轮储能这种成本相对较低的储能装置，所增加的额外成本也是不容小觑的。飞轮储能最大的缺点是它存在较大的静态损耗，每小时它由于自放电现象损失的能量达到其自身储存能量的20%，因此飞轮储能系统不适宜用作长期储能装置。

第三类是风机惯性控制，也成为转子动能控制[13-14]，也是本次课题研究的重点。该方法是通过改进风电机组的有功功率控制系统将存储在风机转子上的旋转动能与电磁功率进行相互转换的控制方法。其主要控制手段为附加一个频率控制环节来为风电机组的有功功率控制系统提供一个额外的有功参考信号，进而使风电机组能够及时响应系统频率来调整其有功输出。考虑到风机具有较大的转动惯量，为了模拟同步电机的惯性响应以利用风机的“隐藏惯量”，早期的研究多采用将频率变化率作为输入信号来获得额外有功参考信号，并称之为惯性控制。

1.2.2 虚拟惯性控制策略

同步发电机组的转动惯量通过调速装置参与系统的频率调整，系统的频率调整包括一次调频和二次调频。系统转动惯量的大小决定了系统的频率的变化率。转动惯量越大，频率变化越慢；转动惯量越小，频率变化越快[6]。而由电力电子换流器控制的风电机组不能自动提供惯性支持，但却可以通过其快速的有功调节特性虚拟出比自身惯量更大的虚拟惯量。因此，有必要从变速风电机组的控制策略方面深入研究如何利用其“隐含”的惯量，使其能够在系统突变时释放或储存转子动能，提高系统的暂态稳定性。相对于同步发电机组，由于在频率突变时，DFIG可以瞬时提供有功支持，并且转速调节范围更大，因而采用虚拟惯性控制的DFIG机组可以更好地改善系统的动态频率响应[15]。

在DFIG最大跟踪控制过程中，转子侧变流器仅根据风电机组转速变化调节有功输出。当电网有功扰动时，风电机组遵循其控制指令向电网输送功率，不能分担系统有功的变化，无法对系统扰动提供惯性支持。因此，若使和电网频率没有直接耦合的风电机组具有惯性，需将电网频率变化引人风电机组控制系统。在频率突变时，通过快速的功率控制向系统瞬时注人或吸收突变的有功，然后通过控制转速变化释放或吸收风力机及发电机的转子动能

[16]

。

利用微分控制环节实现风电机组惯性响应的控制方法是目前采用最广泛的变速风电机

组的惯性控制方案。文献[17]提出通过附加一定的频率控制环节将转子部分动能转化为电磁功率参与系统频率控制，其控制策略如图1-1所示。系统频率发生变化时，在控制环节中参考功率值上附加一个与系统频率变化相关的功率，对原来功率控制环节进行修正，使得风电机组短时增加或者减小输出功率，对系统频率有效响应。该附加频率控制环节可根

3

华北电力大学本科毕业设计（论文）

据系统频率变化率模拟风电机组的惯性响应，在系统频率变化时，快速调节风电机组的电磁功率，补偿系统的功率缺额，进而通过改变风力机转速，释放或吸收机组的旋转动能，使风电机组能够对系统进行惯性支持。文献[7]是在该附加频率控制模块基础上进行改进，添加转速延时恢复模块、与常规发电机协调控制模块和转速保护模块。该控制策略不仅能够有选择地快速响应频率的变化，提供有效的功率支撑，而且通过增加转速延时恢复模块可以使转子转速在基本不影响频率调整的基础上，以更快的速度恢复到最优转速状态，转子转速越快时转速恢复效果越明显。同时，风电机组还可以与常规机组协调控制，发挥各自的优点，为系统提供更强有力的频率支撑。但附加频率控制与最大功率功率跟踪控制间始终存在相互影响，使得其控制器参数不易设计，难以确保风电机组在动态调节过程中的稳定运行。

?r*Popt++Pf**PinPmax风机侧变流器最大功率跟踪|11?sTksdfdtK|??*频率测量+D|?1PdR|?下垂控制

图1-1 附加频率控制结构图

CfmessDfD?f000DfD??ref?mess?refPI??ref?RatelimRatelim?

图1-2 桨距角频率控制策略

文献[18]将上述附加频率控制策略与桨距角频率控制策略（图1-2）相结合，提出虚拟惯性控制与桨距角频率控制相结合的复合频率控制策略。惯性响应控制环能够使DFIG风电机组具有惯性响应特性，等效地增大了系统的转动惯量，因此能减小系统频率变化率，提高频率最低点，但不能减小频率稳态误差。桨距角频率控制环节，通过桨距角控制降低风机出力，使风电机组具有一定的有功备用容量参与系统一次调频，因此能够减小频率稳态误差，但该控制环节没有改变系统惯量，因此不能减小系统频率变化率。前者通过对电

4

华北电力大学本科毕业设计（论文）

磁功率的快速调节实现对系统频率调节的动态支持，后者利用桨距角调节使DFIG风机能够参与系统一次调频，两种方法各具优点，将电气调节方法与机械调节方法相结合，既能减小系统频率变化率又能减小频率稳态误差，可以显著改善系统频率响应。

1.3 本文主要研究内容

本文以双馈风力发电系统为研究对象，研究该系统的模型及控制方法，分析风电场的动态特性，重点对双馈机组的虚拟惯量与转速调节及电网频率变化的关系进行研究，提出双馈机组的虚拟惯性控制策略。本文的主要内容如下：

（1）首先将介绍双馈感应风电机组的基本运行原理和数学模型，分析其控制方法，包括对最大风功率跟踪控制、桨距角控制，以及网侧和转子侧变换器的控制方法。

（2）为了分析风电场的动态特性，验证控制策略的有效性，本文将利用Matlab/Simulink仿真软件搭建含有六台双馈电机的风电场接入系统的仿真模型，分析风电场接入系统的动态响应情况，主要包括风速变化、系统负荷扰动及线路故障对风电场各参数的影响。

（3）对比传统DFIG机组与常规发电机组的频率特性，分析传统DFIG风电机组对系统频率变化有无响应、对系统惯量有无贡献。介绍虚拟惯性的概念，分析推导DFIG机组的虚拟惯量的表达式，并提出基于双馈机组的相关虚拟惯量控制策略。目前大部分惯性控制策略仅仅考虑了最大功率跟踪区域，未考虑高风速的情况，本文将进一步研究探讨转速恒定区和功率恒定区的虚拟惯性控制策略。

（4）为了验证本文所提虚拟惯性控制策略的有效性，将利用Matlab/Simulink仿真软件搭建含30%风电装机容量的3机系统的仿真模型，仿真对比有无虚拟惯性控制策略的DFIG机组对系统调频的支持能力。进一步对比不同风速下，电网出现功率缺额时，采用虚拟惯性控制后，风电机组参与频率调节的能力，期待能进一步提高风机的控制性能。

5

华北电力大学本科毕业设计（论文）

2 双馈感应风电机组的模型及其控制策略研究

双馈感应风力发电系统主要由风力机、齿轮箱、变速器、双PWM变频器、双馈异步发电机等部分构成，结构框图如图所示。

DFIGVTGRIDACDCDCAC控制系统

图2-1 双馈风电机组结构

由电机学知识，有下列关系：

式(2-1)中：fs为定子电流频率；n为转子转速；p为电机的极对数；fr为转子电流频率。

由式(2-1)可知，当发电机转速n变化时，若控制转子电流频率fr相应变化，可使fs保持恒定不变，这就是交流励磁发电机变速恒频运行的基本原理。

fs?pn?fr 60(2-1)

2.1 风速模型

风电场的风能资源情况，是开发风力发电项目的基础工作。为了较精确地描述风的随机性和间歇性的特点，本研究中采用了国内外使用较多的风力四分量模型，各分量分别为基本风VA、阵风VB、渐变风VC和随机风VD。

(1)基本风：可以由风电场测风数据获得的威布尔分布参数近似确定，由威布尔分布的数学期望值可得：

VA?c??(1?1/k) (2-2)

式中：VA是基本风速(m/s)，c 和k是Weibull分布的尺度参数和形状参数，?(1?1/k)表示伽玛函数。

(2)阵风：描述风速突然变化的特性。

(t?T1G)?0?VB??Vs(T1G?t?T1G?TG)

?0(t?T1G?TG)?6

(2-3)

华北电力大学本科毕业设计（论文）

G/2)1cos[2?t(T)]VB,T1G,TG,maxG分别为阵风风速式中Vs?max(??G/?)T1G(TG/?，(m/s)，启动时间(s)，周期(s)最大值(m/s)。

(3)渐变风：表示风速的渐变特性。

0(t?T1R)??V?(T1R?t?T2R)?VC?? (2-4)

maxR(T?t?T?T)2RR2R??0(t?TR?T2R)?式中V??maxR[1?(t/T2R)/(T，VC,maxR,T1R,T2R,TR分别为渐变风速(m/s)，最1R?T2R)]大值(m/s)，起动时间(s)，终止时间(s)和保持时间(s)。

(4)随机风：风速的随机性一般用随机噪声分量来表示。

NVD?2?[SV(?i)D?]1/2cos(?i??i) (2-5)

i?12KNF2|?i|其中?i?(i?1/2)?D?，SV(?i)?2

?[1?(F?i/??)2]4/3KN指地表粗糙系数；?i指0~2?之间均匀分布的随机变量；式中：F指扰动范围(m2)；

?指相对高度的平均风速(m/s)；N指频率取样点数；?i指各个频段的频率。

综合上述四种风速成分，模拟实际作用在风力机上的风速为：

V?VA?VB?VC?VD

(2-6)

2.2 风力机模型

风电机组的发电过程是将风能转换为机械能，再由机械能转换为电能的过程。在这个过程中，风力机捕获风能的过程起到了关键的作用。它直接决定了风力机组的转换效率。由风力机的空气动力学可知通过风轮机旋转面得空气所蕴含的动能：

11?Pv?mV2??AV3??D2V3 (2-7)

228

风力机的机械输出功率：

1??32323Po??AVCp??DVCp??RVCp (2-8)

282式中：A为风力机的旋转面积，?是空气密度，D是风轮直径，R是风轮直径，V是空气速度，Cp是功率转换系数。

Cp是关于叶尖速比?和叶片桨距角?的函数，Cp表明了风力机把风能转换成有用机械能的效率。表示为：

PoCp??f(?,?) (2-9)

Pv叶尖速比?表示的是叶尖线速度和风速之比，其表达式：

R??? (2-10)

V7

华北电力大学本科毕业设计（论文）

式中R是风轮半径，V是空气速度，?为叶轮旋转角速度。

叶片的主要功能是将风能转换成作用在轮毂上的机械转矩。风力机的机械转矩如下：

Po??R2?Tw??CpV3??R3V2Cp (2-11)

?2?2?由以上可知，在桨叶大小固定、风速和风能密度为客观环境确定的情况下，影响功率输出的唯一因素即为风能利用系数Cp。Cp的大小主要由叶尖速比?和叶片桨距角?决定。

2.3 传动系统模型

风力机组的传动机构由轮毂、传动轴和齿轮箱组成。轮毂用于连接叶片和齿轮箱，具有较大的惯性，其两边的转矩可以用一节惯性环节来模拟：

dTT1?(Tw?TT) (2-12)dt?h式中：TT为齿轮箱输入侧的转矩；?h为轮毂惯性时间常数。

齿轮箱和联轴器传递风力机和异步发电机之间的转矩，其动态方程如下：

d?1?(TT?Tm) (2-13)dt?T式中：?为风力机的机械角速度，TT为输入齿轮箱的机械转矩，Tm为齿轮箱输出转矩，也是输入异步发电机的转矩，?T为齿轮箱的惯性时间常数。通常我们认为风力机的转速基本保持不变，因此近似为TT和Tm相等。

则传动部分的模型为：

dTm1?(Tw?Tm) (2-14)dt?h式中：Tw为传动机构输入转矩(p.u.)，Tm为传动机构输出转矩(p.u.)，?h为轮毂惯性时间常数(s)。在简化模型中可将传动轴的惯量等效到发电机转子中，齿轮箱为理想刚性齿轮组。

2.4 双馈感应发电机模型

双馈感应发电机全称为交流励磁双馈发电机，其定子结构与异步电机相同，转子结构带有滑环和电刷，与绕线式异步电机和同步电机不同，转子侧可以加入交流励磁，既可输入电能也可输出电能，有异步机的某些特点又有同步机的某些特点。在风力发电机组中，双馈发电机的定子绕组与电网有电气联接,其转子绕组通过变频器(一般由转子侧逆变器、直流电容及电网逆变器组成)与电网联接。其定、转子绕组电流频率关系如下：

pnf1??f2 (2-15)

60式中f1是定子绕组电流频率，p是发电机极对数，n为转子转速，f2为转子绕组电流频率。

和鼠笼异步电机一样，双馈电机以及双馈调速系统从本质上讲是一个非线性、强耦合、

8

华北电力大学本科毕业设计（论文）

多变量的系统。研究双馈调速，也必须从其数学模型入手。双馈电机通常在实际运行中机电能量的转换主要通过基波磁场来完成的，因此，为了简化数学模型，通常需要对双馈电机模型做一些必要的假设：

1 定转子的三相绕组对称（在空间上互差120?电角度），所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布，只考虑气隙基波磁场的作用，气隙谐波磁场只在差漏抗中加以考虑，认为定子转子具有光滑的表面而忽略齿谐波的作用。

2 忽略铁损和铁磁的非线性。

3 忽略绕组的集肤效应，忽略定转子绕组的温升。

4 双馈电机的转子参数全部折算到定子侧，折算后的定转子每相匝数都相等。

RsXs?RrsXr??Is?Us?ImXm??E?E12?Ir?Urs

图2-2 双馈感应发电机等效电路

图2-3所示的是双馈电机定转子三相坐标，双馈电机的定子三相对称绕组轴线在空间上是固定的，以A 相轴线为参考坐标轴，转子三相对称绕组轴线以角速度?r逆时针旋转。转子a 轴和定子A 轴之间的电角度?r是一个空间角，随着时间的变化而变化。

Cc?ra?rAbB图2-3 双馈电机定转子三相坐标

在上面的电机模型假设和参数折合的基础上，双馈电机的基本电压关系如式所示：

u?Ri??? (2-16)

u??uas,ubs,ucs,uar,ubr,ucr?是定转子相电压瞬时值向量；i??ias,ibs,ics,iar,ibr,icr?是式中：

定转子相电流瞬时值向量；R?diag?Rs,Rs,Rs,Rr,Rr,Rr?由定子和转子电阻组成的对角线矩

9

TT

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/icgt.html