新能源发电与并网技术(3)-3

式中，ψ、V、I分别为 磁链、电压、电流，R、 L为电阻及电感，下标s、 r分别表示定、转子侧分 量，ωr为转子角速度， Lm为激磁电感。
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3.7 双馈异步风电机组
(2) 动态模型
• 定子输出功率
3 ps = ( vsd isd + vsq isq ) 2 3 qs = ( vsq isd − vsd isq ) 2
ψ rd = Lr ird + Lm isd ψ rq = Lr irq + Lm isq
⎛ 1 ⎞ ref v = ⎜ Kp + ⎟ ( iqr − iqr ) Ti s ⎠ ⎝
' rq
' vrd = Rr ird + vrd − ( ωs − ωr ) ( Lr irq + Lm isq ) ' vrq = Rr irq + vrq + ( ωs − ωr ) ( Lr ird + Lm isd )
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3.8 基于全功率变流器的风电机组
典型结构
• • 可以有齿轮箱，也可以 没有齿轮箱。 可以采用不同类型的发 电机，例如异步发电机、 常规同步发电机或永磁 同步发电机。
全功率驱动发电机组
•
• •
风电机组的所有功率都通过变流器传递，因而可以将发电机的 固有特性和动态特性与电网有效隔离。发电机的频率可以随着 风速的变化而变化，而电网频率可以保持不变，从而实现风电 机组的变速运行。 变流器的容量与发电机的容量相当。 功率变流器可以按不同的方式布置。机侧可以二极管整流或 PWM VSC，但网侧一般采用PWM VSC。
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3.7 双馈异步风电机组
双馈感应发电机控制
• 网侧变频器控制
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3.7 双馈异步风电机组
• 网侧变频器控制
电网
以网侧电压矢量定向d轴，
E gd = E g , E gq = 0
网侧变频器与电网之间交换的功率为：
3 3 Pg = E gd i gd = E g i gd 2 2
ωs
ωs
Lm ird isd = − Ls
Lm irq Vs − isq = − ωs Ls Ls
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3.7 双馈异步风电机组
(2) 动态模型
3 3 Lm ps = vsd isd = − Vs ird 2 2 Ls 3 3 ⎛ Vs 2 Vs Lm ⎞ qs = − vsd isq = ⎜ irq ⎟ + Ls 2 2 ⎝ ωs Ls ⎠
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3.7 双馈异步风电机组
数学模型
(2) 动态模型 • 以转速ωs旋转的同步坐标系下的等效电路
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3.7 双馈异步风电机组
(2) 动态模型
• 磁链方程
ψsd = Ls isd + Lm ird ψsq = Ls isq + Lm irq ψ rd = Lr ird + Lm isd ψ rq = Lr irq + Lm isq
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3.7 双馈异步风电机组
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3.7 双馈异步风电机组
双馈感应发电机控制
• 双馈感应发电机控制包括转子侧变频器控制和电网侧变 频器控制。 – 转子侧变频器控制的主要功能： （1）通过施加三相交流电进行励磁， 调节励磁电流的幅 值、 频率和相位，实现定子侧输出电压恒频恒压， 同 时实现无冲击并网。 （2）通过解耦控制实现有功功率、 无功功率独立调节。 （3）实现最大风能追踪和定子侧功率因数的调节。 – 网侧侧变频器控制的主要功能： （1）保持直流母线电压的稳定。 （2）实现网侧功率因数的控制。
3 Q g = − E gd i gq 2
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3.7 双馈异步风电机组
• 网侧变频器控制
digd ⎧ + ωs Lg igq + Eg ⎪vgd = − Rg igd − Lg ⎪ dt ⎨ ⎪v = − R i − L digq − ω L i g gq g s g gd ⎪ gq dt ⎩
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3.7 双馈异步风电机组
双馈感应发电机控制
• 转子侧变频器控制 （2）电流控制环
dψ rd − ( ωs − ωr ) ψ rq dt dψ rq vrq = Rr irq + + ( ωs − ωr ) ψ rd dt ⎛ 1 ⎞ ref ' vrd = ⎜ K p + ⎟ ( idr − idr ) Ti s ⎠ ⎝ vrd = Rr ird +
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3.8 基于全功率变流器的风电机组
永磁同步发电机的数学模型
（2）动态方程
• 定子电压方程
• 定子磁链方程
• 功率方程
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3.8 基于全功率变流器的风电机组
永磁同步发电机的数学模型
• 电磁转矩方程
令isd=0，则有：
3 Te = pΨ PM isq 2
• 永磁同步发电机
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3.8 基于全功率变流器的风电机组
永磁同步发电机的数学模型
（1）稳态方程
E Us P= sin δ Xs E − E U s cos δ Q= Xs
2
E Us P= δ Xs E − E Us Q= Xs
2
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风力机控制系统
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3.7 双馈异步风电机组
双馈型机组特点
• • • • • 连续变速运行，风能转换率高；且变流器容量小，25%30%额定容量，变流器成本相对较低 ； 存在滑环和齿轮箱问题，维护保养费用高于无齿轮箱的 永磁机组； 电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）；并网简 单，无冲击电流； 降低桨距控制的动态响应要求； 改善作用于风轮桨叶上机械应力状况。
双馈电机的定子侧有功（或 电磁转矩）、定子侧无功分 别由转子电流的q、d轴分量 决定。
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3.7 双馈异步风电机组
(2) 动态模型
• 转子输出功率
3 pr = ( vrd ird + vrq irq ) = − sps 2 3 qr = ( vrq ird − vrd irq ) 2
P /pu
ωr /pu
–风力机运行在最大功率跟踪曲线上将会输出最大功率Pmax其值为
Popt = koptωr3
– 对应的转矩为
kopt
3 1 = ρ S ( R λopt ) C p max 2
Topt = koptωr2
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3.7 双馈异步风电机组
（1）最大功率跟踪控制
•
电压方程
vsd vsq vrd vrq
dψsd = Rs isd + dt dψsq = Rs isq + dt dψ rd = Rr ird + dt dψ rq = Rr irq + dt
− ωs ψsq + ωs ψsd − ( ωs − ωr ) ψ rq + ( ωs − ωr ) ψ rd
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3.7 双馈异步风电机组
数学模型
(1) 稳态模型
• 转子电流
Vr − Vs s Ir = R ⎞ ⎛ Rs + r ⎟ + j ( X s + X r ) ⎜ s ⎠ ⎝
Is + Vs Xm Rs Xs Xr
Rr / s Ir
Vr / s
• 从气隙传递的功率
控制策略
•
•
控制目标：控制发电机和电网之间的无功功率交换；控 制风电机组发出的有功功率，以追踪风电机组的最优运 行点；在高风速情况下限值风电机组的出力。 包含两个不同、相互之间又紧密联系的控制子系统：双 馈感应发电机控制，用于控制有功、无功功率；风力机 控制，用于实现转速的控制及浆距角的调节，主要用于 气动子系统和机械子系统中的功能实现。
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3.7 双馈异步风电机组
双馈感应发电机控制
• 转子侧变频器控制
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3.7 双馈异步风电机组
（1）最大功率追踪控制
– 最大功率曲线：由不同风速 下风力机输出功率和转速的 关系，可以看到不同风速下 风力机的功率转速曲线组成 了曲线簇，每条曲线上最大 功率点成为风力机的最大功 率曲线。
isq = − Lm irq Ls ψsd = Ls isd + Lm ird = ψ s ψsq = Ls isq + Lm irq = 0 Lm ird isd = − Ls Ls
ψs
3ωS Lm ψ s irq ps = 2 Ls qs = − 3ωS ψ s (ψ s − Lm ird ) 2 Ls
Pair-gap = I r 2 Rr s
Is
+ Vs
Rs
Xs
Xr
Rr / s Ir
Vr / s
Xm
• 从转子传递的功率
Vr Pr = I r cos θ s
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3.7 双馈异步风电机组
数学模型
(1) 稳态模型
• 有功功率关系
Pair-gap ≈ Ps
Pm ≈ Pair-gap + Pr ≈ Ps + Pr
T ωr ≈ T ωs + Pr
Pr = T ωr − T ωs = −T (ωs − ωr ) = −Tsωs = − sPs
Pm = Ps + Pr = (1 − s ) Ps
Pg = Ps + Pr = (1 − s ) Ps
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3.7 双馈异步风电机组
功率恒定区 转速恒定区
Cp恒定区 启动区
– – –
启动阶段，此时电机增速，但没有并网，没有功率输出。 风力发电机并入电网并运行在额定风速以下的区域。这一阶段 又可分为两个区域：变速运行区和恒速运行区。 功率恒定区。当风速增加时，通过变桨控制，从而保持功率不 变。
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双馈异步发电机组
•
变流器为转子提供频率可变 的电源，使得转子的机械转 速和电网的同步转速相互解 耦，由此实现了风电机组的 变速运行。
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新能源发电与并网技术
3.7 双馈异步风电机组
典型结构
• DFIG风电机组可以同时 通过发电机定子和变流器 将功率送入电网。 • 当转子转速高于定子磁场 的同步转速时，发电机运 行在超同步速状态，转子 功率通过变流器送入电网。 • 当转子转速低于定子磁场 的同步转速时，发电机运 行在次同步速状态，转子 通过变流器从电网吸收功 率。
– 双馈电机的定子侧有功（或电磁转矩）、定子侧无功分 别由转子电流的d 、 q轴分量决定。
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3.7 双馈异步风电机组
(2) 动态模型
• 定子输出功率 – 当采用定子磁链定向时， 忽略暂态过程及定子电阻上的压降： ψ sd = ψ s ,ψ sq = 0
vsd = −ωs ψsq = 0 vsq = ωs ψsd = ωs ψs
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School of Electrical and Electronics Engineering
新能源发电与并网技术 风力发电 （3）
主讲人： 朱晓荣
3.7 双馈异步风电机组
典型结构
• 采用绕线感应电机，变流 器与转子绕组之间的电流 通过滑环进行传送，通过 向转子注入频率为转差频 率的可控电压来达到变速 运行。 • 转子绕组通过变频器供 电，该变频器由两个基于 IGBT的DC/AC VSC组 成，两个变流器之间通过 直流环节连接。
– 当采用定子电压定向时，vsd = Vs , vsq = 0 忽略暂态过程及定子电阻上的压降：
vsd = −ωs ψsq = Vs vsq = ωs ψsd = 0
ψsq = − ψsd = 0 Vs ψsd = Ls isd + Lm ird = 0 ψsq = Ls isq + Lm irq = − Vs
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3.8 基于全功率变流器的风电机组
基于同步发电机的FRC风电机组
电励磁同步发电机
永磁同步发电机
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3.8 基于全功率变流器的风电机组
基于同步发电机的FRC风电机组
• 电励磁同步发电机与永磁同步发电机比较
– 电励磁同步发电机具有可调节的励磁电流，可以不受负载 电流的限制对其输出电压进行控制。 – 绕线转子比永磁式转子更重，一般体积更大。 – 电励磁同步发电机转子绕组中的损耗更大。