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双馈变速风力发电机组特性仿真研究

发布时间:2016-12-22      文章来源:未知

 
摘 要
                                                                                            
        以双馈变速风力发电机组为对象,利用matlab仿真软件成立一个仿真体系,对一个规范的9MW双馈变速风力发电机组系统的特性进行仿真研究。
当电路故障,转子侧直接短路保护方案相比,励磁控制的电力系统故障和正常运行的风力发电跟踪系统相结合,可以使发电机迅速恢复有功输出,进而可以提高整个双馈变速风力发电组电力系统在切除故障保持运行的稳定性。
        在可控制的范围内产生的电网故障仿真结果表明:典型的双馈可能会使发电机变压器系统侧电压下降到额定功率的30%,在电网故障当中仍然保持不脱网运行。同时包括各种因素的影响。
        其中发电机组的励磁控制的故障性能,对预故障操作点以及电机参数进行了仿真研究,发现了适当加强发电机组或定子侧的漏电感的阻力,有助于进一步提高励磁的控制效果对电网的影响。
                                                                                   
关键字:双馈变速  风能追踪  MATLAB(SINULINK)


 
Doubly-fed variable speed wind turbine characteristics simulation research 
                            
ABSTRACT
                        
In doubly-fed variable speed wind turbine as the object, Using matlab simulation software to set up a simulation system, For a standard 9 mw doubly-fed variable speed wind turbine system simulation study of their properties.
When the circuit fault, The rotor side short circuit protection scheme compared directly, Excitation control of power system fault and normal operation of wind power tracking system, the combination of .Can make the generator quickly recover energy output, This, in turn, can improve the doubly-fed variable speed wind power generation group the stability of power system in the removal of fault to keep running.
In can be controlled within the scope of the grid fault simulation results show that: Typical doubly-fed could make the generator transformer system voltage drop to 30% of the rated power, Still keep in the middle of the grid fault network operation. At the same time, including the influence of various factors.
The generator excitation control performance, To estimate fault operation points and motor parameters for the simulation, Found the proper strengthening generator or the leakage inductance of the stator side resistance, Help to further improve the effect of excitation control of power grid. 
                                                
KEY WORDSdoubly fed variable speed   wind power tracking   matlab(sinulink)
 

1引言
                                                
1.1研究现状

       当前,国内、外洋对于风电机组仿真体系的研究还不多,处于初级阶段,可是,对于水电机组仿真体系、火电机组仿真体系和变电站仿真体系的研究已经有不少了,并且许多研究成果都已经运用到了实际的培训当中[6]
        凭证这些已经拥有的结果可知,仿真体系的成立务必要满足两个前提:一:拥有功率巨大的仿真支撑平台,利用仿真支持平台能够方便实现对仿真对象的在线建模、修复以及调试等操作;二:拥有可以反应仿真目标在实践运转情形的仿真模型。在这两方面,国内外都已经获得了相应的研究成果。
        MATLAB是一个建立仿真系统来进行研究的软件,它主要包括的处理功能有:编辑功能、模型的设计功能、检验功能,模型输入功能以及输出数据的处理等功能。国内外许多公司开发了专门的具有自主知识产权的仿真软件,比较著名的有:加拿大AE电子公司开发的ROSE软件,该软件是一面向对象的图形化的开发环境,利用该软件,用户可以从模型发展到整个操作过程完成;美国abb公司研发的cetran仿真软件,为创设模型的人们供应了一个完整交互的在线模子建立的环境;中国保定华仿科技有限欧诺公司自助研发的STAR-90体系,该体系功能大,基于模块化布局,对建模人员以在线监护的方式成立仿真模型提供了平台。中国的少许人才对经过仿真软件创建仿真体系也做了少许实际性的摸索,此中使用LABVIEW和MATLAB共同创建风电场仿真体系,并获得了了少许成绩。
1.2背景
        在矿产资源日渐短缺的及其环境日渐严重的的今天,世界各国都把发展可再生绿色能源--风能作为本国能源战略的重点,我国也不例外[2]
风能是一种很早就被人们利用的一种清洁型、环保型、可再生型能源--主要利用在通过风车提供动力来抽水以及磨面等。现在,人们更加的重视,如何利用风能来发电,以满足人们的需求。
        为了降低风力发电的运行造价并且把风电市场的竞争力提升到更高的一个阶段,在当代潮流时势情况下,风力发电机组沿着大容量、小单位千瓦重量、高转换率的方向发展。
        尝试使用风能发电,在上世纪第二十一年代初期就开始了。三十年代的时候,瑞典和美国等国家通过使用航空产业的旋翼技巧,成功的研制出了一批具备发电能力的小型风力发电配置。但是,当时的发电量多数都在5000瓦以下发电量比较低。
中国是一个风力资源丰富的国家,风能是取之不尽,用之不竭的。是我国目前最有开发利用前景的一种新型的清洁型环保能源。跟着风力发电机组制造成本的不停降低,势必使风力发电技术获得空前绝后的竞争能力和实用性能。因此风力发电技术的发展潜能是十分巨大的,不容忽视的。
1.3发展趋势
        据当前来看,风力发电是环保节能社会成长的必须元素,是推进风力发电机成长的要紧能源。然而,随着频繁的更换,风机价格最大限度地适应人们的生活。风力发电就会成为所有新能源是最便宜的。
        风力发电机是风力发电的主要设备,生产和物质因素和功能和环境对风力发电机的电流保护价格起着决定作用。从当今的市场时势以及科技水平来看,风能在市场中最具竞争力。同时可再生能源鼓励政策的不断强调与施行,为风力发电产业的发展提供巨大的有利环境。
        有机会成为主要电气设备主要是中国生产的风力发电,因为资源的稀缺性。中国的大部分能量都是从国外进口来的,是一个进口国,可再生能源可以摆脱进口的困境,特别是在农村地区,风力资源丰富的地区。更加有利于对风电事业的发展提供广阔的市场,赢取相当可观的利益。
当前风电机的主要发展方向是重量更轻,结构更具柔性,直接驱动和变速恒频等,从目前的发展趋势来看,以水平轴、上风向、三叶片的升力型机组为主流的风电机组[3]
1.4存在的问题
       在风力发电中,传统的恒速发电机要输出稳定的电压,转速必须固定所以风轮机的转速必须固定不变,然而风速是时刻变化的于是导致风能利用率降低[1]
       风能资源受地形差异以及垂直高度差异的影响。现在,风能资源储量的能源主要基于气象数据的估计。而且,气象站大多数情况下都设置在城市的郊区,一个地方一个观测场,只能反映当地十米高度的风速情况。然而在沿海、海岛以及高山等风能资源丰富的地方没有观测资料。因此,在高分辨率缺乏的风数据的情况下,风力资源不够具体深入了解,所以储备量尚不清楚。
风电的投资太大,而且投资后不一定能盈利,是要靠老天爷吃饭的,并且缺乏市场竞争力,不利于其持续的发展。
影响风力发电价格的因素有很多,主要的原因有:
1、资源:发电量少,消耗功率,发电机容量和充分的时间来决定。
2、系统造价:包括风力发电机组的造价以及配套设施的造价等。
3、政策的影响:如企业的税收、价格方面、银行贷款等方面。
1.5主要内容
1掌握风力发电机的基本原理及其组成。
2建立双馈感应风电机组的数字模型,包括风力机、传动机构发电机等。理解双馈感应风电机组的最大风能追踪策略。
3针对转子侧变流器和网测变流器建立控制系统的基本概念
4应用MATLAB软件建立一个简单的含双馈感应风电机组的仿真系统,对机组运行性能进行仿真研究。
1.6研究目的
        通过对双馈变速风力发电机组特性的仿真研究,了解他的性能。为风力发电技术的发展奉献微足的贡献,为我国能源问题做一个小小的铺垫。
通过对风电机组进行matlab仿真分析,实现对风电机组运行的可行性进行分析认定。通过参考研究相关文献资料对当代风电机进行初步的了解。结合matlab与相关文献进行研究分析以便得出相关结论。
        通过模拟分析用来得到双馈变速风力发电机组的特性具有优良的、稳定的、较好性能的运行特性,同时还要确保所建立的数学模型的正确性以及有效性。来更加直观、真实的展现出双馈变速风力发电机组的可行性,跟时代性。
为我国进一步发展风电技术提供一定的理论基础。促进我国风电节能产业的更快更好的发展。为我国的环境缓解做出一点点贡献。 


2工作原理及其结构
         
2.1现代变速双馈风力发电机的工作原理
        双馈风力机叶轮的工作原理:风能转化为机械能,发电机组的励磁变换器连接到定子电源系统。并经过变流器向电网内馈电。同时,比异步电动机大,它也会起到电源作用。就像空气动力学原理,就像飞机的翅膀一样。
        所有的转子的功率并不能获得风力发电机的全部的功率。据贝茨定律,变速恒频双馈风力机的功率可以达到59.6%的风。但风力发电风力发电最多只能得到40%。
        所有的风力发电机的输出功率都是随风力的变化而变化的。强风下最常见的两种制约功率输出的方式(从而制约风轮所经受的压力)是失速调节和斜角调节。变速恒频双馈风机失速调度期使用,高于额定风速的风,将通过干预使叶片的气流流动,风轮失速。如果风太强的话,制动装置就会动作,风轮就会刹车。利用斜角调度的双馈变速风力发电机组,其叶片都可以以纵向为轴,从而转动,同时让叶片角度也会跟着风速的差别从而产生变化和改变,从而改变风轮的空气动力性能。当风力过强,叶片转向边缘,面向来风,风轮刹车。
2.2现代风机
        为了解决由风力发电机风变化时产生的初始电功率,电压和频率的不稳定,没有实际的问题,当代风电机扩展了齿轮箱、偏航体系、液压体系、刹车体系和控制体系等[7]
        齿轮箱可以将很低风轮转速变为很高的发电机转速。为了实现稳定的输出电压和频率,而且使发电机更容易控制。
        风力发电机有许多风扇旋转部件,在水平取向发动机旋转表面,可以在任何时间偏航方向;在水平旋转的风轮,从而产生动态扭矩。可变桨距的风力涡轮机叶片,其中应围绕着旋转轴线的根部,以便适应不同的风力条件和可变螺距。在关闭时,叶片要顺桨,从而构成一个阻尼刹车。
2.3双馈风电机组的基本构成
        变速恒频双馈发电机组以其较大的风能利用率,变频器小额定容量的好处让他变成主流类型的风电市场。主要由风涡轮机,驱动系统,感应电机,双PWM变换器客舱。发电机的定子直接连接到电网,双转子变流器并网PWM。靠近发电机转子的变频器称为转子侧的变频器,与电网衔接的变频器称为网侧的变频器[8]
双馈风力发电机组的结构图如下图:
 
图2-1  双馈风力发电机组的结构示意图
        根据功能,双馈风力发电机可以分为气动系统,机械系统,电气系统和变桨系统等。气动系统的主要作用是:将风能转换成机械能,同时根据风速以及叶片的参数,计算风力作用于叶片上的推力以及旋转力。机械系统的主要功能是:将机械能传递给变速恒频双馈风力发电机组,以及支撑配套设备的高度,其结构主要包括:传动系统,机舱,塔等。电气系统的作用是:将机械能转化为电能,主要包括双馈异步电机和双PWM变频器。变桨系统的功能是:经过变桨执行机构以叶片纵轴为目标扭转叶片,转变叶片的桨距角,调度机组从风中摄取的能量。
        根据风速的变化可以调整速度,实现时间同步,同步和超同步发电机。双馈风力发电机的变速恒频运转是经过双pwm变频器的把持而完成的;经过对风力发电机组转子侧变频器的掌管,能够完成对发电机转子侧励磁电流的幅值、频率、相角的掌管,从而完成调度转速和输出功率的目标;通过对网侧变频器运行控制,保持直流环节母线电压稳定,为转子侧变频器提供能量支持。
双馈风力发电机组的运行原理图如下:
       
图2-2  工作原理图双馈风力发电机

3双馈风电机组数学模型
               
3.1风力机和传动部分数学模型
机械的输入扭矩和风两大型风力机空气动力学速度之间的关系:
          (式3-1)        
    其中:            
其中ρ为空气密度;R、θ、λ为风力机叶片半径、桨叶的桨距角、叶尖速比;Cp风能利用系数与θ,λ相关联;风力机叶片转速是ωw。当风速低于切入风速或高于切出风速时,输出为0。
Cp由厂家提供,经验公式为:
      (式3-2)
其中:
对风能利用系数-叶尖速比,如图所示。关于已有的叶片桨距角有差别的叶尖速比对应的利用系数出入要大,且唯有一个最好的叶尖速比可以让利用系数转变到最大值。从上面可以看出,在风力条件的变化,保持最佳叶尖速比必须使风扇转速、风速变化,保持最佳叶尖速比,以确保最大风能捕获。                            
 
图3-1  风能利用系数—叶尖速比
                                                  
在硬度和阻尼系数被忽视时的机械传动部分,可用一质量块的适用模型来描述如下面的式子所示:
       (式3-3)
此中: Twtr、Jd、Tgen、Ωgen为等效风轮转矩、等效转动惯量、转子转矩、转子机械角速度
3.2双馈感应发电机数学模型
在数学模型的建立,发电机定子电流实际定子侧的选择,从目前的正方向;转子侧选用电动机惯例,转子电流以流入方向的电流为正方向。
定子绕组电压方程为:
      (3-4)
转子绕组电压方程为:
    (式3-5)
式中:ud1、uq1、ud2、uq2分别为定转子电压的d、q分量; id1、iq1、id2、iq2分别为定转子电流的d、q分量:ωs=ω1-ωr为d、q坐标系相对于转子的角速度。
磁链方程为:
                (式3-6)
式中,ψd1ψq1ψd2ψq1分别为定转子磁链的d、q轴分量;L1为d、q坐标系下两相定子绕组间的等效互感;Lm为d、q坐标系下同轴定转子绕组间的等效互感;L2为d、q坐标系下两相转子绕组间的等效互感。
将上式计算得出电流与电压之间的关系:
             (式3-7)
其中,P为微分符号。
电磁转矩方程为:
                                  (式3-8)
功率方程为:
                                  (式3-9)
式中,P1、Q1为定子侧向电网输出有功无功,P2、Q2为转子侧从电网输入有功无功。
3.3最大风能捕获
    经过掌控变速恒频风电机的转速来实现捕捉最大的风能,能够检测出目前的风速并计算出最好的转速后,进行转速的掌控,这实际上就是一种直接转速控制的方法。控制目标不仅明确、而且原理还简单。可是,是一个困难的难题,在现场中要确保它的稳定性,同时检测起来也会出现很多的困难的难题,比方:在风速检测的期间,难以避免的会出现错误,如许就会下降最大风能捕获的结果。在实际应用中,通过对控制策略和控制方法的改进,避免了速度检测误差的出现。该方案不仅可以节省风速检测装置,可以提高系统的性能。方便,实用。
本文合理的采用了通过DFIG功率控制,避免了对风速的检测而产生对结果有影响的误差,来实现捕获最大风能的方案。即经过掌控恒频变速风电机输出的有功功率来把持恒频变速风电机的电磁阻转矩,因而能够变相地掌控双馈变速风电机组的旋转快慢。该方案不需要风速的检测。为得到最大风能捕获,应依据恒频变速风电机的最好的功率曲线和旋转快慢来计算变速恒频电机的有功参考值。
在一个固定的速度,双馈变速风电机组机械角速度的变化,风能利用系数Cp值将被改变,所以双馈变速风力发电机的机械功率输出也变化。
由式:
                                     (式3-10)
可求得:
                                    (式3-11)
他的风速有差别的时候,其对应的功率P和双馈变速风力发电机组的机械角速度w就会有所差别。为最佳叶尖速比最大值曲线,并连接成曲线的最大值,即最优的功率曲线。
此时有:
                               (式3-12)
式中,λopt为最佳叶尖速比。
考虑损耗,功率关系式如下:
                            (式3-13)
式中,Pe1、Pe2、Pe为定子功率、转子功率及气隙电磁功率;Pms为风力机机械损耗,Pcu1为、Pfe1、s为发电机定子铜耗、铁耗、滑差。
忽略机械损耗、铁耗,由上式可得:
                                     (式3-14)
式中:
                                    (式3-15)      
将上式计算,
                              (3-16)
将上式改写为:
                                        (式3-17)
式中:
                                (式3-18)
同时有条件为:
                                         (式3-19)
方程的解为:
                                   (式3-20)
这就是控制系统的有功功率参数。
 


4双馈风力发电机组整体仿真分析
                  
4.1双馈风力发电机组整体仿真图
整个模拟,包括功率环和电流环,如下图所示。
图4-1  仿真图
             
这展示了一个使用双馈感应发电机的9兆瓦的风电场相量仿真(DFIG)由风力涡轮机驱动模型描述。
9兆瓦光伏风力发电场由六个1.5兆瓦的风力发电机组通过30公里的连接到一个25 kV配电系统出口到120 kV电网,25 kV馈线。
无论是风机和电机负载有一个保护系统监测电压,电流和机器速度。双馈感应发电机的直流母线电压监测。
双馈异步风力发电机(DFIG)组成的一个绕线转子异步发电机和一个交流/直流/交流的IGBT基于PWM变换器。双馈技术允许提取的最大能量从低风速,经过优化水轮机调速器,同时尽可能消减机械力。最佳机生产速度给定风速最大的机械能是风速成正比。风速低于10米/秒,转子运行在同步转速。在高风速是运行在超同步超同步速度。
风机模型是一个相量模型允许暂态稳定型的研究与仿真时间长。在本演示中,系统过程中观察到50秒。
4.2双馈风力发电机组整体仿真分析
       以下是对双馈变速风力发电机组进行的MATLAB仿真研究。在5 s以前的风速为8 m/s;当处在5 s时,就会增大到到14 m/s。
MATLAB仿真系统的研究采用的参数主要包括:风电机的额定功率:9MW,定子额定电压:380V/50Hz。叶片半径R为4.3 m,齿轮箱变比7.846,参考无功功率设为0。最大风能系数为0.4382,最佳叶尖速比为6.32。
工厂:2MVA (伏安) ; 接地电压为:X0=4.7ohms(欧姆);负载:500KW。
对于DFIG应满足的要求是:励磁频率要能够很好的反应转子的转速变化,使它的频率之和跟电网同步频率相互同步。
仿真结果如下图所示。
图4-2  直流母线电压
        
图4-3  风速变化
 
在最大风能捕获掌控的状况下,跟着风速的转变,双馈变速风力发电机组的机械角速度在不间断改变,用来维持最好的叶尖速比。从而达到最大风能利用。
下图是,风力机涡轮角速度的转变过程。
  
图4-4  风电机的涡轮角速度变化
               
 在风力机的最大风能捕获,扭矩的变化情况,在这种情况下,GFIG处于运行状况下。                                  
 
图4-5  风电机的转矩的变化
                                                      
以下是最大风能捕获过程当中,现实情况的有功功率转变的情形。
                               
 
图4-6  实际有功功率
          
从图可看出,当风速不断的增大时,它的有功功率以及实际的有功功率也会相应的不断地增大。采用该控制策略可以实现合理,风能最大捕获,而且可以在最佳功率曲线使DFIG运行,以确保安全性,可靠性和稳定性。
实际的无功功率和参考的无功功率的变化如下图所示,根据无功功率设置为0,无功功率维持在0附近。
                                           
 
 
                          图4-7  无功功率与参考无空功率
                                                             
        双馈发电机转子的有功功率的变化,图中可以看到,当角速度滑移是负的,转子会吸收负面的有功功率。即输出是正的有功功率的时候,转差如果越小,功率就会越小。同时,发电机的功率是涡轮输出功率的差值。表明:双馈发电机可以吸收无功功率和转差是密切相关的,是成反比的。
下图所示为风电机组电压、电流的对比。图所示,跟着风速的变大,它的励磁电流的频率也会不间断的转变(转子的转速会一直变大),当转子的转速是同步转速的时期,励磁电流是直流,即励磁电流的频率为0。当转子转速的转变,经过改动频率来保证定子励磁电流。这是变速恒频双馈风力发电机的基本原理。随着转子转速的不断变化,定子电流的幅值和转子电压的幅值,在电网电压恒定的条件下,定子电流的幅值的变化,反映了其功率的变化。
  
图4-8   风电机组电压、电流的变化
                                                                  
        在120000伏系统,现在会观察引起的电压暂降影响远程故障。首先,在风速步块,禁用步伐,改变的值从14到8米/秒。然后打开120000伏电源菜单。在参数“时间变化”,选择“振幅”。确保控制方式仍在Var监管Qref = 0。起手仿真并开启“网格”范围。观察工厂的电压和电流以及电机转速。经过改变风力涡轮机控制方式“电压调整”和重复测试。你会发现工厂没有运行了。这是由于提供的电压支持5兆乏风力涡轮机产生的无功功率在电压凹陷使工厂保护阈值电压高于0.9。现在工厂电压在电压凹陷0.93。
一次电压凹陷可能使变频调速设备、各种自动生产线、计算机系统以及电机等敏感性用电设备跳闸或者重新启动。电压凹陷严重影响着电气设备的质量问题。
       
图4-9  工厂的电压、电流的变化及其电机的转速
        


5结语
      本文利用Matlab软件完成了对双馈风力发电机组机组运转机能的仿真研究。为了反映发电机组运行状态中的:电流、电压、有功功率、无功功率、涡轮转速和角度随风速变化的规律。对双馈变速风力发电机组进行了仿真研究,完成了对最大风能的捕获。
      仿真结果表明:恒频变速风电机具有优良的、稳定的、较好性能的运行特性,同时还证明了所建立的数学模型的正确性以及有效性。本文是基于Matlab建立的数学仿真模型,为对双馈变速风力发电机组的进一步的研究奠定了良好的实际性基础。
      为我国进一步发展风电技术提供一定的理论基础。可以促进我国风电节能产业的更快更好的发展。同时也可以为我国的环境缓解做出一点点贡献。

参考文献
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2马洪飞,徐殿国,几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析[J],电工技术,2000,(10);52-53
3武鑫,鄂春良,大型风力发电机组控制器应对电网故障的措施[J],可再生能源,2005,(1);52-53
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6《基于MARLAB LABVIEW的双馈型风电机组仿真系统设计_中华文本库》
7《最简单的风力发电机的组成》
8《ABB变频器在风力发电行业的应用》
 注:图片较多较大,无法一一展示。稿件完稿时经Ucheck查重检测合格。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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