第三部分-风力发电机组控制

NorthChinaElectricPowerUniversity1、桨叶的翼型l二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性0i功角升力角零升力角风向弦长vivAB攻角：来流方向与弦线的夹角零升力角：弦线与零升力线夹角升力角：来流方向与零升力线夹角2、桨叶上的气动力221SvCFr总的气动力，S—桨叶面积，Cr—总气动系数C压力中心221SvCFll221SvCFdd升力，与气流方向垂直，Cl—升力系数阻力，与气流方向平行，Cd—阻力系数Cd、Cl是由设计的叶片决定的固有参数，也是气动力计算的原始依据。NorthChinaElectricPowerUniversityilCdC二、2、升力和阻力的变化曲线-30o-20o-10o0o10o20o30o40o0.80.60.40.2Mi-0.2minlC•升力系数与阻力系数是随攻角变化的•升力系数随攻角的增加而增加，使得桨叶的升力增加，但当增加到某个角度后升力开始下降；阻力系数开始上升。出现最大升力的点叫失速点。•截面形状（翼型弯度、翼型厚度、前缘位置）、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。•对有限长桨叶，叶片两端会产生涡流，造成阻力增加，NorthChinaElectricPowerUniversityIi三、旋转桨叶的气动力（叶素分析）风向v-uw运动旋转方向安装角（桨距角、节距角）：回转平面与桨叶截面弦长的夹角倾斜角RnRu2相对速度dF气流W产生的气动力dL气流升力dD气流阻力dSwCdLl221dSwCdDd221I轴向推力dFa=dLcosI+dDsinII旋转力矩dT=r(dLsinI-dDcosI)驱动功率dPw=ωdT风输入的总气动功率P=vΣFa旋转轴得到的功率Pu=Tω风轮效率η=Pu/P一、最大风能追踪风力机的实际机械输出功率为：例：1.5×106=(3.14/2)×0.4×1.27×402V3,V约为10(米/秒)叶尖速比为：如风机转速始终在最佳叶尖速比处，则风力机在最佳功率曲线上将会输出最大功率：在上述公式中，功率与风速的关系换成了功率与风机转速的关系。此时是指最佳转速。风力机在不同风速下的转速—功率曲线如右图mPw1v5v4v3v2v54321vvvvvoptP图2.4定桨距风力机功率特性曲线0322VRCPpmVRnVRww/2/332maxmax)(2wwoptwpkRRCPw一、最大风能追踪追踪最大风能的过程：假设在风速V3下原风力机稳定运行在曲线上的A点，转速为ω1。如果某时刻风速升高至V2，因为风力机的转速不能突变，所以其运行点就会由A点跳变至B点，风力机输出功率由PA突增至PB。由于风力机功率突然增大，将导致发电机的转矩失衡，于是发电机机械转速开始上升，风力机将沿着BC曲线增速。当到达风力机功率曲线与其最佳功率曲线相交的C点时，功率再一次平衡，转速稳定为ω2，就是对应于风速的最佳转速。上述过程实现条件是机组转速可调，定速（同步发电机）机组的转速由电网决定；异步发电机（转子电流可调）的转速调节范围很小，难于实现大范围；双馈型机组的转差率约为±30%，因此，效率较高。mPw123ABCDEAPBPCPDPEP1V2V3V图2.7最大风能追踪原理二、双馈型风电机组的控制双馈感应发电机（Doubly-FedInductionGenerator，简称DFIG）是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。特点是通过变频器给转子加入交流励磁。交流励磁电流的幅值、频率、相位是可调的，他们的作用可简述为：1、励磁电流幅值——可以调节发电机无功功率。2、励磁电流频率——可以调节发电机转速，实现最大风能捕获。3、励磁电流相位——可以改变电机的功率角，可以调节有功和无功功率。二、双馈型风电机组的控制双馈电机的基本工作原理：当转子三相绕组施以交流，在电机的气隙中会形成一个旋转的磁场，此旋转磁场的转速与通入交流电的频率及电机的极对数有关，即：2260fnp则只要维持n±n2=n1=常数，定子绕组的感应电势频率将始终维持为f1不变。双馈电机的转差率为11nnSn则转子电流频率应为：2111211pnp(nn)pnnnffS606060n双馈发电机有以下三种运行状态：亚同步运行状态:nn1,n2与n方向相同。超同步运行状态:nn1,n2与n转向相反。同步运行状态:n=n1,f2=0,与普通的同步电机一样。二、双馈型风电机组的控制双馈电机的等效电路：定子按发电机惯例，转子按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率s按转子转速小于同步转速为正，可得双馈发电机的基本方程式：...11111...22222...12...12()mmmRjXRjXssjXUEIUEIEEIIII.22222XjsRIEsU2I2U2E1I1E1U式中，、为定子侧的电阻与漏抗、分别为转子折算到定子侧的电阻和漏抗为激磁电抗，为励磁电流1R1X2R2XmXmI.1UX1.1I.2I.mI2X2/Rs12EEmX2Us1RAX双馈电机就是在普通绕线式转子电机的转子回路中增加了一个励磁电源，恰恰是这个交流励磁电源的加入大大改善了双馈电机的调节特性，使其表现出比其他电机更优越的一些特性。二、双馈型风电机组的控制双馈电机的数学模型双馈电机的数学模型与三相绕线式感应电机相似，是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了建立数学模型，一般作如下假设：•三相绕组对称，忽略高次谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布。•忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的。•忽略铁损。•不考虑频率和温度变化对绕组的影响。在建立基本方程之前，有几点必须说明：1、首先要选定好磁链、电流和电压的正方向。图（3-9）所示为双馈电机的物理模型和结构示意图。图中，定子三相绕组轴线A、B、C在空间上是固定的，a、b、c为转子轴线并且随转子旋转，为转子a轴和定子A轴之间的电角度。它与转子的机械角位移的关系为，为极对数。2、为了简单起见，在下面的分析过程中，我们假设转子绕组各个参数已经折算到定子侧，折算后定、转子每相绕组匝数相等。rm/mrpnpn于是，实际电机就被等效为右图的物理模型了。双馈电机的数学模型包括：电压方程、磁连方程、运动方程、电磁转矩方程等。AuBuCuaubucuaibiciAiBiCiABCabcm二、双馈型风电机组的控制电压方程：交流励磁发电机定子绕组电压方程为：AAsADiruBBsBDiruCCsCDiru交流励磁发电机转子绕组电压方程为：aaraDirubrbburiDccrcDiru可用矩阵形式表示为：cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBADDDDDDiiiiiirrrrrruuuuuu000000000000000000000000000000式中的电压与电流为瞬时值二、双馈型风电机组的控制磁链方程定转子各绕组的合成磁链是由各绕组自感磁链与其它绕组互感磁链组成，按照上面的磁链正方向，磁链方程式为：cbaCBAcccbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL主对角线元素是与下标对应绕组的自感，其它元素是与下标对应的两绕组间互感。定子各相自感为漏感加主电感：转子各相自感为漏感加主电感：由于折算后定、转子绕组匝数相等，气隙、磁阻相等，即磁路相同，故：mslsCCBBAALLLLLmrlrccbbaaLLLLLmsmrsrLLL定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的空间位置都是固定的（相位差是120°），故为常值01cos1202msmsLL于是：msACCBBACABCABLLLLLLL21mraccbbacabcabLLLLLLL21二、双馈型风电机组的控制定子任一相和转子任一相之间的位置是变化的，互感是定、转子绕组轴线电角度的余弦函数。当两套绕组恰好处于同轴时，互感有最大值（互感系数），于是：rrsrCcCcbBBbaAAaLLLLLLLcos)32cos(rsrcBBccAAcbAAbLLLLLLL)32cos(rsrbCCbaBBacAAcLLLLLLL代入磁链方程，就可以得到更进一步的分块矩阵的形式磁链方程：abcABCrrrssrssabcABCiiLLLL其中：TCBAABCTcbaabcTCBAABCiiiiTcbaabciiii112211221122mslsmsmsssmsmslsmsmsmsmslsLLLLLLLLLLLLL112211221122mrlrmrmrrrmrmrlrmrmrmrmrlrLLLLLLLLLLLLL22coscos()cos()3322cos()coscos()3322cos()cos()cos33rrrTrssrsrrrrrrrLLL定转子互感矩阵互为转置，且与转角位置有关，各元素是变参数，这是系统非线性的一个根源。为了把变参数转化为常参数需要进行坐标变换，这将于后面讨论。二、双馈型风电机组的控制运动方程交流励磁电机内部电磁关系的建立，离不开输入的机械转矩和由此产生的电磁转矩之间的平衡关系。简单起见，忽略电机转动部件之间的摩擦，则转矩之间的平衡关系为：mepJdTTndt从磁场能量根据机电能量转换原理，可以得出电磁转矩方程：122[sinsin32sin]3TTrssreprssrrrpsrAaBbCcrAbBcCarAcBaCbrLLTniiiinLiiiiiiiiiiiiiiiiii二、双馈型风电机组的控制小结：上述公式是在磁路为线性、磁场在空间按正弦分布的假定条件下得出的，但对定、转子的电流的波形没有作任何假定，它们都是任意的。因此，上述电磁转矩公式对研究由变频器供电的三相转子绕组很有实用意义。上述公式构成了交流励磁发电机在三相静止坐标系上的数学模型。该数学模型既是一个多输入多输出的高阶系统，又是一个非线性、强耦合的系统。分析和求解这组方程是非常困难的，即使绘制一个清晰的结构图也并非容易。为了使交流励磁电机具有可控性、可观性，必须对其进行简化、解耦，使其成为一个线性、解耦的系统。其中简化、解耦的有效方法就是矢量坐标变换方法。S二、双馈风电机组的控制（矢量控制的基本概念）•励磁电流If产生励磁磁动势及励磁磁通；驱动发电机旋转时，转子感应电势产生转子电枢电流Ia，后者产生电枢磁动势。•电磁刹车转矩T正比于Φ（If）×Ia•由于直流发电机的励磁磁动势与电枢磁动势垂直，改变其中一个的大小并不影响另一个，相互没有耦合（解耦），因此可以实现独立调节。1、直流发电机矢量控制IfFfFanIaNffTNS二、双馈风电机组的控制（矢量控制的基