雙饋風電機組線性建模及特性分析
肖運啟
(華北電力大學控制與計算機工程學院，北京102206)
摘要：為研究雙饋風電機組變速恒頻運行時發電機的特性，應用小擾動分析方法建立了雙饋發電機線性模型。結合機組典型工況點上線性模型的極點分析，總結出發電機在變速運行中動態特性變化的規律。分析結果為艤饋發電機控制系統設計及控制器參數整定提供了參考依據。
關鍵詞：風力發電；變速恒頻；雙饋發電機
中圖分類號：TM 315文獻標志碼：A文章編號：1673—6540(2010)05 0007—04
0 引言
基于雙饋電機的交流勵磁變速恒頻(VSCF)風力發電系統，實現了機電系統的柔性連接，可以使風力機運行范圍達到同步速的70％～130％，更加滿足低風速下風力機追蹤****風能的控制需求，發電效率更高。因此，其逐漸成為風力發電的主流形式。
雙饋發電機利用雙向變頻器對轉繞組以轉差頻率進行交流勵磁，進而滿足定子側頻率要求。其勵磁系統控制通常采用矢量控制技術對定子電流的轉矩分量和勵磁分量進行解耦，實現有功、無功輸出的獨立調節[1-3]。但兩分量之問還存在著與發電機轉差率相關的耦合作用，導致在不同轉速下發電機表現出不同的動態特性，且受參數檢測速度和精度的影響。實際運行中耦合難以完全補償，給變速運行中控制效果的保持增加了難度。
本文對雙饋發電機變速恒頻運行中動態特性變化規律進行分析。以同步旋轉坐標下雙饋發電機系統非線性數學模型為基礎，應用小擾動分析方法，建立機組對象的線陛模型通過對不同運行工況下模型極點分布情況的分析，總結出雙饋發電系統動態特性變化規律，為雙饋發電機控制系統設計及控制器參數整定提供參考依據。
1 雙饋型風力發電系統
1．1系統結構
雙饋型風力發電系統結構如圖1所示，風力機通過變速齒輪箱與雙饋發電機相連。發電機定子繞組直接接人工頻電網，轉子繞組接線端由三只滑環引出，通常由一臺雙向變頻器接至電網，可以對轉子進行交流勵磁，其轉子繞組勵磁電流頻率滿足：
式中：f1——電網頻率；
f2——轉子勵磁電流頻率；
fm——轉子旋轉頻率；
np——電機極對數。
因此，雙饋發電機定子感生電壓始終滿足電網頻率，從而保證系統變速恒頻運行。
1.2系統數學模型
為便于分析雙饋發電機特性，通常在dq同步旋轉坐標系下建市數學模型，將d軸與雙饋電機定子磁鏈Ψs重合，如圖2所示。
定子側取發電機慣例，轉子側取電動機慣例，可得發電機系統方程[1-3]為
式中：uds，uqa,udr,uqr——定、轉子d、q軸電壓；
Us——電網電壓矢量幅值；
ids,iqs,idr,iqr——定、轉子d、q軸電流；
Ψds,Ψqs,Ψdr,Ψqr——定、轉于d、q軸磁鏈；
Ψs——定子磁鏈矢量幅值；
ω1——同步角速度；
ωr——轉f電磁角速度；
Rs,Re——定、轉子等效電阻；
Ls,Lr,Lm——定、轉子等效自感和互感；
Te,Tm——電磁力矩和機械力矩；
J——軸系統轉動慣量；
Np——電機極對數；
ωm——轉子轉速，ωm=ωr／np。
忽略定子電阻壓降，將式(2)、(4)、(5)整理代人式(3)得：
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