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电力系统动态仿真中的风力机建模

Istvan Erlich，杜伊斯堡 - 埃森大学，Fekadu Shewarega，杜伊斯堡 - 埃森大学，

FGH Test Systems GmbH的Oliver Scheufeld

抽象。 本文讨论了用于稳定性研究的变速风力发电机的建模。 使用空间相量表示和控制机器准静止模型操作的基本关系，可以使用合适的控制算法来仿真双馈感应电机（DFIM）和永磁同步电机（PMSM）互联系统得到发展。 控制方案包括俯仰角/速度控制以及有功和无功功率输出的解耦控制。 作为附加的建模选项，已经引入了变速机的通用模型。 然后在具有代表性的测试网络上实施模型，并且已经进行仿真以观察控制系统对典型异常情况（例如三相电网故障）的响应，以比较通用模型与详细准静态QSS）模型。

关键词：风力发电，控制系统，电力系统稳定性，双馈感应电机

一，导言

T

过去二十年来，风能已成为世界上发展最快的可再生能源。 在此期间，风电相对于总装机容量的份额显着增加，这种趋势很可能会持续下去。 作为机电能量转换的明显选择，感应电机或同步发电机（适当设计和配置用于风力涡轮机）受到质疑。 这两种机器的建模及其控制

系统是本文的重点。

基于DFIM概念的发电机由一个滑环感应发电机组成，其转子通过背对背转换器连接到电网。 这种设计比同步电机的主要优点是，

转换器的尺寸只有大约三分之一的尺寸

正常电压和输出功率，即使在故障期间。 这两种情况的共同特点是磁场定向控制（FOC），它可以实现有功和无功功率输出的解耦控制。

本文旨在概述当前最先进的变速机模型及其控制系统的大规模系统研究。 这里介绍的机器方程系统仅直接适用于DFIM，但只需稍作修改即可使其适用于同步电机。 基于控制机器操作的基本方程，将导出DFIM的准平稳模型。 然后，将引入控制结构，其中包括速度和俯仰角控制以及P（有功功率）Q（无功功率）的快速解耦电气控制。 直驱同步电机的建模将遵循相同的程序。 最后，将介绍所提出的风力涡轮机通用模型，并提供比较各种建模选项的仿真结果。

1. DFIM的数学模型

DFIM与普通滑环感应电机的不同之处在于，转子端子通过一个电压源转换器（通常配备有基于IGBT的功率电子电路）从电网馈入对称的三相可变频率和幅值的三相电压。 基本结构如图1所示。 1。

RSC控制 LSC控制

P_REF

U_DC Q

P Q，cosH，U_T

沥青 和力量

通过快速电流控制

机器评级。 然而，由于它并没有完全脱离电网，机器直接受到电网干扰的影响。

RSC

DC-链接

LSC

带有同步发电机的风力涡轮机使用变频器，该变频器需要根据整机额定值进行额定值评估，因此，此类机器的变频器为

被称为全尺寸转换器。 转换器启用

CR CH

U_T

GB

在很宽的速度范围内操作WT。 该机器与电网完全分离，因此可以在此运行

1. Erlich（电子邮件：istvan.erlich@uni-duisburg.de）和F. Shewarega（电子邮件：

双馈

RSC转子侧转换器

LSC线路侧转换器CR 转子撬棍

CH 直流斩波器GB 变速器

fekadu.shewarega@uni-duisburg.de）与德国杜伊斯堡47057杜伊斯堡 - 埃森大学合作; O. Scheufeld（电子邮件：oliver.scheufeld@fgh-ma.de）与FGH eV，52072亚琛，德国。

图1. DFIG系统的主要组成部分。

可变转子电压使机器能够以可调的转子速度运行，以匹配最佳工作点

psi;S= 1SiS

• psi;

R



- 1hiS

h/ 1R

(7)

对应于给定的风速。 转子功率的大小取决于切入风速与最大风速之间的所需转子速度变化（）。 该转换器可使机器在复杂PQ平面的所有四个象限中运行，包括向电网输送无功功率。 此外，交付给电网或从电网吸收的Q可以独立于实际功率输出进行控制。 通过连接到转子的撬棒（CBR）提供过电流保护或过度的直流电压保护。

1. 详细的模型

为建模旋转机器的空间相量

使用复数向量的表示（带下划线的变量）

从方程 （6）和（7）我们有：

uS-rsiS= TFSl1S R

经过重新整理后，结果如下：

uS= ziSu

哪里

z=rjomega;l

S

0

被定义为内部瞬态阻抗和

u=jk

0 R

R

作为瞬态的Theacute;venin电压源

= 1s-1²/ 1 和 k_R= 1_h/ l_R

h R

(8)

(9)

(10)

包含正交直接（d）和正交（q）轴分量。 等式（1） - （5）表示描述机器动态行为的完整数学关系集。 所有数量都以每单位（pu）为单位，并且符号惯例会导致消耗功率的正号。

电压方程式：

电压方程（9）可以用图2给出的等效电路来说明。

u^K= ri^Kdpsi;^K/ dtjomega;

psi;K

(1)

S S S S K S

^（^dpsi;^/ dtomega;psi;^



(2)

R R R R K R R

下标S和R分别表示定子和转子，_K表示旋转参考系的速度。

通量联系：

R

  l



S

S

• i  l
• i

(3)

图2.耦合到电网的降阶DFIG模型。

转子电压

uRd,uRq

从转子侧

m

机甲。 转矩tm

从风力发电转换模型

Rq Sd m

 i  i _t 

R Rd Sq

k 

 

dt 

dR 1

R

1

u  Y i

U_S

u

0 RdlRq RR Sq Rq

R

R

r

kriu

 

dt

j0kR

R

Rq

d

R

  k r i  u

格

  

路 R 0 Rq R R Sd Rd

dt l

R

r

    

路

d

定子电流iSD，i广场

从求解网格方程

zrsquo;

DFIG差速器

方程

  l

S



h

h

R

• i^  l
• i^

(4)

图2（u）中的内部电压是d和的函数

h1sigma;S和1R= 1h1sigma;R

S

R

R

运动方程：

^i^ - psi;^i^t/ T

(5)

转子磁通的q分量与转子转速一起是降阶模型的状态变量。 状态空间微分方程本身可以得到

R Sd Sq

Sq Sd m m

从（2）使用（4）消除转子电流后。 该

等式（1）和（2）分解为实部和虚部

导致的关系解析为d和q分量是：

与（5）一起构成DFIM的5^日有序模型。

dpsi;/ dt = - psi;

 r / l

• omega;  omega; psi;

 k r i  u

(11)

路 Rd R R



R 0 Rq

R R Sd 路

定子端电压

u

S形成了与外部的链接

RRRQ/ TFRRQ/ TFR uRQ

(12)

网络。 但应该指出，对于大规模稳定性模拟，使用5阶^日阶模型显然是不可行的，因此需要导出降阶或准平稳模型。

1. 降阶动态模型

为了完成QSS模型，需要修改运动方程（5），以考虑定子通量现在不再是状态变量的事实。 这是通过首先使用（3）消除定子磁通，然后使用（4）消除转子电流来实现的，其导致：

降阶或所谓的准稳态（QSS）

模型可以通过忽略（1）中的导数项来获得。 从这一点开始，同步旋转的参考

Domega;R

/ dt1k

Tm

R

psi;RdiSq

 psi;RqiSd

_tm

(13)

帧将被采用，但上标0将会

为简化符号而放弃。 然后从（1）得出定子磁链：

等式（11） - （13）构成QSS（3^RD秩序）模型lt;

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