变风速下永磁直驱风电机组频率_转速协调控制策略_李立成.doc

变风速下永磁直驱风电机组频率—转速协调控制策略—李立成第35卷 第17期2011年9月10日Vol. 3 5 No. 1 7,S e t ・ 102011P变风速下永磁直驱风电机组频率一转速协调控制策略李立成，叶林()中国农业大学信息与电气工程学院，北京市1 0 0 0 8 3摘耍：在分析永磁直驱风电机组变速运行特性的基础上，在电力系统 电磁暂态分析软件平台上建立了永磁直驱风电机组的动态模型，提出了一种新的永磁直驱风电机 组频率一转速协调控制策略该控制策略能够有效减少风电机组的转矩突 变，在风电机组参与频率调整时对转速进行调节，并口能够有效增大系统 惯性将所提出的频率一转速协调控制策略与单一的频率控制策略进行仿 真对比，结果表明，采用频率一转速协调控制策略的永磁直驱风电机组能 够有效增大系统惯性，减小频率波动幅度和转矩突变关键词：风力发电；永磁直驱风电机组；频率一转速协调控制；电磁 暂态分析软件0引言由于变转速永磁直驱风电机组省去了容易出故,运，，所以逐渐成为风变流器，通过转子磁场定向的矢量控制技术P WM)1 1 3-由于采用了最大风能实现最大风能跟踪控制［跟踪控制策略，使得永磁直驱风电机组的机械功率与系统电磁功率解 耦、转速与电网频率解耦。

随着风电容量占电网总容量的比重不断提高, 这种解耦效应对系统频率稳定性的影响日益严重国内外对变速风电机组的频率响应控制进行了一些研究文献［提出 在系统频率变化时通过增4］加频率控制环节来释放或者吸收转子中的一 部分动能，实现风电机组的频率控制，但该方法没有考虑风电机组的失速 保护问题文献［提出了集频率控5］制、转速延时恢复，转速保护系统 和与常规机组配合为一体的风电机组频率控制单元，该单元虽然考虑了转 速恢复和转速保护问题，但是没有针对频率波动较人情况下的转速响应问 题作进一步研究文献［］提出了额外有功设定值分时控制的新方法，以 转6换器容量和失速限制为条件进行切换控制，却没有解决切换控制时引 起的频率二次波动问题文献□通过仿真将飞轮储能装置引入风力发电系统，通7过飞轮的充/放电控制，改善传统风电机组的频率控］文献［针对风电机组离网运行情况，提8 9—出了附加备用频率 控制策略，以改善风电机组的频率响应特性木文在考虑永磁直驱风电机组变速运行特点的基础上，提出了变风速下永磁直驱风电机组频率一转速协调控制策略，并对其有效性进行了验证1频率响应机理与数学模型电力系统频率是电能质量的基本指标之一，国/家标准G电能质量电力系统频B T15945 —2008《 率偏差》规定：耍保证将系统频率偏差控制在允许范如果发电机组出力仍然围之内。

在大负荷投切时，保持不变，突增负荷所消耗的能量只能由机组转动部分的动能供给，而当风电机组动能无法供给突增1 0 ]O负荷时，将会引起系统频率偏差超出允许范围[1・1风电机组的动能风电机组转动机械中储存的动能为E = 2其中，0. 5 J J为转动部分的惯性矩；om, om为转动角速度通常将发电机组运行时动能与其额定容量2（,其中，的比值定义为惯性时间常数H = J 2 S） om/常规发电机S为发电机组额定容量额定转速下，[8],组的惯性时间常数一般为2〜9 s而风电机组的o因此，惯性时间常数约为6 s通过增加频率控制环可以使永磁直驱风电机组获得与常规发电厂相节，1 1 ]似的频率惯性响应能力[1・2 永磁直驱风电机组的动态模型/ EMT PAT P是冃前国际上广泛使用的电力系统电磁暂态分析程序，但在其元件库中没有风电机1 2],组模型[本文利用软件中的MOD E L S语言和;修回日期：收稿日期：2011012220110419 --);国家自然科学基金资助项目(教育部科学技术研5 1 0 7 7 1 26 )；究重点项目(教育部新世纪优秀人才支持计划资助1 0 9 0 1 7； 项冃(北京市自然科学基金资助项冃NC E T 0 8 0 5 4 3 )——()； 中国农业大学研究牛科研创新专项资助项目3 1 1 3 0 2 9()o 1 5 0 5 0 2 0 3—2 6 —•绿色电力自动化•李立成，等 变风速下永磁直驱风电机组频率 一转速协调控制策略(开发了 T A C S t r a n s i e n t a n a 1 s i s o f con trolsstem)y y1 3 ],永磁直驱风电机组的动态等值模型[如图1所所以，在该坐标系下发电机输出有功q轴分量有关,功率的计算公式亦可写为P s=uisssdisd = + u[15]o u i s s q ql. 2. 3 网侧变流器模型网侧变流器采用电网电压定向的矢量控制技术。

假设d q坐标系以同 步速旋转且q轴超前于d轴，将电网电压综合矢量定向于d轴上，则电网 电压在q轴上的投影为0d q坐标系下风电机组送入图1 永磁直驱风电机组的动态等值模型emoemo:电网的有功功率和无功功率分别为[1.2.1风机模型风轮捕获风功率的效率用功率系数C P表征，其计算公式为:2 2 C P= 0()2 3()・ 3 5 - 0 0 + 10 8 X + o e/式中：vw； e为叶片桨距角；入为叶尖速比，入= 3H1R [ 2 ]O R为风轮半径；VW为风速13 Hl为风轮转速；可以看出，功率系数c P是叶片桨距角o和叶尖速比入的函数风机的机械输入转矩Tm与风速v w的关系1 3 ]:为[2 0 . 5R3v,)P(wC()Tm=3X1 4]o式中：风机功率P m= T m co m [P为空气密度；1 5 ]:永磁直驱风电机组的传动系统模型为[0 ・ 4 e — 5 e — 0P)()1P w = e i e i i dd + ddgggggg = e()6Q w = e i e i e i—=dgddgggggq式中：电流的d , e e i i q轴d, d , g g g g q , q分别为电网电压、分量。

调节电流矢量在d, q轴的分量就可以独立控制变流器的有功功率和无功功率网侧变流器在d q坐标系下的电压表达式1 5 ]:为[{d i i+d = u d + Ad=—Rd—Lg g g g g gd tLg i edgggq+ 3d i g q *u i L g i—wdggggggggq = uq + Aq=—Rq — Ld t () 7式中：R g和L g分别为网侧变流器进线电抗器的电阻和电感；uq 轴电压d和u g g q分别为网侧变流器d ,分量；3 g为电网角频率2 永磁直驱风电机组频率一转速协调控制策略设计在不对 为保证永磁直驱风电机组的运行效率，系统频率变化做出响应时，永磁直驱风电机组采用最优叶尖速比跟踪 控制，实现最大风能追踪当系统频率出现较大偏差时，风电机组频率控 制环节开将机组动能转化为电能供给突增负荷，使频始动作，率偏差保持在允许范围内2・1 改进的永磁直驱风电机组最大风能追踪控制策略最大风能追踪控制策略加以改进，使改进后的永磁直驱风电机组能够根据系统的频率状况，口动调整运行模式，同时满 足追踪最大风能和对系统频率进行支撑的双重要求改进后的永磁直驱风 电机组控制策略框图如图2所示。

图2中：虚线框①内的部分用于计算风轮捕获））的风功率，由式（得 出；虚线框②内的部分3 5〜式（为机侧交叉耦合电压补偿项A由式（u u 5） s d和△ s q，得出； 虚线框③内的部分为网侧交叉耦合电压补偿—2 7 —dTmTeBmmm（）4 =d t J e q式中：J Bm为转动黏滞系数；Tee q为机组的惯性矩；为电磁转 矩1. 2. 2 永磁同步发电机模型d q坐标系下永磁同步发电机的数学模型1 2]:为[sd*u i L i+ws d = u s d + A s d=—Rs s d — L s ss s qd t d i sq*u i — s s s s s sq = uq + Aq=—Rq — L式中：R s和L s分别为发电机的定子电阻和电感；电流分量；u u i i 3 q轴定子电压、sd, s s d , s s q , q分别为d,；为同步电角速度（3 3 m）中为转子永磁体磁链s =[13],发电机的电磁转矩T e = p其中，iiPp为发sd电机极对数因为发电机的电磁转矩仅与定子电流（）2011, 3517）项A由式（得出图2中用到了Ku u 7 P变d和Aggq,换实现直角坐标向极坐标的变换以获得电角频率，K P变换的原理如 虚线框⑥内的部分所示。

当永磁直驱风电机组对系统频率变化做出响应时，发电机输出的有功 功率与网侧变流器输岀的有功功率变化趋势相同，此时，如果仍然采用发 电机输/岀的有功功率作为前馈量P s e d输入网侧变流器，g将形成正反 馈，导致系统不稳定针对该问题，木文采用风轮捕获的风功率作为前馈量Pm/与直流电 压调节环构成内环d轴电e d, g在风速变化时，可以实现网侧变流器d轴流给定，电流的迅速调节，及时将发电机输出的有功功率送入电网；在参与调频时，可以将风轮捕获的风功率信 息及时反映到网侧，辅助保护风电机组转速为便于实现频率控制,永磁直驱风电机组的机侧变流器和网侧变流器均采用功率前馈控制图2 中虚线框⑤内的部分为改进后的永磁直驱风电机组最大风能追踪控制策 略根据 P m = T m w m和P s=推出 Pw = P s=u i e i T e T e 为 发 wmessdd = as其中，g g q q ,电机电磁转矩；ome a s为发电机转速的测量值由此可知，改进后的控制策略采用定子侧有功功率输出而传统的最优P s跟踪定子侧有功功率参考值P s r e f , 叶尖速比跟踪控制策略采用发电机转速的测量值两者效果相同。

3 m e a s跟踪最优转速3 o t , p图2 永磁直驱风电机组频率一转速协调控制框图图2中的触发单元用于控制永磁直驱风电机组在最大风能追踪运行模式与频率控制运行模式之间的切换风电机组工作于最大风能追踪运行模式时，触点位于位置0此时，机侧变流器发 出跟踪最优功率指令，保持最优叶尖速比，实现最大风能追踪；网侧变流 器通过直流电压调节环，动态调节有功电流，保持直流母线电压稳定，并 根据风速变化，快速调整送入电网的有功功率当频率控制模块检测到系 统频率偏差超出设定值时，触发器动作，触点切换到位置1频率控制模 块输出的频率偏差功率指令P A f和风轮捕获的风功率指令Pm—同作 为前馈输入到机侧变流器和网侧变流器，直流电压调节量，环切换到机侧变流器，同时，虚线框④内的比例一积）分（控制器清 零，开关断开此时，网侧变流器迅P 1-2 8-抑制频率变化的速速改变向电网送岀的有功功率，率，使常规发电厂获得足够的频率响应时间；机侧变并流器根据功率 前馈指令增加发电机的电磁功率，且通过直流电压调节环控制直流母线电 压稳定]56-,采用传统频率控制策略时[触发器在风电机组转速低于设定值或频率恢复到允许范围内时切换至位置0,但是由于作为输入的风能无法调节，在频率恢复之前，因 为风电机组的动能损失过多而导致转速过低，可能引起频率的二次波动。

为避免频率二次波动给系统带来不利影响，将转速控制引入频将频率响应阶段与转。