外文翻译--风力涡轮机驱动的双馈型感应发电机的动态建模与控制 中文版

1 学号： 08463127 常 州 大 学 毕业设计（论文）外文翻译 2012 届 外文题目 Dynamic Modeling and Control of Doubly Fed Induction Generators Driven by Wind Turbines 译文题目 风力涡轮机驱动的 双馈型感应发电机的 动态建模与控制 外文出处 /electricalengineeringfacpub/140 学 生 谢正东 学 院 信息科学与工程学院 专 业 班 级 电气 081 校内指导教师 王雪 专业技术职务 讲师 校外指导老师 专业技术职务 二 一二 年 三 月 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 1 页 共 18 页 风力涡轮机驱动的 双馈型感应发电机的 动态建模与控制 Wei Qiao, IEEE 会员 摘要 两种不同的模型在 PSCAD/EMTDC中被提出并发展于用来代表配有一 个双馈感应发电机（ DFIG）的变速风力发电机组。其中一个是最详细的开关 (SL)模型。另一个是一个简化的基本频率 (FF)模型。如今正在对 风力涡轮发电机（ WTG）系统 对 不同轴系统的动态行为表现和阻尼低频扭转振幅的影响进行调查研究。进行动态和暂态仿真研究是为了比较两种模型在不同轴系统中的表现。 研究 结果表明， FF模型是适用的，而集中质量轴模式不足以代表的风力发电机组的动态行为 。因此，建议用有双质量轴的 FF模型来代表双馈感应风力发电机的电力系统动态和瞬态研究。 关键词 -双馈感应发电机，动态模型，基频模型，轴系统，开关级模型，扭转振荡，风力涡轮机 I. 介绍 全世界对环境污染和可能出现的能源危机已越来越关注，并且已经导致了对清洁的可再生能源的需求不断增长。在各种各样的可再生能源中，风力能源是发展最快的。 在最近的十年里，由 于装备有双倍电磁感应发电机（ DFIG）的变速风力涡轮机引人注目 优越性 ，这一概念已经受到的越来越多的关注已经超过了其他用来发电的风力涡轮发电机（ WTG） 1。在 DFIG 的概念中，归纳法产生器是连接在定子终端机网络中的，但是转子终端机又经由一个局部负荷可变频率 AC/DC/AC 的整流器 (VFC)连接到网络中。 VFC需要处理总功率的一部分（ 25-30%)来达成对发电机的完全控制。 很多的研究已经进入到 对 DFIG风力涡轮发电机的建模并研究它们对于动力系统动态性能的影响 2-10.在这些工作中，电力电子 变换器的模型被简化为受控制理想的电压源或电流源。 准许在短暂的模拟期间存在大的时间步长，这在大的电力网络中是必要的。然而，在 DFIG风力涡轮发电系统中 VFC和它的动力电子学开关（ IGBT-开关）是对输电网的扰动最为敏感的部分。 转炉作用可能在输电网的短暂扰动期间决定 WTG 的操作 2。这里存在的一个问题是 VFC 被单一化的模型是否足够地在短暂的状态期间表现它的行为。 在最细节的水平上，个别 IGBT 开关的操作可以被完全表现出来 11。这种水平的建模对动力转炉的详细研究和它的控制策略是非常有用的，而 且已经证实了不同的单一化模型的结果。然而，因为在 VFC 的 IGBT 组成部分以一个很高的频率（数千赫兹或更高）打开和关闭，它需要一个很小的模拟时间阶段 （典型地有 10-50 s）来正确地表现 PWM 波形。这个详细的交换级的（ SL）模型使用过度的计算时间，而且以一个高级穿透的 DFIG 风力涡轮机来进行大动力系统的动态和暂态的研究是不合适的。 这篇文章介绍的两种不同的模型在 PSCAD/EMTDC 中被发展于用来表现一个 DFIG 风力涡轮机。其中一个是一个详细的 SL模型，在这个模型中 VFC 完全被一个带有一个直流电容 的 IGBT 开关所代替。另外一个是一个简单的基本频率 (FF)模型，在这个模型中VFC 被两个电流控制电压源代替，但在这个模型中要考虑直流动力学。 WTG 系统的另外常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 2 页 共 18 页 部分包括风力涡轮机，轴系统，感应发电机和控制系统被用来建模或设计为有相 同细节水平的 SL 或 FF 模型。不同轴系统的表现效果和低频阻尼扭转振幅的问题也被研究。 II. 风力涡轮机和 DFIG 模型 DFIG 用来发电的风力涡轮机的基本配置如图 1 显示。风力涡轮机由一个低速轴和一个高速轴还有一个位于两者之间的变速箱组成并通过 一个机械轴系统与感应电机连接在一起。绕线型转子感应电机在这种配置下可以从定子和转子两边供电。当转子通过VFC 供电时定子直接与输电网相连。 为了产生恒定电压和频率的电力就要使公用电网运行在较宽范围，这个范围是指从次同步到超同步的速度之间的范围。在转子回路和电力网络之间的电力 潮流必须在同一量级且必须方向相同。因此， VFC 由两个四极 IGBT 脉宽调制转换器（一个转子边的整流器 RSC 和一个网络边的整流器 GSC）通过一个直流链电容器背靠背连接在一起。 撬杠电路用来短路 RSC 防止了其在转子回路暂态短路期间过流 。 DFIG 风力涡轮发电机的操作是通过一个控制系统控制的，它通常包含两个部分：DFIG 风力涡轮机的电气控制和涡轮机叶片螺距角度的机械控制。 DFIG 的控制是通过控制 VFC 实现的 ,它包括 RSC 的控制和 GSC 的 控制 ,如图 1。 图 1. 连接到电网中的 DFIG 风力涡轮机的配置图 A.风力涡轮机的空气动力学建模 风力涡轮机的空气动力学模型可以用著名的 公式的特点来描述。 是功率系数，它是叶尖速度比 和叶片螺距角速度 的根据。叶尖速度比 是由下面的公式定义的 （ 1） 在这个公式里 R 是叶片长度单位是米， 是风力涡轮机的角速度其单位是 rad/s， 是风速其单位是 m/s， 分子上的 代表了风力涡轮机的叶片尖端的速度单位是 m/s。曲线取决于叶片的设计并由风力涡轮机的制造商给出。在这篇文章中， 曲线的数学表达式适用于 3.6MW 的风力涡轮机通过曲线拟合的方式获得，由参考文献里 12处给出， 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 3 页 共 18 页 (2) 在这个公式里系数 由出处 12的表 4-7给出。 给出功率系数 ，由风力涡轮机由风力获得的机械功率可以由 2估算给出： (3) 在这个公式里 是空气密度单位是 , 是转子叶片扫过的面积单位是。在一个确定的风速下，有一个特定的风力涡轮机转速以使电力系统功率因素达到最大， ，从而得到最大的机械功率。如果风速低于额定的水平，风力涡轮机的转速会容易发生变化，这时候转速就会被调整（通过 DFIG速度控制或有效的功率控制 ）以使 还保持在 的水平。在这个开放的模型中，风力涡轮机的节距控制无效并且 螺旋角 被重新修正过。然而，如果风速的增加高于额定值，节距控制就被用来增加风力涡轮机的节距角从而减少得到的机械功率。 风力涡轮机的空气动力学模型在 PSCAD/EMTDC中被一个特定的原件所代替。 B.轴系统的建模 WTG 中的轴系统也可以被一个双质量系统或一个集中质量系统代替 2,12,13。在双质量系统模型中， 分开的质量被用来代表低速涡轮机和高速发电机，连接的弹性轴是仿照弹簧和阻尼器，如图 2所示。机电的动态方程由下列式子给出 (4) (5) (6) 在这组式子中 ； 和 是 涡轮机和发电机转子转速， 和 分别是适用于涡轮机和发电机电磁转矩的机械转矩， 是该模型的内部转矩； 和 涡轮机和发电机的惯性常数； 和 分别是 涡轮轮机和发电机的阻尼系数； 是两个物体之间的弹性联接（轴）的阻尼系数； 是轴的刚性。在图 2中， 是 变速箱的 齿轮比。质量标准多在 PSCAD / EMTDC 库的组件模型中用来模拟双质量体系。 如 3,5,7,10,中所述， 轴系统仅仅是仿照作为一个单一的集中质量系统与集中的惯性常数 ，由下式计算给出。 （ 7） 机电动态方程，由下式给出： （ 8） 其中 是集中质量系统的转速， 是 集中系统的阻尼。 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 4 页 共 18 页 图 2. DFIG 风力涡轮机轴系统的双质量模型表示 在这项研究中的异步发电机是一个单笼绕线转子感应电机。在图 1所示的瞬时变量中定子和转子方程可以写成矩阵形式如下： （ 9） （ 10) 应用同步旋转参照系的转变参照 14里的（ 9）和（ 10），电压方程成为 （ 11） （ 12） （ 13） （ 14） 其中 是 转速同步参照系数， 是 转子的转速和磁链由下式给出： 其中 ； 和 分别是 定子电抗，转子电抗和互感系数。 为了使转子磁动势与定子磁动势同步，转子电流的频率 必须满足滑差频率约束。 单位的电磁转矩方程是由下式得到： 忽略定子和转子电阻与电源相关的损失，有功和无功定子功率： 有功和无功转子功率： 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 5 页 共 18 页 PSCAD / EMTDC 软件库提供的绕线转子感应电机，这是本研究中使用的标准模式。 D.变频转换器的建模 两种不同的模型是用来表现 VFC 的动态行为的，一个是详细的 SL 模型和其他的是一个简化 FF 模型。 1） SL型号： VFC 的是由两个四象限 IGBT PWM 转换器通过一个直流电容背靠背连接在一起的。这两款转换器 都充分代表单个的 IGBT 开关，开关频率为 2 kHz，如图 1所示。IGBT 的开关，直流母线电容，和 VFC 都是从 PSCAD / EMTDC 库组件构建的标准组件模型。 2） FF 型号： VFC 的仅仅是由两个电流控制电压源所代表并考虑直流母线的力度，如图 3所示。 RSC 注入直流母线的电流 ，而在 GSC 注入到直流母线的电流。忽略开关和传导损耗在转换器和直流母线的功率损失，由直流动态方程如下： 在稳定状态 ， 从而直流母线电压 是不变的。 然而，当干扰发生时 ，这种关系将被打破；流经直流母线电容的电流 ，这将导致 直流母线电压 波动。 图 3. VFC 的 FF 模型 III. 控制系统的设计 RSC的作用是独立地管理定子端的有功功率和无功功率 ；GSC的作用是 不论转子功率的大小和方向而保持直流母线电压恒定。 GSC 控制也可以被用作规范无功功率。当 DFIG对 弱电源系统无功补偿不足时， RSC 和 GSC 的无功功率控制的作用是必须将电压保持在所需的范围内。风力涡轮机组控制器控制叶片的螺旋角，这就决定了 涡轮机从风中获得的机械功率。 A.RSC 控制器的设计 RSC 控制方案包括两个级联控制回路。内部电流控制回路根据一些同步旋转的参照系。调节独立的 d轴和 q轴转子电流分量 和 。以 定子磁场为方向的参照系 14是最常用的一种。外部控制回路独立调节定子有功功率（或发电机转子转速）和无功功率。 在定子磁场定向的参照系， d 轴定子磁链与 矢量对齐，即 且 。 这常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 6 页 共 18 页 给出了以下几个关系 其中 方程（ 28）和（ 29）表明 和 ，可通 过调节转子电流分量的独立控制，分别为 和。 因此，参考值 和 可确定从外部电源控制回路。 1）内部电流控制回路的设计如图 4：让 这两个公式 代表（ 30）和（ 31），（ 34）和（ 35）可以改写成矩阵形式 式（ 36）表示， 和 分别是对应 和 的 通过无交叉耦合的一阶传递函数。因此可以设计以下的反馈回路 PI 控制器 代入（ 37）和（ 38）（ 30）（ 31）得出 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 7 页 共 18 页 速度控制器的设计。轴系统模型对 WTG 和速度控制器的设计的动态行为有显著的影响。在（ 4） - （ 6）中，从电磁转矩的传递函数 到 转子转速 ，双质量轴系统 2） （ ）由下式给出 这可以被看作是一个集中质量系统， 是 左侧和右侧的一个双向的二次函数。通常 PI 控制器用来控制集中质量系统。改变相位和集中质量系统增益将会导致双向二次函数不稳定 15。在最实用的机器中阻尼系数 很小，因此 如果目前风力发电机组的控制系统没有专门设计的阻 尼控制， 双四次方程式的分子和分母将会表现为轻微阻尼扭震模型。 这些扭振模式的频率由下式给出： 在这个式子中 ，在 最实用的 WTG系统中 的 值通常小于几个赫兹。为了提高双质量体系的低频扭转振动阻尼，速度控制器的设计使闭环系统具有足够低的小于 的 带宽 。 速度控制器作为一个低通滤波器，其作用是减少振荡频率的收益。 对于集中质量模型，传递函数从 到 ，根据（ 8）（ ）给出 这和集中质量模型在（ 41）中的一部分是相同的。 在这种模式下，有没有低频振荡元件和速度控 制器，因此可以设计更高的带宽。然而，集中质量模型可能不足以代表的 WTG系统的动态行为。轴系统模型上的 WTG和速度控制器的动态行为的影响将在第四节的模拟研究中进一步研究。 图 4显示了整体的 RSC矢量控制计划。在 SL模型中，两个电流控制器的输出补偿 和被 PWM模块用于生成驱动 IGBT的转换器的 IGBT的栅极控制信号。在 FF模型中 和通过 直接采用定子磁场定向同步旋转的参照系变换的逆变换来确定 RSC交流侧电压 ，和 (图 3）。 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 8 页 共 18 页 图 4. RSC的总的矢量控制图 B.GSC控制器的设 计 GSC控制计划还包括两个级联控制回路。内部电流控制回路在同步旋转的参照系中调节独立的 d轴和 q轴的 GSC交流侧电流分量 和 。外部控制回路调节 GSC和电网之间直流母线电压和无功功率的交换。 1）内部电流控制回路的设计见图 5。在图 1,3中 GSC的交流侧电路方程可写为 应用与 d轴对齐的电网电压 的 矢量同步旋转参考帧转换到（ 44）。以下 d-q的 向量表示可以获得可建模的 GSC交流侧方程： 按照（ 34） - （ 38）中相同的步骤， 和 可以通过以下的反馈回路 PI控制器获得 在这组公式中 和 的参考值 从外部控制回路获得。 2）直流母线电压控制器的设计：忽略在 GSC中由于开关和损失而产生的谐波，滤波电感和变压器见（图 1和图 3），电力平衡方程为 令 在这个公式里 是 的直流分量， 是 的脉动分量。把公式（ 50）代入（ 49）中得到： 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 9 页 共 18 页 当 （ 51）可以写成 因此，传递函数 到 是由下式 得到 从而 式（ 53）就变为 因此，可以设计一个反馈环路和 PI控制器来生成 的 参考值如下 3）无功功率控制： GSC和电网之间交换无功功率由下式给出 因此， 的参考值，可以直接由无功功率确定。 图 5显示了 GSC的整体控制计划。 图 5. GSC的总 的矢量控制图 C.俯仰角 控制器的设计 俯仰角控制器只有在高风速时激活。在这种情况下，因为这将导致和 /或转换器超载，所以通过增加发电量转子的转速可以不再被控制在其限度内。因此，控制叶片螺旋角来减少风力涡轮机从风中得到的机械功率以及防止超速的 WTG机组。 图 6显示的俯仰角控制器的结构 11. 是 DFIG总输出的有功功率。 在本文中，所有的 PI控制器配备了抗饱和设计就如 11中讨论的那样。 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 10 页 共 18 页 图 6. 风力涡轮机倾斜角的控制 四 .仿真结果 为了验证 和比较推荐的模型，一个图 7所示无限大母线（ SMIB）电力系统被用于 PSCAD / EMTDC的仿真研究。 WTG代表了一个 3.6兆瓦的 DFIG风力涡轮发电机系统见 5， 11，12。它是通过升压变压器和两条平行线连接到电网。一个三相平衡的电力负荷在发送端总线建模为恒定的阻抗负载。附录中给出了 DFIG风力涡轮发电机组和电网的参数。 在风速 时 风力涡轮机发电机组运行在一个特定的工作点，发电机转子速度 ， 输出的有功功率 ， 输出的无功功率 。 RSC 和 GSC的无功功率的命令分别由 和 设置。速度控制，而不是有 功功率应用 到 RSC中。如果没有指定，那么双质量模型将用来代表 WTG机组的轴系统。 图 7. DFIG风力涡轮机连接到 SMIB电力网络中 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 11 页 共 18 页 图 8. DFIG通过同步转速加速 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 12 页 共 18 页 图 9.一个 200ms的三相短路：电力网电压 Vt， DFIG转子转速 ，输出功率 ，转子电流 和 ，直流电压 A.案例一：通过同步转速的 DFIG的 加速 最初 DFIG工作在与转子的转速 从 10秒开始，速度指令 在 5秒内逐步从 0.9 PU增加 到 1.2PU。整个测试过程中，风速是假定不变。 图 8是当使用的 SL模型和 FF模型时的 DFIG转子速度 和转子相电流 的 比较结果。这两种型号提供相同的结果和转子电流的次同步到超同步模式的平稳过渡。 B.案例二： 无穷大容量母线的三相短路测试 一个 200毫秒三相短路是适用于在 t =10秒时的无限大电容母线。图 9显示电网电压的值， DFIG的转子速度 ，输出有功功率 ，转子电流 和 ，还有 直流母线电压常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 13 页 共 18 页 。 此故障导致的 WTG在电网连接点的电压 骤降。这种电压下降将会导致涡轮轮机输入功率和 DFIG输出功率之间的不平衡并且 会导致在 DFIG定子绕组上产生一个高电流。由于定子和转子之间的磁耦合，这种现象目前还存在转子电路和转换器之间。由于在这个短暂的状态的定子磁振荡，振荡频率将在同步频率附近 2，可以从 和 的波形看出。这些结果表明，即使存在严重的干扰简化 FF模型也能提供相同的模式并具有像 SL模型一样的确性，。 C.案例三： 风速阶跃变化 假定 T =10秒时风速从 11米 /秒改变至 14米 /秒。在这种情况下俯仰角控制器被激活来增加螺旋角来摆脱风力涡轮机的某些部分。 SL和 FF模型的涡轮机的俯仰角 ,DFIG的转子转速 ，输出的有功功率 ，转子电流 和 和直流电压 在图 10中进行了比较。俯仰角从 变化到 来防止 WTG在强风情况下超载。这样做的结果是 DFIG的转子转速，输出有功功率 在 系统返回到稳态后 将会 控制在额定值 1.2 PU和 3.6兆瓦。同一级别的精度是通过使用两种不同的模式实现的。 D.案例四：使双质量轴模型时对 速度控制器 PI增益的影响 在第四节 A,B,C成果的基础上， FF模型是足够精确为 DFIG和 VFC建模，因此它常用于进一步模拟研究。在其余的模拟研究中，涡轮机的俯仰角和 DFIG速度的参考值分别设为和 1.2 PU。电网干扰可能激 发轴的扭转振荡，这种情况主要发生在配备变速箱的轴系统中。可以从发电机转子速度的波动以及发电机的电气参数中看出这些扭转振荡，如电功率和转子电流。当扭转振荡阻尼不够时，可能是 WTG已被断开。就如在第三节 A部分讨论的那样，为了抑制低频扭转震动， DFIG速度的增益和带宽的控制器必须被合理地设计。 假设在 t = 10 s时风速从 10米 /秒瞬间改变为 13.5 m/s。图 11显示了当使用不同积分增益时 DFIG 输 出 的 有 功 功 率 的 变 化 ， 其 中并且 。 更大的积分增益将在闭环系统中产生更高的带宽。这些结果表明，最小增益 必须被使用 。 它提供了一个足够低带宽的闭环系统，以便扭转振动被充分地抑制。 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 14 页 共 18 页 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 15 页 共 18 页 图 10. 强风下的测试：叶片倾斜角 DFIG转子转速 输出有功功率 转子电流 和 直流电压 现在的积分增益是固定在 在图 11中相同的步骤是在风速 t =10秒时变化的。图 12显示了当对速度控制器使用不同的比例增益时的 的结果，其中。 最好的阻尼是通过使用增益 获得的。 图 13显示了使用不同对的 PI增益的结果，图 11和 12也做了相同的测试，其中， 并且， 而且 的比值是不变的。 WTG系统的动态性能随着 PI增益的增加而降低。最小对的 PI增益 和 提供最好的阻尼性能，这和前面的图 11和 12的测试中的选择是一样的。 常州大学本科生毕业设计（论文）外文翻译 第 16 页 共 18 页 图 11.当使用双质量轴系统 (DFIG的输出功率为 )时的速度控制器积分收益影响 图 12.当使用双质量轴系统 (DFIG的输出功率为 )时速度控制器的比例收益影响 图 13.当使用双质量轴系统 (DFIG的输出有功功率为 )时的速度控制器的 PI收益影响 E.案例五：当 使用集中质量轴模型时对速度控制器 PI增益的影响 相同 PI增益和测试如图 13所示用于双质量轴系统，现在被用于集中质量轴系统，其结果 如图 14中所示。这些结果表明 轴集中质量模型提供了一个不同于双质量轴模型的动态行为的 WTG模型。当使用任意对 PI增益时 有没有低频振荡，因此，速度控制器可以通过使用最大的 PI增益 和 被设计为有一个更高的带宽。然而，就如同图 14所示，当使用双质量轴模型时， 这对 PI增益将会在