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

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 http:/digitalcommons.unl.edu/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0常州大学本科生毕业设计（论文）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 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 10-50s）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， (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。 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： 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 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）。 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： 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。 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 图8. DFIG通过同步转速加速 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。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。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。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DFIG的输出有功功率中产生大的震荡。因此集中质量模型用来代表WTG系统的动态行为是不合适的，并且，它还会对WTG的控制器的设计产生一个错误的模型。图14.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环节影响 五.结论 两个模型被提出并在PSCAD/EMTDC中发展来代表一个装备有双馈感应发电机(DFIG）的风力涡轮机。其中一个是一个详细的开关级（SL）模型，在这个模型中变频转换器(VFC)完全被一个特定的IGBT开关和直流母线电容所代替。另一个是一个简单的基频（FF）模型，在这个模型中VFC被两个考虑直流动力学的电流控制电压源所代替。风力涡轮发电机系统(DFIG)的其他部分，包括发电机,DFIG控制器，和俯仰角控制器已经被设计为两种型号和细节水平相同的模型。模拟研究已经进行了在SL模型和FF模型下的3.6MW的DFIG风力涡轮发电机的研究，并且同时还考虑了不同轴系统的表现。结果表明SL和FF模型拥有相同的精度等级。因此FF模型被用来加快装备了DFIG风力涡轮机的电力系统的仿真过程。此外，不同轴系统模型（双质量或集中质量）在动态行为和WTG的控制方面，已经在分析和瞬态仿真研究的基础上展开研究。当使用集中质量模型时，WTG并不会表现出任何那些存在于实际系统和双质量模型中的低频扭转震荡。因此，双质量模型必须被用作电力系统瞬态动力学的研究。扭转震荡可以通过使用一个合适的DFIG速度控制器来有效地抑制。 附录风力涡轮机：额定电容=3.6MW，叶片数=3，转子直径=104m。扫掠面积= 8495，转子速度（可变）=8.5-15.3 rpm.机械轴系统（基本功率= 3.6 MW）；4.29 s,= 0.9 s,绕线转子包括发电机：额定功率= 3.6 MW, 额定转子电压= 4.16 kV，功率因数-0.9+0.9，基频f = 60 Hz.。图7中的电力网络（基础功率=3.6 MVA，基础电压= 34.5 kV)：0.014pu,0.08pu，恒阻抗负荷 第 17 页 共 18 页