CN101033730A - 采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制方法 - Google Patents

采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种供电技术领域的采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制方法，步骤为：(1)在包含双馈异步发电机的风电场电力系统中，将多台风力发电机组等效为一台等功率风力发电机组，在该机组的终端连接电容器用于补偿稳态时的无功功率，同时，同步发电机、双馈异步发电机分别通过Δ/Y变压器连接到风力发电机的高压侧；(2)双馈异步发电机转子电流控制：双馈异步发电机的转子电流由交流转差频率确定，通过控制双馈异步发电机的转子电流控制其定子电流的振幅、相位以及双馈异步发电机输出的有功和无功，从而稳定风电场的输出。本发明能减小风电场接入系统后对于电力系统稳定运行的影响。

Description

采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制方法
技术领域
本发明涉及一种供电技术领域的风电场稳定运行控制方法，具体地说，涉及一种采用双馈异步发电机(DASM)的风电场稳定运行控制方法，解决风电场接入电网所带来的问题。
背景技术
近年来，风力发电已广泛受到高度重视。新建风电场数量一直在增加、规模也在不断扩大，风力发电在电网中的所占比例越来越大，势必在很大程度上对现有电网的稳定运行产生影响。
现有技术中，有人提出采用电容器组用于提高风力发电系统的暂态稳定性，但是电容器容量固定，在风力发电机输出改变的情况下，由该电容器组提供给风力发电机的无功功率补偿量往往会出现过大或不足现象。还有人提出采用可控静态无功补偿装置和蓄电池用于提高风力发电系统的暂态稳定性，但是这些方法虽然在一定程度上可以解决问题，但都存在不足之处。
经对现有技术的文献检索发现，C.S.Demoulias等在《IEEE Trans.on EC》(美国电气电子工程师协会杂志能源转换分册)(1996年，第3期，第636--642页)上发表的“Electrical Transients of Wind Turbines in a Small Power Grid”(小型电网风力发电机组暂态稳定性)，该文中提出将可控静态无功补偿装置(SVC)用于提高风力发电系统的暂态稳定性的方法，具体方法为：通过将可控静态无功补偿装置用于稳态和暂态时可变的无功补偿，因电网出现诸如三相短路等电力故障时，势必引起端电压急剧下降、风力发电机转速迅速增大，需要从电网消耗更多的无功功率，从而致使风场端电压进一步下降，通过SVC提供适当的无功补偿，使风力发电机的转速恢复到初始值，其不足在于：当风电场受飓风影响时，提供给电网的风能剧烈变动，SVC无法提供用来稳定其输出所需要的有功补偿。检索中还发现，B.S.Borowy等在《IEEE Trans.on EC》(美国电气电子工程师协会杂志能源转换分册)(1997年，第12期，第73-78页)上发表的“DynamicResponse of a Stand-Alone Wind Energy Conversation System with BatteryEnergy Storage to a Wind Gust”(飓风时具有蓄电池储能的独立风力发电系统暂态响应)，该文中提出将蓄电池储能用于提高风力发电系统的暂态稳定性的方法，具体方法为：通过将可控静态无功补偿装置(SVC)与蓄电池储存装置组合起来，同时提供系统所需要的有功和无功补偿，其不足在于：二者之间需要配置一个昂贵的全容量变频器，还可能产生高次谐波，同时，由蓄电池储存装置提供的有功补偿因受到化学反应时间的限制，不可能迅速提供所需的有功补偿。
发明内容
本发明的目的在于针对目前大规模风电场接入电网后对电力系统接入与并网运行稳定性的影响，提出一种采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制方法，使其通过控制双馈异步发电机，有助于提供风力发电机在稳态时的无功功率补偿，保持风力发电机组在大的电气扰动下的稳定性能，以及通过适量的有功功率补偿来保持风力发电机组在恶劣风况环境下的稳定性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
(1)在包含双馈异步发电机的风电场电力系统中，将多台风力发电机组等效为一台等功率风力发电机组IG，在该机组的终端连接电容器C用于补偿IG稳态时的无功功率，同时，同步发电机SG、双馈异步发电机DASM分别通过Δ/Y变压器连接到风力发电机IG的高压侧；
(2)双馈异步发电机转子电流控制：双馈异步发电机的转子电流由交流转差频率确定，即同定子和转子的转差一致，因此，通过控制双馈异步发电机的转子电流，便能够控制其定子电流的振幅、相位以及双馈异步发电机输出的有功和无功，从而稳定风电场的输出。
所述的包含双馈异步发电机的风电场电力系统中，在风力发电场的Δ/Y变压器和主传输线之间有一条本地传输线。
所述的双馈异步发电机转子电流控制，采用PI(比例积分)控制策略控制转子电流，提高风力发电系统稳定性能；通过将DASM的旋转参考坐标(dq坐标)固定在定子电压轴，基于dq坐标系转子电流控制策略，分别采用有功功率调节器APR/无功功率调节器AQR和电流调节器ACR控制方式，利用测得的风电场输出有功功率偏差和风电场终端电压偏差值来确定DASM的有功功率P和无功功率Q补偿量，最终调节期望和实际检测得到的有功功率P和无功功率Q值之间的偏差值。
本发明采用双馈异步发电机DASM的风电场稳定运行控制技术通过采用DASM及其转子电流PI矢量控制技术，利用实际测得风电场到系统网络的有功功率和风场终端电压实时调节DASM的有功功率P和无功功率Q补偿量，即使在系统出现三相短路等故障、风况急剧变化情况下，仍然能够平滑风电场的有功功率和端电压等输出量，减小风电场接入系统后对于电力系统稳定运行的影响。双馈异步发电机可以快速、同时地向电网注入/输出有功和无功补偿，相对于SVC与蓄电池储存装置的组合方案，采用变频器的容量仅为双馈异步发电机(DASM)额定输出的0.3倍，廉价、高次谐波很少，反应速度较化学反应更加迅速，能够解决风电场所面临的问题。本发明从风力发电机组的角度，解决如何运用双馈异步发电机DASM来提高风电场系统接入与并网运行的稳定性。
本发明能够适应风电场数量不断增加、规模也在不断扩大的需要，对于进一步发展风力发电、低成本规模化利用风能资源、降低风能成本具有积极意义。
附图说明
图1为本发明电力系统模型示意图
图2为本发明同步发电机调节器模型示意图，其中(a)是自动电压调节器AVR模型图，(b)是转速调节器Governor模型图。
图3为本发明dq坐标系转子电流控制示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
风力发电场往往由多台风力发电机组组成。如图1所示，将多台风力发电机组等效为一台等功率风力发电机组IG，在该机组的终端连接电容器C用于补偿IG稳态时的无功功率。同步发电机SG、双馈异步发电机DASM分别通过Δ/Y变压器连接到风力发电机IG的高压侧，表1是有关发电机的参数，表2为感应发电机IG、同步发电机SG初始值。在风力发电场的变压器和主传输线之间有一条本地传输线。其中，C为某固定值，故在终端电压和输出功率为1.0[pu]时，该风电场的功率因数达到一致；系统基准为50Hz、100MVA；同步发电机SG初值为：有功功率1.0[pu]、电压1.03[pu]；与同步发电机SG、风力发电机组IG、双馈异步发电机DASM连接的各个变压器相对于各发电机基准分别为j0.1、j0.2、j0.2；本地输电线、传输线和无限大母线之间传输线路参数相对于系统基准分别为0.05+j0.3、0.04+j0.2、j0.1。图2所示为同步发电机调节器模型。
表1  本实施例有关发电机的参数
  SG   IG   DASM
  额定功率(MVA)   100   额定功率(MVA)   50   50
  额定电压(kV)   11   额定电压(kV)   0.69   11
  ra(pu)   0.003   r1(pu)   0.01   0.0045
  xa(pu)   0.13   x1(pu)   0.1   0.142
  Xd(pu)   1.2   Xmu(pu)   3.5   2.75
  Xq(pu)   0.7   r2(pu)   0.01   0.0045
  Xd′(pu)   0.3   x2(pu)   0.08   0.142
  Xd″(pu)   0.22   H(sec)   1.5   19.5
  Xq″(pu)   0.25
  Tdo′(sec)   5.0
  Td″(sec)   0.04
  Tq″(sec)   0.05
  H(sec)   2.5
表2  本实施例感应发电机IG、同步发电机SG初始值
  IG   SG
  P(pu)   V(pu)   C(pu)   VW(m/s)   P(pu)   V(pu)
  0.500   1.000   0.264   12.49   1.000   1.034
DASM的转子电流由交流转差频率确定，即同定子和转子的转差一致，因此，通过控制DASM的转子电流，便能够控制其定子电流的振幅、相位以及DASM输出的有功和无功，从而稳定风电场的输出。采用PI控制策略控制转子电流，提高风力发电系统稳定性能；通过将DASM的旋转参考坐标(dq坐标)固定在定子电压轴上，采用图3所示dq坐标系转子电流控制策略，分别采用APR/AQR和ACR控制方式，利用测得的风电场有功功率偏差和终端电压偏差来确定DASM的有功功率P和无功功率Q补偿量，最终调节期望和实际检测得到的有功功率P和无功功率Q值之间的偏差值。感应发电机IG和同步发电机SG初始值如表2所列，这时电容值为0.264[pu](基准值为100MVA)。
DASM可以在稳态时代替通常的电容器组提供静态无功功率补偿。出现三相短路故障，引起感应发电机IG的终端电压崩溃，同时，转子转速迅速增大，通过DASM提供适量的无功功率补偿，能够在一定时间之内恢复到故障前的终端电压和转子转速，且在稳态的情况下提供0.26[pu](100MVA为基准)的无功功率。就暂态稳定性而言，DASM通过减少系统的暂态来确保电力系统的稳定性能。
在风况变化情况下，风电场的输出也随之变化，通过DASM进行有功功率和无功功率补偿，能够平滑风电场的有功功率、端电压等输出量，使得即使在风速剧烈变化的情况下，仍然能够平滑风电场的有功输出和端电压。

Claims (3)

1.一种采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在包含双馈异步发电机的风电场电力系统中，将多台风力发电机组等效为一台等功率风力发电机组，在该机组的终端连接电容器用于补偿风力发电机组稳态时的无功功率，同时，同步发电机、双馈异步发电机分别通过变压器连接到风力发电机的高压侧；
(2)双馈异步发电机转子电流控制：双馈异步发电机的转子电流由交流转差频率确定，通过控制双馈异步发电机的转子电流控制其定子电流的振幅、相位以及双馈异步发电机输出的有功和无功，从而稳定风电场的输出。
2.根据权利要求1所述的采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制技术，其特征是：所述的包含双馈异步发电机风电场电力系统中，在风力发电场的变压器和主传输线之间有一条本地传输线。
3.根据权利要求1所述的采用双馈异步发电机的风电场稳定运行控制方法，其特征是：所述的双馈异步发电机转子电流控制，采用比例积分控制策略控制转子电流，通过将双馈异步发电机的旋转参考坐标即dq坐标固定在定子电压轴上，采用dq坐标系转子电流控制策略，分别采用有功功率调节器/无功功率调节器和自动电流调节器控制方式，利用测得的风电场有功功率偏差和终端电压偏差来确定双馈异步发电机的有功功率P和无功功率Q补偿量，最终调节期望和实际检测得到的有功功率P和无功功率Q值之间的偏差值。
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