CN102255323A

CN102255323A - 一种双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法

Info

Publication number: CN102255323A
Application number: CN2011102060361A
Authority: CN
Inventors: 张宪平
Original assignee: Guodian United Power Technology Co Ltd
Current assignee: Guodian United Power Technology Co Ltd
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明是有关于一种双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法，包括以下步骤：计算定子最小输出无功功率；计算定子最大输出无功功率；计算网侧变流器的最小无功功率；计算网侧变流器的最大无功功率；计算最大输出感性无功和最大输入感性无功。本发明一种双馈风力发电机组的在线无功功率极限的计算方法，更加简便、更适用于工程应用，从而克服了现有的双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法的不足。

Description

一种双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法

技术领域

本发明涉及一种发电技术领域的双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法。

背景技术

风电场需要配置无功电源，以提高输出电压的稳定。目前风电场主要采用集中式无功补偿设备，如SVC、并联电容器等。由双馈发电机组组成的风电场，可通过调节发电机组本身的无功特性，使风电场具备一定的无功功率吸收和发出能力，降低风电场配置的集中式无功补偿设备容量，减少风电场的投资成本。

双馈风力发电机组在输出无功功率时，需要明确本身的无功功率极限，以避免设备浪费或超额运行，严干贵等在《电工技术学报》(2008年，第7期，98-104页)上发表的“双馈异步风力发电机组联网运行建模及其无功静态调节能力研究”，该文中提出了利用双馈风力发电机的参数计算无功功率极限的方法，该方法虽然可在一定程度上解决问题，但是存在计算复杂，结果过于理想化，无法满足工程应用的缺陷。

由此可见，上述现有的双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法在方法与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种简便、适用于工程应用的新的双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法，实属当前业界的重要研发课题之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法，使其更加简便、更适用于工程应用，从而克服现有的双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法的不足。

针对上述问题，本发明的具体方法包括如下步骤：

a、计算定子最小输出无功功率，公式为

Q_{s \min} = - \frac{3}{2} \frac{n_{p} u_{s}^{2}}{X_{s}} - \sqrt{{(\frac{{3 n}_{p}}{2} \frac{X_{m}}{X_{s}} u_{s} I_{r \max})}^{2} - P_{s}^{2}},

其中，u_s为定子相电压的幅值，I_rmax为发电机转子绕组最大电流，P_s为发电机定子输出的有功功率，n_p为发电机极对数，X_s、X_m为同步旋转dq坐标系下发电机的漏抗和激磁电抗，3/2为采用恒幅值坐标变换时的常数；

b、计算定子最大输出无功功率，公式为

Q_{s \max} = - \frac{3}{2} \frac{n_{p} u_{s}^{2}}{X_{s}} + \sqrt{{(\frac{3}{2} \frac{n_{p} X_{m}}{X_{s}} u_{s} I_{r \max})}^{2} - {(P_{s})}^{2}},

如果计算出的Q_smin、Q_smax不满足

\sqrt{{(Q_{s})}^{2} + {(P_{s})}^{2}} < S_{n},

则根据

\sqrt{{(Q_{s})}^{2} + {(P_{s})}^{2}} < S_{n}

修正Q_smin、Q_smax的值，其中S_n为风力发电机的视在功率；

c、计算网侧变流器的最小无功功率，公式为

其中，S_g为网侧变流器视在功率，s为双馈发电机的转差率；

d、计算网侧变流器的最大无功功率，公式为

e、计算最大输出感性无功Q_omax和最大输入感性无功Q_imax，公式为Q_omax＝Q_smax-Q_gmin，Q_imax＝Q_gmax-Q_smin。

采用这样的设计后，本发明提出一种针对双馈风力发电机组输出无功功率极限的在线计算方法，其至少具有以下优点：

1、简便，仅需要明确双馈发电机定子漏抗、激磁电抗、定子电压、定子有功功率、转差率、视在功率、转子额定电流及电网侧变流器的额定容量等相关参数，并且除转差率外，其余参数为系统本身参数，而转差率可根据电机转速实时计算；

2、简化了数据计算量，不需要对双馈发电机的数学模型进行坐标变换，仅在三相静止坐标系下即可计算出双馈发电机组的无功功率极限值；

3、通过本发明的方法可根据发电机的运行工况，在线实时计算出双馈风力发电机组可发出的无功功率极限，有助于快速实现风电场的无功电压控制。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明中双馈风力发电机组的电气结构框图。

图2是实施例中根据本发明计算出的双馈风力发电机组无功极限曲线。

具体实施方式

请参阅图1所示，双馈发电机的定子绕组同电网连接，转子绕组同变流器连接，其中连接在发电机侧的称为转子侧变流器，连接在电网侧的称为网侧变流器。

本发明以双馈发电机采用定子磁链定向矢量控制为实施案例，这里规定双馈发电机的定子绕组遵循发电机惯例，转子绕组遵循电动机惯例，并规定Q_s＞0为定子输出感性无功，Q_s＜0为定子输入感性无功。此外，双馈发电机在三相静止坐标系下的数学模型变换到二相静止坐标系下时，采用的是等幅值变换。规定电网侧变流器采用整流惯例，Q_g＞0表示变流器输入感性无功，Q_g＜0表示输出感性无功。

在上述规定的基础上，双馈发电机组在不同运行工况下的的无功功率极限计算步骤如下：

a、双馈风力发电机的定子输出最小无功功率计算公式为

Q_{s \min} = - \frac{3}{2} \frac{n_{p} u_{s}^{2}}{X_{s}} - \sqrt{{(\frac{{3 n}_{p}}{2} \frac{X_{m}}{X_{s}} u_{s} I_{r \max})}^{2} - P_{s}^{2}}

其中，u_s为定子相电压的幅值，I_rmax为发电机转子绕组最大电流，P_s为发电机定子输出的有功功率，n_p为发电机极对数，X_s、X_m为同步旋转dq坐标系下发电机的漏抗和激磁电抗，3/2为采用恒幅值坐标变换时的常数。

b、发电机定子最大输出无功功率计算公式为

Q_{s \max} = - \frac{3}{2} \frac{n_{p} u_{s}^{2}}{X_{s}} + \sqrt{{(\frac{3}{2} \frac{n_{p} X_{m}}{X_{s}} u_{s} I_{r \max})}^{2} - {(P_{s})}^{2}}

应该注意的是：若设计的发电机视在功率为S_n，则须满足

\sqrt{{(Q_{s})}^{2} + {(P_{s})}^{2}} < S_{n}

c、双馈机组网侧变流器的最小无功功率计算公式为

Q_{g \min} = - \sqrt{S_{g}^{2} - {({sP}_{s})}^{2}}

其中，S_g为网侧变流器视在功率，s为双馈发电机的转差率。

d、双馈机组网侧变流器的最大无功功率计算公式为

Q_{g \max} = \sqrt{S_{g}^{2} - {({sP}_{s})}^{2}}

e、由步骤a、b、c、d可得到双馈发电机组的最大输出感性无功Q_omax和最大输入感性无功Q_imax分别为

Q_omax＝Q_smax-Q_gmin

Q_imax＝Q_gmax-Q_smin。

下面以1500kW双馈发电机组为例，计算其在不同运行工况下的无功功率极限。该双馈发电机的参数为：R_s＝0.003471Ω，X_s＝0.01746Ω，R_r＝0.002702Ω，X_r＝0.06175Ω，R_m＝0.06026Ω，X_m＝1.73Ω，定子线电压690V，转子最大电流494A；电网侧变流器参数为：S_g＝500kVA。请参阅图2所示，图中实线为不考虑网侧变流器时发电机定子侧无功输出极限，虚线则为考虑网侧变流器时发电机组无功输出极限。

通过双馈发电机组无功极限计算步骤a～e，可得到图2所示的双馈机组无功极限曲线，其中横轴为发电机定子有功功率P_s，纵轴为发电机组的无功功率极限Q。由图2中的曲线，就可以根据定子输出的有功功率查到该运行工况下发电机组的吸收或输出无功极限，从而更方便双馈发电机组的无功功率控制。

以上所述，仅是本发明的采用双馈发电机定子磁链定、坐标变换为等幅值情况下的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，同样可以利用发电机的转子磁链定向、定子电压定向简化电机模型，并结合等幅值或恒功率坐标变换得到同样的结果，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种双馈风力发电机组无功功率极限的计算方法，其特征在于包括以下步骤：