双馈风电机组线性建模及特性分析
肖运启
(华北电力大学控制与计算机工程学院，北京102206)
摘要：为研究双馈风电机组变速恒频运行时发电机的特性，应用小扰动分析方法建立了双馈发电机线性模型。结合机组典型工况点上线性模型的极点分析，总结出发电机在变速运行中动态特性变化的规律。分析结果为舣馈发电机控制系统设计及控制器参数整定提供了参考依据。
关键词：风力发电；变速恒频；双馈发电机
中图分类号：TM 315文献标志码：A文章编号：1673—6540(2010)05 0007—04
0 引言
基于双馈电机的交流励磁变速恒频(VSCF)风力发电系统，实现了机电系统的柔性连接，可以使风力机运行范围达到同步速的70％～130％，更加满足低风速下风力机追踪****风能的控制需求，发电效率更高。因此，其逐渐成为风力发电的主流形式。
双馈发电机利用双向变频器对转绕组以转差频率进行交流励磁，进而满足定子侧频率要求。其励磁系统控制通常采用矢量控制技术对定子电流的转矩分量和励磁分量进行解耦，实现有功、无功输出的独立调节[1-3]。但两分量之问还存在着与发电机转差率相关的耦合作用，导致在不同转速下发电机表现出不同的动态特性，且受参数检测速度和精度的影响。实际运行中耦合难以完全补偿，给变速运行中控制效果的保持增加了难度。
本文对双馈发电机变速恒频运行中动态特性变化规律进行分析。以同步旋转坐标下双馈发电机系统非线性数学模型为基础，应用小扰动分析方法，建立机组对象的线陛模型通过对不同运行工况下模型极点分布情况的分析，总结出双馈发电系统动态特性变化规律，为双馈发电机控制系统设计及控制器参数整定提供参考依据。
1 双馈型风力发电系统
1．1系统结构
双馈型风力发电系统结构如图1所示，风力机通过变速齿轮箱与双馈发电机相连。发电机定子绕组直接接人工频电网，转子绕组接线端由三只滑环引出，通常由一台双向变频器接至电网，可以对转子进行交流励磁，其转子绕组励磁电流频率满足：
式中：f1——电网频率；
f2——转子励磁电流频率；
fm——转子旋转频率；
np——电机极对数。
因此，双馈发电机定子感生电压始终满足电网频率，从而保证系统变速恒频运行。
1.2系统数学模型
为便于分析双馈发电机特性，通常在dq同步旋转坐标系下建市数学模型，将d轴与双馈电机定子磁链Ψs重合，如图2所示。
定子侧取发电机惯例，转子侧取电动机惯例，可得发电机系统方程[1-3]为
式中：uds，uqa,udr,uqr——定、转子d、q轴电压；
Us——电网电压矢量幅值；
ids,iqs,idr,iqr——定、转子d、q轴电流；
Ψds,Ψqs,Ψdr,Ψqr——定、转于d、q轴磁链；
Ψs——定子磁链矢量幅值；
ω1——同步角速度；
ωr——转f电磁角速度；
Rs,Re——定、转子等效电阻；
Ls,Lr,Lm——定、转子等效自感和互感；
Te,Tm——电磁力矩和机械力矩；
J——轴系统转动惯量；
Np——电机极对数；
ωm——转子转速，ωm=ωr／np。
忽略定子电阻压降，将式(2)、(4)、(5)整理代人式(3)得：
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