论文双馈风机虚拟惯量控制对传动系统扭振影响是关于本文可作为惯量方面的大学硕士与本科毕业论文惯量论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献下载。
摘 要：虚拟惯量控制是双馈风电机组参与频率控制,改善电力系统频率响应的有效措施.基于虚拟惯量控制的基本原理,研究了双馈风电机组虚拟惯量控制对传动系统扭振的影响.针对风机传动系统2质块和3质块模型,分析了双馈风电机组虚拟惯量控制引起传动系统扭振的机理,表明了虚拟惯量控制可能激发传动系统弱阻尼扭振模式,从而引起比较明显的扭振.针对上述问题,设计了一种扭振阻尼控制器,该控制器能够有效增加传动系统扭振模式的阻尼,从而抑制虚拟惯量控制所引起的传动系统扭振.仿真算例验证了双馈风电机组虚拟惯量控制对传动系统扭振影响分析结论以及扭振阻尼控制器的有效性.
关键词：双馈风电机组：传动系统模型；扭振；虚拟惯量控制；阻尼控制器
DOI：10.15938/j.emc.2015.10.012
中图分类号：TM614
文献标志码：A
文章编号：1007-449X（2015）10-0078-09
0 引言
风力发电作为日前技术最成熟、最具规模开发条件的可再生能源发电形式,近年来在全球范围内迅猛发展.截止到2012年底,全球风电累计装机容量达到了282.5GW,中国的风电累计装机容量则达到了75.324GW,继续居世界第一位.随着风电在电力系统中的渗透率不断增加,分析和研究风电接人对电力系统安全稳定运行的影响变得尤为重要.其中,考虑大规模风电接入对电力系统频率控制的影响是重要课题之一.
双馈风电机组由于风能捕获效率高、机械应力小以及有功无功解耦控制等特点,近年来逐渐成为风电市场上的主流机型之一.然而,由于双馈风电机组的转子经背靠背的双向电压源变换器与电网相连,其转子转速与电网频率解耦,因此对系统惯性几乎没有贡献,一般也不参与系统的频率控制.随着基于双馈风电机组的风力发电大规模接人电网,一方面,一部分传统同步发电机组可能被取代；另一方面,传统同步发电机组在发电组成中所占比例也会越来越小,这将有可能使得系统相对惯量下降、频率控制能力减弱,从而导致频率不合格,甚至出现频率不稳定问题
为了解决含大规模风电电力系统的有功/频率控制问题,国内外学者已经对双馈风电机组如何参与电力系统频率控制、维持系统频率稳定进行了一系列研究,目前主要有以下两种方案：
1）备用功率控制.即通过控制桨距角或调整功率-转速最优运行曲线来实现风电机组减载运行,从而留出一定的有功调节裕度来参与电力系统频率控制.
2）虚拟惯量控制对于同步发电机组,当系统频率降低或升高时,其转子将相应减速或增速,通过动能与电能的转化来抑制频率波动,此即同步发电机组的惯性响应（Inertia Response）.虽然双馈风电机组的转子转速与电网频率相互解耦,但其旋转元件（包括风轮、传动轴和发电机转子等）仍然储存了可观的动能 因此,可以存双馈风电机组的控制系统中引入系统频率响应环节,从而当系统频率变化时通过其旋转元件中储存的动能和电能的相互转化,在较短时间内增加或减小风电机组的有功出力,以参与系统频率控制.由于此种频率控制方案启发于同步发电机组的惯：性响应,因此可称为“虚拟惯量控制（Inercia Resporise Control,IRC）”.
双馈风电机组虚拟惯量控制通过旋转元件中储存的动能来参与电力系统频率控制,因此有必要考察虚拟惯量控制过程中传动系统的动态行为.目前已有文献主要采用比例微分控制（PD控制）来实现双馈风电机组的虚拟惯量控制,其传动系统一般采用l质块等效模型.然而,采用传动系统1质块模型可能不能准确地反映风电机组在电力系统暂态过程中动态行为.例如,李辉等采用传动系统2质块或3质块模型,从而更加准确地分析了风电机组暂态稳定性.同时,风电机组本身也可能会产生传动系统扭振.解大等建立了传动系统3质块模型,计算出其固有振荡频率,并通过时域仿真指出电网故障可能激发风电机组的传动系统扭振.郝正航等采用传动系统2质块模型,指出当风电机组励磁控制参数配合不当时将产生电气负阻尼,从而导致传动系统扭振.张琛指出如果双馈机组所选择的控制策略不能提供有效的电气阻尼的话,则在小扰动或暂态故障下激发的传动系统扭振将得不到有效抑制,从而导致机组转速失稳,结合郝正航等和张琛等,为了抑制风电机组的传动系统扭振,一方面必须在风电机组设计时选取适当的控制策略及参数,另一方面也可以通过附加阻尼控制器束抑制传动系统扭振.姚兴佳等提出了一种基于自抗扰控制技术的双馈风电机组传动系统扭振的抑制策略,可以在不影响机组发电量的前提下有效抑制传动系统扭振.LICARI J等分析了基于带通滤波器的扭振阻尼控制器和基于卡尔曼滤波和状态反馈的扭振阻尼控制器对传动系统扭振的抑制作用,并对其控制性能进行了比较.上述文献都没有考虑风电机组虚拟惯量控制过程中传动系统的动态行为.然而,风电机组虚拟惯量控制需要快速改变其输出的电磁功率或转矩,从而使得传动系统输入的机械转矩和输出的电磁转矩产生不平衡,因此有可能导致其传动系统扭振,造成传动系统零部件疲劳损伤,长此以往甚至引起齿轮箱等部件发生故障
综上,在双馈风机虚拟惯量控制过程中,一方面应该指出如何选择传动系统的模型,才能准确地分析虚拟惯量控制对传动系统动态行为的影响；另一方面,应考虑设计扭振阻尼控制器以有效抑制虚拟惯量控制可能引起的传动系统扭振 因此,本文分析了双馈风机虚拟惯量控制对传动系统扭振影响的机理,同时比较了不同模型下传动系统在双馈风机虚拟惯量控制过程巾动态行为.并在此基础上设计了扭振阻尼控制器,以有效抑制双馈风机虚拟惯量控制所引起的传动系统扭振
1 双馈风电机组传动系统建模
1.1 双馈风电机组基本结构
双馈风电机组的基本结构如图1所示,其定子侧直接与电网相连,转子侧经背靠背的双向电压源变换器与电网相连.双馈风电机组通过对转子侧变换器的控制实现定子侧有功功率和无功功率的解耦控制,通过对网侧变换器的控制来稳定直流母线电压以及调节其与电网交换的无功功率.当输出有功在额定功率以下时,风电机组一般采用最大功率点跟踪控制（MPPT控制）,其输出功率基本不受电网频率变化的影响.
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