風(fēng)電場(chǎng)虛擬慣量發(fā)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u18110風(fēng)電場(chǎng)虛擬慣量發(fā)電機(jī)控制器設(shè)計(jì)案例 1216171.1三相逆變器常規(guī)控制 1296981.2功頻控制器 1133781.3勵(lì)磁控制器 3276071.4虛擬慣量支撐能力分析 51.1三相逆變器常規(guī)控制逆變器是一種電力電子器件，它能實(shí)現(xiàn)一般為正弦波或方波等其它形式的直流電向交流電的轉(zhuǎn)換。其組成結(jié)構(gòu)一般包括逆變橋、控制邏輯和濾波電路三個(gè)部分。逆變電源的存在，使部分直流電源可以直接接入交流電網(wǎng)，極大地豐富了電網(wǎng)的運(yùn)行方式，使交直流電源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了電能利用效率。開(kāi)閉環(huán)控制通常是最常用的。開(kāi)環(huán)控制方式的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單，控制可靠性高，但輸出信號(hào)易受干擾，波形穩(wěn)定性差。通過(guò)加入一些反饋?zhàn)兞浚]環(huán)控制可以調(diào)整電壓輸出波形，抗干擾能力大大提高。在電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)中，3p-BVI系統(tǒng)基于脈寬調(diào)制技術(shù)，將直流電壓變換成交流電壓，并且對(duì)輸出電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，與基波電壓進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)一定的反饋PI調(diào)節(jié)，對(duì)諧波分量加以處理，使逆變器輸出電壓的幅值小于一定的波動(dòng)誤差范圍，以滿足實(shí)際要求。該逆變電路中，核心器件為IGBT，同時(shí)具備LC濾波電路以減少諧波分量。通過(guò)以上分析可知，閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)方式具有更好的抗干擾能力，電壓輸出波形更加優(yōu)良，其穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都很好;同時(shí)，LC濾波器的作用下，諧波分量也得到了有效的抑制。1.2功頻控制器1.2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)功頻特性頻度是衡量電能質(zhì)量的核心指標(biāo)之一，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要標(biāo)志。調(diào)頻發(fā)電機(jī)組發(fā)出的總功率與系統(tǒng)內(nèi)消耗的總功率相協(xié)調(diào)，能有效保持頻率穩(wěn)定。假如發(fā)生負(fù)荷突然變化的情況，這種平衡就被打破了，那么，就不能保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在額定值。一般情況下，在調(diào)整系統(tǒng)頻率時(shí)，都是基于原動(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。若變頻調(diào)速引起電力系統(tǒng)負(fù)荷突變，則原動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)立即動(dòng)作，使發(fā)電機(jī)輸出功率發(fā)生顯著變化。然后系統(tǒng)在新的工作狀態(tài)下運(yùn)行，此時(shí)，發(fā)電機(jī)的有功功率與頻率的關(guān)系就是功頻特性。電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻作為有差調(diào)節(jié)，并不能使頻率恢復(fù)到額定值。圖1.1就是功頻特性曲線模式，在分析時(shí)，可用直線替代曲線做簡(jiǎn)化處理。圖1.1中曲線展現(xiàn)的是初始狀態(tài)發(fā)電機(jī)工作情況，其中，工作點(diǎn)a位置對(duì)應(yīng)額定頻率為fN、額定有功功率pN，如果有負(fù)荷突增為p1，此時(shí)工作點(diǎn)的變化，就是從a向b沿著功頻特性曲線移動(dòng)，系統(tǒng)頻率降低至f1將下垂調(diào)節(jié)特性展現(xiàn)出來(lái)。圖1.1功頻特性曲線發(fā)電機(jī)頻率調(diào)差系數(shù)的計(jì)算方法如下：（1.1）QUOTEψ*函數(shù)關(guān)系整理有：（1.2）1.2.2功頻控制器設(shè)計(jì)對(duì)調(diào)速器原理分析后，可得出VSG中功頻控制器原理框圖，其中凡為比例環(huán)節(jié)系數(shù)；PN為VSG在額定頻率下的初始輸出有功功率，PT為VSG所需要的機(jī)械功率。具體如圖1.2所示。圖1.2功頻控制器原理根據(jù)上述分析，在Matlab/Simulink中建立功頻控制器仿真模型如圖1.3所示。圖1.3功頻控制器模型1.3勵(lì)磁控制器1.1.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁特性電壓是反映電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的核心指標(biāo)之一，若該數(shù)值不穩(wěn)定，將對(duì)系統(tǒng)和設(shè)備的安全造成較大影響。當(dāng)系統(tǒng)電壓超過(guò)容許范圍時(shí)，電力系統(tǒng)必須進(jìn)行合理的控制，保證電壓值在容許范圍內(nèi)。電網(wǎng)無(wú)功功率平衡非常重要，它是維持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的基本前提，其平衡函數(shù)表達(dá)式總結(jié)如下：（1.3）QG代表電源提供的無(wú)功功率，QL代表負(fù)荷消耗的無(wú)功功率。以電力系統(tǒng)無(wú)功電源產(chǎn)生無(wú)功功率總和的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，該數(shù)值要與負(fù)荷消耗無(wú)功功率總和時(shí)刻相等才能保證無(wú)功平衡。Q-U關(guān)系可由系統(tǒng)無(wú)功負(fù)荷靜態(tài)電壓特性來(lái)分析，如圖1.4。圖1.4無(wú)功負(fù)荷靜態(tài)電壓特性當(dāng)電力系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，電壓值必須保持在一個(gè)確定的值區(qū)間內(nèi)。在此期間，要保證無(wú)功電源產(chǎn)生的無(wú)功功率總量動(dòng)態(tài)穩(wěn)定于消耗總量。利用勵(lì)磁控制器對(duì)同步發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，合理分配機(jī)組間的無(wú)功，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。定義電壓調(diào)差系數(shù)σ為：（1.4）其標(biāo)幺值σ*（1.5）電壓調(diào)差系數(shù)6能夠?qū)⑼桨l(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷變化導(dǎo)致的電壓變化，以定量的方式表達(dá)出來(lái)，并且對(duì)機(jī)組間無(wú)功功率分配有決定性作用。如圖1.5為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的無(wú)功分配曲線：圖1.5兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)無(wú)功功率的分配通過(guò)將2臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)共同為負(fù)載供電來(lái)研究無(wú)功功率分配情況，此時(shí)發(fā)電機(jī)1、2無(wú)功負(fù)荷為Q1、Q2。如果負(fù)荷值有變，發(fā)電機(jī)組輸出無(wú)功功率變化量就為ΔQ（1.6）1.1.2勵(lì)磁控制器設(shè)計(jì)根據(jù)前文分析，畫(huà)出VSG勵(lì)磁控制器原理框圖如圖1.6所示：圖1.6勵(lì)磁控制器原理圖1.7勵(lì)磁控制器仿真模型根據(jù)上述分析，在Matlab/Simulink中作出勵(lì)磁控制器仿真模型如圖1.7所示。圖中，QN為VSG的額定無(wú)功功率；Q為實(shí)際輸出無(wú)功功率；KQ為比例環(huán)節(jié)系數(shù)，對(duì)其取值后，有KQ=σ；UN為系統(tǒng)額定電壓；如果系統(tǒng)無(wú)功變化，Q與QN二者相減經(jīng)過(guò)調(diào)差系數(shù)模塊，得到△U。將此時(shí)并網(wǎng)電壓指令值Uref與實(shí)際并網(wǎng)電壓幅值Um比對(duì)，所得結(jié)果經(jīng)PI控制器得到E1.4虛擬慣量支撐能力分析利用系統(tǒng)頻率偏差信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)對(duì)虛擬慣量的支撐。風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為：（1.7）其中，ωD為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，HD是風(fēng)機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)，Pwind、Pref為響應(yīng)交流電網(wǎng)頻率變化以提供相應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)能力，風(fēng)電場(chǎng)必須實(shí)現(xiàn)有功功率的靈活調(diào)節(jié)。通過(guò)利用電網(wǎng)頻率偏差信號(hào)實(shí)施輔助功率Pad控制，則風(fēng)機(jī)的功率控制律變?yōu)椋海?.8）（1.9）這里ΔfWF是系統(tǒng)頻率偏差信號(hào)，PWF為傳遞到交流系統(tǒng)的有功功率值，P在虛擬慣量綜合控制器作用下，可以將式（1.7）中的風(fēng)機(jī)有功功率輸出值Pref用PWF替：（1.10）通過(guò)模擬同步發(fā)電機(jī)的有效慣量，可得：（1.11）這里HW為風(fēng)電場(chǎng)提供的虛擬有效慣量。假定風(fēng)速恒定并且不啟動(dòng)槳距角控制，那么在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，Pwind的變化很小，基本可以忽略，從而轉(zhuǎn)子動(dòng)能可全部用于系統(tǒng)的慣性支撐，可得：（1.12）將上式兩邊積分，并在轉(zhuǎn)子起始轉(zhuǎn)速ωD0（1.13）可以看出，風(fēng)場(chǎng)慣量支撐能力的大小與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有關(guān):轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏差越大，風(fēng)場(chǎng)所提供的慣量越大。同時(shí)可知，風(fēng)機(jī)的起始轉(zhuǎn)速對(duì)慣量支撐能力也有很大的影響：起始轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)場(chǎng)所提供的慣量也越大。綜合式（1.7）、式（1.8）與式（1.12）可得：（1.14）其中PWF0為風(fēng)電場(chǎng)起始有功功率。將（1.（1.15）從而可得風(fēng)場(chǎng)所能提供的有效虛擬慣量HW的表達(dá)式為