双馈风电机组的稳态运行点分析与优化

在对双馈风电机组进行初始化时，需要对变频器的控制目标和运行状态做一些假设。稳态时风电机组的总有功功率定义为转子和变频器间的有功交换和定子输出的有功功率，即Pe0＝Ps0＋Pr0。对于无功功率的初始化，首先，假设电网侧变换器与电网之间没有无功交换，风电机与电网之间的无功交换全部来自定子的无功功率，即Qe0＝Qs0。其次，若认为无穷大电网是强电网，或者运行侧重于优化功率因数时，不要求网侧变换器提供无功控制和电压支持，可设Qe0＝Qs0＝0；若风电机组需要对电网提供无功控制作用，需设定具体无功功率Qe0。与定速异步风电机组有所不同，Pe0和Qe0的确定并不能推算出此时转子滑差，还要根据风机制造商提供的关于空气动力学风轮的相关特性，得出转子滑差s0、风速、桨距角等，在此处省略这一过程。因此，在初始化时，已知条件是双馈风电机组的有功功率Pe0和Qe0、转子滑差s0、发电机定子端电压Us0，需要经过初始化计算得出定子和转子的有功功率和无功功率Pe0、Qe0、Pr0和Qr0，转子侧变频器产生的转子电压相量Ur0∠α，以及定子、转子电流和磁链等稳态值。以下说明初始化的原理和流程。

双馈风电机组的转子连接至转子侧变频器，相当于外接一个电压相量，如图3.5所示。

应用叠加定理可以解决图3.5的初始化计算问题，将图3.5的稳态电路等效为图3.6所示的两个电路叠加。在图3.6中，U1和U2分别定义为

图3.5　双馈电机稳态电路等效图

图3.6　利用叠加定理分解双馈电机稳态等效电路

定子和转子的电流为

根据图3.6可以计算出定子和转子的功率，考虑到电流正方向采用电动机规则，而功率一般习惯发电机输出功率为正，因此计算公式如式（3.7）所示。

其中，系数a1，a2，a3的定义为

不过，在发电机转子近乎同步运行时，转子滑差s0趋近于0。此时，式（3.7）的运算会发散，因此在s0→0时，采用功率的极限值，如式（3.9）所示。

式（3.7）和式（3.9）均为非线性方程，已知量为Pe0、Qe0、Us0和s0，待求量为其中Ps0、Qs0、Pr0、Qr0、Ur0及α，可以通过程序进行数值迭代计算。为了简便起见，也可以使用作图法来得到计算结果，下面将具体说明。其中：

图2.3所示的单机对无穷大系统中，假设稳态运行时，转子滑差s0＝－0.1。则定子和转子功率以及总功率随转子电压幅值和相角的变化如图3.7、图3.8及图3.9所示。

图3.7　转子滑差为－0.1时总电气功率随转子电压幅值和相角变化图(www.xing528.com)

图3.8　转子滑差为－0.1时定子功率随转子电压幅值和相角变化图

图3.9　转子滑差为－0.1时转子功率随转子电压幅值和相角变化图

根据初始化给出的已知条件，在图上找出对应的转子电压幅值Ur0和相角α，进而在图中找出定子和转子的功率Ps0、Qs0、Pr0、Qr0。一般情况下，当Qs0＝0时，双馈风机的功率有式（3.11）的通用关系：

选定发电机的d轴与定子电压同向，即Uds0＝Us0，Uqs0＝0。则定子和转子的电流的初始化计算分别如式（3.12）和式（3.13）所示。

上述双馈风电机组的初始化流程总结如图3.10所示。

图3.10　并网双馈风电机组初始化流程图

双馈风电机组中所使用的感应发电机电气参数、系统基准值、变压器、线路、无穷大电源等其他参数采用表3.1中的参数；风力机的机械参数如表2.1所示。

表3.1　仿真参数

变频器直流侧电容、输出电抗、电网侧变频器出口变压器参数如表3.2所示。

表3.2　变频器元件参数及变频器控制参数表

根据上述的初始化方法，得到系统小信号模型的稳态运行值，如表3.3所示。

表3.3　双馈风电机组连接至无穷大系统的稳态运行点