分析STATCOM控制PMSG基于海岸风电场和近海风电场动态稳定性的改善

Srinivasa acharya¹B。Srinivasa饶²

P。G学生,EEE称,Aditya理工学院管理、Tekkali Srikakulam(经销)。P、印度¹
副教授,EEE称,Aditya理工学院管理、Tekkali Srikakulam(经销)。P、印度²

文摘

本文处理的发展垫lab-simulink模型网格连接的新方案近海风电场(OWF)和海军当前农场(MCF)在一个静态同步补偿器(STATCOM)。这个模拟的目的模型获得更好的阻尼增强和电压控制。这里使用一个等价的双馈式感应发电机的运行近海风电场,而一个等价的永磁同步发电机用于操作当前海洋农场。PMSG用于指导一个等价的海洋气流涡轮和DFIG用于指导一个等价的风力涡轮机。为这个方案模型设计阻尼控制器控制理论在这里用于有效的特征。这里的STATCOM控制器起着重要的作用。频域方法基于线性化系统模型利用特征值技术和时域方案基于非线性系统模型受到各种干扰都是用来模拟提出了控制方案的有效性。从仿真结果可以得出,该STATCOM与阻尼控制器设计是非常有效的平衡系统在扰动条件下进行了研究。这种交流总线系统的方案可以很容易地控制电压波动。

关键字

PMSG、动态稳定,双馈式感应发电机,海洋气流农场,海上风电场,事实控制器,特征值。

介绍

在过去的几十年,风能转换系统(wec)急剧增长。变速风力涡轮机(VSWTs)吸引世界各地的相当大的兴趣,这是一个解决方案降低风力发电成本最高的潜力。VSWT系统通常基于双馈式感应发电机(DFIGs)或永磁同步发电机(PMSGs)。基本上风电场由许多相互连接的风力涡轮机生产少量的电能后变得强大与变压器连接。数量的地区,由风力涡轮机的发电来自风能和不同的方式相互连接称为风力发电场。基本上风电场由许多相互连接的风力涡轮机生产少量的电力。不同的策略用于构建在不同的地点或地区风力发电场。发电机由海洋气流驱动涡轮机(MCT)结合离岸发电机驱动风力涡轮机(WT)将成为未来能源生产的新方案。自海洋覆盖地球表面70%以上,包含两个海上风电场的混合发电系统(OWF)和海洋气流农场(MCF)可以广泛开发在未来世界的特定位置。的一个简单方法运行OWF几个DFIGs的输出终端连接在一起,然后连接到电网通过离岸升压变压器和海底电缆。 To run an MCF may use several Permanent Magnets synchronous generators (PMSGs) connected directly to the power grid through an offshore step-up transformer and undersea cables.

本文组织如下。的配置和使用模型研究了集成OWF和MCF首先介绍了STATCOM [1]。然后,PID阻尼控制器的设计过程和设计结果的STATCOM利用极点配置技术进行描述。不同风速下稳态运行工况点和海洋气流速度和比较研究了系统的动态响应与设计PID阻尼控制器在不同的操作条件下可以在这里精心完成的。最后,具体本文的重要结论。

模型的近海风电场当前农业和海洋

图1显示了结构的研究基于集成DFIG OWF和PMSG MCF STATCOM提议。80 mw OWF由大当量表示聚合DFIG由一个等价的聚合通过等效聚合变速箱变速WT。40 mw MCF由大当量表示聚合PMSG由一个等价的聚合通过等效聚合变速箱变速未经中华人民共和国交通部。的OWF MCF, STATCOM和本地负载连接到一个交流总线美联储的陆上电网通过离岸升压变压器和海底电缆[9]。采用数学模型研究系统的描述如下。

答:双美联储感应发电机(DFIG):

DFIG缩写双感应发电机,发电原理广泛应用于风力涡轮机。它是基于一个多相绕线转子异步发电机和多相滑环组装与刷子的转子绕组。可以避免多相滑环大会,但有问题的效率、成本和大小。线一个更好的选择是一个无刷双馈电机。图2显示了双馈式感应发电机的模型。DFIG的优势,广泛应用于大容量风力涡轮机近年来。

b .永磁同步机:

同步电机是一种交流稳态条件下旋转电机的速度成正比的电枢电流的频率。图3显示了永磁同步电动机圆柱形转子和转子凸结构。磁场产生的电枢电流以同样的速度旋转,由转子的励磁电流,旋转速度同步,稳定扭矩结果。同步机通常

用作发电机特别是大型电力系统,如涡轮发电机和网格中的水力发电机供电。因为励磁的转子转速与频率成正比,可以使用同步电动机在恒速驱动的情况下是必需的。自同步机所产生的无功功率可以调节控制转子励磁电流的大小,卸载同步机也常常单独安装在电力系统的功率因数校正。传统的同步电机的电枢绕组[3]几乎总是在定子和通常是一个三相绕组。磁场绕组通常是由直流电流,转子和兴奋或永久磁铁。提供所需的直流电源激励通常是通过直流发电机励磁机,机器通常安装在同一轴同步的。

c .永磁同步电动机的详细建模:

点的详细建模所需的电机驱动系统适当的系统的仿真。dq模型开发了转子坐标系如图4所示。在任何时间t,旋转转子d-axis与固定定子相轴角和旋转定子与转子d-axis mmf是一个角±[13]。定子mmf以相同的速度旋转的转子。

的电压方程:

通量联系给出了

用方程2和4到1和2

安排在矩阵方程5和6

发达国家正在由力矩电机

机械转矩方程

从方程求解转子机械速度9

和

在上面的方程ωr是转子电气速度ωm是转子机械速度。

螺旋角控制

当V w低于额定风速的WT (VWrated),βw = 00。当V W > VWrated WT的螺旋角控制系统激活的螺旋角WT(βW)增加。控制系统用于生成螺旋角的参考结构如图5所示。音调控制器由非线性前馈路径,生成β?和一个线性反馈路径,生成Δβ[6]。

系统和异步发电机质-弹

图6显示了two-inertia WT的降阶等效质量-弹簧阻尼模型耦合的转子轴风力DFIG研究。之间的影响等效变速箱(GBW) WT和DFIG已经包含在这个模型。单位q-axis和d-axis异步发电机的电压方程可以被称为[16],[17],它们可以用于风DFIG的电气部分和海军当前PMSG。

海洋气流速度和海洋气流涡轮模型

MCT被认为是由潮流速度,和当前速度是由弹簧和小潮。给出了海洋气流速度每小时6小时之前开始高水域和结束后6 h。很容易推导出一种简单、实用的海洋气流速度下知道潮汐模型系数如下:

静态同步补偿器(STATCOM):

一个STATCOM无功源控制。它提供了电压支持通过生成或吸收无功功率在共同耦合点不需要外部反应堆或电容器的大型银行。使用控制器,VSC耦合变压器,STATCOM操作如图8所示。研究STATCOM的单行图如图8所示。STATCOM的单位q-axis和设在输出电压可以表示,分别[7]。

PID阻尼控制器的设计STATCOM使用模态控制理论

本节提供了一个统一的方法基于模态控制理论设计的PID阻尼控制器提出了STATCOM如图7所示。研究了系统的动态稳定性改善。非线性系统方程发达在第二节第一次线性化在名义操作点获得一组线性化系统方程的矩阵形式的[18]。

特征值和相应的阻尼比的研究综合OWF和MCF和STATCOM在大众= 12米/秒和VMR = 2.5 m / s第三和第四列列出表二,分别。

稳态操作分析研究各种条件的系统

本节介绍了稳态操作条件的研究结果系统当大众从4个增加至24 m / s虽然VMR从1增加到4米/秒。图9显示了3 d图计算稳态操作条件的研究为大众和VMR系统所选的值。分析了稳态操作条件如图9所示如下。

仿真结果

在本节中,显示的功率控制原理PMSG-based变速风力发电机与电网相连,它是为了控制捕获最大风能和其行为受到变速风力将使用数值模拟说明了下进行Matlab仿真软件。提出的阻尼特性造成了STATCOM与PID阻尼控制器设计得到更好的改进研究系统的动态稳定。

从以上仿真结果可以得出:

1)可以看出从通风装置的动态响应图10所示(g)的提议STATCOM设计PID阻尼控制器能有效地保持交流母线电压在1.0聚氨酯通过适当地调整吗?调优的STATCOM无功功率的数量交付给交流公共汽车。

2)因为该STATCOM与阻尼设计PID控制器可以提供足够的阻尼特性研究系统,P先生的振荡,Wrmr, V先生,通风装置由于随机噪声风速扰动可以快速阻尼,他们最小的三条曲线的振幅。

3)的振幅交付给电网的有功功率(P网格)图10所示(e)和产生的有功功率的SCIG MCF Fig.10所示(c)可以稍微降低,从电网吸收无功功率Q(网格)图10所示(f)可以减少当STATCOM与PID控制器包括在研究系统。

4)生成的DFIG有功功率P w图10所示(一个)是不受添加STATCOM的PID控制器。

结论

本文的重点是研究和控制的直接驱动PMSG用于变速windenergy系统连接到电网。这风系统是模拟使用dq转子参考框架和界面上的电力系统通过一个逆变器和一个过滤器模型在电力系统的参考框架。本文提出了一个集成的动态稳定性改善OWF使用STATCOM和MCF。PID阻尼控制器设计的STATCOM基于极点配置的方法通过使用一个统一的方法。特征值计算和时域仿真研究系统的噪声风速扰动,海洋气流速度扰动和三相短路故障在电网系统进行演示的有效性提出了STATCOM与阻尼设计PID控制器抑制电压波动的研究系统,提高系统在不同操作条件下动态稳定性。从仿真结果可以得出结论,提出了STATCOM与阻尼设计PID控制器能够改善的性能在不同的操作条件下研究了集成OWF和MCF。

表乍一看


表1	表2

数据乍一看


图1	图2	图3	图4	图5

图6	图7	图8	图9	图10

引用

s e . b . Elghali r .去责备,k l .勒索克斯·m·e·h·Benbouzid j·f·贝纳和f . Hauville“仿真模型的评估电力潜在利用洋流涡轮机,“IEEE j .海洋。Eng。,vol. 32, no. 4, pp. 786–797, Oct. 2007.

w·m·j·巴顿,a . s . Bahaj a . f . Molland和j·r·卓别林“海洋目前的涡轮机,水压”可再生能源,没有卷31日。2,第256 - 249页,2006年2月。

l·迈尔斯和a . s . Bahaj”模拟电力潜在利用海洋气流涡轮数组在奥尔德尼种族,”可再生能源,30卷,没有。11日,第1731 - 1713页,2005年9月。

h . Chong a .问:黄m . e . Baran s Bhattacharya w . Litzenberger l·安德森,a·l·约翰逊和a . a . Edris”STATCOM影响研究大型风力农场融入弱循环电力系统,“IEEE反式。能源Convers。,23卷,不。1,页226 - 233,> 3月。2008年。

h . Gaztanaga Etxeberria-Otadui, d . Ocnasu, s . Bacha“实时分析改善瞬态响应的定速风力发电场通过烟气传播STATCOM原型,“IEEE反式。电力系统。,vol. 22, no. 2, pp. 658–666, May 2007.

t . y .李”,电池储能系统的操作安排分时率工业用户提供风力涡轮机发电机:一种多通道迭代粒子群优化,“IEEE反式。能源Convers。,22卷,不。3,第782 - 774页,2007年9月。

r . s . Bhatia s p . Jain, d . k . Jain和b·辛格“电池储能系统可再生能源供电条件,“Proc.Int。Conf。电力电子。驱动系统。,Jan. 2006, vol. 1, pp. 501–506.

d . j . Swider“压缩空气能源储存在电力系统重要的风力发电,”IEEE反式。能源Convers。,22卷,不。1,第102 - 95页,2007年3月。

野村,y Ohata, t . Hagita h . Tsutsui s Tsuji-Iio和r·什“风电场与中小企业系统,IEEE反式。达成。Supercond。,vol. 15, no. 2, pp. 1951–1954, Jun. 2005.

k . Shikimachi h .守口,n . Hirano s Nagaya t . Ito j . Inagaki堆,m .高桥和t . Kurusu”MVA类高温超导的发展中小企业系统连接瞬时电压下降,“IEEE反式。达成。Supercond。,vol. 15, no. 2, pp. 1931–1934, Jun. 2005.

m·g·拉巴尼j·b·x Devotta, s . Elangovan”应用程序同时活跃的和无功功率调制下中小企业单位的不平等模式对于电力系统的稳定,“IEEE反式。电力系统。,vol. 14, no. 2, pp. 547–552, May 1999.

问:江和m . f .康伦的功率调节PWM型超导磁储能单元,“IEEE反式。能源Convers。,11卷,不。1,第174 - 168页,1996年3月。

y l . Chen, a . b . Arsoy·f·里贝罗m . Steurer和m . r . Iravani”的详细建模超导磁储能(SMES)系统,“IEEE反式。德尔。,vol. 21, no. 2, pp. 699–710, Apr. 2006.

s . c . Tripathy和k . p . Juengst抽样数据自动生成与超导磁储能电力系统控制,“IEEE反式。能源Convers。,12卷,不。2,页187 - 192,1997年6月。

m . Steurer c a sidney p·r·里贝罗和s . Eckroad”之间的交互超导线圈和电力电子接口> 100 MJ中小企业系统,“IEEE反式。达成。Supercond。,vol. 13, no. 2, pp. 1806–1809, Jun. 2003.

公元前朋友”,健壮的磁极位置和根轨迹方法的con-text阻尼interarea在电力系统振荡,”Proc。本月,Electr.Eng。Gener.Transmiss.Distrib。,卷149,不。6日,第745 - 739页,2002年11月。

c·t·许”,增强工业热电联产系统的暂态稳定超导磁储能单元,“IEEETrans。能源Convers。,17卷,不。4,第452 - 445页,2002年12月。

Mitani y, k教授,y村上”应用超导磁体能量储存改善电力系统dynamicperformance,“IEEE反式。电力系统。,vol. 3, no. 4, pp. 1418–1425, Nov. 1988.

y l . Tan和y王”,增加使用超导线圈的暂态稳定和自适应非线性控制,“IEEE反式。电力系统。,vol. 13, no. 2, pp. 361–366, May 1998.

c . Rehtanz“系统性使用多功能中小企业在电力系统中,“IEEE反式。电力系统。,vol. 14, no. 4, pp. 1422–1427, Nov. 1999.

段j . Yu x, y . j . Tang和p元,“控制方案的研究电压源型超导磁储能(SMES)在不对称电压下,“IEEE反式。达成。Supercond。,vol. 12, no. 1, pp. 750–753, Mar. 2002.