风电场双馈感应发电机

Suraj R.Karpe教授¹, Prof.B.N.Bedre¹以及V.P.Dhote教授²

系助理教授电气工程， S.B.Patil工程学院，印度马哈拉施特拉邦因达普尔
系助理教授电气工程，印度马哈拉施特拉邦奥兰加巴德政府工程学院

摘要

本文对风力发电机组双馈感应发电机进行了分析、建模和控制。这里确定了不同的转子电流控制方法，以消除反电动势(EMF)的影响。利用反电动势的前馈和所谓的“主动电阻”的方法最好地抑制反电动势对转子电流的影响，特别是当电压下降发生时。该方法还提供了最佳的稳定性和最佳的鲁棒性参数偏差。对DFIG系统的响应进行了仿真和实验验证。电压下降到80%处理得很好。研究了DFIG风力发电机组的产能情况，并与其他风力发电机组的产能情况进行了比较。结果发现，DFIG风力涡轮机的能量捕获几乎与主动失速控制固定速度(使用两个固定速度)风力涡轮机相同。

关键字

双馈感应发电机(DFIG)、风力发电机、风能、电流控制、电压凹陷、谐波畸变电网电压;矢量比例积分(VPI)调节器

介绍

根据现有的分析文献，重点介绍了感应发电机和并联感应发电机。这些由单个原动机驱动的感应发电机利用励磁电容器组通过自激现象建立所需电压。因此，励磁电容器组的值和转子转速决定了产生电压的大小及其频率。电压和频率都需要被控制来给负载供电。但对于并网运行，有两种类型的发电机使用。(即单输出和双输出)。为了将有功功率送入电网，机器应以大于旋转磁场的同步速度运行。(即slip应该是否定的)。单输出发电机通过定子侧向电网提供有功功率，双输出发电机通过定子侧和转子侧向电网提供电力。后者也称为静态克雷默，双馈或双输出感应发电机。 This is only the generator which generates the power more than rated power without overheating. Besides, this kind of power generation usually causes problems in the utility grid system. Because the control on active and reactive power of the machine is complex one. Wind turbines often do not take part in voltage and frequency control and if a disturbance occurs, the wind turbines are disconnected and reconnected when normal operation has been resumed. As the wind power penetration continually increases, power utilities concerns are shifting focus from the power quality issue to the stability problem caused by the wind power connection. In such cases, it becomes important to consider the wind power impact properly in the power system planning and operation. This paper will focus on the grid-connected induction generator feeding power with DOIG during steady state and transient conditions. This paper describes the transient behaviour of a doubly fed induction generator (DFIG) driven by wind turbine after its disconnection from the grid. The induction machine runs at a specific speed with the stator disconnected from the grid (Is=0), the rotor is suddenly excited with slip-frequency voltages derived from voltage regulators so as to produce commended opencircuit stator terminal voltage. Behaviour under varying rotor speed typically observed in wind turbine is also reported.

感应发电机将风力发电转化为电网的常用模型如图1所示。绕线式转子感应电机的定子连接到低压平衡三相电网，转子侧通过一个共用直流母线的背对背IGBT电压源逆变器馈电。网络侧变换器控制直流母线和交流侧之间的功率流，并允许系统以次同步和超同步速度运行。适当的转子励磁由机器侧功率变换器提供。绕线转子感应电机的一般模型类似于任何定速感应发电机，如下所示。

转子功率转换器

本节将详细介绍转子上使用的AC-DC-AC变换器，它由两个电压源变换器组成，即转子侧变换器(RSC)和电网侧变换器(GSC)，它们是“背对背”连接的。在两个转换器之间放置一个dc-link电容器作为能量存储，以保持电压变化(或纹波)在dclink电压很小。转子侧变换器可以控制DFIG的转矩或速度，也可以控制定子终端的功率因数，而电网侧变换器的主要目标是保持直流链路电压恒定，而不管转子功率的大小和方向如何。电网侧变换器工作在电网频率(领先或滞后，以产生或吸收可控的无功功率)。变压器可以连接在电网侧逆变器或定子和电网之间。转子侧的变流器工作在不同的频率，取决于风速。

模拟工作及结果

利用SIMULINK MATLAB建立了双馈感应发电机的仿真模型。对该驱动系统在不同负载条件下进行了仿真研究。输入电源电压为三相，415v (rms)， 50hz &感应电机:5hp 415v, 50hz, 1430转感应电机。此外，本文还给出了速度和转矩特性图(3)、两相电流图(4)和三相电流图(5)。

结论

本文研究了双馈感应发电机在电网异常工况下的动态特性。为此，采用动态d-q模型，在同步参考系下推导了该类机械的动力学方程。同步旋转参照系的选择使它特别有利于模拟瞬态条件下的双输出配置。当定子与电网断开时，为了产生推荐的定子终端电压，由于调压器的滑频转子电压，转子突然被激发。因此，电机的有功功率和无功功率都在迅速下降。为了在这些条件下进行无功补偿，转子侧变流器必须提供必要的无功功率。

参考文献

a . tapia, G.Ostolaza和J.X. Saenz，“风力发电机驱动的双馈感应发电机的建模和控制”，IEEE能量转换，第18卷，pp. 194-204, 2003年6月。
雷亚洲，Alan Mullane, Gordon Lightbody，和Robert Yacamini，“风力发电机与双馈感应发电机的网格集成研究”，IEEE能量转换，第21卷，第257-264页，2006年3月。
C. S. Demoulias和P. S. Dokopoulos，“风力感应发电机从电网断开后的瞬态行为和自励磁”，IEEE能量转换，vol. 5, pp. 272-278, 1990。
P. S. Nagendra Rao和S. S. Murthy，“包括电网异常在内的水蛇/风力涡轮机驱动的并网感应发电机的性能分析”，第24届能源转换工程会议，1989年，第2045- 2050页。
王林，杨亚峰，郭松春，“三相平衡条件下的并网感应发电机分析”，《电气工程学报》2002，第413-417页。
j·g·斯洛韦格，h·波林德和w·l·克林。“带双馈感应发电机的风力发电机的动态建模”，《电机工程学报》。Soc。2001年7月15-19日，加拿大温哥华，夏季会议。
B.H.Chowdhary, Srinivas Chellapilla，“用于变速风力发电的双馈感应发电机”，电力系统研究，第76卷，2006年1月。786 - 800 s.n页。Bhadra, S.Banergee，《风力发电系统》，牛津大学出版社
B.Chitti Babu, K.B.Mohanty, C.Poongothai，“风力涡轮机驱动的双馈感应发电机与电网断开”，国家技术学院电气工程系Rourkela Rourkela- 769008(印度)。