基于转矩限制的双馈感应发电机的频率控制支持外文翻译资料

 2022-11-03 21:07:50

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基于转矩限制的双馈感应发电机的频率控制支持

Moses Kang,IEEE学生会员;Keonhui Kim,IEEE学生会员;EduardMuljadi,IEEE会士;Jung-WookPark,IEEE高级会员;YongCheol Kang,IEEE高级会员。

摘要—本文提出一个双馈感应发电机的基于转矩限制的惯性控制方案,它支持电力系统的频率控制。如果出现频率偏差,所提出的方案的目的在于释放存储在双馈感应发电机的旋转质量块中的大量动能,以提高频率最低点。在检测到事件时,这个方案立即将其输出增加到转矩极限,然后以转子速度降低输出,使其收敛到稳定的工作范围。当第二次频率下降少量后恢复转子速度,待转子速度稳定后,功率参考值减少少量,并保持直到达到所参考的最大功率点同时跟踪控制。测试结果表明,该方案可以改善频率最低点和最大频率变化率,同时在任何风力条件以及风力发电量高的电力系统下造成第二频率下降,因此该方案有助于维持所需的系统可靠性水平。该方案根据功率参考,将动能从魁北克电力公司要求的2.9倍释放到3.7倍。

指标术语—转子转速,过减速(OF),转矩限制,第二频率下降(SFD),频率最低点(FN)。

专业术语

转子电路的电压和电流

公共耦合点的电压和电流

电网侧转换器的电压和电流

直流母线电压

参考转子侧转换器电压

参考电网侧转换器电压

beta; 间距角

转子转速

参考最大功率点跟踪控制

机械输入功率

逐步惯性控制参考

有功功率参考

电力输出功率

参考基于扭矩极限的惯性控制

参考功率的转矩限制

干扰前参考

△P 增量功率

最小转子转速

事件发生前的最佳转子速度

标称频率和系统频率

DFIG 双馈感应发电机

FBIC 基于频率的惯性控制

FN 频率最低点

GSC 电网侧转换器

KE 动能

MPPT 最大功率点跟踪

OD 过减速

PSO 粒子群优化

ROCOF 频率变化率

RSC 转子侧转换器

SFD 第二频率下降

SIC 逐步惯性控制

WPP 风力发电厂

WTG 风力发电机组

I.引言

系统频率应始终保持在容许公差范围内,如果出现频率偏差,如大型发电机跳闸,由于惯性反应,同步发电机将释放他们存储在旋转质量块中的动能,并且他们参与初级和次级控制,将系统频率恢复到标称值。为了保持所需的系统可靠性水平,频率最低点应保持在指定的值内。

变速风力发电机,如双馈感应发电机和全额定转换器风力发电机组,由于其可控性得到了广泛的应用。其中,它们执行最大功率点跟踪控制以捕获来自风的最大能量。 但最大功率点跟踪操作将风力发电机组的频率与系统频率分离。如果出现频率偏差,特别是在具有较高的风力穿透度的电力系统中,会对频率稳定性产生不利影响。因此,北欧电网运营商已经对风力发电机组的惯性仿真施加了要求。对于超过10兆瓦的风力发电厂的惯性响应要求,魁北克电力公司要求:“满足目标性能,例如当频率控制系统的动态功率和实际功率在10秒内快速变化至少5%时,会在电力系统发生一个大的,短期的频率偏差。”

许多研究已经对惯性控制进行了报道,临时释放存储在风力发电机组中的旋转质量块中的动能,以便在事件期间阻止频率下降。基于频率的惯性控制使用了基于测量频率的附加回路:频率变化率循环、频率变化率和下垂环路。基于频率的惯性控制为提高频率最低点提供了贡献; 然而,这些循环显示出相对较慢的响应,因为它们依赖于测量的系统频率。

为了提供一个快速的惯性响应,在检测到事件逐步惯性控制时,快速增加输出并保持在预定时间内。逐步惯性控制可以比基于频率的惯性控制更好地改善频率最低点,因为前者在事件的早期阶段就会比后者更快地释放动能; 但是,为了加快转子的速度,逐步惯性控制以逐步的方式或以斜坡方式减小风力发电机组的输出。因此,前者导致第二频率下降,由于输出减少的快,后者导致第二频率下降比前者更小,同时降低输出,可能导致过减速释放过多的动能。 功率参考功能中使用的参数是确定的,它们被使用中的粒子群优化算法进行优化,但仅在特定系统条件下有效。

本文提出了一种双馈感应发电机的基于转矩限制的惯性控制方案,可以释放大量的动能来改善频率最低点,同时防止过减速。在检测到事件时,该方案立即将其输出增加到转矩极限,然后以转子速度减小输出。所提出的参考方案确保转子速度收敛到稳定的工作范围。为了恢复转子转速,同时产生小的第二次频率下降,当转子速度收敛时,功率参考值减少少量,并保持到满足最大功率点跟踪的参考值为止。该方案的性能通过由蒸汽涡轮发电机组成的电力系统中使用EMTP-RV模拟器来改变风速和风力穿透水平来验证,该系统具有低的斜坡能力。

图1 双馈感应发电机的典型配置

II.双馈感应发电机的操作特性

本节简要介绍了双馈感应发电机模型的整体特征, 图1示出了双馈感应发电机模型的典型配置,其包括机功率模型,双质量轴模型和双馈感应发电机控制器。

从风中提取的双馈感应发电机的机械功率模型表示为

(1)

其中,R,,,和分别表示空气密度,叶片长度,风速,功率系数,叶尖速比和俯仰角。

在本文中可以表示为

(2)

其中 (3)

本文中=0°,最大的值被设置为0.5,最佳的值被设置为9.95。

显示风力发电机和发电机之间的动力学的双质量轴模型表示为

(4)

为阻尼常数,角速度,转矩以及风力涡轮机和发电机组的惯性时间常数;为轴刚度,阻尼常数,扭转扭矩,和角速度的基值。

双馈感应发电机控制器由转子侧转换器(RSC)和电网侧转换器(GSC)组成。RSC控制注入电网的有功和无功功率,GSC控制直流母线和端子电压。为了捕获最大能量,参考最大功率点跟踪控制,如[16]所示。被设定为(5)。

(5)

其中是一个常数,在本文中被设定为0.512。

如图2(a)所示,双馈感应发电机的额定,切入和切断速度分别设定为11 m / s,4 m / s,25 m / s。图2(b)分别示出了不同风速和参考最大功率点跟踪控制处的机械功率曲线,如细实线和虚线红线所示。为了获得实际的结果,本文分别以虚线和实线黑线表示功率和转矩极限。 最大功率和转矩限制设置为1.20 p.u.和1.17 p.u. [17]。 转子转速的工作范围为0.70 p.u.至1.25p.u.,由两条黑色虚线表示。

图2 双馈感应发电机的特点。图(a)为双馈感应发电机的功率转速曲线,图(b)为双馈感应发电机的模型的输入输出功率特性。

III. DFIG的基于限制的扭矩控制

本节简要描述了[8]中常规逐步惯性控制方案的总体特征,如图1所示。 此后,本节介绍拟议的惯性控制方案的运行特征。

  1. 常规逐步惯性控制方案[8]

如图3(a)所示,在事件的一个时刻,是参考值, 是从切换到,其分为两部分:减速期()和加速期()。

减速期为了提高频率最低点。在处快速从增加到,其中是事件之前的输出功率,是动力增量。在期间,转子转速从开始持续减少,其中是事件之前的最佳转子转速。在处恢复转子转速。在处,从迅速减少到。如果在D点比小,转子转速开始增加;相反,如果在D点大,转子转速则开始减少。

在常规的逐步惯性控制方案中,如果选择太大的,则所提出的参考功能确保没有过减速,因为过减速可能发生,从而导致去激活惯性控制以保护风力发电机组。此外,在惯性控制期间,随着时间的推移不断下降,可能发生导致第二次频率下降。如果选择太小的,转子转速将持续减少。相反,如果选择太大的,将会导致第二次频率下降。在[8]中,对于高于7.5 m / s的风力条件,, 和 分别设置为0.1 p.u.,10 s和20 s的固定值。

图3常规方案的运行特性[8]。(a)控制

方案,(b)参考功率功能,(c)功率速度轨迹。

B.双馈感应发电机的基于转矩极限的惯性控制方案

图4示出了所提出的惯性控制方案的操作特性。如图4(a)所示,提出的方案将从转换为拟议方案的参考,由下式给出

(6)

其中是最小的转子转速。

另外,可表示为

(7)

图4 拟定方案的运行特点。 (a)控制方案,(b)风速为9m / s的动力转子速度轨迹,(c)时域输出功率。

图5 模型系统

IV.模型系统

图5表示出了用于调查所提出的方案的性能的模型系统。 它使用EMTP-RV模拟器进行仿真。 该模型系统包括六个SG,一个聚合的基于双馈感应发电机的风力发电机厂,220 MW的静态负载和79 MVAr,以及一个330兆瓦的异步电动机。

模型系统包括两个200 MVA SG,两个150 MVA SG和两个100 MVA SG。200 MVA SG,150 MVA SG和100 MVA SG的惯性时间常数分别设定为5 s,4.3 s和4 s [19]。 为了模拟具有低斜坡能力的电力系统,它们都被假定为汽轮机发电机; 他们的蒸汽轮机调速器型号是IEEEG1蒸汽模型。 下降收益设定为5%。 图6和表I显示了汽轮机调速器模型及其系数[20]。

图6 IEEEG1蒸汽调速器型号;表1 IEEEG1模型的系数。

由于本文不包括自动生成控制,频率恢复后系统频率的误差仍然存在。 电机负载共计550兆瓦,为总负载的60%,静态负载分担其余的负载。 电机负载被模型为依赖频率的负载,来记录在干扰期间电机负载的影响。 在本文中,使用[21]中提出的锁相环路,测量的风力发电厂的3840Hz的采样频率下的终端电压,在双馈感应发电机控制器中计算用于检测干扰的系统频率。

V.实例探究

本节通过改变10.5米/秒,9米/秒和8米/秒的风速和16.7%和33.3%的风力普及率,来调查拟议方案的性能。 在本文中,由于系统惯量与输出功率无关,而与运行中的发电机的容量有关,因此风电穿透水平由装机容量定义[1]。 风力发电厂在两个风电渗透率水平上的装机容量分别为100MW和200MW。

表二显示了的输出功率和干扰前模型系统里的风力发电厂。作为干扰,在所有情况下,产生100MW的在40.0s时跳闸。 随着风电普及率的提高,在情况4和情况5下, 被风力发电厂所取代。

将所提出的方案的性能与常规方案进行比较[8]。 此外,与没有惯性控制的情况也进行比较。

  1. 风速的影响

惯性方案的性能受风速影响,导致DFIG中KE的不同水平。 本节验证了风速为10.5m /s、9m / s和8m / s的三种情况下惯性控制方案的性能。

图7(a)系统频率,(b)WPP输出,(c)转子速度。

情况1:风速为10.5m / s,风力穿透水平为16.7%。 在图7中表示出了情况1的结果。在这种情况下,所提出的方案中的△P被设置为0.24p.u。 如图所示。 在图7(a)中,“惯性控制”的频率最低点,在常规方案和所提出的方案下分别为58.99Hz,59.09Hz和59.20Hz。 另外,“无惯性控制”下、常规方案下和拟议方案下的最大频率变化率分别为-0.61HZ/s、-0.60HZ/s和-0.58HZ/s。

在常规方案中,显着的第二频率下降从50.0s开始。相比之下,在所提出的方案中,当风力发电厂输出减少0.03p.u时,比较小的第二频率下降从60.8s开始。 常规方案和所提出的方案的第二频率下降的尺寸分别为0.116Hz和0.044Hz。 (在本文中,第二频率下降的大小被定义为第二频率下降之前的频率与第二频率最低点之间的差异。)

在常规方案中,转子的转速从50.0s开始恢复。在拟议的方案中,转子转速在60.8s收敛到1.06 p.u.,然后开始恢复并返回。 然而,所提出的方案中的频率比传统方案的频率的值更加稳定,如图7(a)所示。

情况2:风速9 m / s,风力穿透等级16.7%。 图8显示了情况2的结果。在这种情况下,风力发电厂包含比情况1小的动能,拟议方案中的△P设置为0.39 pu,大于情况1中的频率最低点。提出的方案的频率最低点为59.27Hz,它比“无惯性控制”的情况下的频率大0.28HZ,比在常规方案下的频率大0.18Hz。 另外,“无惯性控制”,常规方案和拟议方案的最大频率变化率为-0.61HZ / s,-0.60HZ / s和-0.48HZ / s。所提出的方案的最大频率变化率最

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