-
-
-
xiao_xiao1 | 当前状态：离线
总积分：9568 2025年可用积分：0
注册时间： 2008-03-21
最后登录时间： 2012-03-20
-
-
变速恒频风力发电机组的无功功率极限
xiao_xiao1 发表于 2009/3/18 12:10:54 619 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
手机阅读
1 引言
近年来世界风力发电发展迅速，风电装机容量平均每年以高于20%的速度增长。截止到2002年底，全世界风力发电装机容量约为31128MW，其中我国风电装机容量达468.42MW。目前，兆瓦级风力发电机组已逐渐取代600kW级的机组，成为国际上风力发电机市场的主力机型，风电机组正向着大型化、变桨距和变速恒频的方向不断发展和完善。
虽然变速恒频风电机组与固定转速的风电机组相比在性能上有较大改善，但由于风速变化的随机性，变速恒频风电机组的并网运行对电力系统而言仍然是一种波动的冲击功率，因而必须对这种风电机组的并网运行特性进行研究。变速恒频风电机组的发电机采用双馈感应电机，文献[1]~[3]对它的稳态模型进行了研究，建立了基于与定子磁场同步旋转的dq坐标系的数学模型。因为双馈发电机的转速和定子侧的无功功率都可以调节，所以转速控制规律和无功功率控制规律对变速恒频风电机组的稳态特性也有很大的影响。文献[1]、[2]介绍了转速控制和无功功率控制的基本思想，其中转速控制的目标是使风力机的功率系数最优，而无功功率控制则根据其接入的电力系统的实际运行方式可以设定为功率因数恒定或端电压恒定两种控制方式。
风电机组发出的有功功率主要取决于风速的大小，而无功功率则取决于风电机组的无功控制方案。一般风电场位于偏远地区，电网结构薄弱，当无功功率控制的设定值达到风电机组的无功功率极限时，一方面转子绕组发热将导致风电机组停机，另一方面由于不能向系统中提供或吸收足够的无功功率，将导致端电压降低或升高，严重时将导致系统电压失稳。因而研究变速恒频风电机组的无功功率极限是很有必要的。文献[4]对此问题进行了一定的研究，但它只讨论了发电机定子绕组中有功功率和无功功率的稳态运行域问题，并没有解决整个风电机组注入系统的有功功率和无功功率的稳态运行域问题。另外，该文献没有考虑转速控制规律的影响。
本文建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，在此模型基础上提出了计算无功功率极限的方法，该方法解决了风电机组注入系统的有功功率和无功功率稳态运行域问题，并且考虑了转速控制的影响。
2 变速恒频风电机组的数学模型
风力机的机械功率PM 可以表示为
式中Cp 是功率系数，它描述的是流过风力机的空气动能中转换的机械能所占的比例，是桨距角和叶尖速比 λ 的函数(
R 是叶片半径，W 是风力机转速)；A 为叶片扫风面积；ρ为空气密度；v 为风速。
2.2 发电机模型
该风力机转速控制规律可用分段函数表示为 
采用在空间以同步转速旋转的dq坐标系统，在电机定子磁场定向矢量控制下[5]，忽略定子电阻时有
在稳态运行时，风电机组注入系统的有功功率Pe等于风力机的机械功率PM。当风速一定时，Pe可通过式(1)求得。
2.3 转速控制规律模型
(7)
3 变速恒频风电机组的无功功率范围
风电机组注入系统的有功功率为定子绕组的有功功率和转子绕组的有功功率之和。在次同步速运行方式下，转子绕组吸收有功；超同步速运行方式下，转子绕组发出有功。转子绕组的有功功率可以由式(8)求得[5]。
定子侧有功功率和无功功率运行范围受定子绕组、转子绕组和变流器转子侧的电流限制影响，但其中起主要作用的是变流器转子侧的电流限制[4]，可以表示为
式中Irmax 为变流器电流限制值，一般为变流器额定电流的150 % [6]。
将式(6)分别代入式(8)和式(9)，可得
4 算例分析
根据变速恒频风电机组的结构和工作原理，本文建立了变速恒频风电机组的稳态数学模型，并提出了一种计算变速恒频风电机组的无功功率极限的方法，该方法能够计算出风电机组注入系统的有功功率和无功功率运行范围。应用本文提出的方法对一台800kW的变速恒频风电机组进行了计算分析，计算结果表明：
（1）变速恒频风电机组定子侧无功功率可以在一定范围内进行调节，其调节范围随定子侧有功功率而变化，并受风电机组转子转速和转子侧功率变化情况的影响；
（2）在考虑了风电机组的转速控制以后，其稳态功率运行范围边界是一簇随机端电压变化的不规则曲线。