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并網雙饋發電機租賃電網電壓定向勵磁控制的研究


雙饋發電機租賃也稱交流勵磁發電機,它在結構上類似于繞線式感應電機,定子三相繞組接工頻電網,通過靜止變頻器給轉子繞組提供低頻交流勵磁,可實現發電機有功、無功和轉速的獨立調節。該發電機具有良好的穩定性和較強的進相運行能力;具有原動機轉速變化情況下實現定子恒頻的特性,即變速恒頻的發電能力,在風力發電、抽水蓄能,提高電力系統穩定性等領域有著廣泛的應用前景,正逐步受到人們的關注和重視。
目前已有不少應用矢量控制技術研究了雙饋發電機租賃的有功和無功的解耦控制。采用基于氣隙磁場定向的矢量控制技術,推導了雙饋發電機穩態下的有功、無功解耦勵磁控制模型,但由于在推導中忽略了定子漏阻抗和轉子漏感的影響,往往帶來勵磁控制模型精度下降。采用基于定子磁場或定子電壓定向的矢量控制技術,仿真表明該勵磁控制模型精度較高,但也存在動態響應較差的缺陷。然而上述無論是采用氣隙磁場定向、定子磁場定向或定子電壓定向的矢量控制技術,其共同特點都是基于傳統的矢量控制技術概念,即需要測量定、轉子電流和轉速作為勵磁控制器的反饋信號,并且其測量精度、實時性很大程度上決定了雙饋發電機的動態響應性能和控制精度。
并網雙饋發電機租賃電網電壓定向勵磁控制的研究
在雙通道下建立了動態同步軸系的控制方程,實現了穩態解耦控制,但在有功通道的反饋信號中還是需要定子量、轉子電壓和轉速量的檢測。盡管提出了一種基于定子電壓定向的不需要測量轉子電流的雙饋發電機有功、無功的魯棒控制策略,但該算法僅僅適用于定子有功、無功的穩態調節,并不能進行轉速的獨立調節,甚至很難進行短路故障等問題的研究。
本文從發電機租賃運動方程出發,針對并網雙饋發電機提出一種基于無窮大電網電壓定向的新穎控制策略,建立了相應的勵磁控制方程。對雙饋發電機有功、無功和轉速穩態調節特性以及考慮電機運行中轉子參數變化的影響進行了仿真,最后對其三相機端對地突然短路的過渡過程也進行了研究。
2雙饋發電機租賃模型和勵磁控制模型2.1雙饋發電機數學模型假設雙饋發電機定子電壓、電流正方向按發電機慣例,轉子電壓電流的正方向按電動機慣例時,可以寫出同步旋轉d-q軸系下三相對稱系統的雙饋發電機的電壓和磁鏈方程為電壓矢量;/為電流矢量;表示磁鏈;尺為電阻;i為電感;1為定轉子之間的互感;D=d/d(為微分算子;(其中凡和厶包含了電網線路電阻和電感)、(分別為電機同步角速度和轉差角速度,且滿足式(5)。
以定子電流和轉子磁鏈為狀態變量,聯立式(1)(4),可得雙饋發電機為供的機械轉矩;Tem為電磁轉矩;=4(1- 2.2基于無窮大電網電壓定向的控制模型取無窮大電網電壓矢量的方向為d軸,可得約束條件為雙饋發電機定子端向系統輸出的有功、無功計算表達式為由式(13)可知,當要求雙饋發電機輸出一定的有功、無功時,定子電流同步軸系d-q軸分量的指令值(用表示)則為因此,對雙饋發電機有功、無功的調節即可通過對轉子勵磁電壓控制,實現定子電流d-q軸分量的調節。轉子勵磁電壓在動態調節過程中的關系如下其中勵磁電壓的指令值可由電機狀態方程式(8)(9)得到為了求得轉子磁鏈指令值和定子電流指令值之間的關系,現將調節過程中定子電流、轉子磁鏈和轉子角速度的動態關系表示如下可以得到定子電流動態變化量為因此,從式(20)中可以得出轉子磁鏈指令值為在調節過程中轉子勵磁電壓的動態變化量可以按下式求得。其中,比例調節系數;>0.由此,式(15)(17)、(21)、(22)共同構成了基于無窮大電網電壓定向的勵磁控制模型。
為了便于研究系統的短路故障,并網雙饋發電機租賃定子端電壓和無窮大母線電壓之間的電路方程為式(23)所示0.394Q/km,雙回路出線,電廠與無窮大母線的線路長度為100km. 3.2穩態調節特性的仿真研究對該雙饋發電機實施上述提出的勵磁控制策略進行定子有功、無功和轉速調節的仿真研究。分別給出了具體仿真結果。其中,是有功從0.8調到0.9,維持無功0.5,轉差率0.05不變的仿真結果;是無功從0.4調到0.5,維持有功0.9,轉差率0.05不變的仿真結果;是轉差率從0.05調到0.055,維持有功0.9,無功0.5不變的仿真結果;是有功從0.8調到0.9,轉差率從0.05調到0.055,維持無功0.5不變的仿真結果。另外,為了考慮電機轉子參數變化對穩態調節特性的影響,在中增加了發電機運行中轉子電阻和轉子漏抗值出現誤差時的仿真結果。圖中,曲線1表示電機運行參數沒有發生變化時的仿真結果,曲線2表示電機運行轉子電阻、漏抗值增加10%的仿真結果。比較曲線1與2可以看出,電機運行時如轉子參數變化后,勵磁控制模型還是有效的,仍可達到有功、無功功率和轉速的解耦控制效果。
3.3暫態特性的仿真分析雙饋發電機租賃在理論上具有良好的暫態穩定性,其前提是勵磁電壓的頻率、幅值和相位能夠快速準主要研究方向為雙饋發主要從事電機及其控制確地跟蹤電機轉速的變化,在系統短路及恢復正常后可以得到很大的電磁轉矩,以最大程度地限制轉子轉速的上升。為研究本文所提出的勵磁控制策略能否滿足這一要求,本文就并網雙饋發電機三相機端對地突然短路進行仿真研究。和分別給出了雙饋發電機在發無功和吸無功兩種狀態下,三相機端短路后,雙饋發電機的有功、無功和轉差率過渡過程的仿真曲線,短路故障發生在0.1s,短路持續時間設為0.25s(假定短路過渡過程原動機的輸入功率保持不變)。其中為短路故障前有功尸s=0.9,無功gs=0.5,00.5的暫態仿真結果;為短路故障前有功尸s=0.9,無功搡=-0.5,00.5的暫態仿真結果。
發無功狀態下雙饋發電機租賃的暫態特性曲線吸無功狀態下雙饋發電機的暫態特性曲線4結論通過建立控制變量的動態方程,本文提出了基于無窮大電網電壓定向的雙饋發電機勵磁控制策略,該勵磁控制策略不需要轉子電流的測量和轉速的反饋信號,一定程度上簡化了控制系統的復雜性。
另外,本文對并網雙饋發電機租賃進行了定子有功、無功和轉速穩態調節特性以及考慮電機運行轉子參數變化的影響進行了仿真研究,結果表明,運用該控制策略雙饋發電機可以實現定子有功、無功及轉速的獨立調節或有功和轉速的同時調節,具有較好穩定性。從其機端三相突然短路的暫態特性仿真分析表明,在短路故障切除后,無論發電機的初始狀態是發無功還是吸無功系統都能迅速趨于穩定,并且在過渡過程結束后其有功、無功及轉差率都能回到原來的設定值穩定運行,具有較好的動態品質和動態跟蹤能力。總之,從穩態、動態特性的仿真結果表明,本文提出的勵磁控制策略是正確的。
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