六相电励磁同步风电机组的简化动态模型及小扰动稳定分析

【摘要】：六相电励磁同步风力发电机组(Six-Phase Electrically Excitation Synchronous Wind Generator,SP-EESWG)采用六相电励磁同步电机作为发电机,是一种特殊的变速恒频风电机组。SP-EESWG具有机组成本低、发电效率高、可靠性高、转矩脉动小等优点,在重庆武隆、山东栖霞和内蒙通辽的风电场中均有运用。然而与同属变速恒频类风机的双馈异步风力发电机组(Double-Fed Induction Generator,DFIG)和直驱永磁同步风力发电机组(Direct-Drive Permanent Magnet Synchronous Generators,D-PMSG)相比,有关SP-EESWG的研究还十分有限,在机组建模及动态特性分析方面都有较大差距。本文以SP-EESWG为研究对象,围绕风电机组的动态模型、潮流计算以及小扰动稳定性展开研究,主要工作有:①提出了SP-EESWG的简化动态模型和稳态模型。以SP-EESWG中风力机、传动系统、六相电励磁同步发电机以及整流-逆变环节等各个组成部分的数学模型为基础,忽略整流-逆变环节的开关动态过程和谐波影响,考虑逆变器与电网的接口模型,通过选取适当的基值系统,以及对不可控整流桥“有功-无功”稳态运行特性的拟合,建立了SP-EESWG的简化动态模型。在此基础上,推导了SP-EESWG的稳态模型,解决了动态模型的初值计算问题。以单机无穷大系统为仿真算例,考虑风速的阶跃变化和随机变化两种情况,通过对比分析算例系统的Simulink模型和所提简化动态模型的动态响应,验证了所提模型的正确性。在SP-EESWG稳态模型的基础上,研究了含SP-EESWG电网的潮流计算问题。以单机无穷大系统和IEEE-14节点系统两个算例验证了所提稳态模型的正确性和有效性,并对现有文献广泛采用的风电机组简化模型(包括一阶模型、二阶模型、三阶模型和指数模型)对SP-EESWG潮流计算的适应性进行了仿真分析。结果表明,不同风速情况下,风电机组简化模型与本文模型的计算结果均有不同程度的误差;其中,一阶模型和二阶模型的误差最大,不宜用于SP-EESWG的稳态特性分析;当风速处于额定风速附近时,三阶简化模型和指数模型的误差较小。②建立了SP-EESWG的小扰动模型,分析了相关参数对SP-EESWG小扰动稳定性的影响。目前,尚未见SP-EESWG稳定性的研究。本文通过对所提SP-EESWG简化动态模型进行线性化处理,建立了SP-EESWG的小扰动模型。在此基础上,基于特征值分析方法,研究风力机机械参数、发电机电气参数、直流电容值和PI控制参数对SP-EESWG小扰动稳定性的影响。结果表明,风力机惯性时间常数和直流电容值对系统稳定性的影响较大,其取值的增大将引起系统特征值整体右移,导致系统小扰动稳定性降低;传动轴刚性系数和发电机定子电阻的取值过大或过小都会对系统的小扰动稳定性产生不利影响;而对于PI控制器而言,比例系数和积分系数对系统小扰动稳定性的影响呈相反趋势。

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