含风电场异步发电机的电力系统潮流仿真分析

针对风力发电厂的孤立网架结构完整的系统,研究了分布式风力发电并网对电力系统潮流分布的影响。从电气工程领域的角度详细分析了风力发电机组的结构、工作原理,建立了风电机组异步发电机简化等值电路模型。通过牛顿拉夫逊潮流计算思路,提出了含风电场的电力系统潮流计算方法,并联合迭代法修正了雅克比矩阵,解决计算精度与迭代效率之间的矛盾;针对IEEE 14节点系统开展算例分析,获得风电并网对电力系统潮流分布的影响。通过对一含风电的IEEE 14节点系统进行潮流计算,验证了该方法的可行性,成果可应用于含风电场的电力系统潮流计算场景。

三相电容式异步发电机的研究

分析了风力发电系统中异步发电机的应用情况,提出了一种新型的三相电容式异步发电机。该发电机克服了原有异步发电机功率因数过低的缺点,同时还可针对电机的不同运行点配置相应的电容,由此改善电机性能。这是普通异步发电机端部并联电容无功补偿所不能达到的。对两台样机进行试验对比,结果表明三相电容式异步发电机在风电系统中具有很高的应用推广价值。

双馈异步发电机定子匝间短路故障诊断研究

分析双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障负序电流的来源,提出以负序电流作为故障特征量进行故障诊断,建立双馈异步发电机仿真模型,通过改变模型中短路匝数和短路电阻的大小实现了匝间短路故障模拟。对仿真发电机在风速恒定的条件下发生定子绕组匝间短路故障进行了模拟。结果表明,定子发生匝间短路故障后,会在定子中增加负序电流分量,定子负序电流的大小随故障严重程度加剧而增加;定子负序电流的大小受发电机负载变化影响很小,有利于轻载状态时定子绕组故障的诊断。

12/3相双绕组异步发电机自激起励时谐波谐振问题研究

12/3相双绕组异步发电机是将交直流双绕组发电理论应用到异步发电中、作为独立电源而提出的。这种电机在定子上布置了两套绕组,即一套4Y移15°十二相整流绕组和一套三相静止励磁绕组(或称补偿绕组)。其中整流绕组经整流桥向直流负载供电,而励磁绕组提供无功功率,以保持负载时整流绕组端电压不变。当发电机十二相绕组并接起励电容后起动时发生了高次谐波谐振,导致无法建立基波电压。该文分析了发生谐振后的电机内气隙磁场的特点,查明了发生谐波谐振的原因,提出了研究双绕组异步发电机自激起励时谐波谐振问题的数学模型,并得出了发生谐振后的稳态等值电路,最后得到谐振频率的计算公式。计算结果与试验数据的比较表明该文提出的数学模型是正确的。

3相定子电压定向的12/3相双绕组异步发电机励磁控制的实现

该文分析了一种带定子励磁补偿绕组的12/3相双绕组感应发电机系统。励磁采取12相绕组侧加固定电容器与3相绕组侧加变流器相结合的方式。同时对变流器的励磁控制方案进行了研究,使用了定子电压定向原理,给出了理论和试验证明。

交流励磁变速恒频双馈型异步发电机的稳态功率关系

在交流励磁变速恒频发电应用中,双馈型异步发电机(DFIG)的控制对象是定子有功、无功功率,控制变量是转子电压、电流。采用DFIG等效电路,推导基于DFIG控制对象的转子电压、电流计算方法,将转子电压、电流分解为励磁分量、有功分量及无功分量,揭示了DFIG控制对象与控制变量之间的内在联系;研究定、转子的有功、无功功率关系,重点对不同运行条件下DFIG无功功率特性进行探讨,分析DFIG转子无功功率和定子无功功率以及转差之间的关系。

轴向通风双馈异步发电机的温度场计算

为了实现双馈异步发电机通风冷却的优化设计,根据电机内通风系统流体流动的特点及电机定转子热量产生与传递的规律,建立了全域通风与温度的三维等效物理模型,给出了模型的边界条件,并利用有限体积法对方程进行求解,得到了额定运行情况下各风道内流量与流速的分布情况,以及定子、转子、机座水套等各截面的温度场分布,将计算结果与试验值进行了对比分析,证明了计算方法的合理性。结果表明,机座水套能够有效降低定子轭及绕组的温度,相比之下,转子绕组温度偏高,应进一步优化提高机座冷却器换热能力及系统通风能力。

变速运行的双绕组异步发电机控制绕组无功容量的优化分析

新型的静止励磁调节器控制的双绕组异步发电机控制绕组无功容量的最小化是系统优化的关键问题,它与电机参数、负载、转速及变比、功率输出端励磁电容等有很大关系。在分析传统电容励磁的三相异步发电机变速变载运行机理的基础上,研究了变速变负载运行时控制绕组的无功容量最小化时励磁电容的取值方法。所得结论有助于该新型发电机系统的优化设计及控制。

基于有限元分析的双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障诊断研究

笔者基于有限元分析软件Maxwell 2D建立了双馈异步发电机的仿真模型,通过改变模型中短路匝数和短路电阻的大小来模拟电机的不同短路情况,对不同情况下的电机进行仿真计算得出:定子发生匝间短路故障后,会在定子中产生负序电流,并随着故障严重程度的增加而增大,同时负序电流会受到电源不对称的影响,在用负序电流进行故障诊断时,需要补偿这些非电机故障因素的影响,同时负序电流也会受到电机负载情况的影响,且随着负载的增大负序电流有微弱增大。另外,定子发生匝间短路故障后,定子三相电流不再对称,故障相电流恒最大,而非故障两相的相位差偏离120°最大,且随着故障的加剧而明显增大。

基于定子双绕组异步发电机的交直流混合发电系统

提出了一种基于定子双绕组异步发电机(DSWIG)的交直流混合发电系统。该发电系统能同时输出稳定的变速、变频交流电和高压直流电。系统采取标量型瞬时转差频率控制策略。实验采用一台18k W的双绕组发电机验证了该发电方案的可行性。实验结果显示,该交直流混合发电系统能够在1∶3的宽转速范围内稳定恒功率运行,且具有优秀的动、静态品质。例如,交流输出电压在突加、突卸100%额定负载时,恢复时间小于10ms,大大低于美军标70ms的规定。初步研究成果表明,基于定子双绕组异步发电机的交直流混合发电系统能够为机载、车载等独立电源场合提供有竞争力的解决方案。

电压源换相高压直流输电改善异步发电机风电场暂态电压稳定性的研究

基于普通异步发电机的恒速风电机组并网风电场会引起本地电网的电压稳定性问题。为此本文分析了并网风电场的电压稳定问题和电压源换相高压直流输电(VSC-HVDC)的风电场并网方式的技术特点,研究了VSC-HVDC的数学模型和控制方式。基于国际大电网会议(CIGRE)B4-39工作组标准模型,应用PSCAD/EMTDC仿真软件建立了大规模风电场并网系统模型,研究了VSC-HVDC输电改善异步发电机风电场暂态电压稳定性的贡献。研究表明VSC-HVDC不仅能够有效实现恒速风电机组在电网发生大扰动故障后的快速电压恢复能力,而且可以避免在电压恢复过程中由风电机组输入输出功率不平衡引起的发电机超速及电压失稳,确保风电机组的连续运行及电网的安全稳定。

基于转子平均瞬时功率的双馈异步发电机定子绕组匝间短路故障诊断

由于双馈异步发电机转子参数的可测性,提出一种基于转子平均瞬时功率的定子绕组匝间短路故障诊断方法。首先推导出计及高次谐波的双馈异步发电机正常及发生定子绕组匝间短路故障时的转子平均瞬时功率的表达式,然后建立了双馈异步发电机的多回路数学模型,并对其正常和不同程度匝间短路故障时的转子平均瞬时功率进行仿真计算。对仿真结果进行频谱分析,得到定子绕组匝间短路故障前后转子平均瞬时功率谐波分量的变化规律,并验证了理论分析的正确性。分析结果表明转子平均瞬时功率谱直观简洁,其2倍频分量不受转差率影响,高次谐波分量对定子绕组匝间短路故障有较强的灵敏性。

双馈异步发电机通风冷却综合计算

针对具有轴径混合通风结构双馈异步发电机的通风发热问题,根据其通风系统的结构特点,建立集总参数的通风数学模型。通过此模型对电机内各风道的通风流量分布进行计算,并进一步分析转速及径向风道结构尺寸等因素对流量分布的影响。将通风计算结果作为边界条件,采用有限单元法对电机转子的温度场进行计算。计算结果表明,各径向风道的空气流量会随转速的升高而增加,各径向风道的流量分布可通过改变各风道的宽度来进行优化。集总参数的通风模型可有效用于电机通风的优化设计。

基于绕线式异步发电机的风电场并网暂态稳定机理分析

随着许多大容量风电场直接并入输电网,电网受风电的影响程度已不容忽视。针对目前基于绕线式异步发电机(WRIG)的风电场并网的情况,通过详细分析WRIG风电场的暂态特性,将WRIG风电场在暂态过程中的制动作用简化等值到近端同步发电机上,进而提出一种采用经典等面积定则定性分析WRIG风电场近端同步发电机暂态稳定性的方法。最后通过仿真验证了该分析方法的正确性,并比较了WRIG风电场与同步发电机参与系统暂态调节的效果。

自激异步发电机单相空载建压电容的计算

对Y接三相自激异步发电机单相空载稳态运行性能进行分析,通过计算来着重说明平衡电容值和自激建压电容值之间的不同组合对所建端电压的影响。分析过程中用对称分量法推导发电机单相空载稳态运行时的回路阻抗,令回路阻抗的实部与虚部分别为零,作为异步发电机稳态运行的条件和性能计算的基础。采用直接搜索优化方法求解二维方程并计算出单相空载电压值,针对单变量函数用数值法确定给定端电压下的电容组合和最小建压电容值。单相空载电压计算值与实测值相互吻合,验证了该分析方法的有效性和准确性。

谐波电网下基于矢量比例积分电流调节器的双馈异步发电机运行控制技术

在分析谐波电网电压下双馈异步发电机(doubly-fedinduction generator,DFIG)数学模型基础上,以电磁转矩及定子输出无功功率无波动为控制目标,给出了DFIG谐波电流指令。为实现谐波电流的准确跟踪,采用基于同步速旋转坐标系下的矢量比例积分(vector proportional integral,VPI)电流调节器,通过与比例积分谐振电流调节器在谐波频率点处的频谱分析与对比,论证了VPI电流调节器对谐波电流的优良控制性能。构建了DFIG实验机组,对所提理论的正确性与可行性进行了实验验证。

十二相异步发电机功率绕组与整流系统的电路分析

为了对异步发电机十二相功率绕组带整流负载系统进行仿真计算,采用了基于电路拓扑理论的回路电流法。针对系统多回路变拓扑结构加之电容与电感元件同时存在等复杂情况,以网络图论为基础,结合回路电流法,列写矩阵形式表示的网络方程。求解过程中定步长和变步长联合使用,解决了计算结果的稳定性问题。通过对计算数据进行等间隔插值、快速Fourier变换、输入量迭代等数值计算方法的应用,最终得出各变量的基波与谐波分量。仿真波形与实验波形比较吻合证实了分析方法的有效性,而变量基波分量计算值与实验值一致说明分析方法的相当高准确性。

带储能系统的小型风力异步发电机稳压稳频控制

针对小型风力异步发电机机端特性的不稳定,提出了带储能系统的异步发电机稳压稳频控制方法。在直流侧并联铅酸蓄电池系统进行储能,通过控制整流器实现直流侧有功和无功的双向流动。该控制方法包括电压外环和频率内环两个控制环,电压和频率控制器都采用的是PI控制器,用改进的锁相环法实时检测系统的频率变化。为了验证控制方法的有效性,进行了MATLAB/Simulink控制系统仿真和实验。结果表明:采用带储能系统的稳压稳频控制可以提高异步发电机的机端特性,改善独立供电系统的电能质量。

以特征值为判据的异步发电机自激建压过程分析

为研究自激电容对异步发电机空载暂态建压过程的影响并确定最小建压电容值,采用了以状态方程矩阵特征值计算为基础的分析方法。从自激异步发电机αβ坐标系下的等值电路出发,推导了异步发电机空载建压时的状态方程,通过对状态方程进行局部线性化,进而计算出线性状态矩阵的特征值。根据不同自激电容值所对应特征值实部的符号并应用系统稳定性理论,以此判断电容为该值时电压是否得以建立,空载暂态建压过程的仿真波形与实验波形较为一致,说明了分析方法的有效性。把特征值实部绝对值选为目标函数并结合一维优化方法计算了异步发电机空载最小建压电容值,此值与传统方法计算结果相吻合,进一步证实了分析方法的正确性。

双馈异步发电机的不同目标优化控制

在变速恒频风力发电系统中,双馈异步发电机的设计和控制直接关系到系统的经济成本和机组的运行效率。文章从不同控制目标的角度出发,提出全补偿、最小铜损、转子电流最小3种电机优化控制方式。建立不同方式下控制信号的数学模型,指出定、转子有功、无功功率的关系及各种方式控制性能的优缺点和适用场合。最后对1.5MW双馈异步发电机在不同控制方式下的运行特性进行比较,验证了上述关于运行特性分析的正确性。