CN101719678A - 双馈型风力发电机空载并网建模及实验的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电机空载并网建模和实验的方法。所述建模方法具体为：首先建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型；利用电力系统实时数字仿真器RTDS中由二进制控制字所控制的阀开关，来仿真所述双馈型风力发电机中的小步长并网开关元件；通过控制所述阀开关的断开和闭合，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的仿真控制。通过以上技术方案的实施，就可以实现实时仿真双馈型风力发电机由空载到并网的过程，并通过该仿真模型对实际双馈型风力发电机的变流控制器系统进行空载并网实验，从而提供了真实准确的仿真环境，提高了验证准确性。

Description

双馈型风力发电机空载并网建模及实验的方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统领域，尤其涉及一种双馈型风力发电机空载并网建模及实验的方法。

背景技术

目前，在双馈型风力发电系统中所采用的是双馈型风力发电机，其与传统的直流励磁同步发电机和通常的异步发电机相比，并网过程是不一样的。同步发电机和电力系统之间为“刚性连接”，发电机的输出频率完全取决于原动机的速度，与其励磁无关；在并网之前发电机必须经过严格的整步和(准)同步，并网后也须严格保持转速恒定；通常的异步发电机的并网对机组的调速精度要求不高，并网后也不会振荡失步，但要求在转速接近同步速时进行并网操作，对转速仍有一定的限制。

而双馈型风力发电机采用交流励磁，其发电机和电力系统之间构成“柔性连接”，也就是说可以根据电网电压和发电机转速来调节励磁电流，进而可在变速的条件下实现并网。具体来说，双馈型风力发电机空载并网的原理为：在发电机定子和电网连接的母线上设置有一个并网开关，当该并网开关断开时，表示发电机空载运行，此时由于发电机定子电流为零，则将双馈型风力发电机(DFIG，Doubly-fed induction generator)定子各分量的电流，即i_ds＝i_qs＝0代入DFIG的两相同步速旋转坐标系(d-q轴)数学模型中，从而求得新的转子d-q轴的电流表达式，该表达式与发电机在并网时的转子电流表达式是不一样的。

在现有技术中，对空载并网实现原理和过程的研究已经取得了一定的进展，但是很多的研究都是基于一般的仿真软件来进行的，如MATLAB或PSCAD，但这些研究和仿真只能进行离线的仿真，但却不能对外接实际控制设备进行验证，也不能对实际双馈型风力发电机的空载并网进行验证，缺乏相应的准确性。

发明内容

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电机空载并网建模及实验的方法，可以实现实时仿真双馈型风力发电机由空载到并网的过程，并通过该仿真模型对实际双馈型风力发电机的变流控制系统进行空载并网实验，从而提供了真实准确的仿真环境，提高了验证准确性。

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电机空载并网建模的方法，所述方法包括：

建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型；

利用电力系统实时数字仿真器RTDS中由二进制控制字所控制的阀开关，来仿真所述双馈型风力发电机中的小步长并网开关元件；

通过控制所述阀开关的断开和闭合，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真。

所述建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型，具体包括：

通过建立双馈型风力发电机空载和并网的传递函数，来建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型。

所述方法还包括：

所述阀开关由电力系统实时数字仿真器RTDS运行界面中的控制开关来控制；

其中，当所述控制开关指向0时，表示所述阀开关断开；当所述控制开关指向1时，表示所述阀开关闭合。

所述通过控制所述阀开关的断开和闭合，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真，具体包括：

通过控制所述阀开关的断开和闭合，来控制空载和并网策略中转子q轴电流参考值的变换，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真。

本发明实施例还提供了一种双馈型风力发电机空载并网实验的方法，所述方法包括：

在RTDS中实时仿真双馈型风力发电机空载和并网的过程；

根据该仿真的双馈型风力发电机空载和并网的过程，对实际双馈型风力发电机变流控制系统进行空载并网实验。

在仿真双馈型风力发电机空载和并网的控制过程中，还包括：

根据所述双馈型风力发电机并网开关的开断，对转子电流参考值进行同步切换。

由上述所提供的技术方案可以看出，首先建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型；利用电力系统实时数字仿真器RTDS中由二进制控制字所控制的阀开关，来仿真所述双馈型风力发电机中的小步长并网开关元件；通过控制所述阀开关的断开和闭合，实现所述双馈型风力发电机系统由空载到并网的实时仿真。通过以上技术方案的实施，就可以实现实时仿真双馈型风力发电机由空载到并网的过程，并通过该仿真模型对实际双馈型风力发电机的变流控制器进行空载并网实验，从而提供了真实准确的仿真环境，提高了验证准确性。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的双馈型风力发电机空载并网建模的流程示意图；

图2为本发明实施例所举实例中发电机空载时的仿真结果相位示意图；

图3为本发明实施例所举实例中发电机并网过程的仿真结果相位示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种双馈型风力发电机空载并网建模及实验的方法，为更好的描述本发明实施例，现结合附图对本发明的具体实施例进行说明，如图1所示为本发明实施例所提供双馈型风力发电机空载并网建模的流程示意图，所述方法包括：

步骤11：建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型。

在该步骤11中，通过建立双馈型风力发电机空载和并网的传递函数，来建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型。

在具体实现过程中，双馈型风力发电控制系统主要包括网侧脉宽调制变换器(PWM，Pulse Width Modulation)控制和机侧PWM(表示连接到转子侧的变换器)控制两部分。

发电机空载和并网后的主要区别在于定子电流的区别，当空载时，发电机定子电流为零；而并网后定子电流则不为零。故双馈型风力发电机d-q轴下的数学模型如下：

电压方程(系统的电压，包括定转子侧的电压，下标s为定子侧，r为转子侧)：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=R_s{i}_{\mathrm{ds}}+d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}/\mathrm{dt}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}\\ u_{\mathrm{qs}}=R_s{i}_{\mathrm{qs}}+{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{qs}}/\mathrm{dt}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}+{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{dr}}/\mathrm{dt}-s{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{qr}}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}+d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}/\mathrm{dt}+{\mathrm{s\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

磁链方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}=L_s\·i_{\mathrm{ds}}+L_m\·i_{\mathrm{qs}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qs}}=L_s\·i_{\mathrm{qs}}+L_m\·i_{\mathrm{qr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}=L_m\·i_{\mathrm{ds}}+L_r\·i_{\mathrm{dr}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{qr}}=L_m\·i_{\mathrm{qs}}+L_r\·i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u、i分别表示电压，电流，R为电阻，下标d、q表示d-q轴分量，下标s、r分别表示定转子分量，ω_s为同步速，sω_s为转子相对于d-q坐标系的电角速度，s为滑差，ψ表示磁链，L为电感，L_m为d-q坐标系下同轴定转子绕组间的等效互感。

一般认为定子绕组接在无穷大电网上，定子电压u_s与电源角频率ω_s均恒定不变，ψ_s＝u_s/ω_s为常数。然后将ψ_ds＝ψ_s，ψ_qs＝0(发电机定子磁链定向在d轴上)代入(1)式，忽略定子电阻R_s，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{ds}}=0\\ u_{\mathrm{qs}}={\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}=u_s\end{array}\right.---\left(3\right)$

将ψ_qs＝0代入(2)式，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}/L_s-i_{\mathrm{dr}}{L}_m/L_s\\ i_{\mathrm{qs}}=-i_{\mathrm{qr}}{L}_m/L_s\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dr}}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{L_m}-i_{\mathrm{ds}}\frac{L_s}{L_m}\\ i_{\mathrm{qr}}=-i_{\mathrm{qs}}\frac{L_s}{L_m}\end{array}\right.---\left(5\right)$

由(1)、(2)和(4)式，进而得到转子d-q轴的电压方程：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{dr}}=R_r{i}_{\mathrm{dr}}+\mathrm{\σ}{L}_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{dr}}}{\mathrm{dt}}-s{\mathrm{\ω}}_s\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{qr}}\\ u_{\mathrm{qr}}=R_r{i}_{\mathrm{qr}}+\mathrm{\σ}{L}_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{qr}}}{\mathrm{dt}}+s{\mathrm{\ω}}_s(\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_s+\mathrm{\σ}{L}_r{i}_{\mathrm{dr}})\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中， $\mathrm{\σ}=1-\frac{L_m^2}{L_s{L}_r}.$

机侧采用最优转矩控制，电磁转矩方程为：

$T_e=-\frac{3p}{2}{L}_m(i_{\mathrm{qs}}{i}_{\mathrm{dr}}-i_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qr}})=-\frac{2p}{2}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qs}}=\frac{3p}{2}\·\frac{L_m}{L_s}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}{i}_{\mathrm{qr}}$

而最优转矩 $T_e^{*}=K_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\ω}}_r^2,$ 两式相等可以得到转子的q轴电流参考值为：

$i_{\mathrm{qr}}^{*}=\frac{{2K}_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\ω}}_r^2{L}_s}{2p{L}_m{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}$

根据上述的分析，机侧控制的输入量为转子d-q轴的电流参考值i_dr ^*和i_qr ^*。当空载时，DFIG定子各分量为零，即i_ds＝i_qs＝0，代入(5)式得到空载时转子d-q轴的电流参考值为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dr}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{L_m}\\ i_{\mathrm{qr}}^{*}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

而并网以后，定子磁链定向在d轴上，则i_ds＝0，此时转子d-q轴的电流参考值为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dr}}^{*}=\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}{L_m}\\ i_{\mathrm{qr}}^{*}=\frac{{2K}_{\mathrm{opt}}{\mathrm{\ω}}_r^2{L}_s}{2p{L}_m{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ds}}}\end{array}\right.---\left(8\right)$

由于所谓的空载并网控制是指并网开关由断开到闭合的过程中，发电机由空载到并网的控制，但是空载时和并网时的控制策略是不一样的，所以在并网开关闭合的瞬间，控制策略中也要有所改变，表达式7是空载时模型中转子电流的参考值，表达式8是并网以后模型中转子电流的参考值；故通过以上的操作，就可以得到双馈型风力发电机空载并网过程中转子电流参考值变化的两个传递函数(即表达式7和8)，从而就可以建立相应的数学模型。

步骤12：利用电力系统实时数字仿真器RTDS中由二进制控制字所控制的阀开关，来仿真所述双馈型风力发电机中的小步长并网开关元件。

在该步骤12中，具体是利用电力系统实时数字仿真器(RTDS)的小步长并网开关元件来仿真所述双馈型风力发电机的空载和并网控制。

由于在双馈型风力发电机中，双馈型风力发电机、双PWM变换器和与电网连接的变压器等元件均为小步长元件，故在建立仿真模型时，需要在双馈型风力发电机与无穷大电网之间的三相电路上加上小步长的并网开关仿真元件；而由于在RTDS中，小步长的元件并没有设置专用的并网开关，因此在本发明实施例中，是在RTDS中用一个由二进制控制字控制的阀开关来代替该小步长的并网开关仿真元件；在具体实现中，该阀开关可以取名为G1BKR3。

在具体实现过程中，该阀开关G1BKR3可以由控制字G1XDBLK来控制的，而控制字G1XDBLK又是由RTDS的运行界面中的控制开关G1DBCN2来控制的，那么当开关G1DBCN2指向0时，表示断开，当开关指向1时，表示闭合。

步骤13：通过控制所述阀开关的断开和闭合，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真。

在具体实现过程中，该阀开关G1BKR3可以由RTDS的运行界面中的控制开关G1DBCN2来控制，当RTDS的运行界面中的控制开关G1DBCN2断开时，在RTDS中用信号节点GXDBLK5来表示，其值为0，可以进一步将其乘以7，变换为2进制的控制字G1XDBLK，其值为000，然后用该控制字G1XDBLK来控制上述所提到的阀开关G1BKR3断开，此时小步长的并网开关仿真元件就是断开的，表示此时发电机空载运行；而当RUNTIME中的控制开关G1DBCN2闭合时，信号节点GXDBLK5的值为1，则2进制的控制字G1XDBLK的值就为111，此时就可以用该控制字G1XDBLK来控制上述所提到的阀开关G1BKR3闭合，则小步长的并网开关仿真元件就是闭合的，表示此时发电机并网运行。

这样通过控制RTDS中一个由二进制控制字控制的阀开关的断开和闭合，就实现了双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真。

在具体建立模型时，发电机空载运行时，仿真模型按照上述表达式7来建立，发电机并网以后，仿真模型按照上述表达式8来建立；而在发电机由空载到并网时，上述控制策略中转子电流参考值也应当从表达式7变换到表达式8，从两式的比较可以发现，只有转子q轴电流参考值需要做相应的改变，具体来说，可以用IRQO来表示转子q轴电流参考值，当RUNTIME中的控制开关G1DBCN2断开时，信号节点GXDBLK5的值为0，将节点GXDBLK5乘以信号节点GTRQORD的值(信号节点GTRQORD的表达式为

也就是发电机并网以后的转子q轴电流的参考值)，IRQO为0，即开关G1DBCN2断开时，发电机为空载，IRQO的值为0，也就是转子q轴电流参考值为0；相反，当开关G1DBCN2闭合时，给出的GXDBLK5节点信号值为1，转子q轴电流参考值IRQO的值与信号节点GTRQORD的值一样，从而实现了开关G1DBCN2由断开到闭合的同时，控制策略中转子q轴电流参考值由空载时到并网后的变换，进而实现了实时仿真所述双馈型风力发电机的空载和并网过程。

本发明实施例还提供了一种双馈型风力发电机空载并网实验的方法，所述方法包括：

首先，在RTDS中实时仿真双馈型风力发电机空载和并网的过程，具体进行仿真的方式见以上方法实施例中所述。

然后，根据该仿真的双馈型风力发电机空载和并网的物理过程，对双馈型风力发电机变流控制系统进行空载并网实验。

在具体实现过程中，由于RTDS可以外接物理装置，并具备使之与仿真模型构成闭环进行实验的能力。因此在双馈型风力发电机变流控制系统进行空载并网的实验过程中，将实际物理控制器装置替代模型中的控制系统，利用RTDS对其进行验证。具体过程如下：

(1)信号输出。通过RTDS的I/O接口，将实际物理控制器运行所需要的发电机定子电压、电流等物理量由仿真模型输出，给物理控制器送入。

(2)信号输入。物理控制器得到需要的物理量后，经过一系列的信号转换、计算(过程与模型中的控制系统相似)，最终得到控制信号，同样通过RTDS的I/O接口将控制信号输入到模型中的双PWM控制器，最终达到控制的效果。

整个过程中，双PWM变流器的控制信号都是由外部物理装置给出，模型中的控制系统完全由物理控制器替代，从而真正做到了闭环实验。

另外，由上述实施例所得出的表达式(7)和(8)可以看出，发电机空载和并网后的控制策略的区别就在于转子q轴参考电流的表达式，因此在并网开关的控制信号由空载切换到到并网后，转子q轴电流的参考值也由空载的变成并网后的参考值。

如图2所示为本发明实施例所举实例中发电机空载时的仿真相位示意图，图2中：上面为发电机定子电压，下面为电网电压。当空载时，控制系统可以保证发电机定子电压和电网电压相位相同，频率相等，幅值也相差不多。

如图3所示为本发明实施例所举实例中发电机并网后的仿真结果示意图，图3中：并网开关闭合以后，发电机定子电压和电网电压相位、频率和幅值完全一致。整个并网过程没有产生冲击电流，很好地实现了“柔性连接”。

由此，根据上述在RTDS中所仿真出的双馈型风力发电机空载和并网的过程，就可以很好的对实际双馈型风力发电机的变流控制系统进行空载并网的闭环实验，从而提供了真实准确的仿真环境，提高了验证准确性。

综上所述，本发明实施例可以实现双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真，并通过该仿真模型对实际双馈型风力发电机的变流控制系统进行空载并网的闭环实验，从而提供了真实准确的仿真环境，提高了验证准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种双馈型风力发电机空载并网建模的方法，其特征在于，所述方法包括：

建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型；

利用电力系统实时数字仿真器RTDS中由二进制控制字所控制的阀开关，来仿真所述双馈型风力发电机中的小步长并网开关元件；

通过控制所述阀开关的断开和闭合，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型，具体包括：

通过建立双馈型风力发电机空载和并网的传递函数，来建立双馈型风力发电机空载并网控制的数学模型。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述阀开关由电力系统实时数字仿真器RTDS运行界面中的控制开关来控制；

其中，当所述控制开关指向0时，表示所述阀开关断开；当所述控制开关指向1时，表示所述阀开关闭合。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过控制所述阀开关的断开和闭合，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真，具体包括：

通过控制所述阀开关的断开和闭合，来控制空载和并网策略中转子q轴电流参考值的变换，实现所述双馈型风力发电机由空载到并网的实时仿真。

5.一种双馈型风力发电机空载并网实验的方法，其特征在于，所述方法包括：

在RTDS中实时仿真双馈型风力发电机空载和并网的过程；

根据该仿真的双馈型风力发电机空载和并网的过程，对实际双馈型风力发电机变流控制系统进行空载并网实验。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在仿真双馈型风力发电机空载和并网的控制过程中，还包括：

根据所述双馈型风力发电机并网开关的开断，对转子电流参考值进行同步切换。

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