CN102592026A - 一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法，所述双馈风机的变频器部分采用受控源模拟，所述建模方法包括如下步骤：(1).建立双馈风电机组电路模型；(2).建立双馈风机等效模型；(3).建立双馈风机并网测试系统；(4).搭建多风机测试系统；其中，在步骤2中：所述双馈风机等效模型基于双馈风机变频器交流侧受控电压源和直流侧受控电流源的特性建立。本发明提供的双馈风机等效模拟的仿真建模方法，能精确模拟双馈风机的暂态特性，并可计及多台风电机组间的不同特性及其相互影响；无需计及全控型器件的高频通断，仿真效率大幅提升；仿真风机台数越多，效率提升幅度越显著；在保持精度的同时，可采用较大的仿真步长，大幅提升仿真效率。

Description

一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法。

背景技术

风电：是风能发电或者风力发电的简称。属于可再生能源，清洁能源。风力发电是风能利用的重要形式，风能是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。现有的风电市场正在由分散、小规模开发、就地消纳，向大规模、高集中开发和远距离、高电压输送方向快速发展。然而由于风电场出力具有随机性且运行方式变化多样，大规模风电场并网后会给电网的电能质量及继电保护整定带来负面影响。

研究风电场对电网电能质量及继电保护整定的影响，必须建立风电场的电磁暂态模型，而风电场建模的基础是风电机组。现有对风电场及风电机组的建模研究颇多，但尚未有统一认可的模型。风电场由单台风机模拟，无法计及多台风电机组间的不同特性及相互影响。建立包括双馈发电机、变频器及控制系统等元件的详细模型，仿真结果比较精确，但由于变频器中全控型器件开关频率高、计算速度慢，随着模拟风机台数的增加，仿真耗时会非线性快速增长。因此，为开展计及多台风电机组的相关电磁暂态仿真研究，需要一种兼顾仿真计算精度和仿真计算速度的风机新模型。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提供了一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法，能够精确模拟风电机组的暂态特性，并计及多台风电机组间的不同特性及其相互影响；且无需计及全控型器件的高频通断，使仿真效率大幅提升。

为实现上述目的，本发明提供一种模拟双馈风机等效仿真的建模方法，所述双馈风机的变频器部分采用受控源模拟，其改进之处在于，所述建模方法包括如下步骤：

(1).建立双馈风电机组电路模型；

(2).建立双馈风机等效模型；

(3).建立双馈风机并网测试系统；

(4).搭建多风机测试系统。

其中，在步骤2中：所述双馈风机等效模型基于双馈风机变频器交流侧受控电压源和直流侧受控电流源的特性建立。

本发明提供的优选技术方案中，所述双馈风电机组电路模型包括风功率系统、风力发电机、交-直-交变频器和控制系统；所述风功率系统、所述交-直-交变频器和所述风力发电机依次连接；所述风功率系统和所述风力发电机分别向所述控制系统传输信号；所述控制系统与所述交-直-交变频器相互通信。

本发明提供的第二优选技术方案中，所述控制系统为两部分，第一部分对最优风功率跟踪及风电机组无功功率进行控制；第二层为功率解耦控制，以第一层控制所确定的最优转速及无功功率参考值为控制目标。

本发明提供的第三优选技术方案中，对所述最优风功率跟踪的控制是根据实时风速确定风机转子最优转速，以实现最大程度的风能利用；对所述无功功率的控制是根据无功功率控制策略确定风电机组的无功参考值。

本发明提供的第四优选技术方案中，所述控制系统的第二部分包括：双馈风机转子侧控制系统和网侧控制系统；所述双馈风机转子侧控制系统接收所述风力发电机出口电压、电流、转子电流以及转速、无功参考设定值信号；所述网侧控制系统接收所述网侧变频器出口电压、电流以及直流电压和无功功率设定值信号。

本发明提供的第五优选技术方案中，所述双馈风机转子侧控制系统采用基于定子磁链定向的功率解耦控制；所述网侧控制系统采用基于电网电压定向的功率解耦控制。

本发明提供的第六优选技术方案中，所述风力发电机采用鼠笼式感应电动机；其中，同步旋转dq0坐标系下双馈感应电机的电压方程为：

$u_{\mathrm{sd}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_N{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}+R_s{i}_{\mathrm{sd}}$

$u_{\mathrm{sq}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_N{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}+R_s{i}_{\mathrm{sq}}$

$u_{\mathrm{rd}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}+R_r{i}_{\mathrm{rd}}$

$u_{\mathrm{rq}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}+R_r{i}_{\mathrm{rd}}$

式中，u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分别为定子绕组和转子绕组电压的d轴和q轴分量；R_s和R_r分别为定子绕组和转子绕组相电阻；i_sd、i_sq、i_rd、i_rq分别为定子绕组和转子绕组电流的d轴和q轴分量；ω_N为同步旋转速度；ω_s为滑差角速度；ψ_sd、ψ_sq、ψ_rd、ψ_rq分别为定子和转子d轴和q轴的磁链；

风力发电机组的磁链方程为：

ψ_sd＝(L_ss+L_m)i_sd+L_mi_rd

ψ_sq＝(L_ss+L_m)i_sq+L_mi_rq

ψ_rd＝(L_rr+L_m)i_rd+L_mi_sd

ψ_rq＝(L_rr+L_m)i_rq+L_mi_sq

其中，L_ss、L_rr、L_m分别为定子和转子每相漏感，以及定子与转子间的互感。

本发明提供的第七优选技术方案中，所述风功率系统分别对风速、风轮机组特性以及叶片角控制进行模拟，所述风功率系统输出为风力发电机输入机械转矩；

动态风速可模拟基本风v_wb、阵风v_wg、渐变风v_wr、随机噪声风v_wm，合成风速v为：

v＝v_wb+v_wg+v_wr+v_wm

风力机捕获的风能与风速的立方成比例关系，同时与风力机叶片的转速及结构参数有关，风力机输出机械转矩T_m为：

$T_m=C_{p}A\frac{{\mathrm{\ρv}}^3\×{10}^3}{2{\mathrm{\ωP}}_N}$

其中，C_p为风能转换效率系数，它是桨距角β和叶尖速率比λ(λ＝Rω/v)的函数；R为叶片半径；ω为风力机叶片转速；A为叶片扫掠面积；ρ为空气密度；v为风速；P_N为功率基值。

本发明提供的第八优选技术方案中，所述交-直-交变频器由两个背靠背互联的电压源换流器(VSC)组成。

本发明提供的第九优选技术方案中，所述VSC由全控型电力电子器件组成。

本发明提供的第十优选技术方案中，所述双馈风机等效模型是在综合VSC交流侧受控电压源和VSC直流侧受控电流源的特性的基础上进行建立；其中，所述VSC采用脉宽调制控制。

本发明提供的较优选技术方案中，VSC交流侧具有幅值、相位均可控的受控电压源特性；VSC直流侧具有受控电流源的特性，其电流的大小由换流变压器二次侧有功功率与直流侧电压共同决定。

本发明提供的第二较优选技术方案中，所述VSC采用的脉宽调制控制包括：正弦波脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)；调制信号波为Msin(2πf_rt-δ)，则VSC出口电压脉冲序列中对应频率f_r的电压分量u_c如式(1)所示，其中M和δ分别为PWM的调制比和移相角度，u_d为VSC直流侧电压；

$u_c=M\frac{u_d}{2}\sin ({2\mathrm{\πf}}_{r}t-\mathrm{\δ})---\left(1\right)$

由式(1)可以看出，VSC出口电压的幅值和相位可通过PWM的调制比和移相角度进行控制；VSC交流侧具有幅值、相位均可控的受控电压源特性。使用载波对正弦信号波调制，VSC输出电压中含载波及两倍载波频率附近的高次谐波分量，不含工频附近的低次谐波分量；

在含有VSC的仿真计算中，将换流桥的损耗等效并入换流变压器的电阻中，换流变压器二次侧的有功功率P_c将无损耗的注入到直流侧；由换流桥交直流两侧的有功平衡关系可得：

$i_d=P_c/u_d=\underset{x=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{u}_{\mathrm{cx}}{i}_{\mathrm{cx}}/u_d---\left(2\right)$

式中，u_d、i_d为VSC直流侧电压、电流；u_cx、i_cx(x＝a，b，c)为换流变压器二次侧电压、电流。由式(2)可以看出，对于直流侧，VSC具有受控电流源的特性，其电流的大小由P_c和u_d共同决定。

本发明提供的第三较优选技术方案中，所述双馈风机并网测试系统检测双馈风机等效模型在各种控制输入信号设定值阶跃变化及电网电压不对称时的暂态响应。

本发明提供的第四较优选技术方案中，所述多风机测试系统中，比较所述双馈风电机组变频器电路模型及所述双馈风机变频器等效模型的仿真耗时；在比较过程中，设置相同的仿真计算条件，并模拟不同台数的双馈风机。

与现有技术比，本发明在分析双馈风机控制原理的基础上，提供的一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法，可以大幅提升多风机系统电磁暂态仿真研究的效率，控制系统中的变频器交流侧采用受控电压源、直流侧采用受控电流源模拟，双馈风机等效模型能够精确模拟风电机组的暂态特性，并可计及多台风电机组间的不同特性及其相互影响；由于无需计及全控型器件的高频通断，仿真效率大幅提升，且仿真风机台数越多，效率提升幅度越显著；此外，等效仿真模型在保持精度的同时，可采用较大的仿真步长，仿真效率可进一步大幅提升；再者，基于变频器受控源模拟的双馈风机等效仿真模型，是多风机系统中相关电磁暂态研究的有效方法。

附图说明

图1为双馈风机控制逻辑示意图。

图2为转子侧变频器控制框图。

图3为网侧变频器控制框图。

图4为双馈风机并网测试系统。

图5为根据控制输入信号阶跃变化，风机转速值变化示意图。

图6为根据控制输入信号阶跃变化，网侧变频器与电网交换无功情况示意图。

图7为依据控制输入信号阶跃变化，直流环节电压变化示意图。

图8为依据控制输入信号阶跃变化，风机输出无功变化示意图。

图9为依据控制输入信号阶跃变化，风机转子a相电流示意图。

图10为依据电网电压不对称条件下，双馈风机等效模型输出功率示意图。

图11为依据本发明的电网电压不对称条件下，双馈风机电路模型输出功率示意图。

图12为依据电网电压不对称条件下，双馈风机等效模型转子a相电流示意图。

图13为依据电网电压不对称条件下，双馈风机电路模型转子a相电流示意图。

图14为双馈风机变频器电路模型。

图15为双馈风机变频器受控源等效仿真模型。

具体实施方式

(1)采用电力系统电磁暂态仿真工具，建立双馈风机的电路模型。其中，图1为双馈风机的控制系统原理图，转子侧变频器控制目标分别为电机输出无功功率以及对应实时风速的转子最优转速；网侧变频器控制目标为变频器直流侧电压以及与电网交换的无功功率。双馈风机转子侧变频器的控制系统如图2所示，网侧变频器的控制系统如图3所示。

(2)综合VSC交流侧受控电压源和直流侧受控电流源的特性，建立基于变频器受控源模拟的双馈风机等效模型。

(3)为验证所建双馈风机等效仿真模型的正确性，针对图4所示的双馈风机并网测试系统，考察风机在各种输入信号设定值阶跃变化及电网电压不对称时的暂态响应。

(4)仿真步长设置为20μs，数据输出步长设置为100μs，仿真时长为30s的相同计算条件下，双馈风机采用电路模型和受控源模型两种情况，模拟不同台数的双馈风机，对比两者的仿真耗时。

从图5-图9的仿真结果可看出，改变输入信号设定值时，等效模型能快速准确跟踪目标设定值。风速变化时，为追踪最大风能，风机转速需及时调整，如图5所示，风机输出无功基本不变，如图8所示；风机输出无功指令值变化时，风机转速无变化即输出有功不变，风电机组的有功、无功功率可实现解耦控制。图10-13为电网电压不对称时的仿真结果，风机输出有功、无功功率及转子a相电流仿真曲线对比表明，等效模型和电路模型的暂态响应特性基本一致。表1中两种模型的仿真耗时对比，说明由于不计及开关元件的高频通断，等效模型仿真时间大为缩短；与电路模型相比，模拟风机的台数越多，风机等效模型仿真计算效率越高。

仿真风机台数	变频器电路模型	变频器受控源模型	耗时比
				1	215.5s	57.58s	3.74∶1
2	945.4s	120.4s	7.85∶1
				3	2533.7s	205.3s	12.34∶1

表1

表1仿真所用计算机主频为3.1GHz，内存为4GB。

需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

Claims (15)

1.一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法，所述双馈风机的变频器部分采用受控源模拟，其特征在于，所述建模方法包括如下步骤：

(1).建立双馈风电机组电路模型；

(2).建立双馈风机等效模型；

(3).建立双馈风机并网测试系统；

(4).搭建多风机测试系统；

其中，在步骤2中：所述双馈风机等效模型基于双馈风机变频器交流侧受控电压源和直流侧受控电流源的特性建立。

2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述双馈风电机组电路模型包括风功率系统、风力发电机、交-直-交变频器和控制系统；所述风功率系统、所述交-直-交变频器和所述风力发电机依次连接；所述风功率系统和所述风力发电机分别向所述控制系统传输信号；所述控制系统与所述交-直-交变频器相互通信。

3.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述控制系统为两部分，第一部分对最优风功率跟踪及风电机组无功功率进行控制；第二层为功率解耦控制，以第一层控制所确定的最优转速及无功功率参考值为控制目标。

4.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于，对所述最优风功率跟踪的控制是根据实时风速确定风机转子最优转速，以实现最大程度的风能利用；对所述无功功率的控制是根据无功功率控制策略确定风电机组的无功参考值。

5.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于，所述控制系统的第二部分包括：双馈风机转子侧控制系统和网侧控制系统；所述双馈风机转子侧控制系统接收所述风力发电机出口电压、电流、转子电流以及转速、无功参考设定值信号；所述网侧控制系统接收所述网侧变频器出口电压、电流以及直流电压和无功功率设定值信号。

6.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于，所述双馈风机转子侧控制系统采用基于定子磁链定向的功率解耦控制；所述网侧控制系统采用基于电网电压定向的功率解耦控制。

7.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述风力发电机采用鼠笼式感应电动机；其中，同步旋转dq0坐标系下双馈感应电机的电压方程为：

$u_{\mathrm{sd}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_N{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}+R_s{i}_{\mathrm{sd}}$

$u_{\mathrm{sq}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_N{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sd}}+R_s{i}_{\mathrm{sq}}$

$u_{\mathrm{rd}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}+R_r{i}_{\mathrm{rd}}$

$u_{\mathrm{rq}}=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}+R_r{i}_{\mathrm{rd}}$

式中，u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分别为定子绕组和转子绕组电压的d轴和q轴分量；R_s和R_r分别为定子绕组和转子绕组相电阻；i_sd、i_sq、i_rd、i_rq分别为定子绕组和转子绕组电流的d轴和q轴分量；ω_N为同步旋转速度；ω_s为滑差角速度；ψ_sd、ψ_sq、ψ_rd、ψ_rq分别为定子和转子d轴和q轴的磁链；

风力发电机组的磁链方程为：

ψ_sd＝(L_ss+L_m)i_sd+L_mi_rd

ψ_sq＝(L_ss+L_m)i_sq+L_mi_rq

ψ_rd＝(L_rr+L_m)i_rd+L_mi_sd

ψ_rq＝(L_rr+L_m)i_rq+L_mi_sq

其中，L_ss、L_rr、L_m分别为定子和转子每相漏感，以及定子与转子间的互感。

8.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述风功率系统分别对风速、风轮机组特性以及叶片角控制进行模拟，所述风功率系统输出为风力发电机输入机械转矩；

动态风速可模拟基本风v_wb、阵风v_wg、渐变风v_wr、随机噪声风v_wm，合成风速v为：

v＝v_wb+v_wg+v_wr+v_wm

风力机捕获的风能与风速的立方成比例关系，同时与风力机叶片的转速及结构参数有关，风力机输出机械转矩T_m为：

$T_m=C_{p}A\frac{{\mathrm{\ρv}}^3\×{10}^3}{2{\mathrm{\ωP}}_N}$

其中，C_p为风能转换效率系数，它是桨距角β和叶尖速率比λ(λ＝Rω/v)的函数；R为叶片半径；ω为风力机叶片转速；A为叶片扫掠面积；ρ为空气密度；v为风速；P_N为功率基值。

9.根据权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述交-直-交变频器由两个背靠背互联的电压源换流器(VSC)组成。

10.根据权利要求9所述的建模方法，其特征在于，所述VSC由全控型电力电子器件组成。

11.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述双馈风机等效模型是在综合VSC交流侧受控电压源和VSC直流侧受控电流源的特性的基础上进行建立；其中，所述VSC采用脉宽调制控制。

12.根据权利要求11所述的建模方法，其特征在于，VSC交流侧具有幅值、相位均可控的受控电压源特性；VSC直流侧具有受控电流源的特性，其电流的大小由换流变压器二次侧有功功率与直流侧电压共同决定。

13.根据权利要求11所述的建模方法，其特征在于，所述VSC采用的脉宽调制控制包括：正弦波脉宽调制(SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)；调制信号波为Msin(2πf_rt-δ)，则VSC出口电压脉冲序列中对应频率f_r的电压分量u_c如式(1)所示，其中M和δ分别为PWM的调制比和移相角度，u_d为VSC直流侧电压；

$u_c=M\frac{u_d}{2}\sin ({2\mathrm{\πf}}_{r}t-\mathrm{\δ})---\left(1\right)$

由式(1)可以看出，VSC出口电压的幅值和相位可通过PWM的调制比和移相角度进行控制；VSC交流侧具有幅值、相位均可控的受控电压源特性。使用载波对正弦信号波调制，VSC输出电压中含载波及两倍载波频率附近的高次谐波分量，不含工频附近的低次谐波分量；

在含有VSC的仿真计算中，将换流桥的损耗等效并入换流变压器的电阻中，换流变压器二次侧的有功功率P_c将无损耗的注入到直流侧；由换流桥交直流两侧的有功平衡关系可得：

$i_d=P_c/u_d=\underset{x=a,b,c}{\mathrm{\Σ}}{u}_{\mathrm{cx}}{i}_{\mathrm{cx}}/u_d---\left(2\right)$

式中，u_d、i_d为VSC直流侧电压、电流；u_cx、i_cx(x＝a，b，c)为换流变压器二次侧电压、电流。由式(2)可以看出，对于直流侧，VSC具有受控电流源的特性，其电流的大小由P_c和u_d共同决定。

14.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述双馈风机并网测试系统检测双馈风机等效模型在各种控制输入信号设定值阶跃变化及电网电压不对称时的暂态响应。

15.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述多风机测试系统中，比较所述双馈风电机组变频器电路模型及所述双馈风机变频器等效模型的仿真耗时；在比较过程中，设置相同的仿真计算条件，并模拟不同台数的双馈风机。

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