CN103094921B - 直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风力发电机组的建模方法及暂态模型，具体涉及一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型。建模方法包括下述步骤：A、构建风力发电机组机侧模型；B、构建风力发电机组直流电压及卸荷电路模型；C、构建风力发电机组网侧变流器及控制系统模型；D、构建风力发电机组低电压穿越控制模型。本发明从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对直驱式风电系统的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。仿真结果表明，该模型仿真曲线和直驱式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠，用于分析大规模直驱式风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。

Description

直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型

技术领域

本发明涉及风力发电机组的建模方法及暂态模型，具体涉及一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型。

背景技术

应用最广泛的两种类型的风机为双馈式风机和直驱式风机。与双馈式风机相比，直驱式风机不仅具有更能适应低风速、噪声小、结构简单、运行效率高、后续维护成本低等优点，而且直驱式风机电机侧变流器可实现最大功率跟踪控制、电网侧变流器可控制直流电压恒定、直驱式风机发电机的转速与并网频率没有关系、直流卸荷电路可有效隔离电网故障对发电机侧的影响等特点，因此直驱式风机在全国风电场中所占的比重越来越高。直驱式风机根据发电机侧整流器的不同，分为两种典型的结构，不可控整流+多重Boost+PWM逆变器结构和背靠背双PWM变流器结构。电机侧选用不可控整流+多重Boost通常是考虑低价格和低损耗，但是它不能控制电流的相位，不能供给发电机所需要的无功功率。电机侧选用PWM变流器可以很好地控制永磁同步发电机，得到恒定的功率因数，谐波含量低，能量双向流动，恒定的直流电压等，但成本较高，损耗较大。

目前大量文献研究了直驱式风电系统的数学模型，对空气动力学模型、轴系模型、永磁同步电机模型、变频器及控制模型等分别进行了建模，并仿真研究了整个系统的运行特性。上述模型均是基于电磁暂态模型进行建模仿真，当用于大规模风电场接入系统影响分析计算时，其较为复杂，计算速度慢，数值收敛性差。而大电网稳定仿真计算对直驱式风机的模型提出了更高的要求，仿真计算的步长大，计算速度快，同时还要求具有很好的数值稳定性和收敛性。因此，需要深入研究风机的电磁暂态模型，在不影响风机外特性的前提下，简化风机及控制器电磁暂态模型快动态的过程，研究剔除影响收敛性的风机电耦合过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型，本发明从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对直驱式风电系统的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。仿真结果表明，该模型仿真曲线和直驱式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠，用于分析大规模直驱式风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其改进之处在于，所述建模方法包括下述步骤：

A、构建风力发电机组机侧模型；

B、构建风力发电机组直流电压及卸荷电路模型；

C、构建风力发电机组网侧变流器及控制系统模型；

D、构建风力发电机组低电压穿越控制模型。

其中，所述步骤A中，所述风力发电机侧模型包括风速模型和风能-功率模型。

其中，将所述风速模型中的风速分为基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四个分量；所述基本风为常量，数值保持不变。

其中，所述阵风用于描述风速突变的特性；在风电系统的动态仿真中，考察风电系统在风速扰动下的动态特性；其数学表达如下式所示：

$V_G=\left\{\begin{array}{cc}0& t<T_s\\ V_{\cos }& T_s\&le;t\&le;T_e\\ 0& t>T_e\end{array}\right.$ ①；

其中：V_cos＝(V_Gmax/2){1-cos(2π[t/(T_e-T_s)]-T_s/(T_e-T_s))}；T_s、T_e和V_Gmax分别表示阵风开始时间、阵风结束时间和阵风风速最大值；V_cos是风速表达式。

其中，所述渐变风用来描述风速的渐变特性，其数学表达式如下式所示：

$V_R=\left\{\begin{array}{cc}0& t<T_s\\ V_{\mathrm{ramp}}& T_s\&le;t<T_s+T_1\\ V_{R\max }& T_s+T_1\&le;t<T_e-T_2\\ V_{\mathrm{ramp}}^{\&prime;}& T_e-T_2\&le;t\&le;T_e\\ 0& t>T_e\end{array}\right.$ ②；

其中：V_ramp=V_Rmax[(t-T_s)/T₁]，V′_ramp=V_Rmax[(T_e-t)/T₂]，V_Rmax、T_s、T_e、T₁和T₂分别表示渐变风风速最大值、开始时间、结束时间、上升时间和下降时间；V_ramp，V′_ramp均是风速表达式。

其中，所述随机噪声风用来反映风速的随机特性，其数学表达式如下式所示：

$V_{\mathrm{WN}}=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[S_V\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)\mathrm{\&Delta;\&omega;}\right]}^{1/2}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{i}t+{\mathrm{\&phi;}}_i)$ ③；

其中 ${\mathrm{\&omega;}}_i=(i-\frac{1}{2})\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&omega;},$ $S_V\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)=\frac{{2K}_N{F}^2\left|{\mathrm{\&omega;}}_i\right|}{{\mathrm{\&pi;}}^2{[1+{({\mathrm{F\&omega;}}_i/\mathrm{\&mu;\&pi;})}^2]}^{4/3}};$ 是0~2π之间均匀分布的随机变量；K_N是平面扩张系数，取0.004；F为紊乱尺度因子N为频谱取样点数，取50；μ是相对高度的平均风速；Δω为随机分量的离散间距，在0.5~2.0rad/s；ω_i为第i个分量的角频率；S_V(ω_i)为第i个随机分量的振幅。

其中，所述风能-功率模型用于模拟风力发电机将风能转换为机械能的稳态运行特性，根据所述风速模型中的风速将直驱式风力发电机组划分为四个运行区域：启动区、最大风能追踪区、转速恒定区、功率恒定区。

其中，所述启动区：当风速小于切入风速（一般是3m/s）时，风力发电机停机；当风速大于或等于切入风速时，风电机组以最低转速运行；

最大风能追踪区域：当风力发电机转速在启动转速和额定转速之间，由桨距角控制器、发电机及变流器控制系统一起控制直驱式同步发电机的转矩和转速，调节叶尖速比实现最大风能捕获；风力发电机以最优转速（最有转速对应最大风功率的转速，是不同风速变化）运行；（风力发电机组机侧模型是简化模型，是按照厂商或用户自定义的风速-功率曲线输出功率，该曲线包含四个区域，该区域是通过桨距角控制器、发电机及变流器控制系统实现最大风能追踪区域。因为是厂商或用户自定义曲线，故三个控制器是不在机侧简化模型中建模的）

转速恒定区：当风力发电机组的转速达到额定转速（额定转速视机组而异，一般是1.2转/s）时，保持风力发电机转速恒定运行；

功率恒定区：当风力发电机组的输出功率达到额定值时，将风力发电机组控制在转速恒定功率恒定运行点；控制过程通过风力发电机桨距角控制器增大桨距角降低风能利用系数实现。

其中，所述步骤B中，风力发电机组直流电压动态方程用下式表示：

$P_m-P_e-P_{\mathrm{dbr}}={\mathrm{Cu}}_{\mathrm{dc}}\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$ ④；

其中，P_m为风力发电机侧模型输出的机械功率；P_e为直驱式风电机组输出的有功功率；P_dbr为卸荷电阻消耗的功率；u_dc为直流电压；C表示直流电容器；

卸荷电阻消耗功率为： $P_{\mathrm{dbr}}=\frac{{\left({\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}\right)}^2}{R}$ ⑤；

其中，d为卸荷电路功率开关器件的占空比；R为卸荷电路中的制动电阻；

卸荷电路的控制策略是：当u_dc小于设定的电压下限u_low，卸荷电路中的制动电阻R不投入；当u_dc大于设定的电压上限u_hig，卸荷电路中的制动电阻R全部投入；当u_low＜u_dc＜u_hig时，控制占空比的大小调整制动电阻的投入

其中，占空比d表达式如下式所示：

$d=\left\{\begin{array}{cc}0& u_{\mathrm{dc}}\&le;u_{\mathrm{low}}\\ \frac{u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{low}}}{u_{\mathrm{hig}}-u_{\mathrm{low}}}& u_{\mathrm{low}}<u_{\mathrm{dc}}<u_{\mathrm{hig}}\\ 1& u_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{hig}}\end{array}\right.$ ⑥。

其中，所述步骤C中，风力发电机组网侧变流器及控制系统的机电暂态模型包括有功控制模型、无功控制模型和变流器模型。

其中，在直驱式风电机组正常运行时，有功控制模型采用恒直流电压控制，用于保证有功功率的实时平衡；在电网发生故障或扰动，导致风电机组机端电压降低时，用于有功功率模型限制有功电流，保护变流器设备。

其中，所述有功控制模型表述为：将直流电压与参考值的差值U_dc(s)-U_dcref作为输入，经过PI调节器环节和有功电流限幅环节，输出有功电流参考值I_qref(s)。

其中，所述有功电流限幅环节包括固定有功电流限制和动态有功电流限制；

所述固定有功电流限制部分是控制有功电流小于或等于变流器的最大有功电流值I_qmax；所述动态有功电流限制部分是根据直驱风机低电压穿越控制模型输出信号，动态设置有功电流的限值I_vlimc；所述有功电流的限值I_vlimc取值如下：

$I_{\mathrm{vlimc}}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{lviq}1}& {\mathrm{tm}}_1=1\\ I_{\mathrm{lviq}2}& {\mathrm{tm}}_2=1\\ I_{\mathrm{rrpwr}}& {\mathrm{tm}}_3=1\end{array}\right.$ ⑦；

其中：tm₁,tm₂,tm₃是低电压穿越控制模型输出信号；tm₁＝1风力发电机处在低电压阶段，有功电流限值为I_lviq1；tm₂＝1风力发电机处在机端电压恢复后的短暂时间内，（短暂时间可视风电机组不同的特性进行人工配置），有功电流限值为I_lviq2；tm₃＝1风力发电机处在有功恢复的阶段，有功电流限值为I_rrpwr；I_rrpwr是时间的一次函数，I_rrpwr＝kt+b，其中，k是斜率；b是截距（具体的参数视风电机组有功功率恢复的特性而定）。

其中，所述无功控制模型用于控制：无功功率参考值Q_ref、恒定功率因数和按电压跌落程度成比例控制无功功率。

其中，恒定功率因数控制是根据设置的功率因数和量测的有功功率计算风力发电机发出的无功功率；

按电压跌落程序成比例控制无功功率是按照公式Q＝(1-V_term)*k*I_N计算的；其中，V_term表示风力发电机组机端三相电压的最小值；k表示比例系数；I_N是风力发电机的额定电流值。

其中，所述变流器模型包括一阶滞后环节、变流器电流控制环节和机网接口。

其中，所述一阶滞后环节是模拟变流器有功、无功解耦控制的时间延迟；T_p,T_q分别是有功、无功滞后环节的时间常数；

变流器电流控制环节用于防止变流器过电流；通过设置有功/无功电流优先的控制信号，实现有功电流优先或者无功电流优先的控制，I_qmx是变流器电流控制输出的无功电流最大值；设置有功电流优先，首先保证有功电流的输出，无功电流的最大值

I_pmx是变流器电流控制输出的有功电流最大值；设置无功电流优先，首先保证无功电流的输出，有功电流的最大值

其中：I_mx是变流器允许通过的最大电流值；

机网接口将风力发电机注入电流从dq坐标系变换到电力系统同步旋转坐标系；变换方法如下表示：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_R=\frac{P_e{V}_{\mathrm{TR}}+Q_e{V}_{\mathrm{TI}}}{{V_T}^2}\\ I_I=\frac{P_e{V}_{\mathrm{TI}}-Q_e{V}_{\mathrm{TR}}}{{V_T}^2}\end{array}\right.$ ⑧；

其中，V_TR、V_TI分别为系统坐标下机端电压的实部、虚部；V_T为端电压的幅值；I_R、I_I分别为系统坐标下注入电流的实部、虚部；P_e和Q_e分别表示直驱式风电机组输出的有功功率和无功功率。

其中，所述步骤D中，低电压穿越控制模型用于检测风力发电机是否进入低电压穿越状态，为网侧变流器有功控制模型提供控制信号；低电压穿越控制模型输入信号是机端a,b,c三相电压幅值，输出控制信号是tm₁,tm₂,tm₃。

其中，所述低电压穿越控制模型的控制策略如下：

tm₁＝1表示风力发电机处于低电压的时间段；机端任一相电压均低于V_lvpt；在低电压段内变流器采取有功电流控制；

tm₂＝1表示机端电压恢复后的短暂时间段（具体时间及恢复有功功率的定值因不同厂商的机组而异，在建模时，用户可自定义进行配置），在这一时间段内变流器恢复有功功率；

tm₃＝1表示恢复有功功率的时间段；此时间段内变流器要恢复有功功率的送出，同时限制功率的恢复速度。

本发明基于另一目的提供的一种直驱式风力发电机组机电暂态模型，其改进之处在于，所述机电暂态模型包括：

风力发电机侧模型：模拟风力发电机侧变流器最大功率追踪、额定转速控制及桨距角控制系统的特性；

直流电压及卸荷电路模型：直流电压模型模拟直流电压的动态过程；卸荷电路模型模拟低电压穿越过程中卸荷电阻动态过程；

网侧变流器及控制系统模型：包括有功控制模型、无功控制模型及变流器模型；有功控制模型控制直流侧电压恒定，同时模拟在低电压穿越过程中限制有功电流及功率恢复的动态过程；无功控制模型控制风机发出的无功功率；变流器模型模拟风力发电机逆变器动态调制特性；

低电压穿越控制模型：用于检测风力发电机低电压穿越，为网侧变流器有功控制模型提供低电压穿越控制信号；

所述网侧变流器及控制系统模型通过变压器接入电网。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型，从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对直驱式风电系统的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。本模型可适用于两种典型结构的直驱式风电机组，即不可控整流+多重Boost+PWM逆变器结构和背靠背双PWM变流器结构。仿真结果表明，该模型仿真曲线和直驱式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠。本模型丰富了国内风电机组机电暂态模型方面的研究，可应用于分析大规模直驱式风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响；同时为风电场建模、风电接入能力分析等研究奠定基础，提高了风电技术水平，增加了风电场的经济效益和社会效益；促进了电力系统的能源结构调整，有利于社会和经济的可持续发展。

附图说明

图1是本发明提供的直驱式风电机组机电暂态实用化并网模型总体结构图；

图2是本发明提供的直驱风力发电机组的运行曲线图；

图3是本发明提供的直流电压及卸荷电路模型框图；

图4是本发明提供的有功控制模型框图；

图5是本发明提供的无功控制模型框图；

图6是本发明提供的变流器的机电暂态模型框图；

图7是本发明提供的低电压穿越控制模型控制策略图；

图8是本发明提供的单机无穷大系统图；

图9是本发明提供的工况一实测曲线图；

图10是本发明提供的工况一仿真曲线图；

图11是本发明提供的工况二实测曲线图；

图12是本发明提供的工况二仿真曲线图；

图13是本发明提供的工况三实测曲线图；

图14是本发明提供的工况三仿真曲线图；

图15是本发明提供的工况四实测曲线图；

图16是本发明提供的工况四仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的直驱式风电机组机电暂态实用并网模型总体结构如图1所示，包括：风力发电机侧模型，直流电压及卸荷电路模型，网侧变流器及控制系统模型，低电压穿越控制模型，机网接口模型。

风力发电机侧模型包括风速模型、风能-功率模型。模拟风力发电机侧变流器最大功率追踪、额定转速控制及桨距角控制系统的特性。

直流电压及卸荷电路模型：直流电压模型模拟直流电压的动态过程；卸荷电路模型模拟了低电压穿越过程中卸荷电阻动态过程。

网侧变流器及控制系统模型包括有功控制模型、无功控制模型及变流器模型。有功控制模型控制直流侧电压恒定，同时模拟在低电压穿越过程中限制有功电流及功率恢复的动态过程；无功控制模型控制风机发出的无功功率；变流器模型模拟风机逆变器动态调制外特性。

低电压穿越控制模型功能是风机低电压穿越检测，为网侧变流器有功控制模型提供低电压穿越控制信号。

变流器模型中的机网接口模型将风力发电机模型注入电流从dq坐标系变换到系统同步旋转坐标系。

本发明提供的种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法包括下述步骤：

A、构建风力发电机组机侧模型，风力发电机侧模型包括风速模型和风能-功率模型。

首先，本发明所建立的风力发电机侧模型是基于如下假设：风力发电机侧逆变器能够完成以下的控制目标：在不同风速下，能够确保发电机运行在最佳转速上，实现最大功率追踪；控制发电机在额定转速内运行；风力发电机桨距角控制系统能够限制发电机出力不超过额定功率；忽略风力发电机/变流器因风速变化引起的暂态过渡过程；忽略电网侧故障对发电机侧的影响。

1、风速模型：为模拟风电机在风速变化时的响应，需对风速进行建模。一般将风速分为基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四个分量。基本风在仿真中认为一直保持不变。其余分量如下所述：

（1）阵风：

阵风用于描述风速突然变化的特性。在风电系统的动态仿真中，通常可以用它来考察系统在较大的风速扰动下的动态特性。其数学表达如下式所示：

$V_G=\left\{\begin{array}{cc}0& t<T_s\\ V_{\cos }& T_s\&le;t\&le;T_e\\ 0& t>T_e\end{array}\right.$ ①；

其中：V_cos＝(V_Gmax/2){1-cos(2π[t/(T_e-T_s)]-T_s/(T_e-T_s))}；T_s、T_e和V_Gmax分别表示阵风开始时间、阵风结束时间和阵风风速最大值；V_cos是风速表达式。

（2）渐变风：渐变风用来描述风速的渐变特性，其数学表达式如下式所示：

$V_R=\left\{\begin{array}{cc}0& t<T_s\\ V_{\mathrm{ramp}}& T_s\&le;t<T_s+T_1\\ V_{R\max }& T_s+T_1\&le;t<T_e-T_2\\ V_{\mathrm{ramp}}^{\&prime;}& T_e-T_2\&le;t\&le;T_e\\ 0& t>T_e\end{array}\right.$ ②；

其中：V_ramp=V_Rmax[(t-T_s)/T₁]，V′_ramp=V_Rmax[(T_e-t)/T₂]，V_Rmax、T_s、T_e、T₁和T₂分别表示渐变风风速最大值、开始时间、结束时间、上升时间和下降时间；V_ramp和V′_ramp均是风速表达式。

（3）随机噪声风：随机噪声风用来反映风速的随机特性，其数学表达式如下式所示：

$V_{\mathrm{WN}}=2\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left[S_V\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)\mathrm{\&Delta;\&omega;}\right]}^{1/2}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{i}t+{\mathrm{\&phi;}}_i)$ ③；

其中 ${\mathrm{\&omega;}}_i=(i-\frac{1}{2})\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&omega;},$ $S_V\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)=\frac{{2K}_N{F}^2\left|{\mathrm{\&omega;}}_i\right|}{{\mathrm{\&pi;}}^2{[1+{({\mathrm{F\&omega;}}_i/\mathrm{\&mu;\&pi;})}^2]}^{4/3}};$ 是0~2π之间均匀分布的随机变量；K_N是平面扩张系数，一般取0.004；F为紊乱尺度因子；N为频谱取样点数，一般取50；μ是相对高度的平均风速；Δω为随机分量的离散间距，一般在0.5~2.0rad/s；ω_i为第i个分量的角频率；S_V(ω_i)为第i个随机分量的振幅。

2、风能-功率模型：

在假设条件下，考虑到机电暂态仿真的特点和风电机组的运行特性，提出了用风能-功率模型简化发电机/机侧变流器的思想。风能-功率模型模拟了风力发电机将风能转换为机械能的稳态运行特性。风能-功率模型可由厂家提供，也可由用户自定义。

在不同的风速情况下，直驱风力发电机组的运行区域有四个：启动区、最大风能追踪区、转速恒定区、功率恒定区。本发明提供的直驱风力发电机组的运行曲线图如图2所示。

区域Ⅰ是启动区。风速小于切入风速，风力发电机停机。风速大于或等于切入风速时，风电机组以所允许的最低转速运行，实现并网控制。

区域Ⅱ是最大风能追踪区域。风力机转速在启动转速和额定转速之间，由桨距角控制器、发电机及变流器控制系统等一起控制直驱式风力发电机组的转矩和转速，调节叶尖速比以实现最大风能捕获，风力机以最优转速运行。

区域Ⅲ是转速恒定区。随着风速的增加，风电机组的转速已经达到额定转速。为了减少磨损并延长机组使用寿命，虽然没有达到额定功率，但必须保持转速恒定运行。

区域Ⅳ是功率恒定区。当风速继续增加，风力发电机组的输出功率达到额定值，为了保护发电机组，必须将其控制在转速恒定功率恒定运行点。该过程是通过风力机桨距角控制系统增大桨距角降低风能利用系数实现。

B、构建直流电压及卸荷电路的模型：

直流电压及卸荷电路的模型框图如图3所示。直流侧卸荷电路目的是平衡直流电容器两侧的不平衡功率，保护变流器，隔离网侧故障。在机电暂态过程中，直流侧电压动态方程如下所示：

$P_m-P_e-P_{\mathrm{dbr}}={\mathrm{Cu}}_{\mathrm{dc}}\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{dt}}$ ④；

其中，P_m为风力发电机侧模型输出的机械功率；P_e为直驱式风电机组输出的有功功率；P_dbr为卸荷电阻消耗的功率；u_dc为直流电压；C表示直流电容器；

卸荷电阻消耗功率为： $P_{\mathrm{dbr}}=\frac{{\left({\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}\right)}^2}{R}$ ⑤；

其中，d为卸荷电路功率开关器件的占空比；R为卸荷电路中的制动电阻；

卸荷电路的控制策略是：当u_dc小于设定的电压下限u_low，卸荷电路中的制动电阻R不投入；当u_dc大于设定的电压上限u_hig，卸荷电路中的制动电阻R全部投入；当u_low＜u_dc＜u_hig时，控制占空比的大小调整制动电阻的投入。

在机电暂态实用化模型中，占空比d是按照等斜率取值，近似模拟PWM调制效果。占空比d表达式如下式所示：

$d=\left\{\begin{array}{cc}0& u_{\mathrm{dc}}\&le;u_{\mathrm{low}}\\ \frac{u_{\mathrm{dc}}-u_{\mathrm{low}}}{u_{\mathrm{hig}}-u_{\mathrm{low}}}& u_{\mathrm{low}}<u_{\mathrm{dc}}<u_{\mathrm{hig}}\\ 1& u_{\mathrm{dc}}\&GreaterEqual;u_{\mathrm{hig}}\end{array}\right.$ ⑥。

C、构建网侧变流器及控制系统模型，网侧变流器及控制系统模型包括有功控制模型、无功控制模型和变流器模型。

首先，本发明所建立的网侧变流器及控制系统机电暂态模型是基于如下假设：在机电暂态模型中，认为有功和无功电流控制能够完全解耦；忽略变流器的快动态过程及损耗，关注变流器外特性。

I、有功控制模型：

在直驱式风电机组正常运行时，有功控制模型采用恒直流电压控制，保证有功功率的实时平衡。在电网发生故障或扰动，导致风电机组机端电压降低时，有功功率模型限制有功电流，保护变流器设备。此时，有功功率的平衡主要由卸荷电路控制实现，在机端电压恢复的过程中，有功控制模型快速恢复有功电流，并限制有功电流的恢复速度。有功控制模型框图如图4所示。

其中，K和T₁是PI环节的放大倍数和时间常数；I_qmax是变流器所允许的最大有功电流值；I_vlimc是根据低电压穿越控制模型输出信号，动态设置的有功电流限值。

I_vlimc在直驱式风电机组正常运行时，可取值为I_qmax，即不会进入低压限流功能。I_vlimc在风电机组低电压穿越过程中，取值如下：

$I_{\mathrm{vlimc}}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{\mathrm{lviq}1}& {\mathrm{tm}}_1=1\\ I_{\mathrm{lviq}2}& {\mathrm{tm}}_2=1\\ I_{\mathrm{rrpwr}}& {\mathrm{tm}}_3=1\end{array}\right.$ ⑦；

其中：tm₁,tm₂,tm₃是低电压穿越控制模型输出信号；tm₁＝1风力发电机处在低电压阶段，有功电流限值为I_lviq1；tm₂＝1风力发电机处在机端电压恢复后的短暂时间内，（短暂时间可视风电机组不同的特性进行人工配置），有功电流限值为I_lviq2；tm₃＝1风力发电机处在有功恢复的阶段，有功电流限值为I_rrpwr；I_rrpwr是时间的一次函数，I_rrpwr＝kt+b，其中，k是斜率；b是截距（具体的参数视风电机组有功功率恢复的特性而定）。达到限制有功恢复速度的目的。

II、无功控制模型：

无功控制模型控制直驱式风电机组发出的无功功率，尤其在低电压穿越过程中，支撑并网点电压。主要包括以下控制功能：指定无功功率参考值Q_ref；恒定功率因数；按电压跌落程度成比例控制无功功率；

无功控制模型框图如图5所示。其中：I_N、T_mea分别表示直驱式风电机组额定电流和有功功率量测时间常数；Ф是0~2π之间均匀分布的随机变量。

III、变流器模型：

变流器模型是直驱式风电机组与电网的接口。在本发明提出的假设前提下，变流器的机电暂态模型框图如图6所示，其中，T_q,T_p分别是模拟变流器无功，有功滞后环节的时间常数；I_qmx是变流器电流控制输出的无功电流最大值；I_pmx是变流器电流控制输出的有功电流最大值；V_space机端电压的空间矢量。

变流器电流控制的主要作用是防止变流器过电流。通过设置有功/无功电流优先的控制信号，可实现有功电流优先或者无功电流优先的控制。设置有功电流优先，首先保证有功电流的输出，无功电流的最大值设置无功电流优先，首先保证无功电流的输出，有功电流的最大值I_mx是变流器允许通过的最大电流值。

机网接口将风机模型注入电流从dq坐标系变换到系统同步旋转坐标系。变换方法如下，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_R=\frac{P_e{V}_{\mathrm{TR}}+Q_e{V}_{\mathrm{TI}}}{{V_T}^2}\\ I_I=\frac{P_e{V}_{\mathrm{TI}}-Q_e{V}_{\mathrm{TR}}}{{V_T}^2}\end{array}\right.$ ⑧；

其中，V_TR、V_TI分别为系统坐标下机端电压的实部、虚部；V_T为端电压的幅值；I_R、I_I分别为系统坐标下注入电流的实部、虚部。P_e和Q_e分别表示直驱式风电机组输出的有功功率和无功功率。

D、构建低电压穿越控制模型：

低电压穿越控制模型主要是检测风力发电机是否进入低电压穿越，为网侧变流器有功控制模型提供控制信号。输入信号是机端a,b,c三相电压幅值，输出控制信号是tm₁,tm₂,tm₃。具体的控制策略如图7所示。

T₁~T₂是风机处于低电压的时间段。这时，机端任意一相电压均低于V_lvpt。在这一时间段内变流器要采取限有功电流控制。低电压穿越控制模型在判断风机是否进入低电压穿越状态时，一般需增加1~2个周波的延迟，防止因电网电压正常波动造成低电压穿越控制系统频繁动作。

T₂~T₃是机端电压恢复后的短暂时间段。在这一时间段内变流器要迅速恢复一定的有功功率。该控制过程是否存在，以及持续的时间，视具体风力发电机控制特性而定。

T₃~T₄是恢复有功功率的时间段。在这一时间段内变流器要恢复有功功率的送出，同时限制功率的恢复速度。具体的控制参数，视具体风力发电机控制特性而定。

实施例

本发明为了验证所建模型的正确性，在电力系统模拟仿真软件PSASPUD环境下，搭建了直驱式风电机组实用化机电暂态模型。在电力系统模拟仿真软件PSASP仿真程序中，搭建单机无穷大电力系统，仿真直驱式风电机组的各种运行工况。最终，将仿真结果与直驱式风电机组并网实测曲线进行了对比。单机无穷大系统如图8所示。

工况一：有功功率1.5MW电压跌落到额定电压的75%，持续时间为1.9s；工况一的实测曲线和仿真曲线分别如图9和图10所示，其中P_e和Q_e分别表示直驱式风电机组输出的有功功率和无功功率。

工况二：有功功率1.5MW电压跌落到额定电压的20%，持续时间为0.85s；工况二的实测曲线和仿真曲线分别如图11和图12所示，其中P_e和Q_e分别表示直驱式风电机组输出的有功功率和无功功率。

工况三：有功功率270kW电压跌落到额定电压的75%，持续时间为1.9s；工况三的实测曲线和仿真曲线分别如图13和图14所示，其中P_e和Q_e分别表示直驱式风电机组输出的有功功率和无功功率。

工况四：有功功率490kW电压跌落到额定电压的20%，持续时间为0.85s；工况四的实测曲线和仿真曲线分别如图15和图16所示，其中P_e和Q_e分别表示直驱式风电机组输出的有功功率和无功功率。

结论：在风机不同运行工况下，直驱式风电机组机电暂态实用并网模型仿真结果与实测曲线完全一致，说明所建模型准确、可靠。实测曲线中的毛刺是由于谐波引起，在机电暂态模型中不会考虑，所以机电暂态仿真曲线是比较平滑的。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述建模方法包括下述步骤：

A、构建风力发电机组机侧模型；

B、构建风力发电机组直流电压及卸荷电路模型；

C、构建风力发电机组网侧变流器及控制系统模型；

D、构建风力发电机组低电压穿越控制模型；

所述步骤A中，所述风力发电机组机侧模型包括风速模型和风能-功率模型；

将所述风速模型中的风速分为基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四个分量；所述基本风为常量，数值保持不变；

所述阵风用于描述风速突变的特性；在风电系统的动态仿真中，考察风电系统在风速扰动下的动态特性；其数学表达如下式所示：

$V_G=\left\{\begin{array}{cc}0& t<T_s\\ V_{cos}& T_s\&le;t\&le;T_e\\ 0& t>T_e\end{array}\right.$ ①；

其中：V_cos＝(V_Gmax/2){1-cos(2π[t/(T_e-T_s)]-T_s/(T_e-T_s))}；T_s、T_e和V_Gmax分别表示阵风开始时间、阵风结束时间和阵风风速最大值；V_cos是风速表达式；

所述渐变风用来描述风速的渐变特性，其数学表达式如下式所示：

$V_R=\left\{\begin{array}{cc}0& t<T_s\\ V_{ramp}& T_s\&le;t<T_s+T_1\\ V_{R\max }& T_s+T_1\&le;t<T_e-T_2\\ V_{ramp}^{\&prime;}& T_e-T_2\&le;t\&le;T_e\\ 0& t>T_e\end{array}\right.$ ②；

其中：V_ramp＝V_Rmax[(t-T_s)/T₁]，V′_ramp＝V_Rmax[(T_e-t)/T₂]，V_Rmax、T_s、T_e、T₁和T₂分别表示渐变风风速最大值、开始时间、结束时间、上升时间和下降时间；V_ramp，V′_ramp均是风速表达式；

所述随机噪声风用来反映风速的随机特性，其数学表达式如下式所示：

$V_{WN}=2\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{\&lsqb;S_V\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;}\&rsqb;}^{1/2}cos({\mathrm{\&omega;}}_{i}t+{\mathrm{\&phi;}}_i)$ ③；

其中 ${\mathrm{\&omega;}}_i=(i-\frac{1}{2})\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&omega;},S_V\left({\mathrm{\&omega;}}_i\right)=\frac{2K_N{F}^2\left|{\mathrm{\&omega;}}_i\right|}{{\mathrm{\&pi;}}^2{\&lsqb;1+{({\mathrm{F\&omega;}}_i/\mathrm{\&mu;}\mathrm{\&pi;})}^2\&rsqb;}^{4/3}};$ 是0～2π之间均匀分布的随机变量；K_N是平面扩张系数，取0.004；F为紊乱尺度因子，N为频谱取样点数，取50；μ是相对高度的平均风速；Δω为随机分量的离散间距，在0.5～2.0rad/s；ω_i为第i个分量的角频率；S_V(ω_i)为第i个随机分量的振幅；

所述风能-功率模型用于模拟风力发电机将风能转换为机械能的稳态运行特性，根据所述风速模型中的风速将直驱式风力发电机组划分为四个运行区域：启动区、最大风能追踪区、转速恒定区、功率恒定区；

所述启动区：当风速小于切入风速时，风力发电机停机；当风速大于或等于切入风速时，风电机组以最低转速运行；

最大风能追踪区域：当风力发电机转速在启动转速和额定转速之间，由桨距角控制器、发电机及变流器控制系统一起控制直驱式同步发电机的转矩和转速，调节叶尖速比实现最大风能捕获；风力发电机以最优转速运行；

转速恒定区：当风力发电机组的转速达到额定转速时，保持风力发电机转速恒定运行；

功率恒定区：当风力发电机组的输出功率达到额定值时，将风力发电机组控制在转速恒定功率恒定运行点；控制过程通过风力发电机桨距角控制器增大桨距角降低风能利用系数实现；

所述步骤B中，风力发电机组直流电压动态方程用下式表示：

$P_m-P_e-P_{dbr}={\mathrm{Cu}}_{dc}\frac{{\mathrm{du}}_{dc}}{dt}$ ④；

其中，P_m为风力发电机侧模型输出的机械功率；P_e为直驱式风电机组输出的有功功率；P_dbr为卸荷电阻消耗的功率；u_dc为直流电压；C表示直流电容器；

卸荷电阻消耗功率为：⑤；

其中，d为卸荷电路功率开关器件的占空比；R为卸荷电路中的制动电阻；

卸荷电路的控制策略是：当u_dc小于设定的电压下限u_low，卸荷电路中的制动电阻R不投入；当u_dc大于设定的电压上限u_hig，卸荷电路中的制动电阻R全部投入；当u_low＜u_dc＜u_hig时，控制占空比的大小调整制动电阻的投入；

占空比d表达式如下式所示：

$d=\left\{\begin{array}{cc}0& u_{dc}\&le;u_{low}\\ \frac{u_{dc}-u_{low}}{u_{hig}-u_{low}}& u_{low}<u_{dc}<u_{hig}\\ 1& u_{dc}\&GreaterEqual;u_{hig}\end{array}\right.$ ⑥；

所述步骤C中，风力发电机组网侧变流器及控制系统的机电暂态模型包括有功控制模型、无功控制模型和变流器模型；

在直驱式风电机组正常运行时，有功控制模型采用恒直流电压控制，用于保证有功功率的实时平衡；在电网发生故障或扰动，导致风电机组机端电压降低时，用于有功功率模型限制有功电流，保护变流器设备；

所述有功控制模型表述为：将直流电压与参考值的差值U_dc(s)-U_dcref作为输入，经过PI调节器环节和有功电流限幅环节，输出有功电流参考值I_qref(s)；

所述有功电流限幅环节包括固定有功电流限制和动态有功电流限制；

所述固定有功电流限制部分是控制有功电流小于或等于变流器的最大有功电流值I_qmax；所述动态有功电流限制部分是根据直驱风机低电压穿越控制模型输出信号，动态设置有功电流的限值I_vlimc；所述有功电流的限值I_vlimc取值如下：

$I_{v\lim c}=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{lviq1}& {\mathrm{tm}}_1=1\\ I_{lviq2}& {\mathrm{tm}}_2=1\\ I_{rrpwr}& {\mathrm{tm}}_3=1\end{array}\right.$ ⑦；

其中：tm₁,tm₂,tm₃是低电压穿越控制模型输出信号；tm₁＝1风力发电机处在低电压阶段，有功电流限值为I_lviq1；tm₂＝1风力发电机处在机端电压恢复后的短暂时间内，，有功电流限值为I_lviq2；tm₃＝1风力发电机处在有功恢复的阶段，有功电流限值为I_rrpwr；I_rrpwr是时间的一次函数，I_rrpwr＝kt+b，其中，k是斜率；b是截距；

所述无功控制模型用于控制：无功功率参考值Q_ref、恒定功率因数和按电压跌落程度成比例控制无功功率；

恒定功率因数控制是根据设置的功率因数和量测的有功功率计算风力发电机发出的无功功率；

按电压跌落程序成比例控制无功功率是按照公式Q＝(1-V_term)*k*I_N计算的；其中，V_term表示风力发电机组机端三相电压的最小值；k表示比例系数；I_N是风力发电机的额定电流值；

所述变流器模型包括一阶滞后环节、变流器电流控制环节和机网接口；

所述一阶滞后环节是模拟变流器有功、无功解耦控制的时间延迟；T_p,T_q分别是有功、无功滞后环节的时间常数；

变流器电流控制环节用于防止变流器过电流；通过设置有功/无功电流优先的控制信号，实现有功电流优先或者无功电流优先的控制，I_qmx是变流器电流控制输出的无功电流最大值；设置有功电流优先，首先保证有功电流的输出，无功电流的最大值

I_pmx是变流器电流控制输出的有功电流最大值；设置无功电流优先，首先保证无功电流的输出，有功电流的最大值

其中：I_mx是变流器允许通过的最大电流值；

机网接口将风力发电机注入电流从dq坐标系变换到电力系统同步旋转坐标系；变换方法如下表示：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_R=\frac{P_e{V}_{TR}+Q_e{V}_{TI}}{V_T^2}\\ I_I=\frac{P_e{V}_{TI}-Q_e{V}_{TR}}{V_T^2}\end{array}\right.$ ⑧；

其中，V_TR、V_TI分别为系统坐标下机端电压的实部、虚部；V_T为端电压的幅值；I_R、I_I分别为系统坐标下注入电流的实部、虚部；P_e和Q_e分别表示直驱式风电机组输出的有功功率和无功功率；

所述步骤D中，低电压穿越控制模型用于检测风力发电机是否进入低电压穿越状态，为网侧变流器有功控制模型提供控制信号；低电压穿越控制模型输入信号是机端a,b,c三相电压幅值，输出控制信号是tm₁,tm₂,tm₃；

所述低电压穿越控制模型的控制策略如下：

tm₁＝1表示风力发电机处于低电压的时间段；机端任一相电压均低于V_lvpt；在低电压段内变流器采取有功电流控制；

tm₂＝1表示机端电压恢复后的短暂时间段，在这一时间段内变流器恢复有功功率；

tm₃＝1表示恢复有功功率的时间段；此时间段内变流器要恢复有功功率的送出，同时限制功率的恢复速度；

所述方法采用直驱式风力发电机组机电暂态模型实现，所述机电暂态模型包括：

风力发电机侧模型：模拟风力发电机侧变流器最大功率追踪、额定转速控制及桨距角控制系统的特性；

直流电压及卸荷电路模型：直流电压模型模拟直流电压的动态过程；卸荷电路模型模拟低电压穿越过程中卸荷电阻动态过程；

网侧变流器及控制系统模型：包括有功控制模型、无功控制模型及变流器模型；有功控制模型控制直流侧电压恒定，同时模拟在低电压穿越过程中限制有功电流及功率恢复的动态过程；无功控制模型控制风机发出的无功功率；变流器模型模拟风力发电机逆变器动态调制特性；

低电压穿越控制模型：用于检测风力发电机低电压穿越，为网侧变流器有功控制模型提供低电压穿越控制信号；

所述网侧变流器及控制系统模型通过变压器接入电网。