CN103198191A - 基于pscad的永磁直驱风电机组仿真模型简化结构 - Google Patents

Abstract

一种基于PSCAD的永磁直驱风电机组仿真模型简化结构，属于风电机组技术领域。简化模型中包括风力机模块、永磁直驱发电机模块、机侧可控电压源模块、机侧可控电压源模块的控制模块、网侧可控电压源模块、网侧可控电压源模块的控制模块、网侧滤波电感、无穷大电网。风力机模块通过传动链与永磁直驱发电机模块相连接，永磁直驱发电机模块与机侧可控电压源模块相连接，网侧可控电压源模块通过网侧滤波电感与无穷大电网相连接。优点在于，适用于PSCAD中永磁直驱风电机组仿真模型的简化，以及在PSCAD中进行风电场等值时提高仿真的速度和效率。

Description

基于PSCAD的永磁直驱风电机组仿真模型简化结构

技术领域

本发明属于风电机组技术领域，特别是提供了一种基于PSCAD的永磁直驱风电机组仿真模型简化结构，适用于PSCAD中永磁直驱风电机组仿真模型的简化，以及在PSCAD中进行风电场等值时提高仿真的速度和效率。

背景技术

目前，在PSCAD中搭建永磁直驱风力发电机组仿真模型时，电路主要由主电路部分、控制电路部分及变流器脉冲生成部分组成，其中变流器脉冲生成部分由调制方式决定为PWM调制方式或者SVPWM调制方式。不管采用哪种方式，都会使模型中存在较高频率的脉冲信号，这样为了使仿真波形不失真，PSCAD模型的采样步长一般都在几个微秒左右。

图1为已有模型主电路结构图。包括，风力机模块、永磁直驱发电机模块、机侧变流器模块、机侧变流器模块的控制模块、机侧变流器SVPWM调制模块、直流稳压电容模块、网侧变流器模块、网侧变流器模块的控制模块、网侧变流器SVPWM调制模块、网侧滤波电感、无穷大电网。

模型中风力机模块与永磁直驱发电机模块通过传动链相连接，永磁直驱发电机模块电压输出端口与机侧变流器模块的交流侧相连接，机侧变流器模块的直流侧与直流稳压电容模块并联，再与网侧变流器模块背靠背相联，网侧变流器模块的交流侧通过网侧滤波电感接入无穷大电网。机侧变流器模块的控制模块输入量为功率指令P_s ^*和d轴电流指令i_sd ^*，输出量为电机侧变流器模块交流侧的目标电压，网侧变流器模块的控制模块输入量为直流母线电压指令U_dc ^*和无功功率指令Q_g ^*，输出量为网侧变流器模块交流侧的目标电压。机侧变流器模块和网侧变流器模块的目标电压分别经过机侧变流器SVPWM调制模块和网侧变流器SVPWM调制模块得到机侧变流器模块和网侧变流器模块的控制脉冲信号。触发脉冲信号直接送给机侧变流器模块和网侧变流器模块中，控制机侧变流器模块和网侧变流器模块的开断。机侧变流器模块和网侧变流器模块调制出相应的目标电压，从而实现机侧和网侧的控制目标。

在上述这种小步长下做并网仿真的仿真时间长，占用内存大、计算量大，也由此产生了一系列问题：如无法快速反应系统对参数变化的敏感程度，大规模风电并网的仿真速度很慢且对电脑内存要求较高，有时由于机组模型过多导致仿真无法进行等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PSCAD的永磁直驱风电机组仿真模型简化结构，在PSCAD环境下对永磁直驱发电机（下面简称PMSG）仿真模型的简化结构。为了解决以上问题，本发明首次提出了将影响计算速度的机侧变流器模块和网侧变流器模块等效简化成机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块的接线结构。根据机侧变流器模块和网侧变流器模块的控制原理将模型中机侧变流器模块和网侧变流器模块省略，直接用机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块代替，来模拟机侧变流器模块和网侧变流器模块输出的端口电压。这样，模型中原本需要大量计算的机侧变流器模块和网侧变流器模块就被计算量小的机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块代替，用机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块分别与电机和电网相连，而且不影响模型的控制原理及外部特性，为大规模仿真提供了支持。下面结合附图来详细说明。

图2为本发明的简化模型主电路结构图。

本发明的简化模型中包括风力机模块、永磁直驱发电机模块、机侧可控电压源模块、机侧可控电压源模块的控制模块、网侧可控电压源模块、网侧可控电压源模块的控制模块、网侧滤波电感、无穷大电网。

风力机模块通过传动链与永磁直驱发电机模块相连接，永磁直驱发电机模块与机侧可控电压源模块相连接，网侧可控电压源模块通过网侧滤波电感与无穷大电网相连接。

机侧可控电压源模块的控制模块和网侧可控电压源模块的控制模块部分，机侧可控电压源模块的控制模块的输入信号为功率指令P_s ^*和d轴电流指令i_sd ^*，输出为电机端口目标电压，将这个目标电压作为机侧可控电压源模块的控制信号，来实现永磁直驱发电机模块的控制目标。网侧可控电压源模块的控制模块的输入信号为d轴电流指令i_d ^*和q轴电流指令i_q ^*，输出为并网点目标电压，将这个目标电压作为网侧可控电压源模块的控制信号，实现网侧电路的控制目标。

本发明简化模型在PSCAD永磁直驱风力发电机仿真模型中省略了机侧变流器模块和网侧变流器模块部分,同时也去掉了机侧变流器SVPWM调制模块和网侧变流器SVPWM调制模块和直流稳压电容模块。机侧变流器模块和网侧变流器模块分别用机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块代替，用机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块输出的电压来模拟原机侧变流器模块和网侧变流器模块端口处产生的调制电压。经过机侧可控电压源模块的控制模块和网侧可控电压源模块的控制模块，得到原机侧变流器模块和网侧变流器模块端口的目标电压作为机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块的控制信号。通过图1和图2的对比可以看出，本发明的仿真模型中都不存在电力电子器件，这样就大幅度减少了计算时间。

控制的实现主要是依靠控制变流器端口电压从而影响线路上的电流来实现控制目标。而本发明则根据该原理将模型中机侧变流器模块和网侧变流器模块省略，直接用图2中机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块代替，来模拟机侧变流器模块和网侧变流器模块输出的端口电压。下面介绍具体替代方法。

永磁直驱发电机的数学模型是

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right.$

式中u_sd、u_sq为永磁直驱发电机模块机端电压dq分量，R_s为定子电阻，L_sd、L_sq为定子同步电抗dq轴分量，w为电机转速，ψ_f为永磁铁磁链。

将经过控制后得到的目标电压dq轴分量u_sd、u_sq，在本发明中将u_sd、u_sq经过反派克变换得到三相abc坐标下的目标电压，并将这三相目标电压作为电压指令分别给到代替机侧变流器模块的三个机侧可控电压源模块，从而完成机侧的控制。

网侧变流器模块的数学模型是

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}=R_g{i}_{\mathrm{gd}}+L_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gd}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_1{L}_g{i}_{\mathrm{gq}}+V_{\mathrm{gd}}\\ u_{\mathrm{gq}}=R_g{i}_{\mathrm{gq}}+L_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gq}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_1{L}_g{i}_{\mathrm{gd}}+V_{\mathrm{gq}}\\ C\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{de}}}{\mathrm{dt}}=S_d{i}_{\mathrm{gd}}+S_q{i}_{\mathrm{gq}}-i_{\mathrm{toad}}\end{array}\right.$

式中，u_gd和u_gq分别为电网电压的d、q轴分量，i_gd和i_gq分别为输入到原网侧变流器模块电流的d、q轴分量，V_gd和V_gq分别为原网侧变流器模块交流侧输出电压的d、q轴分量，S_d和S_q分别为开关函数的d、q轴分量。

从图2可以看出，该模型中省略了直流稳压电容模块部分，定向方式为电网电压矢量定向，满足关系式

u_gq=0

故网侧可控电压源模块的控制模块的d轴电流指令i_gd ^*可直接通过功率方程

P=1.5u_gdi_gd

计算得出。

q轴电流指令i_gq ^*为0，来实现单位因数功率运行。

经过控制后得到网侧变流器模块的目标电压V_gd、V_gq，在本发明中将这两个dq坐标下的目标电压做反派克变换得到三相abc坐标下的指令电压，作为代替网侧变流器模块的网侧可控电压源模块的电压指令，从而完成网侧控制。

本发明型的有益效果为，在完成原模型的控制功能，且不影响并网的外部特性前题下，提高了仿真效率，大幅减小仿真运算时间，节省了内存占用，并且电路简单，容易实现。

附图说明

图1为原始模型结构图。

图2为本发明的简化模型结构图。

具体实施方式

本发明的简化模型中包括风力机模块、永磁直驱发电机模块、机侧可控电压源模块、机侧可控电压源模块的控制模块、网侧可控电压源模块、网侧可控电压源模块的控制模块、网侧滤波电感、无穷大电网。

风力机模块通过传动链与永磁直驱发电机模块相连接，永磁直驱发电机模块与机侧可控电压源模块相连接，网侧可控电压源模块通过网侧滤波电感与无穷大电网相连接。

机侧可控电压源模块的控制模块和网侧可控电压源模块的控制模块部分，机侧可控电压源模块的控制模块的输入信号为功率指令P_s ^*和d轴电流指令i_sd ^*，输出为电机端口目标电压，将这个目标电压作为机侧可控电压源模块的控制信号，来实现永磁直驱发电机模块的控制目标。网侧可控电压源模块的控制模块的输入信号为d轴电流指令i_d ^*和q轴电流指令i_q ^*，输出为并网点目标电压，将这个目标电压作为网侧可控电压源模块的控制信号，实现网侧电路的控制目标。

本发明简化模型在PSCAD永磁直驱风力发电机仿真模型中省略了机侧变流器模块和网侧变流器模块部分,同时也去掉了机侧变流器SVPWM调制模块和网侧变流器SVPWM调制模块和直流稳压电容模块。机侧变流器模块和网侧变流器模块分别用机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块代替，用机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块输出的电压来模拟原机侧变流器模块和网侧变流器模块端口处产生的调制电压。经过机侧可控电压源模块的控制模块和网侧可控电压源模块的控制模块，得到原机侧变流器模块和网侧变流器模块端口的目标电压作为机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块的控制信号。通过图1和图2的对比可以看出，本发明的仿真模型中都不存在电力电子器件，这样就大幅度减少了计算时间。

控制的实现主要是依靠控制变流器端口电压从而影响线路上的电流来实现控制目标。而本发明则根据该原理将模型中机侧变流器模块和网侧变流器模块省略，直接用图2中机侧可控电压源模块和网侧可控电压源模块代替，来模拟机侧变流器模块和网侧变流器模块输出的端口电压。下面介绍具体替代方法。

永磁直驱发电机的数学模型是

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right.$

式中u_sd、u_sq为永磁直驱发电机模块机端电压dq分量，R_s为定子电阻，L_sd、L_sq为定子同步电抗dq轴分量，w为电机转速，ψ_f为永磁铁磁链。

将经过控制后得到的目标电压dq轴分量u_sd、u_sq，在本发明中将u_sd、u_sq经过反派克变换得到三相abc坐标下的目标电压，并将这三相目标电压作为电压指令分别给到代替机侧变流器模块的三个机侧可控电压源模块，从而完成机侧的控制。

网侧变流器模块的数学模型是

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}=R_g{i}_{\mathrm{gd}}+L_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gd}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_1{L}_g{i}_{\mathrm{gq}}+V_{\mathrm{gd}}\\ u_{\mathrm{gq}}=R_g{i}_{\mathrm{gq}}+L_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gq}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_1{L}_g{i}_{\mathrm{gd}}+V_{\mathrm{gq}}\\ C\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{de}}}{\mathrm{dt}}=S_d{i}_{\mathrm{gd}}+S_q{i}_{\mathrm{gq}}-i_{\mathrm{toad}}\end{array}\right.$

式中，u_gd和u_gq分别为电网电压的d、q轴分量，i_gd和i_gq分别为输入到原网侧变流器模块电流的d、q轴分量，V_gd和V_gq分别为原网侧变流器模块交流侧输出电压的d、q轴分量，S_d和S_q分别为开关函数的d、q轴分量。

从图2可以看出，该模型中省略了直流稳压电容模块部分，定向方式为电网电压矢量定向，满足关系式

u_gq=0

故网侧可控电压源模块的控制模块的d轴电流指令i_gd ^*可直接通过功率方程

P=1.5u_gdi_gd

计算得出。

q轴电流指令i_gq ^*为0，来实现单位因数功率运行。

经过控制后得到网侧变流器模块的目标电压V_gd、V_gq，在本发明中将这两个dq坐标下的目标电压做反派克变换得到三相abc坐标下的指令电压，作为代替网侧变流器模块的网侧可控电压源模块的电压指令，从而完成网侧控制。

本发明型的有益效果为，在完成原模型的控制功能，且不影响并网的外部特性前题下，提高了仿真效率，大幅减小仿真运算时间，节省了内存占用，并且电路简单，容易实现。

Claims (3)

1.一种基于PSCAD的永磁直驱风电机组仿真模型简化结构，其特征在于，包括风力机模块、永磁直驱发电机模块、机侧可控电压源模块、机侧可控电压源模块的控制模块、网侧可控电压源模块、网侧可控电压源模块的控制模块、网侧滤波电感、无穷大电网；

风力机模块通过传动链与永磁直驱发电机模块相连接，永磁直驱发电机模块与机侧可控电压源模块相连接，网侧可控电压源模块通过网侧滤波电感与无穷大电网相连接；

机侧可控电压源模块的控制模块和网侧可控电压源模块的控制模块部分，机侧可控电压源模块的控制模块的输入信号为功率指令P_s ^*和d轴电流指令i_sd ^*，输出为电机端口目标电压，将这个目标电压作为机侧可控电压源模块的控制信号，来实现永磁直驱发电机模块的控制目标；网侧可控电压源模块的控制模块的输入信号为d轴电流指令i_d ^*和q轴电流指令i_q ^*，输出为并网点目标电压，将这个目标电压作为网侧可控电压源模块的控制信号，实现网侧电路的控制目标。

2.根据权利要求1所述的仿真模型简化结构，其特征在于，永磁直驱发电机的数学模型是：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=R_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_{\mathrm{sd}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{sq}}=R_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_{\mathrm{sq}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω}{L}_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right.$

式中u_sd、u_sq为永磁直驱发电机模块机端电压dq分量，R_s为定子电阻，L_sd、L_sq为定子同步电抗dq轴分量，w为电机转速，ψ_f为永磁铁磁链。

3.根据权利要求1所述的仿真模型简化结构，其特征在于，网侧变流器模块的数学模型是：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{gd}}=R_g{i}_{\mathrm{gd}}+L_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gd}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_1{L}_g{i}_{\mathrm{gq}}+V_{\mathrm{gd}}\\ u_{\mathrm{gq}}=R_g{i}_{\mathrm{gq}}+L_g\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{gq}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_1{L}_g{i}_{\mathrm{gd}}+V_{\mathrm{gq}}\\ C\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{de}}}{\mathrm{dt}}=S_d{i}_{\mathrm{gd}}+S_q{i}_{\mathrm{gq}}-i_{\mathrm{toad}}\end{array}\right.$

式中，u_gd和u_gq分别为电网电压的d、q轴分量，i_gd和i_gq分别为输入到原网侧变流器模块电流的d、q轴分量，V_gd和V_gq分别为原网侧变流器模块交流侧输出电压的d、q轴分量，S_d和S_q分别为开关函数的d、q轴分量。

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