CN104201716A - 一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，可以模拟永磁直驱风电机组的输出特性，适用于大规模风电场接入系统的分析，为多风机系统提供了模型支撑。本发明利用PSCAD仿真工具平台构建了所述风电机组简化模型，通过比较电磁全阶模型和机电暂态简化模型在恒定风速下的仿真结果，采用所述简化模型由于不计及变流器中晶闸管的通断，省略了电力电子开关过程的模拟，仿真时间大为缩短。通过分析计算精度和仿真时耗，该简化模型在保证一定的计算精度下，可以大幅提高计算速度，当风机台数增加时，仿真效率提高更加明显。最后，在电网故障情况下通过跨仿真平台PSCAD和PSASP具体的量化分析，进一步验证了模型的正确性。

Description

一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法
技术领域
本发明涉及一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，属新能源发电并网技术领域。
背景技术
风力发电是目前发展最成熟的新能源发电技术，随着风电装机的越来越大，风电并网对系统产生很大的影响。近年来尤其是永磁直驱风电机组因其维护成本低、噪声小、效率高，具有较好的低电压穿越能力、运行可靠而备受青睐，因此研究永磁直驱风电在电网故障下的输出特性成为热点，大多数文献研究的是电磁暂态模型，包括风力机、传动链、发电机、变流器和控制系统的电磁全阶模型，主要研究对风机的控制，可以精确反映风电机组的运行特性，但是其求解费时，仿真计算工作量大，数值收敛性差，用于大规模风电场接入系统影响的时候，较为复杂，计算速度慢。风电模型的仿真精度和仿真速度之间存在矛盾，一般需要根据不同的研究需要在两者之间取得某一程度的折中。
发明内容
本发明的目的是，为了克服上述技术中存在的问题，本发明提供了一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，在保证一定的计算精度下，可以大幅提高计算速度，且当风电机组增加时，速度提高的更加明显，这样就适合大规模的电力系统的计算。
实现本发明的技术方案是，首先详细的研究了直驱风电机组通用模型，并在分析PMSG原理的基础上，针对其中的发电机-变流器模型，提出了一种基于可控电流源的简化方法，将发电机-变流器模型等值为代数运算的可控电流源。
本发明方法将直驱风电机组通用模型中发电机-变流器模型等值为代数运算的可控电流源，模拟永磁直驱风电机组的输出特性，通过在PSCAD仿真环境下搭建模型；所述模型包括发电机/变流器模型、电气控制模型和风力机及桨距控制模型。
本发明提出的简化方法，在PSCAD仿真软件平台中搭建了对应的简化模型，在此平台上比较电磁全阶模型和机电暂态简化模型在恒定风速下的仿真结果，采用机电模型由于不计及变流器中晶闸管的通断，省略了电力电子开关过程的模拟，仿真时间大为缩短，在相同的仿真步长下，简化模型比全阶模型计算时间明显缩短，同等简化程度的模型在机组台数增加时，仿真效率提高明显。
本发明研究的直驱风电机组通用模型根据GE公司的风电机组进行建模，主要用于大型风电场的正序相量时域仿真分析。完整的直驱风机模型包括：发电机/变流器模型(WT3G)、电气控制模型(WT3E)、风力机及桨距控制模型(WT3W)，永磁直驱风机整体框图如图1所示。
其中，Pgen、Qgen为发电机输出有功功率和无功功率，Ipcmd、E″qcmd为控制有功的电流和无功的电压指令，Pord、Qcmd为有功和无功功率指令。电气控制根据机端电压、发电机转速偏差和Pgen、Qgen计算生成Ipcmd、E″qcmd、Pord、Qcmd，Ipcmd、E″qcmd指令输入发电机和变流器，同时根据机端电压计算输出Pgen、Qgen，Pord、Qcmd与发电机转速偏差输入风力机计算生成桨距角，该桨距角与发电机输出的Pgen共同输入风力机计算生成发电机转速及其偏差。
本发明中发电机和变流器等效模型是风电机组和电力系统的接口，与传统的发电机不同，发电机—变流器模型等值为代数运算的可控电流源，其控制框图如图2所示。由于变流器的电气控制响应速度快，等值了励磁系统动态特性。发电机模型从系统中读取母线电压Vterm，根据电气控制部分提供的控制变量，包括控制无功的励磁电压指令E"qcmd和控制有功的电流指令Ipcmd，计算注入并网点的电流I；有功电流指令Ipcmd经过一阶惯性环节1/(1+0.02s)得到受控电流源电流有功电流分量Ip，有功电流分量与机端电压Vterm相乘得到有功功率P，励磁电压E″qcmd经过一阶惯性环节1/(1+0.02s)再根据无功计算公式(E"q-Vterm)Vterm/X"得到无功功率Q，其中E″q为机端电动势，x"是发电机等效次暂态电抗；根据复电流计算公式I＝((P+jQ)/Vterm)*得到注入系统的可控电流源I。与详细直驱风电机组模型相比，该部分将PMSG七阶模型等效为二阶可控电流源，并省略了变流器，忽略电磁暂态过程，保留机电特性，大大节省了计算时间和计算量，计算速度大幅度提高。
本发明中电气控制模型模拟了风力发电机输出功率控制部分，包括有功控制和无功控制两个环节，控制器监测发电机无功功率Qgen和端电压Vterm，计算励磁电压E″qcmd和有功电流指令Ipcmd。为了调节为Qgen给定值，对Vterm进行闭环控制，得到Qcmd，与Qgen形成闭环负反馈控制，经过一级积分加上限幅环节，与Vterm形成负反馈控制，最后经过第二个积分外加限幅环节，得到E″qcmd，有功电流命令Ipcmd由风力机模型输出的Pord除以发电机端电压Vterm得到。电气控制模型控制框图如图3和图4所示，图3为风力发电机无功控制环节，图4为风力发电机有功控制环节。
本发明风力机模型包括了桨距角控制及转矩控制，最大风能追踪(MPPT)得到发电机转速指令，经过惯性环节，与发电机转速作差，转速偏差经过转矩控制(PI)，而后乘以发电机转速，经过惯性环节计算生成有功指令，转速偏差还参与桨距角控制，经过PI，和转矩角补偿相加，得到桨距角。风力机模型控制框图如图5所示。
本发明的有益效果是，本发明提出的一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，将直驱风电机组详细模型中的发电机-变流器模型等值为代数运算的可控电流源，模拟永磁直驱风电机组的输出特性，通过在PSCAD仿真环境下搭建模型，通过模拟三相电压跌落至20％，风电机组简化模型在故障时运行特性趋势基本相同，其具体表现为故障期间有功降低，转速、短路电流上升，故障恢复时有功、转速等恢复原始状态，进一步验证了简化模型的正确性。在研究风电场并网时，采用机电暂态模型可大大缩短仿真时间，提高仿真效率。
附图说明
图1为永磁直驱风机整体框图；
图2为发电机—变流器模型控制框图；
图3为电气控制模型控制框图(风力发电机无功控制环节)；
图4为电气控制模型控制框图(风力发电机有功控制环节)；
图5为风力机模型控制框图；
图6为直驱风机仿真测试系统；
图7为发电机—变流器模型；
图8为电器控制模型(模拟有功的解耦控制)；
图9为电器控制模型(模拟无功的解耦控制)；
图10为风力机及控制模型；
图11a～11b为三相短路机电模型运行特性机端电压有效值对比图；
图12a～12b为三相短路机电模型运行特性转子转速波形对比图；
图13a～13b为三相短路机电模型运行特性A相输出电流有效值对比图；
图14a～14b为三相短路机电模型运行特性输出有功和无功波形对比图；
其中：a图为基于PSCAD机电模型仿真结果；b图为基于PSASP机电模型仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作更进一步的说明。
基于直驱风电机组通用模型和等值简化原理，在PSCAD仿真平台中搭建了对应的简化模型如图6所示。
该模型包括电气主电路、发电机/变流器、电气控制、风力机及传动轴系几部分，如图7－图10所示，其中所用的风机参数为：
1)发电机/变流器模型：次暂态电抗x"＝0.55，发电机额定功率PG＝1.5MW，额定转速ωg＝18.3rpm，发电机惯性时间常数Tj＝1.14s；
2)电气控制系统模型
Zc＝0，Tr＝0.05，Tv＝0.15，kpv＝20，kiv＝2，Qmax＝0.1，Qmin＝-0.001，Vmax＝1.1，Vmin＝0.9，kQi＝0.05，kVi＝30，XIQmax＝0.3，XIQmin＝-0.35,Ipmax＝1.1；
3)风力机模型与传动链模型
桨距角控制比例系数kpp＝150，桨距角控制积分系数kip＝25，叶片惯性时间常数Tp＝0.3，桨距角上限θmax＝27°，桨距角下限θmin＝0°桨距角变化率上限(dθ/dt)max＝10°/s，桨距角变化率下限，(dθ/dt)min＝-10°/s，矩控制比例系数kptrq＝3，转矩控制积分系数kitrq＝0.6。转矩控制惯性时间常数Tpc＝0.05。桨距角补偿比例系数kpc＝3，桨距角补偿积分系数kic＝30，R＝35.2m，风力机惯性时间常数Tj＝7.64s，额定转速ωt＝18.3rpm。
为了验证简化原理和直驱风电机组简化模型的合理性，在PSCAD平台上对两类模型进行了稳态及暂态过程情况下的仿真对比。
(一)恒定风速
为验证PSCAD机电简化模型仿真结果的正确性，以电磁全阶模型仿真结果为参考对象，在同一仿真平台PSCAD上，主要从计算精度和计算速度上对比分析。仿真步长分别设置为20us和2us，仿真时长为15s，风速采用恒定风速8m/s，模型分别采用电磁全阶模型和机电暂态模型，耗时对比结果如表1所示。
表1电磁全阶和机电暂态简化模型仿真精度对比分析
从表1可以看出，PMSG采用机电模型由于不计及变流器中晶闸管的通断，省略了电力电子开关过程的模拟，仿真时间大为缩短，在相同的仿真步长下，简化模型比全阶模型计算时间明显缩短，同等简化程度的模型在机组台数增加时，仿真效率提高的越明显。
表2电磁全阶和机电暂态模型仿真精度对比分析
从表2可以看出，采用机电暂态模型时，风机输出误差都没有超过3％，具有良好的可比性，其中输出功率误差较大，主要是全阶模型考虑了开关损耗，输出功率相对较小，但是精度在一定的可以接受的范围，从表1和表2可以看出，机电暂态模型在保证一定的精度的情况下可以显著提高计算速度。
利用不同的仿真平台PSCAD和PSASP，比较在恒定风速8m/s的仿真结果，如表3所示。
表3不同仿真平台下机电暂态模型仿真精度对比分析
从仿真结果可知，基于PSCAD的机电模型与基于PSASP的机电模型在恒定风速工况下的运行特性误差都不超过1％，较好的实现了在风速变化时最大风能追踪的目标。由此可见，基于PSCAD的机电模型与基于PSASP的机电模型保持良好的一致性。
(二)电网故障(三相短路)
直驱风电机组运行在恒定风速8m/s下，在10s时电网三相电压跌落至20％，(《风电场接入电网技术规定》中的电网电压跌落幅度的极限值为20％)并持续0.625s，基于PSCAD的机电模型与基于PSASP的机电模型运行特性对比结果如图11～14所示。图11a～11b为三相短路机电模型运行特性机端电压有效值对比图，图12a～12b为三相短路机电模型运行特性转子转速波形对比图，图13a～13b为三相短路机电模型运行特性A相输出电流有效值对比图；图14a～14b为三相短路机电模型运行特性输出有功和无功波形对比图。
其中：11a、12a、13a、14a为基于PSCAD机电模型仿真结果；11b、12b、13b、14b为基于PSASP机电模型仿真结果。
由仿真图形可以看出，在电网电压突然跌落时，发电机定子端电压发生突变如图11a，由于电网电压的降落导致PMSG产生的电能不能全部送出，如图14a，故障期间由于采用单位功率因数控制，故无功经过一个短暂的波动恒定在0Mvar；输出有功降低，而此时风力机吸收的风能又不会明显变化，因此这部分未能输出的能量将消耗在机组内部。即故障瞬间机组输出有功减小，机械功率大于电磁功率，导致发动机转子加速，如图12a；而ωref不变，所以Δω会增加，通过PI调节，导致有功电流分量增加，影响着电磁转矩使之增加，将会提供瞬时的故障电流，而且瞬时电流存在较大的直流分量，三相电流瞬时最大。在电压跌落期间稳态过程中三相电流波形存在较大畸变，并在电压恢复之后电流波形恢复正常。当电网电压发生跌落过程中和电网电压恢复时，直驱风电机定子绕组与转子绕组均中产生了较大的电流，这种情况在电网电压跌落和恢复时刻更为明显,如图13a在故障发生和电压恢复的瞬时，输出电流有效值出现一个很大的峰值，而在故障期间一直存在一个很大的故障电流。故障切除后电压恢复，在外部故障消失后，控制器增加机组输出的有功功率转速恢复，直到达到新的稳态。
比较电网电压三相短路PMSG运行特性发现，机组在故障时运行特性趋势相同，均是故障期间有功降低，转速、短路电流上升，故障恢复时有功、转速等恢复原始状态，进一步验证了简化模型的正确性。
对比利用本发明提出的简化方法所搭建的机电暂态简化模型的优越性及输出特性，在恒定风速下以电磁全阶模型为参考对象，通过计算精度和仿真耗时分析验证，简化模型在不失计算精度的情况下，可大幅提高计算速度，且当机组台数增加时，仿真效率提高的越明显。通过跨平台的仿真对比，无论在稳态及暂态过程的分析都进一步的验证了所建模型的正确性。

Claims (4)

1.一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，其特征在于，
所述方法将直驱风电机组通用模型中发电机-变流器模型等值为代数运算的可控电流源，模拟永磁直驱风电机组的输出特性，通过在PSCAD仿真环境下搭建模型；所述模型包括发电机/变流器模型、电气控制模型和风力机及桨距控制模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，其特征在于，所述发电机/变流器模型将PMSG七阶非线性动态模型等效为二阶可控电流源，使发电机—变流器模型大大简化，由于变流器的电气控制响应速度快，等值了励磁系统动态特性；发电机模型从系统中读取母线电压Vterm，根据电气控制部分提供的控制变量，包括控制无功的励磁电压指令E"qcmd和控制有功的电流指令Ipcmd，计算注入并网点的电流I；
所述有功电流指令Ipcmd经过一阶惯性环节1(1+0.02s)得到受控电流源电流有功电流分量Ip，有功电流分量与机端电压Vterm相乘得到有功功率P，励磁电压E″qcmd经过一阶惯性环节1(1+0.02s)再根据无功计算公式(E"q-Vterm)Vterm/X"得到无功功率Q，根据复电流计算公式I＝((P+jQ)/Vterm)*，得到注入系统的可控电流源I；上述式中，x"是发电机等效次暂态电抗；E″q为机端电动势；S为秒。
3.根据权利要求1所述的一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，其特征在于，所述电气控制模型模拟了风力发电机输出功率控制部分，包括有功控制和无功控制两个环节，控制器监测发电机无功功率Qgen和端电压Vterm，计算励磁电压E″qcmd和有功电流指令Ipcmd；为了调节为Qgen给定值，对Vterm进行闭环控制，得到Qcmd，与Qgen形成闭环负反馈控制，经过一级积分加上限幅环节，与Vterm形成负反馈控制，最后经过第二个积分外加限幅环节，得到E″qcmd，有功电流命令Ipcmd由风力机模型输出的Pord除以发电机端电压Vterm得到。
4.根据权利要求1所述的一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，其特征在于，所述风力机模型包括桨距角控制及转矩控制，最大风能追踪(MPPT)得到发电机转速指令，经过惯性环节，与发电机转速作差，转速偏差经过转矩控制(PI)，而后乘以发电机转速，经过惯性环节计算生成有功指令，转速偏差还参与桨距角控制，经过PI，和转矩角补偿相加，得到桨距角。
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