CN105468842A - 一种简化的双馈风电系统模型及建模方法 - Google Patents

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郭润生
王小波
云平平
何彩红
赵莉莉
张劭嘉
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明提供一种简化的双馈风电系统建模方法,属于电力元件建模的技术领域;建模方法简单、仿真时间较短、仿真效果较好;采用的技术方案为:一种简化的双馈风电系统模型,包括发电机、背靠背的受控电压源和控制模块,所述发电机的定子与外接电网系统的线路相连,所述的发电子的转子通过背靠背的受控电压源与外接电网系统的线路相连,所述的控制模块分别与第一受控电压源的控制端子和第二受控电压源的控制端子均相连;所述背靠背的受控电压源包括2个受控电压源组,分别用于与外接交流系统的三相交流电路相连,所述每组受控电压源组均包括:第一受控电压源和第二受控电压源;适用于电力系统。

Description

一种简化的双馈风电系统模型及建模方法
技术领域
[0001] 本发明一种简化的双馈风电系统模型及建模方法,属于电力元件建模的技术领 域。
背景技术
[0002] 随着能源的消耗和环境问题的日益突出,开发利用绿色能源越来越受到人们的重 视,传统的以化石燃料为能量来源的发电方式正在向以太阳能、风能和水能等为能量来源 的新型发电方式转变;其中风力发电容量所占的比例逐年提高,其中双馈风力发电机占很 大比例,因此对双馈风电系统的自身特性和并网特性需要进行深入地研究。
[0003] 建模仿真以其可重复性和准确性,现在已经成为研究电力系统特性的重要手段, 目前仿真研究基于原有双馈风电系统模型,原有双馈风电系统模型虽然能够非常准确地模 拟真实情况,但是由于它包含了大量的器件,具有复杂的结构和控制器件,严重制约了仿真 速度。
[0004]造成上述问题的主要原因在于:目前的双馈风电系统为了实现对风力的最大功率 跟踪,使用了背靠背变流器元件,它包含12个开关器件,一般采用PWM控制技术,具有复杂的 控制触发结构和高频率的触发方式,导致每一次仿真都需要耗费大量的时间,甚至出现大 规模仿真不能进行的情况,这对于研究不同情况下双馈风电系统的特性来说是非常费时费 力的。因此,一种能够对现有双馈风电模型中变流器元件进行简化的模型及建模方法,对于 提高对双馈风电系统的认识、缩短仿真时间、提高仿真效率和提高风电场仿真规模都有重 要意义。
发明内容
[0005] 本发明克服现有技术存在的不足,所要解决的技术问题为:提供一种建模方法简 单、仿真时间较短、仿真效果较好的双馈风电系统模型及建模方法。
[0006] 为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
[0007] 一种简化的双馈风电系统模型,包括发电机、受控电压源模块和控制模块,所述发 电机的定子与外接电网系统的线路相连,所述的发电机的转子通过受控电压源模块与外接 电网系统的线路相连,所述的控制模块与受控电压源模块的控制端相连;所述受控电压源 模块包括第一受控电压源组和第二受控电压源组,所述第一受控电压源组和第二受控电压 源组均包括3个受控电压源;所述第一受控电压源组中的每个受控电压源的电压端分别与 发电子转子的三相电源相连,所述第一受控电压源组中的每个受控电压源的控制端分别与 控制模块的转子侧控制单元相连;所述第二受控电压源组中的每个受控电压源的电压端分 别与外接电网系统的线路的三相电源相连,所述第第二受控电压源组中的每个受控电压源 的控制端分别与控制模块的电网侧控制单元相连;所述双馈风电系统模型还包括:功率测 量模块,所述的功率测量模块包括功率测量端子Ml和功率测量端子M2,所述功率测量端子 Ml和功率测量端子M2分别连接有第一受控电流源和第二受控电流源,所述第一受控电流源 和第二受控电流源之间并接有电容元件c。
[0008] 所述第一受控电流源和第二受控电流源的电流大小由受控电压源模块的功率和 电容元件C两端的电压确定。
[0009] 本发明中,一种简化的双馈风电系统模型的建模方法,包括以下步骤:
[0010] 步骤S1:将发电机的定子与外接电网系统的线路相连,并将发电机的转子通过受 控电压源模块与外接电网系统的线路相连;
[0011] 步骤S2:将受控电压源模块的控制端与控制模块相连,并通过控制模块,控制受控 电压源模块的电压输出;
[0012] 步骤S3:通过功率测量端子Ml和M2分别测量受控电压源模块与发电子的转子连接 处的功率以及受控电压源模块与外接电网系统的线路相连处的功率,并记为:P1和P2;
[0013]步骤S4:测量电容元件C两侦啲电压,并记为:udc;
[0014] 步骤S5:根据步骤S3和步骤S4,计算第一受控电流源和第二受控电流源的电流值。
[0015] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果:
[0016] 1、本发明省去了原有双馈风电系统中的变流器开关器件和相应的PWM触发控制电 路,模型搭建的复杂程度大为降低,建模时间也大为缩短,且可保证系统稳态和暂态特性相 同,实用性极强。
[0017] 2、本发明在保持原有双馈风电系统特性基本不变的情况下,通过忽略PWM高频触 发控制的仿真运算,使得简化模型的仿真速度大大提高,大幅度减小仿真所需时间,提高仿 真效率;本发明极大的简化了原有双馈风电系统的模型结构,提高了仿真的速度,对实现大 规模的双馈风电系统建模仿真具有重要意义。
附图说明
[0018] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0019] 图1为现有双馈风电系统模型示意图;
[0020] 图2为本发明中的双馈风电系统模型示意图;
[0021 ]图3为本实施例中电网电压对称跌落至75 %时的电压波形图;
[0022]图4为本实施例中本发明模型与原有风电系统模型在并网电压对称跌落至75%时 的A相电流波形对比图;
[0023] 图中,1为发电机,2为受控电压源模块,3为控制模块,4为第一受控电压源组,5为 第二受控电压源组,6为转子侧控制单元,7为电网侧控制单元,8为第一受控电流源,9为第 二受控电流源。
具体实施方式
[0024] 如图1至图4所示,一种简化的双馈风电系统模型,包括发电机1、受控电压源模块2 和控制模块3,所述发电机1的定子与外接电网系统的线路相连,所述的发电机1的转子通过 受控电压源模块2与外接电网系统的线路相连,所述的控制模块3与受控电压源模块2的控 制端相连;所述受控电压源模块2包括第一受控电压源组4和第二受控电压源组5,所述第一 受控电压源组4和第二受控电压源组5均包括3个受控电压源;所述第一受控电压源组4中的 每个受控电压源的电压端分别与发电机1转子的三相电源相连,所述第一受控电压源组4中 的每个受控电压源的控制端分别与控制模块3的转子侧控制单元6相连;所述第二受控电压 源组5中的每个受控电压源的电压端分别与外接电网系统的线路的三相电源相连,所述第 二受控电压源组5中的每个受控电压源的控制端分别与控制模块3的电网侧控制单元7相 连;所述风电系统模型还包括:功率测量端子Ml和功率测量端子M2,所述功率测量端子Ml和 功率测量端子M2分别连接有第一受控电流源8和第二受控电流源9,所述第一受控电流源8 和第二受控电流源9之间并接有电容元件C。
[0025] 具体地,所述第一受控电流源8和第二受控电流源9的电流大小由受控电压源模块 2的功率和电容元件C两侧的电压确定。
[0026] 本发明中,一种简化的双馈风电系统建模方法,其特征在于:所述方法包括以下步 骤:
[0027] 步骤S1:将发电机1的定子与外接电网系统的线路相连,并将发电机1的转子通过 受控电压源模块2与外接电网系统的线路相连;
[0028] 步骤S2:将受控电压源模块2的控制端与控制模块3相连,并通过控制模块,控制受 控电压源模块2的电压输出;
[0029] 步骤S3:通过功率测量端子Ml和M2分别测量受控电压源模块2与发电机1的转子连 接处的功率以及受控电压源模块2与外接电网系统的线路相连处的功率,并记为:P1和P2;
[0030] 步骤S4:测量电容元件C两侧的电压,并记为:Udc;
[0031] 步骤S5:计算第一受控电流源8和第二受控电流源9的电流值。
[0032] 本发明所述的双馈风电系统建模方法主要目的在于:保证具有与原有风电系统模 型相同特性的基础上,实现模型仿真的快速性,即缩短仿真时间;本发明同样适用于含电压 型变流器的系统,下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。
[0033] 如图1、图2所示:首先,在原有双馈风电系统模型的基础上,将整个变流器分成开 关器件、PWM调制电路和控制模块三部分,并断开PWM调制电路与开关器件引脚的电气连接、 控制模块的控制信号与PWM调制电路的连接,然后去掉PWM调制电路。
[0034] 其次,去掉原有风电系统模型中变流器的开关器件部分,用6个受控电压源代替形 成本发明中的受控电压源模块2,所述的6个受控电压源以3个受控电压源为一组,连接到原 来变流器连接的三相交流电路的位置;将原有风电系统模型中的控制模块作为本发明中的 控制模块3,所述控制模块3的输出作为受控电压源模块2的控制信号,直接控制受控电压源 模块2,使之输出所需要的电压;该过程中,所需要的电压不再经过P丽调制电路生成,从而 实现了简化;本实施例中,控制模块3的输出电压一般在dq坐标系下为两相,可以通过下式 变换成abc三相,作为受控电压源模块2的控制信号;
[0035]
Figure CN105468842AD00051
[0036] 此式为Park反变换,其中Θ为dq坐标糸中d轴与abc坐标系中a轴的夹角。
[0037]具体地,在原有风电系统模型中保留电容元件C,如果原有风电系统模型中有 chopper电路也一并保留;在电容元件C两侧并联两个受控电流源,分别为:第一受控电流源 8和第二受控电流源9,用于模拟真实模型中电容两侧变流器的能量流动,并通过功率测量 端子Ml和M2可知受控电压源模块2与交流侧的能量交换值,用此值除以电容电压u dc便可得 到两侧受控电流源的电流,即以此作为受控电流源的控制信号;
[0038] 进一步地,电容元件C节点,根据基尔霍夫电流定律,如图2所示,电流关系可以用 以下式子来表示:
Figure CN105468842AD00061
[0039]
[0040] 兴十:以、^乃:^:;1^^&;:£««1'莫块两端的功率,灿。为电容(3两端的电压。
[0041 ]本实施例中,式(2)为不考虑chopper电路的情况;如果考虑chopper电路,则在式 (2)中的右边减去一个经过电阻的电流。
[0042]再次,连接好上述部分并保留电路的其它部分完整;至此,本发明的双馈风电系统 模型就完成了。
[0043]如图3、图4所示,本实施例中,为了验证简化模型的正确性,对原有风电系统模型 和本发明的模型进行相同条件下的仿真测试。
[0044]具体地,使用PSCAD/EMTDC仿真软件在同一台电脑上进行仿真,仿真时间都设置为 3s,并且在Is时刻设置双馈风机并网电压对称跌落,跌落至额定电压的75%,记录仿真完成 所需的实际时间,并且对比暂态特性,主要以双馈风机的暂态电流为例来说明;通过仿真, 原有风电系统模型耗时31.031s,简化模型耗时4.685s,可以看出使用简化模型的仿真速度 是原有风电系统模型的6.6倍,因此简化模型可以大大缩短仿真时间,提高仿真效率,这一 点在规模较大的建模仿真中体现的更为明显;从精度上来讲,可以看到,双馈风机的电流在 原有风电系统模型和本发明模型中几乎一样,因此简化模型具有很高的准确性,保留了原 有风电系统模型的基本特性。
[0045]综合上述分析,本发明提出的双馈风电系统的简化模型与原有风电系统模型相 比,在保证仿真精度的前提下,将仿真速度提高了接近6倍,大大缩短了仿真时间,提高了仿 真效率,而且对于其他含有变流器元件的仿真效率的提高也具有很高的借鉴参考意义;具 有突出的实质性特点和显著的进步,上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明,但是 本发明并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱 离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (3)

1. 一种简化的双馈风电系统模型,其特征在于:包括发电机(1)、受控电压源模块(2)和 控制模块(3),所述发电机(1)的定子与外接电网系统的线路相连,所述的发电机(1)的转子 通过受控电压源模块(2)与外接电网系统的线路相连,所述的控制模块(3)与受控电压源模 块(2)的控制端相连; 所述受控电压源模块(2)包括第一受控电压源组(4)和第二受控电压源组(5),所述第 一受控电压源组(4)和第二受控电压源组(5)均包括3个受控电压源;所述第一受控电压源 组(4)中的每个受控电压源的电压端分别与发电子(1)转子的三相电源相连,所述第一受控 电压源组(4)中的每个受控电压源的控制端分别与控制模块(3)的转子侧控制单元(6)相 连;所述第二受控电压源组(5)中的每个受控电压源的电压端分别与外接电网系统的线路 的三相电源相连,所述第第二受控电压源组(5)中的每个受控电压源的控制端分别与控制 模块(3)的电网侧控制单元(7)相连; 所述双馈风电系统模型还包括:功率测量模块,所述的功率测量模块包括功率测量端 子Ml和功率测量端子M2,所述功率测量端子Ml和功率测量端子M2分别连接有第一受控电流 源(8)和第二受控电流源(9),所述第一受控电流源(8)和第二受控电流源(9)之间并接有电 容元件C。
2. 根据权利要求1所述的一种简化的双馈风电系统模型,其特征在于:所述第一受控电 流源(8)和第二受控电流源(9)的电流大小由受控电压源模块(2)的功率和电容元件C两端 的电压确定。
3. 根据权利要求1或2任一所述的一种简化的双馈风电系统模型的建模方法,其特征在 于:所述方法包括以下步骤: 步骤S1:将发电机(1)的定子与外接电网系统的线路相连,并将发电机(1)的转子通过 受控电压源模块(2)与外接电网系统的线路相连; 步骤S2:将受控电压源模块(2)的控制端与控制模块(3)相连,并通过控制模块(3),控 制受控电压源模块(2)的电压输出; 步骤S3:通过功率测量端子Ml和M2分别测量受控电压源模块(2)与发电子(1)的转子连 接处的功率以及受控电压源模块(2)与外接电网系统的线路相连处的功率,并记为:P1和 P2; 步骤S4:测量电容元件C两侧的电压,并记为:Udc; 步骤S5:根据步骤S3和步骤S4,计算第一受控电流源(8)和第二受控电流源(9)的电流 值。
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