CN105808810A - 一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，包括步骤1：将永磁同步电机的标幺化参数转换为具有SI单位制的有名值参数；步骤2：将电励磁同步电机的参数和永磁同步电机的参数进行转换；步骤3：将新的电励磁同步电机的参数进行标幺化；步骤4：用仿真软件建立恒励磁电流控制器模型，计算励磁电流初始参考值；步骤5：构建永磁同步电机模型的等效模型；步骤6：构建永磁风电机组模型。与现有技术相比，本发明提供的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，采用模型库中缺失永磁电机模型的现有部分电力系统商业软件建立永磁同步电机模型或者包含永磁同步电机的相关系统，解决了因永磁同步电机模型缺失带来的现实难题。

Description

一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法

技术领域

本发明涉及新能源发电建模与仿真技术领域，具体涉及一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法。

背景技术

近年来，变速恒频风力发电技术成为新能源发电领域的研究热点。相比恒速恒频风电机组，变速恒频风电机组可以通过变流器控制发电机转速，在较宽的风速变化范围内实现最大风能捕获，使风能利用率大幅提高。直驱永磁风电机组是变速恒频风电机组中的一种，其采用全功率变流器与电网相连，能够在电网故障情况下，快速向电网提供无功功率，调节系统电压，现已被证实其在低电压运行方面具有出色的性能。

风电机组模型的研究大体有统一化和个性化两个方向。统一化模型主要站在电网角度，结合机电暂态仿真对模型的需求，通过忽略模拟快速动态特性环节，对模型进行合理简化；个性化模型则是立足于风电机组自身，从其物理结构出发，可以反映机组各部分及整体的运行特性，通常用以设计和完善控制系统。不同于统一化风电机组模型忽略发电机定、转子及变流器开关的动态过程，将并网接口采用受控电流源等效，个性化风电机组模型需对发电机、变流器等进行建模。直驱永磁风电机组中的发电机通常采用永磁同步发电机，该电机采用永磁体励磁，转子上无励磁绕组。由于现有部分电力系统商业仿真软件模型库中尚无永磁同步发电机模型，给采用这些软件实现直驱永磁风电机组模型带来困难。幸运的是，除采用的励磁方式存在差异外，永磁同步发电机与电励磁同步电机在运行特性上具有很大程度的相似性，从而为采用永磁同步发电机等效电励磁同步电机带来可能。因此，需要提供一种能够有效解决缺失永磁同步电机模型的现有部分电力系统商业仿真软件建立直驱永磁风电机组时带来的难题。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法。

本发明的技术方案是：

所述方法包括：

步骤1：依据永磁同步电机的标幺基值系统，将所述永磁同步电机的标幺化参数转换为具有SI单位制的有名值参数；

步骤2：依据电励磁同步电机的数学模型及其运算电路，和所述永磁同步电机的数学模型及其运算电路，将所述电励磁同步电机的参数和永磁同步电机的参数进行转换，得到用永磁同步电机的参数表示的新的电励磁同步电机的参数；

步骤3：依据电励磁同步电机的标幺基值系统，将所述新的电励磁同步电机的参数进行标幺化；

步骤4：用仿真软件建立恒励磁电流控制器模型，计算励磁电流初始参考值；

步骤5：依据所述仿真软件中的电励磁同步发电机模型和所述恒励磁电流控制器模型，构建永磁同步电机模型的等效模型；

步骤6：依据所述永磁同步电机模型的等效模型，构建永磁风电机组模型。

优选的，所述永磁同步电机的标幺基值系统为所述永磁同步电机进行标幺化实际采用的标幺基值系统；

优选的，所述电励磁同步电机的标幺基值系统为所述仿真软件的模型库中电励磁同步电机采用的标幺基值系统；

优选的，所述仿真软件为其模型库中缺少永磁电机模型的电力系统仿真软件；

优选的，所述步骤4中恒励磁电流控制器模型包括第一PI控制器和第二PI控制器；

所述第一PI控制器的输入信号I_in为电流给定值i_eref和电励磁同步电机的励磁电流i_e之间的差值，I_in＝i_eref-i_e；

所述第二PI控制器的输入信号U_in为第一PI控制器的输出信号U_tref和电励磁同步电机的机端电压之间的差值U_t，U_in＝U_tref-U_t；所述第二PI控制器的输出信号U_e为电励磁同步电机的励磁电压；

优选的，所述仿真软件采用PSASP或者DigSILENTPowerFactory。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

本发明提供的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，采用模型库中缺失永磁电机模型的现有部分电力系统商业软件建立永磁同步电机模型或者包含永磁同步电机的相关系统，例如直驱永磁同步风电机组，解决了因永磁同步电机模型缺失带来的现实难题。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法流程图；

图2：本发明实施例中恒励磁电流控制器模型示意图；

图3：本发明实施例中直驱永磁同步风电机组各模块连接示意图；

图4：本发明实施例中基于DigSILENTPowerFactory的直驱永磁风电机组模型示意图；

图5：本发明实施例中测试系统结构示意图；

图6：本发明实施例中风速阶跃波变化形示意图；

图7：图5所示风速条件下并网点电压变化波变化形示意图；

图8：图5所示风速条件下有功功率变化波形示意图；

图9：图5所示风速条件下无功功率变化波形示意图；

图10：图5所示风速条件下机端母线电压变化波形示意图；

图11：图5所示风速条件下桨距角波变化形示意图；

图12：图5所示风速条件下机械功率变化波形示意图；

图13：图5所示风速条件下励磁电流变化波形示意图；

图14：本发明实施例中三相短路条件下并网点电压变化波变化形示意图；

图15：本发明实施例中三相短路条件下有功功率变化波形示意图；

图16：本发明实施例中三相短路条件下无功功率变化波形示意图；

图17：本发明实施例中三相短路条件下机端母线电压变化波形示意图；

图18：本发明实施例中三相短路条件下发电机转速变化波形示意图；

图19：本发明实施例中三相短路条件下励磁电流变化波形示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，通过亨利次电流控制器保持电励磁同步电机励磁电流恒定，并结合电励磁同步电机与永磁同步电机之间的参数转换，完成励磁电流初始参考值计算，以保证采用电励磁同步电机实现直驱永磁同步风电机组模型的有效性和准确性，其实施例如图1所示，具体步骤为：

1、依据永磁同步电机的标幺基值系统，将永磁同步电机的标幺化参数转换为具有SI单位制的有名值参数。

本实施例中永磁同步电机的标幺基值系统为永磁同步电机进行标幺化实际采用的标幺基值系统。

2、依据电励磁同步电机的数学模型及其运算电路，和永磁同步电机的数学模型及其运算电路，将电励磁同步电机的参数和永磁同步电机的参数进行转换，得到用永磁同步电机的参数表示的新的电励磁同步电机的参数。

3、依据电励磁同步电机的标幺基值系统，将新的电励磁同步电机的参数进行标幺化。

本实施例中电励磁同步电机的标幺基值系统为仿真软件的模型库中电励磁同步电机采用的标幺基值系统。

4、用仿真软件建立恒励磁电流控制器模型，计算励磁电流初始参考值。

如图2所示，本实施例中恒励磁电流控制器模型包括第一PI控制器和第二PI控制器，其中，

第一PI控制器的输入信号I_in为电流给定值i_eref和电励磁同步电机的励磁电流i_e之间的差值，I_in＝i_eref-i_e；第二PI控制器的输入信号U_in为第一PI控制器的输出信号U_tref和电励磁同步电机的机端电压之间的差值U_t，U_in＝U_tref-U_t；第二PI控制器的输出信号U_e为电励磁同步电机的励磁电压。

5、依据仿真软件中的电励磁同步发电机模型和所述恒励磁电流控制器模型，构建永磁同步电机模型的等效模型。

本实施例中仿真软件为其模型库中缺少永磁电机模型的电力系统仿真软件，例如仿真软件可以采用PSASP或者DigSILENTPowerFactory。

6、依据永磁同步电机模型的等效模型，构建永磁风电机组模型。

本发明中采用DigSILENTPowerFactory仿真软件对直驱永磁同步风电机组模型构建方法的有效性和正确性进行验证，直驱永磁同步风电机组的风力机与发电机直接相连，将风能转化为频率和幅值变化的交流电，然后经过变流器变换为三相恒幅交流电送至电网。具体为：

图3示出了采用电励磁同步电机代替永磁同步电机构建的直驱永磁同步风电机组模型架构，该模型架构中除了电励磁同步电机和恒励磁电流控制器外，还包括机械部分及其控制、机侧变流器及其控制、网侧变流器及其控制、故障穿越与紧急控制、风速和测量模块。

图4示出了采用DigSILENTPowerFactory仿真软件实现的模型构架，U_e为励磁电压、i_e为励磁电流、U_t为机端电压、P_m为机械转矩、V_gen为发电机转速、V_wind为风速、P_term为发电机输出的有功功率、U_term为机端母线电压、Q_grid为变流器向电网发出的无功功率、U_dc为直流侧电压、i_dlim为低电压穿越器件机侧变流器有功电流限幅、i_qfault为网侧变流器支撑电网的无功电流、L_out为故障紧急控制切机逻辑，f_sys为系统频率。

图5示出了采用美国西部电力协调委员会提供的典型风力发电机向大电网送电的测试系统示意图，并依据该测试系统分别设置风速阶跃和三相短路故障扰动对系统响应情况进行测试。其中，风电机组额定功率为100MW，系统基准功率为100MWA，R₁、X₁、B₁分别为线路1的等效电阻、电抗和电纳，R₂、X₂、B₂分别为线路2的等效电阻、电抗和电纳，R_t、X_t分别为变压器1的等效电阻和电抗，R_e、X_e、B_e分别为集结等效系统的等效电阻、电抗和电纳，R_te、X_te分别为等效发电机升压变压器2的等效电阻和电抗。R₁＝R₂＝0.025pu，X₁＝X₂＝0.25pu，B₁＝B₂＝0.05pu，R_t＝0，X_t＝0.10pu，R_e＝0.015pu，X_e＝0.025pu，B_e＝0.01pu，R_te＝0，X_te＝0.05pu。

1、风速阶跃对系统响应情况进行测试

如图6所示，当t＝4s时，风速V_wind从11m/s上升至13m/s，20s后，风速再次提升1m/s，达到15m/s。本实施例中设置的风速阶跃不一定与实际相符，仅是为了验证所建立模型的合理性和正确性。

如图7和10所示，由于变流器将电网与发电机有效隔开，因此相比于机端母线电压由于风速阶跃而产生的变化，并网点母线电压变化甚微。当t＝4s时，风速V_wind从11m/s上升至13m/s，由于变流器完全响应风速的变化需要一个过程，因此多余的能量转变为机组轴系的动能和向直流电容充电，使机组转速和机端母线电压上升，伴随着风电机组能量输入与输出达到新的平衡点，机端母线电压逐渐复原，如图8所示有功功率由于风速的维持停留在最大出力点。因为风电机组的轴系具有惯性，机组转速上升至阈值需要一定时间，如图11所示桨距角动过滞后于有功功率达到最大出力时间点。当t＝4s时，风速V_wind从13m/s上升至15m/s，由于阶跃时刻风电机组处于满发状态，因此桨距角立即响应，以减少风力机组对风能的捕获，对于第二次风速的阶跃，机端母线电压与有功功率变化很小。如图9和13所示两次风速阶跃扰动的情况下，无功功率与发电机励磁电流基本不变，说明直驱永磁同步风电机组模型中，有功与无功功率控制环节充分解耦，且恒励磁电流控制器动作正确有效。如图12所示两次风速阶跃扰动后的接卸功率振荡与风电机组轴系采用两质块模型有关，这一现象与实际情况相符。

2、三相短路故障扰动对系统响应情况进行测试

当t＝5.0s时，34.5kV线路中点处发生三相短路，0.1s后故障清除，仿真结果如图14-10所示。如图14所示34.5kV线路发生三相短路，由于变流器将电网与发电机解耦，电网侧的变化不会在机侧得到充分响应，因此相比机端母线电压，并网点母线电压的波动较为明显。机端母线电压的振荡则与发电机的动态特性密切相关。短路瞬间，伴随着网侧电压的迅速下降，风电机组向电网注入的有功功率减少，此时由于机组轴系的惯性与变流器及其控制系统完全响应的延时，致使风电机组转速与机端母线电压上升。根据模型中保护模块的设定，当并网点电压降至0.9p.u.以下时，风电机组应对电网提供无功电流，以支撑电网电压。当三相短路发生瞬间，并网点电压迅速降低，此时无功支撑电流与测量环节等因延时而不能立即响应指令，在故障发生0.03s内，风电机组从电网吸收无功功率，随后才向电网发出无功功率，支撑电网电压。同样，故障恢复瞬间，电网电压迅速恢复，由于部分环节响应延时，无功功率与并网点电压均出现短暂冲击。随着短路故障清除，风电机组各物理量逐渐恢复，其中，有功功率按照设定的回复速率进行爬升，而爬升至故障前出力后仍继续增加，与最大功率跟踪环节采用的转速-功率插值表有关。在三相短路故障情况下，发电机励磁电流快速有效跟踪初始给定参考值，以维持转子磁场恒定。

综合上述分析结果可得，采用发电机等效方法建立的直驱永磁同步风电机组模型各模块的输出对于扰动响应有效合理，且在风速扰动和三相短路故障条件下，提供给电励磁同步电机以维持恒定转子磁场的励磁电流均能快速有效跟踪其初始给定值。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域谱通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：依据永磁同步电机的标幺基值系统，将所述永磁同步电机的标幺化参数转换为具有SI单位制的有名值参数；

步骤2：依据电励磁同步电机的数学模型及其运算电路，和所述永磁同步电机的数学模型及其运算电路，将所述电励磁同步电机的参数和永磁同步电机的参数进行转换，得到用永磁同步电机的参数表示的新的电励磁同步电机的参数；

步骤3：依据电励磁同步电机的标幺基值系统，将所述新的电励磁同步电机的参数进行标幺化；

步骤4：用仿真软件建立恒励磁电流控制器模型，计算励磁电流初始参考值；

步骤5：依据所述仿真软件中的电励磁同步发电机模型和所述恒励磁电流控制器模型，构建永磁同步电机模型的等效模型；

步骤6：依据所述永磁同步电机模型的等效模型，构建永磁风电机组模型。

2.如权利要求1所述的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，其特征在于，所述永磁同步电机的标幺基值系统为所述永磁同步电机进行标幺化实际采用的标幺基值系统。

3.如权利要求1所述的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，其特征在于，所述电励磁同步电机的标幺基值系统为所述仿真软件的模型库中电励磁同步电机采用的标幺基值系统。

4.如权利要求1所述的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，其特征在于，所述仿真软件为其模型库中缺少永磁电机模型的电力系统仿真软件。

5.如权利要求1所述的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，其特征在于，所述步骤4中恒励磁电流控制器模型包括第一PI控制器和第二PI控制器；

所述第一PI控制器的输入信号I_in为电流给定值i_eref和电励磁同步电机的励磁电流i_e之间的差值，I_in＝i_eref-i_e；

所述第二PI控制器的输入信号U_in为第一PI控制器的输出信号U_tref和电励磁同步电机的机端电压之间的差值U_t，U_in＝U_tref-U_t；所述第二PI控制器的输出信号U_e为电励磁同步电机的励磁电压。

6.如权利要求1所述的一种直驱永磁同步风电机组模型构建方法，其特征在于，所述仿真软件采用PSASP或者DigSILENTPowerFactory。