CN106055817B - 用于电磁暂态分析的双馈异步发电机双工况模型建模方法 - Google Patents

用于电磁暂态分析的双馈异步发电机双工况模型建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于电磁暂态分析的双馈异步发电机空载、并网双工况模型建模方法，采用隐式梯形法对转子运动方程、电压和磁链方程的连续模型进行离散化并基于Simulink建立双馈异步发电机机械部分仿真模型、空载和并网发电两种工况下电气部分的仿真模型；基于SimPowerSystem建立了双馈异步发电机的双工况接口电路模型；在此基础上，通过对双馈异步发电机空载和并网发电两种工况下电气部分仿真模型的切换机制进行设计，建立了能够用于双馈异步发电机空载并网过程电磁暂态特性分析的双工况仿真模型。本方法建立的双馈异步发电机的双工况仿真模型，能够作为基础模块用于双馈风电机组空载并网控制策略及双馈风电机组空载并网对微网稳定运行影响等领域的研究，具有较高的运行效率。

Description

用于电磁暂态分析的双馈异步发电机双工况模型建模方法
技术领域
本发明属于电力系统仿真领域，具体地说，是涉及一种适用于电磁暂态分析的双馈异步发电机空载、并网双工况模型建模方法。
背景技术
变速恒频双馈风电机组是目前应用最为广泛的风电机组类型，能够通过对其双馈异步发电机转子励磁电流的控制进行最大风能追踪，具有较高的风能利用效率。近年来，通过将双馈风电机组与其它分布式电源组成微网，成为进一步提高风电利用率的有效措施。但微网内的电源大都以逆变器作为接口，缺乏惯性，双馈风电机组空载并网瞬间将会对微网产成冲击，影响其稳定运行。
仿真是研究和分析电力系统稳定性的有效手段。Simulink/SimPowerSystem(SPS)是国内外通用的电磁暂态仿真工具，提供了风力机、变频器、双馈异步电机等丰富的内置模块。国内外已利用SPS建立了双馈风电机组并网发电工况下的仿真模型，并已将其应用于微网控制策略研究等方面。由于SPS内置的双馈异步发电机模块无法对发电机的空载工况进行仿真，国内外在对双馈风电机组的空载并网过程进行仿真时，通常忽略机组变频器和外部电网的特性，直接利用S函数编程建立双馈异步发电机空载和并网工况下的仿真模型，并利用使能模块使两种模型在并网瞬间实现切换。但利用上述方法所建立的双馈异步发电机模型没有与变频器和外部电气模块的接口，只适用于研究理想情况下双馈风电机组的空载并网控制策略，无法将其与SPS内置的风力机、变频器等模块进行连接，以用于双馈风电机组空载并网的电磁暂态过程分析及其对微网稳定运行影响的研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提出了一种适用于电磁暂态分析的双馈异步发电机空载、并网双工况模型建模方法，利用所提方法建立的模型主要包括双馈异步发电机机械部分的仿真模型、空载和并网发电两种工况下电气部分的仿真模型、双工况接口电路模型以及两种工况下电气部分仿真模型在发电机并网瞬间的切换机制。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种用于电磁暂态分析的双馈异步发电机双工况模型建模方法，分别建立双馈异步发电机机械部分的仿真模型、双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下电气部分的仿真模型、双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下接口电路模型，以及两种工况下电气部分仿真模型在发电机并网瞬间的切换机制，将上述所建模型进行连接得到双馈异步发电机的双工况仿真模型。
而且，所述双馈异步发电机机械部分的仿真模型是采用隐式梯形法对转子运动方程的连续模型进行离散化而得的，该模型的数学公式为：
双馈异步发电机机械部分的仿真模型基于Simulink建立，以Te、Tm作为输入，以ωr、θr作为状态变量和输出。
而且，所述的双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下电气部分的仿真模型是采用隐式梯形法对相应工况下发电机电压与磁链方程的连续模型进行离散化而得的，其中：
双馈异步发电机空载工况下电气部分的仿真模型的数学公式为：
双馈异步电机空载工况下电气部分的仿真模型基于Simulink建立，以作为输入，以和作为输出，以作为状态变量；
双馈异步发电机并网发电工况下电气部分的仿真模型的数学公式为：
双馈异步发电机并网工况下电气部分的仿真模型基于Simulink建立，以作为输入，以作为输出，以作为状态变量。
而且，所述的双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下接口电路模型是采用SimPowerSystem内置的受控源模块建立的，通过将接口电路端口的测量电压作为发电机电气部分仿真模型的输入，并将电气部分仿真模型的输出作为接口电路中受控源模块的控制信号，建立发电机电气部分仿真模型与外部电源和变频器电气模块的连接。
而且，双馈异步发电机的定子接口电路模型在空载工况下表现为电压源，在并网发电工况下表现为电流源；双馈异步发电机的转子接口电路模型在空载和并网发电两种工况下均表现为电流源。
而且，所述的两种工况下电气部分仿真模型在发电机并网瞬间的切换机制是在并网瞬间直接对发电机双工况接口电路模型中受控源模块的控制信号进行切换。
而且，所述的切换机制须将两种工况下电气部分仿真模型的初始状态均设为0，并以空载工况下电气部分仿真模型的输入与输出作为并网发电工况下电气部分仿真模型的输入，同时对两种工况下电气部分的仿真模型进行计算。
本发明利用隐式梯形法对双馈异步发电机的转子运动方程进行离散化，根据所得离散模型并基于Simulink建立双馈异步发电机机械部分的模块化仿真模型；利用隐式梯形法对双馈异步发电机空载和并网发电工况下的电压与磁链方程进行离散化，根据所得离散模型并基于Simulink分别建立双馈异步发电机空载和并网发电两种工况下电气部分的模块化仿真模型；基于SPS内置的受控电流源模块和受控电压源模块建立双馈异步发电机的双工况接口电路模型；对所建双馈异步发电机空载和并网发电两种工况下电气部分仿真模型的切换机制进行设计，在此基础上，将所建双馈异步发电机的机械部分仿真模型、空载和并网发电两种工况下电气部分的仿真模型以及双工况接口电路模型进行连接，从而建立起双馈异步发电机的双工况仿真模型。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明利用隐式梯形法对双馈异步发电机空载和并网发电两种工况下的数学模型进行离散化，并根据所得离散数学模型建立了双馈异步发电机空载和并网发电工况下的模块化仿真模型，所建模型能够对双馈异步发电机空载和并网发电工况下的运行特性进行准确模拟。
2、本发明建立了双馈异步发电机的双工况接口电路模型，并对所建双馈异步发电机空载和并网发电两种工况下电气部分仿真模型在并网瞬间的切换机制进行了设计，使所建模型能够对双馈异步发电机空载并网的电磁暂态过程进行仿真。
3、本发明所建立的双馈异步发电机的双工况仿真模型，能够作为基础模块用于双馈风电机组空载并网控制策略及双馈风电机组空载并网对微网稳定运行影响等领域的研究，并具有较高的运行效率。
4、本发明所建立的双馈异步发电机的双工况仿真模型，能够作为基础模块用于任何含有双馈异步发电机的系统的空载并网电磁暂态过程的仿真。
附图说明
图1为双馈异步发电机机械部分的模块化仿真模型。
图2为双馈异步发电机空载工况下电气部分的模块化仿真模型。
图3为双馈异步发电机并网发电工况下电气部分的模块化仿真模型。
图4为双馈异步发电机的双工况接口电路模型。
图5为双馈异步发电机的双工况仿真模型。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
以一台额定容量为1.55MVA的双馈异步发电机为例，其额定电压为690V，根据双馈异步发电机的空载并网运行原理建立其双工况仿真模型，步骤如下：
1.建立双馈异步发电机的数学模型
双馈异步发电机的数学模型主要由运动方程、电压与磁链方程构成。在空载和并网发电工况下，双馈异步发电机的运动方程保持不变，可表示为：
式中：H为双馈异步发电机的惯性时间常数；ωr、θr分别为双馈异步发电机转子的转速和位置角；Te、Tm分别为双馈异步发电机的电磁转矩和机械转矩；F为阻尼系数。
双馈异步发电机并网发电运行时，其在dq轴同步旋转坐标系下的电压与磁链方程可分别表示为：
式中：usq、usd、urq、urd分别为双馈异步发电机定子和转子电压的dq分量；ψsq、ψsd、ψrq、ψrd分别为双馈异步发电机定子和转子磁链的dq分量；isq、isd、irq、ird分别为双馈异步发电机定子和转子电流的dq分量；rs、rr分别为双馈异步发电机定子和转子的电阻；ls、lr、lm分别为双馈异步发电机的定子电感、转子电感及定转子互感；ωb为转速基准值；s为双馈异步发电机的转差率。
双馈异步发电机空载运行时，其定子电流为0，即isq＝isd＝0，其在dq轴同步旋转坐标系下的电压与磁链方程可分别表示为：
为便于推导，将式(2)至(5)重新表示为：
式中：上标“b”和“k”分别表示双馈异步发电机运行于并网发电和空载工况；ψsr＝[ψs；ψr]为磁链向量，其中ψs＝[ψsq,ψsd]T、ψr＝[ψrq,ψrd]T；Usr＝[Us；Ur]为电压向量，其中Us＝[usq,usd]T、Ur＝[urq,urd]T；Isr＝[Is；Ir]为电流向量，其中Is＝[isq,isd]T、Ir＝[irq,ird]T。R＝diag(rs,rs,rr,rr)，Rr＝diag(rr,rr)，Ls＝diag(ls,ls)，Lr＝diag(lr,lr)，Lm＝diag(lm,lm)， A＝-(RL-1+W)，
2.建立双馈异步发电机空载和并网发电工况下机械和电气部分的仿真模型
(1)双馈异步发电机机械部分的仿真模型
由于双馈异步发电机的转子运动方程在空载和并网发电两种工况下保持不变，因此，双馈异步发电机两种工况下的机械部分仿真模型也是相同的。利用隐式梯形法对式(1)进行离散化可得：
式中：Ts为仿真步长。通过对式(8)进行分析，双馈异步发电机机械部分的仿真模型可以Te、Tm作为输入，以ωr、θr作为状态变量和输出。因此，根据式(8)并基于Simulink可建立起双馈异步发电机机械部分的模块化仿真模型，如图1所示。
(2)双馈异步发电机空载工况下电气部分的仿真模型
利用隐式梯形法对式(7)进行离散化可得：
通过对式(9)进行分析，双馈异步电机空载工况下电气部分的仿真模型可以作为输入，以和作为输出，以作为状态变量。因此，根据式(9)并基于Simulink可建立起双馈异步发电机空载工况下电气部分的模块化仿真模型，如图2所示。
(3)双馈异步发电机并网发电工况下电气部分的仿真模型
利用隐式梯形法对式(6)进行离散化可得：
通过对式(10)进行分析，双馈异步发电机并网工况下电气部分的仿真模型可以作为输入，以作为输出，以作为状态变量。因此，根据式(10)并基于Simulink可建立起双馈异步发电机并网工况下电气部分的模块化仿真模型，如图3所示。
3.建立双馈异步发电机的双工况接口电路模型
空载工况下，双馈异步发电机的定子电流为0，其转子电压由外部变频器给定、定子电压则通过控制转子磁链进行调整；并网发电工况下，双馈异步发电机的定子和转子电压分别由外部电网和变频器给定。根据双馈异步发电机的空载并网运行原理，利用SPS内置的受控电流源模块和受控电压源模块建立了双馈异步发电机的双工况接口电路模型，如图4所示。通过将接口电路端口的测量电压作为发电机电气部分仿真模型的输入，并将电气部分仿真模型的输出作为接口电路中受控源模块的控制信号，就建立了发电机电气部分仿真模型与外部电源和变频器等电气模块的连接。
图4中，双馈异步发电机转子的接口电路在空载和并网发电两种工况下保持不变，由受控电流源模块并联而成；双馈异步发电机定子的接口电路由空载支路经断路器模块与并网支路并联而成，其空载和并网发电支路分别由受控电压源模块串联和受控电流源模块并联而成。对于双馈异步发电机的定子接口电路：空载工况下并网信号Connection为0，断路器模块闭合，并将并网支路上受控电流源模块的电流信号设为0，并网支路就相当于断路，定子接口电路就表现为电压源；并网发电工况下并网信号Connection变为1，断路器模块断开，空载支路就相当于断路，定子接口电路就表现为电流源。
4.建立双馈异步发电机的双工况仿真模型
双馈异步发电机空载并网瞬间，其定子和转子的电流不会发生突变。因此，为建立双馈异步发电机的双工况仿真模型，在上述建模基础上，还须对双馈异步发电机空载和并网发电两种工况下电气部分仿真模型的切换机制进行设计，使双馈异步发电机的双工况接口电路在并网瞬间无电流突变产生，从而实现对双馈异步发电机空载并网电磁暂态过程的仿真。
稳定状态下，式(6)和(7)中磁链的动态过程可以忽略，于是可得：
式中：
将式(13)代入式(14)可得：
若令则将式(11)和(12)代入式(15)可得：
式中：
通过分析可知，恒大于零，则式(16)存在唯一零解，即
进一步将式(17)代入式(11)可得：
又由于B12＝WeLm，于是有
通过上述分析可知，若在仿真的初始时刻，将双馈异步发电机空载和并网发电两种工况下电气部分仿真模型的初始状态均设为0，即令并以空载工况下电气部分仿真模型的输入与输出作为并网发电工况下电气部分仿真模型的输入，同时对两种模型进行仿真计算，将使两种模型在每一仿真步长内具有相同的电流输出，即因此，在双馈异步发电机空载并网瞬间，本发明直接对双工况接口电路模型中受控电流源模块的控制信号进行切换，即由空载工况下电气部分仿真模型控制切换为由并网发电工况下电气部分仿真模型进行控制，就能实现对双馈异步发电机空载并网电磁暂态过程的仿真，双馈异步发电机的双工况仿真模型如图5所示。

Claims (6)

1.一种用于电磁暂态分析的双馈异步发电机双工况模型建模方法，其特征在于：分别建立双馈异步发电机机械部分的仿真模型、双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下电气部分的仿真模型、双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下接口电路模型，以及两种工况下电气部分仿真模型在发电机并网瞬间的切换机制，将上述所建模型进行连接得到双馈异步发电机的双工况仿真模型，所述的双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下接口电路模型是采用SimPowerSystem内置的受控源模块建立的，通过将接口电路端口的测量电压作为发电机电气部分仿真模型的输入，并将电气部分仿真模型的输出作为接口电路中受控源模块的控制信号，建立发电机电气部分仿真模型与外部电源和变频器电气模块的连接。
2.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述双馈异步发电机机械部分的仿真模型是采用隐式梯形法对转子运动方程的连续模型进行离散化而得的，该模型的数学公式为：
双馈异步发电机机械部分的仿真模型基于Simulink建立，以Te、Tm作为输入，以ωr、θr作为状态变量和输出，
其中：H为双馈异步发电机的惯性时间常数，Ts为仿真步长，F为阻尼系数，ωr、θr分别为双馈异步发电机转子的转速和位置角；Te、Tm分别为双馈异步发电机的电磁转矩和机械转矩。
3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述的双馈异步发电机空载及并网发电两种工况下电气部分的仿真模型是采用隐式梯形法对相应工况下发电机电压与磁链方程的连续模型进行离散化而得的，其中：
双馈异步发电机空载工况下电气部分的仿真模型的数学公式为：
双馈异步电机空载工况下电气部分的仿真模型基于Simulink建立，以作为输入，以和作为输出，以作为状态变量；
其中：上标k表示双馈异步发电机运行于空载工况，Ts为仿真步长，Ur＝[urq,urd]T，urq、urd分别为双馈异步发电机转子电压的dq分量，ψr＝[ψrq,ψrd]T，ψrq、ψrd分别为双馈异步发电机转子磁链的dq分量，Us＝[usq,usd]T，usq、usd分别为双馈异步发电机定子电压的dq分量，ωb为转速基准值，Lm＝diag(lm,lm)，lm为双馈异步发电机定转子互感，Lr＝diag(lr,lr)，lr为双馈异步发电机的转子电感，Rr＝diag(rr,rr)，rr为双馈异步发电机转子的电阻，其中s为双馈异步发电机的转差率，
双馈异步发电机并网发电工况下电气部分的仿真模型的数学公式为：
双馈异步发电机并网工况下电气部分的仿真模型基于Simulink建立，以作为输入，以作为输出，以作为状态变量，
其中：上标b表示双馈异步发电机运行于并网发电工况，ψsr＝[ψs；ψr]为磁链向量，ψs＝[ψsq,ψsd]T，ψsq、ψsd分别为双馈异步发电机定子磁链的dq分量，Usr＝[Us；Ur]为电压向量，Ur＝[urq,urd]T，urq、urd分别为双馈异步发电机转子电压的dq分量，Ts为仿真步长，ωb为转速基准值，A＝-(RL-1+W)，R＝diag(rs,rs,rr,rr)，rs、rr分别为双馈异步发电机定子和转子的电阻，Ls＝diag(ls,ls)，Lr＝diag(lr,lr)，Lm＝diag(lm,lm)，ls、lr、lm分别为双馈异步发电机的定子电感、转子电感及定转子互感，
4.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：双馈异步发电机的定子接口电路模型在空载工况下表现为电压源，在并网发电工况下表现为电流源；双馈异步发电机的转子接口电路模型在空载和并网发电两种工况下均表现为电流源。
5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述的两种工况下电气部分仿真模型在发电机并网瞬间的切换机制是在并网瞬间直接对发电机双工况接口电路模型中受控源模块的控制信号进行切换。
6.根据权利要求5所述的建模方法，其特征在于：所述的切换机制须将两种工况下电气部分仿真模型的初始状态均设为0，并以空载工况下电气部分仿真模型的输入与输出作为并网发电工况下电气部分仿真模型的输入，同时对两种工况下电气部分的仿真模型进行计算。
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