CN106527174B - 一种风电机组电压源仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电机组电压源仿真系统，包括风力机模块、变桨模块、轴系模块、控制模块、保护模块和电压源模块；风力机模块与轴系模块相互连接；变桨模块连接至风力机模块、且与控制模块相互连接；轴系模块与控制模块相互连接、且连接至保护模块；控制模块分别连接至保护模块与电压源模块。本发明提出的系统灵活、开放、可维护性好且可扩展性好；适用于空间尺度上多机组数量、复杂电网结构的仿真环境需求，适用于时间尺度上自毫秒级至秒级大范围跨度的仿真步长需求，同时适用于所有主流风电机组类型及其典型控制特性、涉网保护特性的仿真实现需求，并且其不受限于仿真软件平台，准确且高效的实现跨软件平台的参数兼容。

Description

一种风电机组电压源仿真系统

技术领域

本发明涉及新能源发电领域，具体涉及一种风电机组电压源仿真系统。

背景技术

电网的规划设计及调度运行均以大容量同步发电机的特性为基础，如火力发电和水力发电等。但是风力发电机组与传统同步发电机相比容量小、数量多，并且风电机组的高可控性导致不同厂家甚至是同一厂家不同型号风电机组的动态特性差异较大。随着风力发电在电网中渗透率的不断增加，风电并网的安全稳定运行问题也日益突出。为了辅助风力发电并网的规划设计和调度运行，需要深入研究和全面评价风力发电的并网特性及其与并网标准的符合性。但是无论以风电场形式还是以分布式形式，风力发电的并网特性都无法全部通过测试手段获得，尤其是故障穿越特性，因此需要通过仿真手段对风力发电的并网特性进行仿真模拟。风电机组作为风力发电的关键单元，其仿真模型的准确性对风电并网仿真结果的真实性和可信性有重要的影响。并且风电并网仿真所涉及的风电机组数量多、电网结构复杂，对风电机组模型的仿真效率有较高的要求。因此，一种适用于风电并网仿真的准确、高效的仿真模型架构是风电机组建模的基础。

风电机组是技术成熟和组成复杂的发电设备，涵盖机械、机电、电气、电磁、电子等技术领域。目前通用的风电机组技术类型可分为4类，包括定速风电机组、可变转子电阻风电机组、双馈风电机组、全功率变频风电机组。由于不同风电机组技术的实现原理和结构不同，一般针对4类风电机组分别根据特定的模型架构进行建模，易造成此类模型架构的通用性和可扩展性较差。并且一般风电机组仿真模型架构对风电机组涉网保护没有根据电网仿真需求做明确的界定，不适用于风电并网仿真的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供的一种风电机组电压源仿真系统，该系统灵活、开放、可维护性好且可扩展性好；适用于空间尺度上多机组数量、复杂电网结构的仿真环境需求，适用于时间尺度上自毫秒级至秒级大范围跨度的仿真步长需求，同时适用于所有主流风电机组类型及其典型控制特性、涉网保护特性的仿真实现需求，并且其不受限于仿真软件平台，可准确且高效的实现跨软件平台的参数兼容。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种风电机组电压源仿真系统，所述系统包括风力机模块、变桨模块、轴系模块、控制模块、保护模块和电压源模块；

所述风力机模块与所述轴系模块相互连接；

所述变桨模块连接至所述风力机模块、且与所述控制模块相互连接；

所述轴系模块与所述控制模块相互连接、且连接至所述保护模块；

所述控制模块分别连接至所述保护模块与所述电压源模块。

优选的，所述风力机模块用于模拟风电机组中的风力机的将风能转化为旋转机械能的机械特性，所述风力机模块上连接有风速模块；所述风速模块用于提供恒定风速或时变风速的风速信号；

所述风力机模块将所述风力机的功率发送至所述轴系模块；

所述风力机模块的输入包括所述风力机的风速、风轮转速及桨距角，其输出为所述风力机的有功功率；所述风力机模块的模型为：

式(1)中，P_T为所述风力机的有功功率输出，ρ为空气密度，v为风速，S为风力机叶片的扫掠面积，C_P为风能利用系数；

其中，S可通过给定风轮直径d计算：

S＝π(d/2)² (2)

风能利用系数C_P从叶尖速比λ和桨距角β的二维表格中查得；所述叶尖速比λ的公式为：

式(3)中，ω_T为风力机的转速，d为风轮直径，v为风速。

优选的，所述变桨模块用于模拟所述风电机组中的叶片变桨系统的据桨距角的控制指令执行变桨动作的机械特性；所述变桨模块将桨距角信号发送至所述风力机模块；

所述变桨模块的输入为桨距角指令值，输出为桨距角动作值；所述变桨模块的传递函数Φ(s)为：

所述传递函数将变桨系统简化等效为一阶惯性环节，通过设定时间常数T_β来反映风电机组变桨系统的动态响应特性；并且在一阶惯性环节的基础上增加变桨速率限幅和桨距角限幅环节。

优选的，所述轴系模块用于模拟连接所述风力机和发电机的传动轴的传动及变速的机械特性，所述轴系模块将风轮转速信号发送至所述风力机模块、控制模块及保护模块，使用单质量块风力机加柔性连接轴的模型；

所述轴系模块的输入包括风力机的功率和发电机的转速，输出包括发电机的机械功率和风力机的转速；所述轴系模块的模型为：

式(5)中，P_M为发电机的机械功率，ω_M为发电机的转速，H_T为风力机的惯性时间常数，c_drt和k_drt分别为柔性连接轴的阻尼系数和刚性系数；

若将发电机转子质量块特性纳入到所述轴系模块中，则所述轴系模块为标准的两质量块的模型为：

式(6)中，H_W为风力机的惯性时间常数。

优选的，所述控制模块用于模拟风电机组控制器的控制特性及发电机的电气和机械特性；所述控制模块包括风电机组控制器子模块、发电机子模块和电压向量计算子模块。

优选的，所述风电机组控制器子模块包括主控制器、变流器控制器和变桨控制器；所述主控制器和变流器控制器均用于模拟风电机组的功率控制，其控制方式采用所述风电机组在正常运行下的功率外环、电流内环控制与故障穿越下的直接电流控制相结合的方式；直接电流控制基于风电机组的故障穿越控制策略，根据电网电压跌落深度给定有功电流和无功电流指令；

所述变桨控制器用于模拟风电机组并网起动、脱网停机、故障穿越时的变桨控制；

所述变桨控制器将桨距角指令值和快速变桨输入信号发送至所述变桨模块；

所述风电机组控制器子模块的输入为轴系功率和发电机电流，输出为发电机电压和网侧变流器的电流；所述风电机组控制器子模块的控制模型为：

I_q＝f(U₀-U_F)＝k_FRT(U₀-U_F) (7)

I_d＝I_MAX-I_q

式(7)中，U₀为电网故障前正常运行时的电压，U_F为电网故障时的故障残压，k_FRT为无功注入比例系数，I_MAX为受控电流的最大值。

优选的，所述发电机子模块包括发电机和发电机转子Crowbar模型；所述发电机子模块使用发电机五阶模型；

所述发电机转子Crowbar模型由判断、延时、执行三个部分组成开环控制；所述发电机子模块将所述发电机的转速发送至所述轴系模块。

优选的，所述电压向量计算子模块用于根据风电机组电网侧电流值和风电机组等效阻抗计算受控电压源的电压向量。

优选的，所述保护模块用于模拟所述风电机组触发保护而脱网的特性；所述触发保护的变量包括发电机超速、发电机转子侧过压、发电机转子侧过流、电网过欠压、电网过欠频；所述触发保护的变量的阈值及延时基于所述风电机组的实际运行参数设定；

所述保护模块的输入为触发保护的变量，输出为风电机组并网断路器的控制指令信号。

优选的，所述电压源模块为风电机组在电网中的等效单元，所述电压源模块接收所述控制模块发送的电压向量，并根据所述电压向量模拟风电机组的涉网电气特性；所述电压源模块包括串联的受控电压源和等效阻抗。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种风电机组电压源仿真系统，包括风力机模块、变桨模块、轴系模块、控制模块、保护模块和电压源模块；风力机模块与轴系模块相互连接；变桨模块连接至风力机模块、且与控制模块相互连接；轴系模块与控制模块相互连接、且连接至保护模块；控制模块分别连接至保护模块与电压源模块。本发明提出的系统灵活、开放、可维护性好且可扩展性好；适用于空间尺度上多机组数量、复杂电网结构的仿真环境需求，适用于时间尺度上自毫秒级至秒级大范围跨度的仿真步长需求，同时适用于所有主流风电机组类型及其典型控制特性、涉网保护特性的仿真实现需求，并且其不受限于仿真软件平台，准确且高效的实现跨软件平台的参数兼容。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案，通过风力机模块、变桨模块、轴系模块、控制模块、保护模块和电压源模块的设置，能够准确且高效的适用于时间尺度上自毫秒级至秒级大范围跨度的仿真步长需求，同时适用于所有主流风电机组类型及其典型控制特性、涉网保护特性的仿真实现需求，并且其不受限于仿真软件平台。

2、本发明所提供的技术方案，适用于空间尺度上多机组数量、复杂电网结构的仿真环境需求，适用于时间尺度上自毫秒级至秒级大范围跨度的仿真步长需求，适用于所有主流风电机组类型及其典型控制特性、涉网保护特性的仿真实现需求，并且模型架构不受限于仿真软件平台，可实现跨软件平台的参数兼容。本专利提出的模型架构相比现有模型架构具有灵活、开放，可维护性和可扩展性好的特点。

3、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种风电机组电压源仿真系统的结构示意图；

图2是本发明的仿真系统的风力机模块的示意图；

图3是本发明的仿真系统的变桨模块的示意图；

图4是本发明的仿真系统的轴系模块的示意图；

图5是本发明的仿真系统的轴系机械模块的示意图；

图6是本发明的仿真系统的控制模块的示意图；

图7是本发明的仿真系统的风电机组控制器子模块的示意图；

图8是本发明的仿真系统的电压源模块的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种风电机组电压源仿真系统，包括风力机模块、变桨模块、轴系模块、控制模块、保护模块和电压源模块；

风力机模块与轴系模块相互连接；

变桨模块连接至风力机模块、且与控制模块相互连接；

轴系模块与控制模块相互连接、且连接至保护模块；

控制模块分别连接至保护模块与电压源模块。

如图2所示，风力机模块用于模拟风电机组中的风力机的将风能转化为旋转机械能的机械特性，所述风力机模块上连接有风速模块；风速模块用于提供恒定风速或时变风速的风速信号；

风力机模块模拟风力机的机械特性，风力机的功能是将风能转化为旋转机械能。输入包括风速、风轮转速、桨距角，输出为风力机的有功功率。风速信号由风速模块提供，可以根据实际需求设置为恒定风速或时变风速。恒定风速一般适用于时长小于10s的仿真，此情况下可默认风速不变；时变风速一般适用于仿真时长大于10s的情况，用于分析风速变化对风电并网的影响。风轮转速信号由轴系模块提供。桨距角信号由变桨模块提供。

风力机模块将风力机的功率发送至轴系模块；

风力机模块的输入包括风力机的风速、风轮转速及桨距角，其输出为风力机的有功功率；风力机模块的模型为：

其中P_T为风力机的有功功率输出，ρ为空气密度，v为风速，S为风力机叶片的扫掠面积，C_P为风能利用系数。除了输入信号外，空气密度、扫掠面积、风能利用系数为固有特性参数。空气密度ρ一般取标况值1.29kg/m³，对于高海拔风电机组可基于实际运行环境做适当调节。扫掠面积S可通过给定风轮直径d计算：

S＝π(d/2)² (2)

与其他固有特性参数不同，风能利用系数C_P不是一个固定的值，而是与叶尖速比λ和桨距角β相关的二维表格，在仿真模型中通过查表获得C_P的值。叶尖速比λ用来表示风力机在不同风速中的状态，的公式为：

其中ω_T为风力机的转速，d为风轮直径，v为风速。

不同叶片长度或者不同叶形的风力机，其C_P参数表应基于实际特性设定。在分析风速变化对风电并网的影响时，C_P参数表应能够反映考虑尾流损失、叶尖损失和轮毂损失的实际风力机的风能利用特性。

如图3所示，变桨模块模拟叶片变桨系统的机械特性，变桨系统的功能是根据桨距角的控制指令执行变桨动作。输入为桨距角指令值，输出为桨距角动作值。桨距角指令由风电机组控制模块提供。风电机组的变桨系统不是一个理想的执行机构，在变桨指令的执行过程中会有动作延时和速率限制。并且电动变桨和液压变桨对变桨指令的响应特性不同，应在变桨模块中体现具体风电机组变桨系统的实际响应特性。对于在故障穿越期间进行快速收桨的风电机组，变桨模块增加快速变桨信号输入，并按照变桨系统最快速度执行变桨模拟。快速变桨输入信号由风电机组控制模块提供。

变桨模块的输入为桨距角指令值，输出为桨距角动作值；变桨模块的传递函数Φ(s)为：

变桨系统简化等效为一阶惯性环节，通过设定时间常数T_β来反映风电机组变桨系统的动态响应特性。并且在一阶惯性环节的基础上增加变桨速率限幅和桨距角限幅环节，以防止控制超调。

如图4和5所示，轴系模块模拟连接风力机和发电机的传动轴的机械特性，轴系除了起到传动作用外，在含有齿轮箱的风电机组中轴系也具有变速的功能。输入包括风力机的功率和发电机的转速，输出包括发电机的机械功率和风力机的转速。风力机的功率由风力机模块提供，发电机的转速由控制模块提供。轴系模块将相关参数和变量转换至高速轴，并使用单质量块风力机加柔性连接轴的模型架构，齿轮箱的惯性时间常数计入风力机中，发电机的惯性由控制模块中的发电机子模块模拟，在轴系模块中不反映发电机转子质量块特性。计及柔性连接轴的刚性系数和阻尼系数，忽略风力机的摩擦系数。

轴系模块的输入包括风力机的功率和发电机的转速，输出包括发电机的机械功率和风力机的转速；轴系模块的模型为：

其中P_M为发电机的机械功率，ω_M为发电机的转速，H_T为风力机的惯性时间常数，c_drt和k_drt分别为柔性连接轴的阻尼系数和刚性系数。

若将发电机转子质量块特性纳入到轴系模块中，则轴系模块为标准的两质量块机械模型，同样忽略发电机转子的摩擦系数，基本公式为：

其中H_W为风力机的惯性时间常数。

如图6所示，控制模块模拟风电机组控制器的控制特性，以及发电机的电气和机械特性。针对不同的风电机组类型结构和控制逻辑，控制模块在固定框架下的实现方式有所不同，因此具体的模块组成和输入输出需根据实际需求确定。一般情况下，输入包括发电机的机械功率、电网电压、电网电流、电网相角、电网频率等，输出包括桨距角指令和受控电压源的电压向量，以及包括发电机转速、转子电流等内部状态量。该模块框架下假定变流器和直流母线为理想元器件，可根据仿真需要增加直流母线子模块以模拟其动态特性。

如图7所示，风电机组控制器子模块包括主控制器、变流器控制器和变桨控制器三个部分。主控制器和变流器控制器在模型中不做区分，主要模拟风电机组的功率控制，采用正常运行下的功率外环、电流内环控制与故障穿越下的直接电流控制相结合的方式。直接电流控制基于风电机组的故障穿越控制策略，根据电网电压跌落深度给定有功电流和无功电流指令。变桨控制器模拟风电机组并网起动、脱网停机、故障穿越时的变桨控制，可根据实际仿真需求和控制策略进行模拟。对于在故障穿越期间进行快速收桨的风电机组，变桨控制器给定变桨模块桨距角指令值和快速变桨信号，以模拟快速收桨动作。

功率测量值与功率给定值的偏差经过外环PI控制给出控制电流给定值，电流测量值与电流给定值的偏差经过内环PI控制给出控制电压的指令值。在电网电压跌落低于0.9p.u.时，风电机组进入故障穿越控制模式，功率外环控制被屏蔽，由直接电流控制根据电网电压跌落深度给定有功电流和无功电流指令，基本公式为：

I_q＝f(U₀-U_F)＝k_FRT(U₀-U_F) (7)

I_d＝I_MAX-I_q

其中U₀为电网故障前正常运行时的电压，U_F为电网故障时的故障残压，k_FRT为无功注入比例系数，I_MAX为受控电流的最大值。上述公式为典型控制模式，直接电流控制给定可基于具体风电机组的故障穿越控制策略进行修正。

控制模块中发电机子模块包括发电机和Crowbar两个部分。4类风电机组无论采用异步电机、双馈电机、同步电机中何种电机类型，模型中均使用发电机五阶模型。发电机转子Crowbar模型由判断、延时、执行三个部分组成开环控制，可基于实际风电机组控制策略与控制器子模块的故障穿越控制进行配合。发电机子模块包括发电机和Crowbar两个部分。以双馈发电机为例，发电机的电压方程为：

磁链方程为：

转矩方程为：

运动方程为：

其中u为电压，i为电流，R为电阻，L为电感，ψ为磁链，ω为角速度，下标d和q表示旋转dq坐标轴的纵轴和横轴，下标s和r表示发电机定子侧和转子侧，L_m为发电机定转子的互感，ω_M为电机转子机械角速度，T_M为机械转矩，T_E为电磁转矩，n_p为电机极对数，D_M为电机阻尼系数，J_M为电机转动惯量。

发电机转子Crowbar模型由判断、延时、执行三个部分组成开环控制，可基于实际风电机组控制策略与控制器子模块的故障穿越控制进行配合。Crowbar投入的判断条件为转子过流，当转子电流超过上升沿设定阀值时，Crowbar经过固定延时后投入。在模型中，Crowbar的投入通过修改转子电阻和电感值的方式模拟。当Crowbar投入后转子电流下降低于下降沿设定阀值时，Crowbar经过固定延时后切出。

电压向量计算子模块用于根据风电机组电网侧电流值和风电机组等效阻抗计算受控电压源的电压向量。

保护模块模拟风电机组触发保护而脱网的特性。输入为发电机转速、发电机转子电流、电网电压、电网频率，输出为风电机组并网断路器的控制指令信号。对应的保护变量包括发电机超速、发电机转子侧过流、电网过压、电网过欠频。电网欠压保护合并至控制模块的风电机组故障穿越控制中，若电网电压低于故障穿越规定电压曲线，则风电机组触发保护并网脱网。

如图8所示，电压源模块为风电机组在电网中的等效单元，电压源模块接收控制模块发送的电压向量，并根据电压向量模拟风电机组的涉网电气特性；电压源模块包括串联的受控电压源和等效阻抗。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种风电机组电压源仿真系统，其特征在于，所述系统包括风力机模块、变桨模块、轴系模块、控制模块、保护模块和电压源模块；

所述风力机模块与所述轴系模块相互连接；

所述变桨模块连接至所述风力机模块、且与所述控制模块相互连接；

所述轴系模块与所述控制模块相互连接、且连接至所述保护模块；

所述控制模块分别连接至所述保护模块与所述电压源模块；

所述风力机模块用于模拟风电机组中的风力机的将风能转化为旋转机械能的机械特性，所述风力机模块上连接有风速模块；所述风速模块用于提供恒定风速或时变风速的风速信号；

所述风力机模块将所述风力机的功率发送至所述轴系模块；

所述风力机模块的输入包括所述风力机的风速、风轮转速及桨距角，其输出为所述风力机的有功功率；所述风力机模块的模型为：

式(1)中，P_T为所述风力机的有功功率输出，ρ为空气密度，v为风速，S为风力机叶片的扫掠面积，C_P为风能利用系数；

其中，S可通过给定风轮直径d计算：

S＝π(d/2)² (2)

风能利用系数C_P从叶尖速比λ和桨距角β的二维表格中查得；所述叶尖速比λ的公式为：

式(3)中，ω_T为风力机的转速，d为风轮直径，v为风速；

所述变桨模块用于模拟所述风电机组中的叶片变桨系统根据桨距角的控制指令执行变桨动作的机械特性；所述变桨模块将桨距角信号发送至所述风力机模块；

所述变桨模块的输入为桨距角指令值，输出为桨距角动作值；所述变桨模块的传递函数Φ(s)为：

所述传递函数将变桨系统简化等效为一阶惯性环节，通过设定时间常数T_β来反映风电机组变桨系统的动态响应特性；并且在一阶惯性环节的基础上增加变桨速率限幅和桨距角限幅环节；

所述轴系模块用于模拟连接所述风力机和发电机的传动轴的传动及变速的机械特性，所述轴系模块将风轮转速信号发送至所述风力机模块、控制模块及保护模块，使用单质量块风力机加柔性连接轴的模型；

所述轴系模块的输入包括风力机的功率和发电机的转速，输出包括发电机的机械功率和风力机的转速；所述轴系模块的模型为：

式(5)中，P_M为发电机的机械功率，ω_M为发电机的转速，H_T为风力机的惯性时间常数，c_drt和k_drt分别为柔性连接轴的阻尼系数和刚性系数；

若将发电机转子质量块特性纳入到所述轴系模块中，则所述轴系模块为标准的两质量块的模型为：

式(6)中，H_W为风力机的惯性时间常数；

所述控制模块用于模拟风电机组控制器的控制特性及发电机的电气和机械特性；所述控制模块包括风电机组控制器子模块、发电机子模块和电压向量计算子模块；

所述风电机组控制器子模块包括主控制器、变流器控制器和变桨控制器；所述主控制器和变流器控制器均用于模拟风电机组的功率控制，其控制方式采用所述风电机组在正常运行下的功率外环、电流内环控制与故障穿越下的直接电流控制相结合的方式；直接电流控制基于风电机组的故障穿越控制策略，根据电网电压跌落深度给定有功电流和无功电流指令；

所述变桨控制器用于模拟风电机组并网起动、脱网停机、故障穿越时的变桨控制；

所述变桨控制器将桨距角指令值和快速变桨输入信号发送至所述变桨模块；

所述风电机组控制器子模块的输入为轴系功率和发电机电流，输出为发电机电压和网侧变流器的电流；所述风电机组控制器子模块的控制模型为：

式(7)中，U₀为电网故障前正常运行时的电压，U_F为电网故障时的故障残压，k_FRT为无功注入比例系数，I_MAX为受控电流的最大值。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发电机子模块包括发电机和发电机转子Crowbar模型；所述发电机子模块使用发电机五阶模型；

所述发电机转子Crowbar模型由判断、延时、执行三个部分组成开环控制；所述发电机子模块将所述发电机的转速发送至所述轴系模块。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压向量计算子模块用于根据风电机组电网侧电流值和风电机组等效阻抗计算受控电压源的电压向量。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述保护模块用于模拟所述风电机组触发保护而脱网的特性；所述触发保护的变量包括发电机超速、发电机转子侧过压、发电机转子侧过流、电网过欠压、电网过欠频；所述触发保护的变量的阈值及延时基于所述风电机组的实际运行参数设定；

所述保护模块的输入为触发保护的变量，输出为风电机组并网断路器的控制指令信号。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电压源模块为风电机组在电网中的等效单元，所述电压源模块接收所述控制模块发送的电压向量，并根据所述电压向量模拟风电机组的涉网电气特性；所述电压源模块包括串联的受控电压源和等效阻抗。