CN108205595A - 一种适用于谐波分析的pscad双馈风电机组仿真模型系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于谐波分析的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统,所述仿真模型系统包括:依次连接的风力机、齿轮箱、双馈感应发电机、机侧变流器理论模块和网侧变流器理论模块;所述机侧变流器理论模块的直流侧与网侧变流器理论模块的直流侧间设有含直流电容的回路;所述双馈感应电机和网侧变流器理论模块分别与电网连接。本发明提供的技术方案用机侧变流器理论模块和网侧变流器理论模块替代了机侧变流器和网侧变流器的电力电子元器件部分,大幅度减少了计算时间。
Description
技术领域
本发明涉及风电机组仿真,具体涉及一种适用于谐波分析的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统。
背景技术
风能是一种清洁的、分布广泛的、蕴量巨大的可再生能源,具有极好的商业开发和应用前景。
双馈感应电机DFIG(double fed induction generator)由于具有功率因数可调、效率高及变频装置容量小等诸多优势,在变速恒频风力发电系统中得到广泛的应用。鉴于双馈感应发电机在风力发电机组的重要作用,同时为了获得高性能的控制系统,建立双馈感应发电机风力发电控制系统的仿真模型具有十分重要的意义。
在电磁暂态仿真软件PSCAD(Power Systems Computer Aided Design)中搭建双馈风力发电机组仿真模型时,电路主要由主电路部分、控制电路部分及变流器脉冲生成部分组成,其中变流器脉冲生成部分为正弦脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse WidthModulation)调制方式或者空间矢量脉宽调制SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation)方式。不管采用哪种方式,因为原有模型中电子元器件的存在,都会在仿真中降低仿真速度和效率。
为了解决现有技术存在的以上问题,需要提供一种适用于谐波分析的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统,用理论计算模块代替原始模型中的电子元器件,以减小仿真运算时间,节省内存占用,支持仿真。
发明内容
本发明提供一种适用于谐波分析的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统,该仿真模型系统包括:
依次连接的风力机、齿轮箱、双馈感应发电机、机侧变流器理论模块和网侧变流器理论模块;
所述机侧变流器理论模块的直流侧与网侧变流器理论模块的直流侧间设有含直流电容的回路;
所述双馈感应电机和网侧变流器理论模块分别与电网连接。
所述机侧变流器理论模块包括:第一SPWM信号产生模块、第一开关函数模块、第一变流器模块和第一直流电流模块;所述第一SPWM信号产生模块的输出端与所述第一开关函数模块的输入端连接,所述第一开关函数模块的输出端分别与第一变流器模块的输入端和第一直流电流模块的输入端连接。
所述网侧变流器理论模块包括:第二SPWM信号产生模块、第二开关函数模块、第二变流器模块和第二直流电流模块;所述第二SPWM信号产生模块的输出端与所述第二开关函数模块的输入端连接,所述第二开关函数模块的输出端分别与第二变流器模块的输入端和第二直流电流模块的输入端连接。
所述第一SPWM信号产生模块将其自含的载波信号与经机侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流控制得到的调制电压信号比较,并将比较结果输入所述第一开关函数模块得到两组开关函数信号SF1和SF2;所述SF1输入到第一变流器模块,所述SF2输入到第一直流电流模块。
所述第二SPWM信号产生模块将其自含的载波信号与经网侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流控制得到的调制电压信号比较,并将比较结果输入所述第二开关函数模块得到两组开关函数信号SF1和SF2;所述SF1输入到第二变流器模块,所述SF2输入到第二直流电流模块。
当调制电压信号大于载波信号时比较结果为1,反之为-1;SF1的值直接为比较结果,SF2在调制电压信号大于或等于载波信号时与SF1一样,当调制电压信号小于载波信号时为0。
通过所述第二变流器模块计算网侧变流器理论模块的各相电压,分别如下式(1)、(2)和(3)所示:
其中,Vga为网侧变流器理论模块的A相电压,Vgb为网侧变流器理论模块的B相电压,Vgc为网侧变流器理论模块的C相电压,udc为直流电容电压,SF1-ag和SF2-ag为A相对应的两个开关函数,SF1-bg和SF2-bg为B相对应的两个开关函数,SF1-cg和SF2-cg为C相对应的两个开关函数;将求得的Vga、Vgb和Vgc以受控电压源的形式返回双馈感应发电机回路中。
通过所述第二直流电流模块计算网侧变流器理论模块的直流电流iing如下式(4)所示:
iing=iga·SF2_ag+igb·SF2_bg+igc·SF2_cg(4)
其中,iga、igb、igc分别为网侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流,直接由电路中测量得到;将直流电流iing以直流电流源的形式输入含有直流电容的回路中,测量该回路中的电容电压作为直流电压重新输入网侧变流器理论模块模型的直流电流模块。
通过所述第一变流器模块计算机侧变流器理论模块的各相电压,分别如下式(5)、(6)和(7)所示:
其中,Vsa为机侧变流器理论模块的A相电压,Vsb为机侧变流器理论模块的B相电压,Vsc为机侧变流器理论模块的C相电压,SF1-ar和SF2-ar为A相对应的两个开关函数,SF1-br和SF2-br为B相对应的两个开关函数,SF1-cr和SF2-cr为C相对应的两个开关函数;将求得的Vsa、Vsb和Vsc以受控电压源的形式返回双馈感应发电机回路中。
通过所述第二直流电流模块计算机侧变流器理论模块的直流电流iin,如下式(8)所示:
iin=ira·SF2_ar+irb·SF2_br+irc·SF2_cr (8)
其中,ira、irb、irc分别为机侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流,直接由电路中测量得到;将计算得到的直流电流iin以直流电流源的形式输入含有直流电容的回路中,测量该回路中的电容电压作为直流电压重新输入机侧变流器理论模块模型的直流电流模块。
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:
本发明提供的仿真模型中无电力电子器件,大幅度减少了计算时间,提高了仿真效率,减小仿真运算时间,节省了内存占用,容易实现大规模风场的运行。
附图说明
图1为原始双馈风电机组仿真模型系统示意图;
图2为本发明提供的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统示意图;
图3为原始DFIG变流器模型的等效电路图;
图4为本发明中网侧变流器理论模块示意图;
图5为本发明中机侧变流器理论模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明:
本发明提供一种适用于谐波分析的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统,在PSCAD双馈异步风力发电机仿真模型的基础上,用机侧变流器理论模块和网侧变流器理论模块替代了机侧变流器模块和网侧变流器模块的电力电子元器件部分,用机侧受控电压源模块和网侧受控电压源模块输出的电压来模拟原机侧变流器模块和网侧变流器模块端口处产生的调制电压。用机侧和网侧直流侧受控电流以及直流电容,来模拟原有直流电压。
如图1所示为原始双馈风电机组仿真模型系统示意图,图3是其中网侧和机侧变流器的电路,基于自动控制原理,可以将原有的双SPWM单独视作一个只有输入和输出两个端口的控制器,中间由直流电容相连。网侧变流器中,输入电流为iing输入电压为udc,作为非独立变量的输出电压为Vga、Vgb、Vgc,输出电流为iga、igb、igc;机侧变流器中原理基本相同,输入电流为iin输入电压为udc,作为非独立变量的输出电压为Vsa、Vsb、Vsc,输出电流为ira、irb、irc,因此,输入和输出之间的关系可以表示为:
式中TF1和TF2分别是网侧和机侧变流器的转换函数,该转换函数包括了各种开关函数。
如图2所示为本发明提供的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统示意图,用机侧变流器理论模块和网侧变流器理论模块替代了原始的机侧变流器模块和网侧变流器模块的电力电子元器件部分。
基于SPWM的结构和工作原理,每个SPWM定义了两个开关函数,以网侧变流器为例,开关函数为SF1和SF2,其中开关函数SF1被用于计算变流器的线电压和相电压,而开关函数SF2可计算开关电压,则负载电流也可以使用SF2计算得到。
基于以上理论和开关函数,在PSCAD上搭建如图4和图5所示的网侧变流器理论模块和机侧变流器理论模块。
所述机侧变流器理论模块包括:第一SPWM信号产生模块、第一开关函数模块、第一变流器模块和第一直流电流模块;所述第一SPWM信号产生模块的输出端与所述第一开关函数模块的输入端连接,所述第一开关函数模块的输出端分别与第一变流器模块的输入端和第一直流电流模块的输入端连接。
所述网侧变流器理论模块包括:第二SPWM信号产生模块、第二开关函数模块、第二变流器模块和第二直流电流模块;所述第二SPWM信号产生模块的输出端与所述第二开关函数模块的输入端连接,所述第二开关函数模块的输出端分别与第二变流器模块的输入端和第二直流电流模块的输入端连接。
在SPWM信号产生模块里,载波信号Vtri和调制电压信号Vga-pwm、Vgb-pwm、Vgc-pwm分别进行比较,并将比较所得结果输入开关函数模块从而得到两组开关函数信号SF1和SF2,为当调制电压信号大于载波信号时输出为1,反之输出为-1,。SF1直接为比较结果,SF2在调制电压信号大于等于载波信号时与SF1一样,当调制电压信号小于载波时输出为0。
通过所述第二变流器模块计算网侧变流器理论模块的各相电压,如下式(1)、(2)、(3)所示:
其中,Vga为网侧变流器理论模块的A相电压,Vgb为网侧变流器理论模块的B相电压,Vgc为网侧变流器理论模块的C相电压,udc为直流电容电压,SF1-ag和SF2-ag为A相对应的两个开关函数,SF1-bg和SF2-bg为B相对应的两个开关函数,SF1-cg和SF2-cg为C相对应的两个开关函数;将求得的Vga、Vgb和Vgc以受控电压源的形式返回双馈感应发电机回路中。
通过第二直流电流模块计算网侧变流器理论模块的直流电流iing如下式(4)所示:
iing=iga·SF2_ag+igb·SF2_bg+igc·SF2_cg (4)
其中,iga、igb、igc分别为网侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流,直接由电路中测量得到;将直流电流iing以直流电流源的形式输入含有直流电容的回路中,测量电容电压作为直流电压重新输入网侧变流器理论模块模型的直流电流模块。
通过所述第一变流器模块计算机侧变流器理论模块的各相电压,如下式(5)、(6)、(7)所示:
其中,Vsa为机侧变流器理论模块的A相电压,Vsb为机侧变流器理论模块的B相电压,Vsc为机侧变流器理论模块的C相电压,SF1-ar和SF2-ar为A相对应的两个开关函数,SF1-br和SF2-br为B相对应的两个开关函数,SF1-cr和SF2-cr为C相对应的两个开关函数;将求得的Vsa、Vsb和Vsc以受控电压源的形式返回双馈感应发电机回路中。
通过第一直流电流模块计算机侧变流器理论模块的直流电流iin,如下式(8)所示:
iin=ira·SF2_ar+irb·SF2_br+irc·SF2_cr (8)
其中,ira、irb、irc分别为机侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流,直接由电路中测量得到;将计算得到的直流电流iin以直流电流源的形式输入含有直流电容的回路中,测量电容电压作为直流电压重新输入机侧变流器理论模块模型的直流电流模块。
将计算所得电流和电压按图2所示返回主电路中,并将新的测量结果输入进控制策略里,形成闭环控制。以达到缩短运行时间、减少运行模型所需内存的目的
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换,但这些变更、修改或者等同替换,均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于谐波分析的PSCAD双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,所述仿真模型系统包括:
依次连接的风力机、齿轮箱、双馈感应发电机、机侧变流器理论模块和网侧变流器理论模块;
所述机侧变流器理论模块的直流侧与网侧变流器理论模块的直流侧间设有含直流电容的回路;
所述双馈感应电机和网侧变流器理论模块分别与电网连接。
2.如权利要求1所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,所述机侧变流器理论模块包括:第一SPWM信号产生模块、第一开关函数模块、第一变流器模块和第一直流电流模块;所述第一SPWM信号产生模块的输出端与所述第一开关函数模块的输入端连接,所述第一开关函数模块的输出端分别与第一变流器模块的输入端和第一直流电流模块的输入端连接。
3.如权利要求2所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,所述网侧变流器理论模块包括:第二SPWM信号产生模块、第二开关函数模块、第二变流器模块和第二直流电流模块;所述第二SPWM信号产生模块的输出端与所述第二开关函数模块的输入端连接,所述第二开关函数模块的输出端分别与第二变流器模块的输入端和第二直流电流模块的输入端连接。
4.如权利要求2所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,所述第一SPWM信号产生模块将其自含的载波信号与经机侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流控制得到的调制电压信号比较,并将比较结果输入所述第一开关函数模块得到两组开关函数信号SF1和SF2;所述SF1输入到第一变流器模块,所述SF2输入到第一直流电流模块。
5.如权利要求3所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,所述第二SPWM信号产生模块将其自含的载波信号与经网侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流控制得到的调制电压信号比较,并将比较结果输入所述第二开关函数模块得到两组开关函数信号SF1和SF2;所述SF1输入到第二变流器模块,所述SF2输入到第二直流电流模块。
6.如权利要求4或5所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,当调制电压信号大于载波信号时比较结果为1,反之为-1;SF1的值为比较结果,SF2在调制电压信号大于或等于载波信号时与SF1一样,当调制电压信号小于载波信号时为0。
7.如权利要求2所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,通过第二变流器模块计算网侧变流器理论模块的各相电压,分别如下式(1)、(2)和(3)所示:
其中,Vga为网侧变流器理论模块的A相电压,Vgb为网侧变流器理论模块的B相电压,Vgc为网侧变流器理论模块的C相电压,udc为直流电容电压,SF1-ag和SF2-ag为A相对应的两个开关函数,SF1-bg和SF2-bg为B相对应的两个开关函数,SF1-cg和SF2-cg为C相对应的两个开关函数;将求得的Vga、Vgb和Vgc以受控电压源的形式返回双馈感应发电机回路中。
8.如权利要求3所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,通过所述第二直流电流模块计算网侧变流器理论模块的直流电流iing如下式(4)所示:
iing=iga·SF2_ag+igb·SF2_bg+igc·SF2_cg (4)
其中,iga、igb、igc分别为网侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流,直接由电路中测量得到;将直流电流iing以直流电流源的形式输入含有直流电容的回路中,测量该回路中的电容电压作为直流电压重新输入网侧变流器理论模块模型的直流电流模块。
9.如权利要求3所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,通过所述第一变流器模块计算机侧变流器理论模块的各相电压,分别如下式(5)、(6)和(7)所示:
其中,Vsa为机侧变流器理论模块的A相电压,Vsb为机侧变流器理论模块的B相电压,Vsc为机侧变流器理论模块的C相电压,SF1-ar和SF2-ar为A相对应的两个开关函数,SF1-br和SF2-br为B相对应的两个开关函数,SF1-cr和SF2-cr为C相对应的两个开关函数;将求得的Vsa、Vsb和Vsc以受控电压源的形式返回双馈感应发电机回路中。
10.如权利要求3所述的双馈风电机组仿真模型系统,其特征在于,通过所述第一直流电流模块计算机侧变流器理论模块的直流电流iin,如下式(8)所示:
iin=ira·SF2_ar+irb·SF2_br+irc·SF2_cr (8)
其中,ira、irb、irc分别为机侧变流器理论模块的A相、B相、C相交流电流,直接由电路中测量得到;将计算得到的直流电流iin以直流电流源的形式输入含有直流电容的回路中,测量该回路中的电容电压作为直流电压重新输入机侧变流器理论模块模型的直流电流模块。
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