CN110348152A - 一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，所述方法包括建立用于虚拟电压仿真的虚拟电网，利用风力发电机组输出端处测量得到的电流和电压时间序列在虚拟电网中模拟电压波动得出虚拟电网输出的瞬时模拟电压，所述虚拟电网的仿真模型搭建于Matlab/Simulink仿真平台上，在Matlab/Simulink仿真平台上基波电气角αm(t)大小的实时跟踪由锁相环来实现，通过锁相环实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，保证输出电压与输入电压的相位同步，电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic由仿真模型计算得出线电流瞬时值im(t)的导数由Simulink仿真环境中的微分模块获得。本方法充分考虑到IEC标准中由于虚拟电网实现方法不同带来的检测误差，能够提高电能质量，特别是闪变信号的检测精度。

Description

一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试 方法
技术领域
本发明主要涉及风力发电机组电能质量检测分析领域，具体是一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法。
背景技术
风能作为重要的可再生能源，近年来发展势头迅猛。随着风电并网规模的不断扩大，电能数量问题已经逐步得到解决，但随之而来的是电能质量方面的问题。风电并网的过程中，大量具有冲击性或波动性负荷的电子设备的使用导致电网波动从而产生闪变。此外，在电网中还存在有大量的谐波和间谐波，这些由工业中常见的整流器、变频器等设备产生的谐波会进一步恶化电力系统供电质量，缩短电网中用电设备的寿命。为了提高公用电网的稳定性，保证电力系统用户的用电质量，对电能质量问题的研究和解决相当必要。
电压波动与闪变是电能质量的主要问题之一，根据国际供电会议组织与大电网组织的联合工作组调研表明，电压闪变对各类电气设备的危害性很大，在各种导致电能质量恶化的因素中高居第二位。
各个国家早期对闪变的计算，主要是针对电弧炉等具有波动性、冲击性的负荷所引起的闪变，应用范围十分小，只能估计负荷投切是否影响电网安全，结果并不精确，根本无法满足后来的电能质量分析要求。
为了更好地检测闪变，各个国家开始制作专门的闪变仪，按相关标准在公共节点处检测闪变值。虽然各国闪变仪有较大区别，但原理类似，含有闪变的电网信号可以看作是波动电压对工频载波的调制信号，波动电压的频率集中在0.05～35Hz，闪变仪的作用就是提取出电信号中引起闪变的波动信号，即分离出载波中的调幅波，再按照相应标准分析计算调幅波，得到闪变参数。
国内外传统的电压调幅波的检测方法有三种：全波整流法、有效值检波法和IEC标准推荐的平方检波法。
以上几种检测算法各有优缺点：(1)全波整流法：英国的ERA闪变仪用的检测法，将电信号整流，通过滤波器得到调幅波，但它用的是模拟电路，不适合数字化实现。(2)有效值检波法：日本的ΔV10闪变仪用的检测法，将信号通过均方根值/直流变换器转换得到有效值并减去直流分量，再通过滤波器得到调幅波。但在实际中，很难准确得出半个工频周期的电压均方根植。(3)平方检波法：IEC推荐的闪变仪检测方法，将信号平方运算后通过滤波器得到调幅波，此方法得到的调幅波具有倍频分量，会有一定误差。此外，上述几种算法没有考虑到IEC标准中虚拟电网的实现过程中带来的计算误差。
发明内容
为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，用于风力发电机组电能质量检测，该方法充分考虑到IEC标准中由于虚拟电网实现方法不同带来的检测误差，能够提高电能质量，特别是闪变信号的检测精确度。
本发明的技术方案如下：
一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，所述方法包括建立用于排除电网中除风力发电机组外其他波动源的虚拟电网，利用风力发电机组输出端处测量得到的电流和电压时间序列在虚拟电网中模拟电压波动得出虚拟电网输出的瞬时模拟电压ufic(t)，虚拟电网由理想电压源u0(t)，电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic串联组成，所依据的公式为：
式中，im(t)为线电流瞬时值；αm(t)为测量电压基波电气角；Un为电网额定电压的有效值；f(t)为电网频率，随时间变化；t为记录的时间；α0为t＝0时的初相角；
所述虚拟电网的仿真模型搭建于Matlab/Simulink仿真平台上，在
Matlab/Simulink仿真平台上基波电气角αm(t)大小的实时跟踪由锁相环来实现，通过锁相环实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，保证输出电压与输入电压的相位同步，最终计算出准确的理想电压源u0(t)的值；电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic值的大小由仿真模型计算得出，线电流瞬时值im(t)的导数由Simulink仿真环境中的微分模块获得。
进一步的，在Matlab/Simulink仿真平台对基波电气角αm(t)的计算模型中，输入信号为风力发电机组输出端处测量得到的电压、电流时间序列，输出信号为基波电气角αm(t)的正弦值，其核心控制单元为锁相环模块，将输入三相信号首先进行归一化处理，然后将归一化后的每一相电压、电流送入锁相环模块，利用锁相环实现输出信号与输入信号的相位同步。
进一步的，在Matlab/Simulink仿真平台对理想电压源u0(t)的计算模型中，将基波电气角αm(t)的计算模型计算的结果作为输入信号输入至模型中，结合公式(2)计算出理想电压源u0(t)的值。
进一步的，在Matlab/Simulink仿真平台对电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic值计算模型中，其依据的计算公式为：
式中，为电网阻抗相角，fg为电网额定频率，Sk,fic为虚拟电网的三相短路容量；
电网阻抗相角正切值tan(ψk)和虚拟电网短路容量Sk,fic的值由电网已知参数计算得出，然后将tan(ψk)和Sk,fic作为结果逆推虚拟电网中电感Lfic和电阻Rfic的值。
进一步的，在Matlab/Simulink仿真平台中，根据计算出是理想电压源u0(t)，电感Lfic和电阻Rfic，利用simulink库中的微分模块对线电流im(t)做微分运算，结合公式(1)，计算虚拟电网模拟电压瞬时值ufic(t)。
本发明的有益效果：
本发明所提供的风力发电机组测试方法用于进行风力发电机组的电能质量检测，该测试方法充分考虑到IEC 61400-21标准中由于虚拟电网实现方法不同带来的检测误差，并结合新标准IEC 61400-21-1，在Matlab/Simulink仿真平台中设计了仿真模型，提高了电能质量，特别是闪变信号的检测精度，且程序实现较容易，参数设置直观明了，方便用于实测数据的验证。
附图说明
附图1为本发明总体算法框图；
附图2为本发明虚拟电网单相电路图；
附图3为虚拟电网仿真模型图；
附图4为利用锁相环实现相位同步模型图；
附图5为计算理想电压源u0(t)的模型图；
附图6为虚拟电网中电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic的确定模型图；
附图7为虚拟电网电流微分及虚拟电压瞬时值的计算模型图；
附图8为闪变仪结构框图。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
如图1所示，为用于实现风力发电机组电能质量检测的总体算法框图。
对于虚拟电网模拟电压瞬时值ufic(t)的计算：
根据最新标准IEC 61400-21-1标准规定，被测风力发电机组应与中压电网相连，而中压电网通常还连接有其它波动性负荷，可能在风力发电机组输出端造成明显的电压波动。为了得到不受测试场地电网条件影响的测试结果，标准提出建立用于排除电网中除风力发电机组外其他波动源的虚拟电网，利用风力发电机组输出端处测量得到的电流和电压时间序列在虚拟电网中模拟电压波动，虚拟电网中除风力发电机组外没有其他电压波动源。虚拟电网的单相电路图如图2所示。
虚拟电网由理想电压源u0(t)，电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic串联组成。风力发电机组用电流源表示，im(t)为线电流瞬时值。由图2所示虚拟电网单相电路图可以列出回路方程如下：
理想电压源u0(t)可以通过不同方法得到，但应满足如下特性：①理想电压源不应有任何波动，即电压闪变为零；②u0(t)应与测量电压的基波具有相同的电气角αm(t)。
为满足以上条件，u0(t)定义如下：
式中：Un为电网额定电压的有效值。
测量电压基波电气角的定义如下：
式中：f(t)为电网频率，随时间变化；t为记录的时间；α0为t＝0时的初相角。
选择Rfic和Lfic以获得合适的电网阻抗相角
式中，fg为电网额定频率。
虚拟电网的三相短路容量Sk,fic的计算方式如下:
通常，为了确保采用的闪变仪算法或设备测量的Pst值在IEC 61000-4-15要求的量程内，应采用适当的短路比Sk,fic/Sn。IEC 61400-21-1标准推荐短路比在20～50之间。
IEC 61400-21标准没有规定理想电压源u0(t)的实现方法，且研究发现用不同的数字实现方法推导计算u0(t)，得到的结果也有很大的不同，最终影响短时闪变值Pst的计算结果。由公式(2)知，u0(t)是由测量电压基波电气角αm(t)推导得出，而αm(t)是测量电压um(t)的基波电气角，不同的估计方法会对αm(t)的估计带来误差。同时，由公式(1)知，虚拟电网瞬时模拟电压ufic(t)的另一个重要组成部分是风机输出端所测电流im(t)的导数，不同的微分方法产生的结果也不相同。
本发明以新标准IEC 61400-21-1为依据，在Matlab/Simulink仿真平台上搭建了虚拟电网的仿真模型如图3所示。其中，基波电气角αm(t)大小的实时跟踪由锁相环来实现。如图4所示。锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，可以实现输出电压与输入电压的相位同步，最终计算出准确的理想电压源u0(t)的值，如图5所示；虚拟电网中电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic由图6所示仿真模型计算得出；风机输出端所测电流im(t)的导数可由Simulink仿真环境中的微分模块获得，最后由图7所示的模型计算出虚拟电网输出的瞬时模拟电压。
对于附图3-7具体说明如下：
图3为在simulink环境下搭建的虚拟电网仿真模型图，该模型中，将从风力发电机组输出端处测量得到的三相电压、电流时间序列Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic输入到虚拟电网仿真模块即“Fictitious grid for simulation of fictitious voltage”中，该模块是一个复合模块，最终的输出的信号有：虚拟电网的瞬时模拟电压ufic(t)、电网阻抗相角的正切值tan(ψk)以及虚拟电网短路容量Sk,fic。图中的核心运算单元为“Fictitious grid forsimulation of fictitious voltage”，即虚拟电网模拟电压瞬时值的计算，由公式(1)可以得出，虚拟电网模拟电压瞬时值ufic(t)的计算主要包含两部分，即理想电压源u0(t)的计算和线电流im(t)的微分运算。其中，u0(t)的计算由公式(2)可以看出，主要在于准确计算基波电气角αm(t)，计算模型如图4所示，计算u0(t)的模型如图5所示；线电流im(t)的微分运算包括两部分，一是虚拟电网中电感Lfic和电阻Rfic的确定，计算模型如图6所示。二是线电流im(t)的微分运算，采用simulink库中的微分模块，最终完成ufic(t)计算的模型如图7所示。
图4为虚拟电网中基波电气角的计算模型，该模型复合于图3的“Fictitious gridfor simulation of fictitious voltage”模块中，所以输入信号与图3相同。核心控制单元为锁相环模块，利用锁相环的“锁相”功能，实现输出信号与输入信号的相位同步，即图中的“1-phase PLL”模块，将三相电压、电流时间序列Ua，Ub，Uc，Ia，Ib，Ic首先进行归一化处理，并将每一相电压、电流信号分别输入“1-phase PLL”模块即锁相环模块中，根据公式(2)，三相电压信号对应的锁相环模块的“Sin_Cos”端输出的即为所求的基波电气角的正弦值，其余输出信号在后续计算中因不需要故置空，如图5所示。
图5为计算理想电压源u0(t)的模型。首先将图4的计算结果复合到模块“Alpha 2”中，根据输入的三相电压、电流时间序列得到基波电气角αm(t)的正弦值，即图中的“sin(Alpha,m(t)),3ph”所代表的值，结合公式(2)计算得到理想电压源u0(t)的值，即图中的“U0(t),3ph”；然后通过“Fictitious Grid Parameter”模块，即虚拟电网参数设置模块，利用图5中模块“(4)”和模块“(2)1”中已知的电网阻抗相角的正切值tan(ψk)以及虚拟电网短路容量Sk,fic，电网阻抗相角正切值tan(ψk)和虚拟电网短路容量Sk,fic的值由电网已知参数计算得出，结合公式(4)和公式(5)反向推导电网中电阻Rfic和电感Lfic的值，具体过程如图6所示。
图6为根据电网阻抗相角正切值tan(ψk)和虚拟电网短路容量Sk,fic计算图5中“Fictitious Grid Parameter”模块的输入信号Rfic和Lfic的过程。结合公式(4)和公式(5)，已知tan(ψk)和Sk,fic的情况下，Lfic和Rfic可以由模型计算得出，并将当前虚拟电网中的电感Lfic和电阻Rfic显示在图7所示的模型中。根据IEC标准要求，图6中电网频率Fn为50Hz，短路比n取值为20，风力发电机组额定视在功率Sn的取值为3MVA，电网阻抗相角ψk取值为50°，电网额定电压Un的取值为12KV
图7为根据图5得到的理想电压源u0(t)和图6得到的电网中电阻Rfic和电感Lfic，计算最终的虚拟电网模拟电压瞬时值ufic(t)的过程。输入信号为风机端测得的三相电流时间序列im(t)，将im(t)进行微分运算得到公式(1)中的再结合图5得到的理想电压源u0(t)模块即图7中的“U0(t),3pol”和图6得到得电阻Rfic和电感Lfic模块即图7中的三个“Fictitious Grid Parameter”模块，最终计算得到ufic(t)。
根据IEC 61000-4-15标准，闪变仪检测算法结构框图如图8所示。
IEC推荐的闪变仪框图主要由三部分组成：
第一部分为框一，输入适配和自检信号，即虚拟电网输出的瞬时模拟电压ufic(t)。
第二部分为框二、三、四，模拟灯-眼-脑响应特性。框二，模拟灯的作用，用平方检波法从工频电压波动中解调出反映电压波动的调幅波，用于后续闪变的测量。框三，第一个滤波器模拟人眼的频率选择特性，由带通滤波器实现，其通频带为0.05～35Hz，目的是滤除解调器输出的直流分量和工频的二倍频分量。第二个滤波器为人眼对闪变频率的敏感程度做出选择的模拟，其中人的眼睛对闪变最敏感的频率是8.8Hz，所以该部分以8.8Hz为中心频率对滤波器进行加权来实现。框四，模拟人脑神经对视觉的反映和记忆效应。
第三部分为框五，闪变的统计分析。根据框4输出的瞬时闪变觉察度S(t)进行在线统计分析，求得短时间闪变值pst。
对于第二部分，即“灯-眼-脑”响应环节，IEC 61000-4-15标准推荐用平方检波法提取单一频率调制的闪变调幅波，计算简单，且易于实现。
IEC 61000-4-15中介绍了短时闪变值的计算方法，数学表达式为：
式中：P0.1、P1、P3、P10、P50五个参数分别表示十分钟之内瞬时闪变视感度S(t)超过0.1％、1％、3％、10％、50％时间的觉察单位值。
加权计算
根据最新IEC 61400-21-1标准，对闪变信号进行评估之前，首先要对闪变仪输出的短时闪变值Pst进行加权，即计算相应阻抗相角下的闪变系数C(ψk)。IEC标准定义闪变系数的计算公式如下：
为了确保采用的闪变仪算法或设备测量的Pst值在IEC 61000-4-15要求的量程范围内，IEC 61400-21-1标准推荐短路比Sk,fic/Sn在20～50之间。
实施例：
依据上述理论基础以及本发明所提供的仿真模型，在本实施例中，以阻抗相角ψk＝50°，调制频率fm＝8.8Hz，电网额定频率fg＝50Hz，短路比Sk,fic/Sn＝20为例，根据IEC61400-21-1标准在Matlab中对仿真参数的设置如下表1所示：
表1风力发电机组验证测试中用到的额定值
输入电流时间序列的数学表达式如下所示：
根据IEC标准规定，当阻抗相角ψk＝50°，调制频率fm＝8.8Hz，电网额定频率fg＝50Hz，短路比Sk,fic/Sn＝20时，对应的取值为1.064。
输入电压时间序列的数学表达式如下所示：
经计算，得出最后的短时闪变值Pst＝0.0982，C(ψk)＝1.9635，与IEC标准给定的参考值C(ψk)＝2的误差为1.83％，在标准允许的5％的误差之内。
因此可知，本发明在满足IEC标准允许的评估误差的同时，通过建立Simulink仿真模型，提高了闪变信号检测算法的可读性，简化了检测算法的程序设计。

Claims (5)

1.一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，所述方法包括建立用于排除电网中除风力发电机组外其他波动源的虚拟电网，利用风力发电机组输出端处测量得到的电流和电压时间序列在虚拟电网中模拟电压波动得出虚拟电网输出的瞬时模拟电压ufic(t)，虚拟电网由理想电压源u0(t)，电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic串联组成，所依据的公式为：
式中，im(t)为线电流瞬时值；αm(t)为测量电压基波电气角；Un为电网额定电压的有效值；f(t)为电网频率，随时间变化；t为记录的时间；α0为t＝0时的初相角；其特征在于：
所述虚拟电网的仿真模型搭建于Matlab/Simulink仿真平台上，在Matlab/Simulink仿真平台上基波电气角αm(t)大小的实时跟踪由锁相环来实现，通过锁相环实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，保证输出电压与输入电压的相位同步，最终计算出准确的理想电压源u0(t)的值；电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic值的大小由仿真模型计算得出，线电流瞬时值im(t)的导数由Simulink仿真环境中的微分模块获得。
2.如权利要求1所述的一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，其特征在于：在Matlab/Simulink仿真平台对基波电气角αm(t)的计算模型中，输入信号为风力发电机组输出端处测量得到的电压、电流时间序列，输出信号为基波电气角αm(t)的正弦值，其核心控制单元为锁相环模块，将输入三相信号首先进行归一化处理，然后将归一化后的每一相电压、电流送入锁相环模块，利用锁相环实现输出信号与输入信号的相位同步。
3.如权利要求2所述的一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，其特征在于：在Matlab/Simulink仿真平台对理想电压源u0(t)的计算模型中，将基波电气角αm(t)的计算模型计算的结果作为输入信号输入至模型中，结合公式(2)计算出理想电压源u0(t)的值。
4.如权利要求3所述的一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，其特征在于：在Matlab/Simulink仿真平台对电网阻抗Rfic和电网感抗Lfic值计算模型中，其依据的计算公式为：
式中，为电网阻抗相角，fg为电网额定频率，Sk,fic为虚拟电网的三相短路容量；
电网阻抗相角正切值tan(ψk)和虚拟电网短路容量Sk,fic的值由电网已知参数计算得出，然后将tan(ψk)和Sk,fic作为结果逆推虚拟电网中电感Lfic和电阻Rfic的值。
5.如权利要求4所述的一种基于Matlab/Simulink仿真模型的风力发电机组测试方法，其特征在于：在Matlab/Simulink仿真平台中，根据计算出是理想电压源u0(t)，电感Lfic和电阻Rfic，利用simulink库中的微分模块对线电流im(t)做微分运算，结合公式(1)，计算虚拟电网模拟电压瞬时值ufic(t)。
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董玮等: "并网光伏逆变器闪变特性测量与分析", 《电测与仪表》, vol. 52, no. 09, 10 May 2015 (2015-05-10), pages 51 - 55 *
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