CN110854913B - 双馈感应风力发电系统的仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双馈感应风力发电系统的仿真方法，方法包括以下步骤：根据双馈感应风力发电系统的实际参数对其中的电气设备进行建模，基于双馈电机的电网电压定向矢量控制采用运算模块构建双馈感应风力发电系统的控制系统，利用三相桥变流器连接所述电气设备和控制系统以形成双馈感应风力发电系统的仿真系统，通过函数发生器模拟输入信号并测量仿真系统的电气量。
Description
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，特别是一种双馈感应风力发电系统的仿真方法。
背景技术
风力发电是新能源发电技术中的一种重要技术类型，由于风能在自然界中存在广泛易于捕获，且使用非常清洁高效，因此对于风电场发电系统的并网运行研究具有重大的社会生产与生态保护意义。目前世界上一种主流的风力发电技术是基于双馈感应电机的变速恒频风力发电技术，与传统的恒速恒频技术相比，此技术可以在很大的风速变化范围内实现风速、发电机转速与电网频率相匹配，从而最大化地提高风能的利用效率，降低发电系统部件受力强度要求，延长设备安全工作年限。此外，基于双馈感应电机独特的励磁结构，通过调节发电机转子励磁电流可以灵活地控制系统输出的有功、无功功率及功率因数，相比其他的变速恒频技术，其使用变流器容量较小、设备体积与成本较低，便于较大规模的普及与使用。因此，双馈感应风力发电技术，以其易于并网、工作风速范围广、输出功率灵活可调、风能利用效率高、设备成本较低等方面的优势，在大规模风力并网发电等领域拥有大量实际应用场景。然而，由于风力资源本身具有极不稳定的特点，在风速波动时可能会出现较大的暂态电流与功率波动，严重时将引起发电机组或其他前期设备发热甚至损毁，同时给电网带来较大的负面影响；此外在电网出现三相不平衡、电压跌落等情况时，将给风力发电机组的并网运行带来较大的难题，产生安全隐患与经济损失。为此，需要研究双馈感应发电系统的运行特性、完善发电机控制策略中的功率稳定方案以及电网故障条件下的运行方案。目前，双馈感应风力发电系统的变速运行及其在电网故障条件下的特性研究仍不够详尽与精确，尤其是大部分仿真方法对于双馈感应电机特性的表现不足，在研究此类风力发电系统时不能很好地反映变频恒速以及功率因数可控的系统特点；此外，针对双馈电机常用控制策略的有效性与实用性仍待检验完善。
Matlab/Simulink是目前世界上使用最为广泛与成熟的电气、自动化仿真平台之一，在复杂仿真系统的仿真设计上具有独特的优势，十分适用于双馈感应风力发电系统这类复杂装置的模拟仿真。在结合实际工程中电气设备真实参数的条件下，其仿真过程与结果对于风电场的实际运行维护与监测控制有很高的理论与参考价值。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提出了一种针对双馈感应风力发电系统工程应用实况的仿真建模方法。该方法利用工程中常用的矢量控制策略，使系统的运行模式与实际更加贴合，并有利于进一步优化控制结构、探寻复杂条件下以及电网故障条件下的风电场运行策略。本发明基于适当的理想简化，利用仿真平台中预设的电机模型结合双馈电机特有的励磁结构进行改进，既简洁方便地反映了双馈感应电机的双馈特点，又保证了仿真模型的精确可靠。仿真系统结构清晰，可调量多，易于搭建，能够较好地实现对风电场实际情况的模拟，并得到直观准确的发电机组运行状态与特性。在结合实际工程中电气设备真实参数的条件下，其仿真过程与结果对于风电场的实际运行维护与监测控制、检验与完善双馈感应风力发电系统的运行控制具有很强的现实意义。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种双馈感应风力发电系统的仿真方法包括以下步骤：
第一步骤中，根据双馈感应风力发电系统的实际参数对其中的电气设备进行建模，
第二步骤中，基于双馈电机的电网电压定向矢量控制采用运算模块构建双馈感应风力发电系统的控制系统，
第三步骤中，利用三相桥变流器连接所述电气设备和控制系统以形成双馈感应风力发电系统的仿真系统，通过函数发生器模拟输入信号并测量仿真系统的电气量。
所述的方法中，第一步骤中，实际参数包括双馈电机极对数、定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感或励磁电感。
所述的方法中，第二步骤中，运算模块包括Park变换器和PID控制器。
所述的方法中，第一步骤中，电气设备包括通过传动轴与变速齿轮箱和电机转子连接的风力涡轮机、电网、双馈感应电机和变换器。
所述的方法中，第三步骤中，仿真系统中，风力涡轮机转速及其变速后的结果经由函数发生器替代为发电机转子转速；电网为恒压源模型；双馈感应电机由感应电机定转子直接与电网星形相连或通过变换器与电网星形相连。
所述的方法中，变换器包括背靠背整流器和逆变器。
所述的方法中，第三步骤中，仿真系统中，双馈感应发电机的定子部分与电网直接相连，转子部分通过变换器与电网相连，功率指令信号输入后转换为电压控制信号，所述变换器对转子端电压的控制。
所述的方法中，电网电压定向后输入预期产生有功及无功功率的指令值，通过电流指令值计算产生转子dq轴电流指令值；再经电流环计算得到转子dq轴电压指令值；最后结合计算得到的定转子电压变换角，得到转子三相电压指令值，并由变换器实现转子电压控制。
所述的方法中，在输入转子转速信号与功率指令值后，通过对仿真系统的电流、电压以及功率进行监测。
所述的方法中，所述控制系统包括电流指令值计算模块、电流环模块以及定转子变换角计算模块。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明既简洁方便地反映了双馈感应电机的双馈特点，又保证了仿真模型的精确可靠。仿真系统结构清晰，可调量多，易于搭建，能够较好地实现对风电场实际情况的模拟，并得到直观准确的发电机组运行状态与特性，适用于风力发电场双馈感应发电系统运行状态与特性研究，对风电场发电过程中正常运行与可能遇到的风速变化和低电压穿越时的运行策略具有重要的指导意义。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的双馈感应风力发电系统的仿真方法的步骤示意图；
图2是双馈感应风力发电系统的电气结构图(DFIG为双馈感应电机简称)；
图3是并网电机的等效模型；
图4(a)至图4(c)为控制系统的仿真模型，图4(a)为电流指令值计算模块，图4(b)为电流环模块，图4(c)为定转子变换角计算模块；
图5(a)至图5(b)为仿真波形图，图5(a)为发电系统在风速变化、指令功率恒定下的功率输出波形图，图5(b)为同条件下转子三相电压波形图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图5(b)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的方法的步骤示意图，如图1所示，一种双馈感应风力发电系统的仿真方法包括以下步骤：
第一步骤S1中，根据双馈感应风力发电系统的实际参数对其中的电气设备进行建模，
第二步骤S2中，基于双馈电机的电网电压定向矢量控制采用运算模块构建双馈感应风力发电系统的控制系统，
第三步骤S3中，利用三相桥变流器连接所述电气设备和控制系统以形成双馈感应风力发电系统的仿真系统，通过函数发生器模拟输入信号并测量仿真系统的电气量。
为了进一步理解本发明，在一个实施方式中，本发明仿真计算的对象为双馈感应风力发电系统，获得双馈感应电机接线图及其电气参数，其基本结构由附图2所示。仿真结构的主要流程为：首先输入预期要求的有功及无功功率的指令值，利用DFIG的电磁关系数学模型，经电流指令值计算模块，可参见图4(a)中的运算结构，可以计算得到转子dq轴电流的指令值。转子dq轴电流指令值与转子dq轴电流实际值通过PID控制器进行调节，使得实际值对指令值保持良好的跟踪，并通过电流环模块，参加图4(b)中的运算结构得到转子dq轴电压的指令值，此时结合DFIG的实时位置角，可将转子dq轴电压转换为三相电压，通过变换器输入到DFIG的转子绕组，以控制DFIG输出功率与指令值保持一致。在此过程中，需对DFIG定子三相电压实时测量，并通过电网电压矢量计算模块与角度运算模块，参见图4(c)中的运算结构，得到DFIG的实时位置角并提供给Park(逆)变换模块进行运算，此外还需实时测量DFIG转子三相电流并对其进行Park变换提供给电流环模块。得到双馈电机极对数、定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、励磁电感等参数。
对双馈感应风力发电系统的控制系统进行模型构建。按照附图4(a)至图4(c)所示的模型对控制部分进行仿真，并按照附图2系统的整体结构，将各个部分连接成一套完整的仿真系统结构。
对风速、功率等输入给定进行赋值，并在在系统关键节点设置电压、电流以及功率观测点。
改变风力发电系统的运行条件，通过改变风速对系统的变速恒频运行功能进行研究，观察转子控制电压的频率匹配状况；改变指令功率观察系统功率输出是否达到预期；通过监测暂态电流电压检验设备耐受，并进一步研究系统的运行特性，如附图5(a)至图5(b)为发电机转速由0.7倍同步转速，在第2-7秒内逐渐变化到1.2倍同步转速，且输出有功功率保持为2MW，无功功率为0条件下，电机输出功率与转子端电压的波形图。可以观察到利用该仿真方法，所得结果简洁清晰，可以有效准确地针对发电系统运行状态与运行特性进行分析与研究。并可在此基础上进一步对电网不平衡状态下的运行策略进行研究。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，实际参数包括双馈电机极对数、定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感或励磁电感。
所述的方法的优选实施方式中，第二步骤S2中，运算模块包括Park变换器和PID控制器。
所述的方法的优选实施方式中，第一步骤S1中，电气设备包括通过传动轴与变速齿轮箱和电机转子连接的风力涡轮机、电网、双馈感应电机和变换器。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，仿真系统中，风力涡轮机转速及其变速后的结果经由函数发生器替代为发电机转子转速；电网为恒压源模型；双馈感应电机由感应电机定转子直接与电网星形相连或通过变换器与电网星形相连。
所述的方法的优选实施方式中，变换器包括背靠背整流器和逆变器。
所述的方法的优选实施方式中，第三步骤S3中，仿真系统中，双馈感应发电机的定子部分与电网直接相连，转子部分通过变换器与电网相连，功率指令信号输入后转换为电压控制信号，所述变换器对转子端电压的控制。
所述的方法的优选实施方式中，电网电压定向后输入预期产生有功及无功功率的指令值，通过电流指令值计算产生转子dq轴电流指令值；再经电流环计算得到转子dq轴电压指令值；最后结合计算得到的定转子电压变换角，得到转子三相电压指令值，并由变换器实现转子电压控制。
所述的方法的优选实施方式中，在输入转子转速信号与功率指令值后，通过对仿真系统的电流、电压以及功率进行监测。
所述的方法的优选实施方式中，所述控制系统包括电流指令值计算模块、电流环模块以及定转子变换角计算模块。
为研究双馈感应风力发电系统的运行特性，在一个优选实施方式中，一种双馈感应发电系统的运行仿真方法包括，首先根据设备实际参数对系统中的电气设备进行建模；然后根据实际工程中常采用的电网电压定向的矢量控制策略，利用Park变换、PID控制器等运算模块构成双馈电机的控制系统；之后利用三相桥变流器等部件将电机部分、控制部分等进行连接，使系统结构完整；通过函数发生器模拟风速等输入信号，并对系统关键电气量进行测量，即可检测观察系统的运行状态，分析其运行特性，从而为双馈感应风力发电系统的控制策略、状态维护提供理论指导。
在一个优选实施方式中，基于Matlab/Simulink电气仿真软件对风电场中双馈感应风力发电系统的运行进行电气仿真。首先根据发电设备的实际参数对系统中各电气设备进行建模；其次根据实际工程中对于双馈电机的电网电压定向矢量控制原理，利用Park变换、PID控制器等运算模块搭建发电系统并网运行时的仿真结构，监测设备关键电压、电流以及功率信号，通过信号发生模块模拟风速的变化，实现对双馈感应风力发电系统实际工作时的运行特性研究。
在一个优选实施方式中，双馈感应发电机定子部分与电网直接相连，转子部分通过背靠背变换器与电网相连，功率指令信号输入后通过矢量控制系统转换为电压控制信号，通过变换器对转子端电压的控制实现风速匹配与功率稳定。如附图2所示，其中，功率指令值输入后，进行电流指令值计算后输入电流环，经由角度计算、park逆变换输入变换器，变换器连接电网，电流环经由角度计算、park变换进行转子电流测量。
在一个优选实施方式中，系统中的电气部分，包括电网、双馈感应电机、控制系统包括电流指令值计算、电流环以及定转子变换角计算模块、变换器等设备。
在一个优选实施方式中，机械与电气部分的建模中，风力涡轮机转速及其变速后的结果用一函数发生器替代为发电机转子转速；电网视为无穷大采用恒压源模型；双馈感应电机由感应电机定转子直接与电网相连/通过变换器与电网相连构成，其连接均为星形；变换器由一组背靠背整流器和逆变器组成，可由一组受控电压源等效。并网电机模型如附图3所示，转速输入后，连接DFIG，转子电压控制信号经变流器连接DFIG，所述DFIG连接电网。DFIG的模型构建流程为：首先采用Simulink中自带的异步感应电机模型，并在其转子端连接上三相变流器配合，控制模块输出的转子电压信号，以实现DFIG具有转子三相绕组且可以控制其转子电压的效果。在电机转子侧连接上电网，并输入与风速匹配的电机转速，即可实现对于DFIG的模型搭建。
在一个优选实施方式中，控制系统的仿真模型中，首先实现电网电压定向；然后输入预期产生有功及无功功率的指令值，在定向条件下，通过电流指令值计算产生转子dq轴电流指令值；再经电流环计算得到转子dq轴电压指令值；最后结合计算得到的定转子电压变换角，得到转子三相电压指令值，并由变换器实现转子电压控制。电流指令值计算、电流环、定转子变换角计算的控制模型如附图4(a)、图4(b)、图4(c)所示。仿真结构的主要流程为：首先输入预期要求的有功及无功功率的指令值，利用DFIG的电磁关系数学模型，经图4(a)中的运算结构(即图2电流指令值计算模块)可以计算得到转子dq轴电流的指令值。转子dq轴电流指令值与转子dq轴电流实际值通过PID控制器进行调节，使得实际值对指令值保持良好的跟踪，并通过图4(b)中的运算结构(即图2电流环模块)得到转子dq轴电压的指令值，此时结合DFIG的实时位置角，可将转子dq轴电压转换为三相电压，通过变换器输入到DFIG的转子绕组，以控制DFIG输出功率与指令值保持一致。在此过程中，需对DFIG定子三相电压实时测量，并通过图4(c)中的运算结构(即图2电网电压矢量计算模块与角度运算模块)得到DFIG的实时位置角并提供给Park(逆)变换模块进行运算，此外还需实时测量DFIG转子三相电流并对其进行Park变换提供给电流环模块。
在一个优选实施方式中，双馈感应风力发电系统的运行仿真中，在输入转子转速风速信号与功率指令值后，系统处于并网发电状态，通过对系统关键电流、电压以及功率的监测，可以对发电系统是否实现功率预期、频率匹配以及其他运行特性进行研究，如图5(a)所示，发电系统在风速变化、指令功率恒定下的功率输出波形图以及图5(b)为同条件下转子三相电压波形图。
本发明适用于风力发电场双馈感应发电系统运行状态与特性研究，对风电场发电过程中正常运行与可能遇到的风速变化和低电压穿越时的运行策略具有重要的指导意义。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (7)
1.一种双馈感应风力发电系统的仿真方法，所述方法包括以下步骤：
第一步骤(S1)中，根据双馈感应风力发电系统的实际参数对其中的电气设备进行建模，
第二步骤(S2)中，基于双馈电机的电网电压定向矢量控制采用运算模块构建双馈感应风力发电系统的控制系统，其中，电网电压定向后输入预期产生有功及无功功率的指令值，通过电流指令值计算产生转子dq轴电流指令值；再经电流环计算得到转子dq轴电压指令值；最后结合计算得到的定转子电压变换角，得到转子三相电压指令值，并由变换器实现转子电压控制，运算模块包括Park变换器和PID控制器，其中，转子dq轴电流指令值与转子dq轴电流实际值通过PID控制器进行调节，使得实际值对指令值保持跟踪，并通过电流环模块得到转子dq轴电压的指令值，
第三步骤(S3)中，利用三相桥变流器连接所述电气设备和控制系统以形成双馈感应风力发电系统的仿真系统，通过函数发生器模拟输入信号并测量仿真系统的电气量，其中，仿真系统中，双馈感应发电机的定子部分与电网直接相连，转子部分通过变换器与电网相连，功率指令信号输入后转换为电压控制信号，所述变换器对转子端电压的控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(S1)中，实际参数包括双馈电机极对数、定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感或励磁电感。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第一步骤(S1)中，电气设备包括通过传动轴与变速齿轮箱和电机转子连接的风力涡轮机、电网、双馈感应电机和变换器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，第三步骤(S3)中，仿真系统中，风力涡轮机转速及其变速后的结果经由函数发生器替代为发电机转子转速；电网为恒压源模型；双馈感应电机由感应电机定转子直接与电网星形相连或通过变换器与电网星形相连。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，变换器包括背靠背整流器和逆变器。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在输入转子转速信号与功率指令值后，通过对仿真系统的电流、电压以及功率进行监测。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述控制系统包括电流指令值计算模块、电流环模块以及定转子变换角计算模块。
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