CN111507021B - 一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法，将双馈风电系统划分为网侧变换器、转子侧变换器和双馈电机三个模块，考虑电容滤波作用与频率偏移作用，按照双馈风电并网拓扑结构建立三个模块的谐波发射机理等效模型。从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压，从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流，此后计算等效电阻，建立谐波源等效模型，从而简化了谐波发射的定量分析计算。

Description

一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法

技术领域

本发明涉及风电技术领域，特别是一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法及系统。

背景技术

随着风电技术的迅速发展，大量风电场的并网，给电网的运行带来了许多复杂的问题，其中电能质量问题尤为突出。在风电场中，由于基于双馈感应电机 (DoublyFedInduction Generations,DFIG)的变速风电机组具有转能量换效率高、电压稳定性好、能够实现功率解耦控制等优势，已经占据大部分风电市场。然而，在双馈风力发电机组中，存在大量因电网电压和电力电子变换器而产生的谐波。这些谐波将导致电网电压波形畸变，不仅会降低供电质量，还易使得继电保护和自动装置发生误动作，对电力系统的运行安全造成威胁。建立可靠的谐波源模型，是谐波治理评估的关键。

在风机实际运行中，网侧变换器和转子侧变换器的谐波可通过直流侧耦合，转子侧变换器的谐波电流的交流部分注入直流侧电容，在直流电容产生交流波动电压，并且波动电压将会通过网侧变换器产生谐波注入电网，很难进行定量计算。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法及系统，简化了谐波发射的定量分析计算。

本发明采用以下方案实现：一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法，具体包括以下步骤：

将双馈风电系统划分为网侧变换器、转子侧变换器和双馈电机三个模块，考虑电容滤波作用与频率偏移作用，按照双馈风电并网拓扑结构建立三个模块的谐波发射机理等效模型；

从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压，从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流；

计算等效电阻并以此建立谐波源等效模型。

进一步地，所述网侧变换器与所述转子侧变换器的谐波发射机理等效模型均为受控电压源，控制量为直流电容电压U_dc。

进一步地，在不考虑频率偏移时，网侧变换器交流侧电压U_g与转子侧变换器交流侧电压U_r表达式如下：

网侧变换器交流侧电压U_g为：

其中，

式中，M＝U₀/U_c表示调制比，U₀、U_c分别为正弦调制波和三角载波的幅值，n与m分别为调制波和三角载波的索引变量，ω_c表示三角载波的角频率，ω₁表示基波角频率；

转子侧变换器交流侧电压U_r为：

其中，

式中，M_r＝U_r/U_c表示调制比，n₁与m₁分别为调制波和三角载波的索引变量，ω_c表示三角载波的角频率，ω₂表示转子侧角频率。

进一步地，当双馈电机定转子间发生50Hz的频率偏移后，网侧变换器交流侧电压U_gh与转子侧变换器交流侧电压U_rh表达式分别如下：

进一步地，所述双馈电机的谐波发射机理等效模型包括网侧回路与转子侧回路；

其中网侧回路并联在电网电压U₁上，回路包括串联的网侧变换器等效阻抗与网侧变换器交流侧电压等效的受控电压源；

其中转子侧回路包括串联的转子侧变换器等效阻抗、电机定子等效阻抗、励磁支路等效阻抗与转子侧变换器交流侧电压等效的受控电压源。

进一步地，所述从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压具体为：令双馈电机的发射机理等效模型中的电网电压U₁为开路，求解出此时的开路谐波电压。

进一步地，所述开路谐波电压U_oc的表达式为：

式中，U_gh为网侧变换器交流侧电压，U_rh为转子侧变换器交流侧电压，Z_m为励磁支路等效阻抗，Z_g为网侧变换器等效阻抗，Z_s为电机定子等效阻抗，Z_r为转子侧变换器等效阻抗。

进一步地，所述从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流具体为：令双馈电机的发射机理等效模型中的电网电压U₁为短路，求解出此时的短路谐波电流。

进一步地，短路谐波电流包括网侧短路谐波电流I_gk与转子侧谐波短路电流I_rk，表达式为：

式中，U_gh为网侧变换器交流侧电压，U_rh为转子侧变换器交流侧电压，Z_g为网侧变换器等效阻抗，Z_s为电机定子等效阻抗，Z_r为转子侧变换器等效阻抗。

进一步地，所述计算等效电阻，建立谐波源等效模型具体为：

对于网侧变换器，等效电阻为：

对于转子侧变换器，等效电阻为：

式中，U_oc为开路谐波电压，I_gk为网侧短路谐波电流，I_rk为转子侧谐波短路电流；

建立的谐波源等效模型包括网侧变换器回路与转子侧变换器回路；其中网侧变换器回路包括串联的网侧变换器的等效电阻R_eqg以及开路谐波电压等效的电压源U_oc；其中转子侧变换器回路包括串联的转子侧变换器的等效电阻R_eqr以及开路谐波电压等效的电压源U_oc。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明将双馈风电系统划分为网侧变换器、转子侧变换器和双馈电机三个模块，考虑电容滤波作用与频率偏移作用，按照双馈风电并网拓扑结构建立三个模块的谐波发射机理等效模型。从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压，从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流，此后计算等效电阻，建立谐波源等效模型，从而简化了谐波发射的定量分析计算。

附图说明

图1为本发明实施例的双馈风电系统谐波发射等效电路模型。

图2为本发明实施例的双馈风电系统谐波发射的开路等效电路模型。

图3为本发明实施例的双馈风电系统谐波发射的短路等效电路模型。

图4为本发明实施例建立的谐波源等效模型。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/ 或它们的组合。

本实施例提供了一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法，具体包括以下步骤：

将双馈风电系统划分为网侧变换器、转子侧变换器和双馈电机三个模块，考虑电容滤波作用与频率偏移作用，按照双馈风电并网拓扑结构建立三个模块的谐波发射机理等效模型；

从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压，从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流；

计算等效电阻并以此建立谐波源等效模型。

在本实施例中，计及电容滤波作用，PWM变换器中的直流电容电压恒定，将三相逆变器DC/AC的转换过程等效为SPWM开关函数调制直流得到交流的过程。所述网侧变换器与所述转子侧变换器的谐波发射机理等效模型均为受控电压源，控制量为直流电容电压U_dc。

在本实施例中，在不考虑频率偏移时，网侧变换器交流侧电压U_g与转子侧变换器交流侧电压U_r表达式如下：

网侧变换器交流侧电压U_g为：

其中，

式中，M＝U₀/U_c表示调制比，U₀、U_c分别为正弦调制波和三角载波的幅值， n与m分别为调制波和三角载波的索引变量，ω_c表示三角载波的角频率，ω₁表示基波角频率；

转子侧变换器交流侧电压U_r为：

其中，

式中，M_r＝U_r/U_c表示调制比，n₁与m₁分别为调制波和三角载波的索引变量，ω_c表示三角载波的角频率，ω₂表示转子侧角频率。

在本实施例中，当双馈电机定转子间发生50Hz的频率偏移后，网侧变换器交流电压表达式不变，待求量为空载谐波电压和短路谐波电流，新的网侧交流谐波电压表达式如式(7)。转子侧变换器交流电压各分量幅值不变，基波变为2次谐波， n次谐波分量均变为(n+1)次谐波分量，新的转子侧交流谐波电压的表达式如式(8)；具体的，网侧变换器交流侧电压U_gh与转子侧变换器交流侧电压U_rh表达式分别如下：

在本实施例中，如图1所示，所述双馈电机的谐波发射机理等效模型包括网侧回路与转子侧回路；其中网侧回路并联在电网电压U₁上，回路包括串联的网侧变换器等效阻抗与网侧变换器交流侧电压等效的受控电压源；其中转子侧回路包括串联的转子侧变换器等效阻抗、电机定子等效阻抗、励磁支路等效阻抗与转子侧变换器交流侧电压等效的受控电压源。图1中，U₁为电网电压，U_g、I_g分别为网侧交流电压和电流，Z_g＝R_g+jX_g为网侧变换器等效阻抗；U_r、I_r分别为转子侧交流电压和电流，Z_r＝R_r+jX_r为转子侧变换器等效阻抗；Z_s＝R_s+jX_s为电机定子等效阻抗；Z_m＝R_m+jX_m为励磁支路等效阻抗。

在本实施例中，所述从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压具体为：令双馈电机的发射机理等效模型中的电网电压U₁为开路，获得双馈风电系统谐波发射的开路等效电路模型如图2所示，求解出此时的开路谐波电压。

其中包含开路谐波电压U_oc、网侧谐波电流I_g和转子侧谐波电流I_r三个未知量，可以列出两个电压回路方程和一个节点电流方程，联立求解，得到开路谐波电压U_oc如式(9)：

式中，U_gh为网侧变换器交流侧电压，U_rh为转子侧变换器交流侧电压，Z_m为励磁支路等效阻抗，Z_g为网侧变换器等效阻抗，Z_s为电机定子等效阻抗，Z_r为转子侧变换器等效阻抗。

在本实施例中，所述从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流具体为：令双馈电机的发射机理等效模型中的电网电压U₁为短路，获得双馈风电系统谐波发射的短路等效电路模型如图3所示，求解出此时的短路谐波电流。

此时U₁＝0，电路被解耦为两个独立回路，可以列出两个电压回路方程求解出两个未知量，得到短路谐波电流I_gk、I_rk如式(10)、式(11)：

式中，U_gh为网侧变换器交流侧电压，U_rh为转子侧变换器交流侧电压，Z_g为网侧变换器等效阻抗，Z_s为电机定子等效阻抗，Z_r为转子侧变换器等效阻抗。

在本实施例中，所述计算等效电阻，建立谐波源等效模型具体为：

对于网侧变换器，等效电阻为：

对于转子侧变换器，等效电阻为：

式中，U_oc为开路谐波电压，I_gk为网侧短路谐波电流，I_rk为转子侧谐波短路电流；

建立的谐波源等效模型包括网侧变换器回路与转子侧变换器回路，如图4所示；其中网侧变换器回路包括串联的网侧变换器的等效电阻R_eqg以及开路谐波电压等效的电压源U_oc；其中转子侧变换器回路包括串联的转子侧变换器的等效电阻R_eqr以及开路谐波电压等效的电压源U_oc。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种双馈风电系统谐波源等效模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

将双馈风电系统划分为网侧变换器、转子侧变换器和双馈电机三个模块，考虑电容滤波作用与频率偏移作用，按照双馈风电并网拓扑结构建立三个模块的谐波发射机理等效模型；

从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压，从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流；

计算等效电阻并以此建立谐波源等效模型；

所述网侧变换器与所述转子侧变换器的谐波发射机理等效模型均为受控电压源，控制量为直流电容电压U_dc；

在不考虑频率偏移时，网侧变换器交流侧电压U_g与转子侧变换器交流侧电压U_r表达式如下：

网侧变换器交流侧电压U_g为：

其中，

式中，M＝U₀/U_c表示调制比，U₀、U_c分别为正弦调制波和三角载波的幅值，n与m分别为调制波和三角载波的索引变量，ω_c表示三角载波的角频率，ω₁表示基波角频率；

转子侧变换器交流侧电压U_r为：

其中，

式中，M_r＝U_r/U_c表示调制比，n₁与m₁分别为调制波和三角载波的索引变量，ω_c表示三角载波的角频率，ω₂表示转子侧角频率；

当双馈电机定转子间发生50Hz的频率偏移后，网侧变换器交流侧电压U_gh与转子侧变换器交流侧电压U_rh表达式分别如下：

所述双馈电机的谐波发射机理等效模型包括网侧回路与转子侧回路；

所述网侧回路并联在电网电压U₁上，回路包括串联的网侧变换器等效阻抗与网侧变换器交流侧电压等效的受控电压源；

所述转子侧回路包括串联的转子侧变换器等效阻抗、电机定子等效阻抗、励磁支路等效阻抗与转子侧变换器交流侧电压等效的受控电压源；

所述从谐波发射机理等效模型的离网状态，求开路谐波电压具体为：令双馈电机的发射机理等效模型中的电网电压U₁为开路，求解出此时的开路谐波电压；

所述开路谐波电压U_oc的表达式为：

式中，U_gh为网侧变换器交流侧电压，U_rh为转子侧变换器交流侧电压，Z_m为励磁支路等效阻抗，Z_g为网侧变换器等效阻抗，Z_s为电机定子等效阻抗，Z_r为转子侧变换器等效阻抗；

所述从谐波发射机理等效模型的网侧短路状态，求短路谐波电流具体为：令双馈电机的发射机理等效模型中的电网电压U₁为短路，求解出此时的短路谐波电流；

短路谐波电流包括网侧短路谐波电流I_gk与转子侧谐波短路电流I_rk，表达式为：

式中，U_gh为网侧变换器交流侧电压，U_rh为转子侧变换器交流侧电压，Z_g为网侧变换器等效阻抗，Z_s为电机定子等效阻抗，Z_r为转子侧变换器等效阻抗；

所述计算等效电阻并建立谐波源等效模型具体为：

对于网侧变换器，等效电阻为：

对于转子侧变换器，等效电阻为：

式中，U_oc为开路谐波电压，I_gk为网侧短路谐波电流，I_rk为转子侧谐波短路电流；

建立的谐波源等效模型包括网侧变换器回路与转子侧变换器回路；其中网侧变换器回路包括串联的网侧变换器的等效电阻R_eqg以及开路谐波电压等效的电压源U_oc；其中转子侧变换器回路包括串联的转子侧变换器的等效电阻R_eqr以及开路谐波电压等效的电压源U_oc。

Images