CN111725834A - 一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，包括：将机侧变流器的六个桥臂和网侧变流器的六个桥臂均等效为受控电压源，等效后的机侧变流器以及网侧变流器的直流侧均连接有一条电阻支路，各电阻支路上串设有两个电阻，各电阻支路上的两个电阻之间配置接地点；建立机侧变流器和网侧变流器的功率传输模型，根据功率传输模型计算得到直流储能电容的电压；根据直流储能电容的电压并结合机侧变流器控制器输出的调制波以及网侧变流器控制器输出的调制波，计算得到各受控电压源的电压控制量。本发明构建的仿真模型在进行仿真时计算简便，能够在保证精确性的前提下，提高仿真效率。

Description

一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法
技术领域
本发明涉及一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，属于新能源并网发电技术领域。
背景技术
风力发电技术由于风能的清洁、无污染及其相对成熟的工业技术和相对较低的发电成本，备受青睐。由于风力发电随机性和间歇性的特点，风电场发电规模受风速的影响较大。目前大规模储能技术并不完善，异步风力发电机并网时需要从电网侧吸收无功功率。这导致风能不能像常规能源一样具有较为充足的可调性，会对电力系统产生不良的影响。由于间歇性能源的接入，电力系统的安全稳定问题越来越突出。因此，在建设风电场之前，需要进行可行性分析，为了对风电场的电力系统进行研究，需要建立准确的风电场仿真模型。
近年来，风力发电产业发展迅速，风电场规模日益扩大，并网方式也不再局限于最初的直接接入交流电网的方式，而是可以通过传统高压直流输电接入或者通过柔性直流输电接入。采用柔性直流输电技术直接接入的方案具备一定优势，但风力发电系统的接入，对柔性直流输电系统运行特性的影响尚不明确，而大规模的风力发电系统也极大的增加了对该问题进行仿真分析的难度。
如图1所示为现有技术中双馈风力发电机电压型双变流器的拓扑示意图，包括机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器为风机侧的变流器，连接双馈风力发电机(DFIG)的三相输出端，网侧变流器连接电网的三相输入端。机侧变流器和网侧变流器通过直流母线连接，并且直流母线并联有直流储能电容，机侧变流器和网侧变流器均包括六个桥臂，六个桥臂又分为上桥臂和下桥臂，每个上桥臂和对应的下桥臂之间设置有用于连接A、B、C三相中某一相的接线点。
现有技术中的风电场等值建模方法将风电场聚合为一组大容量风电机组进行仿真分析，但该方法无法模拟风电场切机等特性，而增加风电机组数又极大地降低了仿真效率，若按照实际变流器的设计方案，如图1所示，配电网络中将存在大量的电力电子开关模型，开关模型状态频繁改变引起大量的矩阵运算，特别是对于大型的配电网络模型来说，其仿真分析所需要进行的运算量即使是对现有的计算机运算速度来说也是很大的，不易实现也容易出错。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，用于解决现有变流器的模型在进行仿真分析时由于运算量大导致仿真结果不精确、容易出错的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，包括以下步骤：
将机侧变流器的六个桥臂和网侧变流器的六个桥臂均等效为受控电压源，等效后的机侧变流器以及网侧变流器的直流侧均连接有一条电阻支路，各电阻支路上串设有两个电阻，各电阻支路上的两个电阻之间配置接地点；
建立机侧变流器和网侧变流器的功率传输模型，根据所述功率传输模型计算得到直流储能电容的电压；
根据直流储能电容的电压并结合机侧变流器控制器输出的调制波以及网侧变流器控制器输出的调制波，计算得到各受控电压源的电压控制量。
本发明的有益效果是：将机侧变流器和网侧变流器的各个桥臂等效为受控电压源，建立各受控电压源的功率传输模型并计算各受控电压源的电压控制量，进而得到风电场双馈风机变流器仿真模型，通过该风电场双馈风机变流器仿真模型进行仿真时计算简便，避免了开关模型状态频繁改变引起的大量的矩阵运算，并且该风电场双馈风机变流器仿真模型可适用于包含多个风电机组的风电场系统仿真，能够在保证精确性的前提下，提高仿真效率。
进一步的，为了可靠获取机侧变流器和网侧变流器的功率传输模型，所述功率传输模型为：
Figure BDA0002003825650000031
其中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-Δt为t-Δt时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率，根据所述功率传输模型计算得到的直流储能电容的电压为t时刻直流储能电容的电压Ut，Δt为时间间隔。
进一步的，为了可靠获取各受控电压源的电压控制量，各受控电压源的电压控制量的计算公式为：
Figure BDA0002003825650000032
Figure BDA0002003825650000033
其中，usau、usad、usbu、usbd、uscu、uscd分别为机侧变流器A、B、C三相上下桥臂等效的受控电压源的电压控制量，ugau、ugad、ugbu、ugbd、ugcu、ugcd分别为网侧变流器A、B、C三相上下桥臂等效的受控电压源的电压控制量；msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
进一步的，为了对网侧变流器进行可靠控制，网侧变流器采用直流电压外环控制和直流电流内环控制，将t时刻直流储能电容的电压Ut作为网侧变流器的直流电压外环控制的反馈量。
附图说明
图1是现有技术中风电场双馈风力发电机电压型双变流器的拓扑示意图；
图2是本发明风电场双馈风机变流器的等效仿真模型示意图；
图3是本发明网侧变流器控制器对应的控制框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本实施例提供了一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，具体包括以下步骤：
(1)将机侧变流器的六个桥臂和网侧变流器的六个桥臂均等效为受控电压源，等效后的机侧变流器以及网侧变流器的直流侧均连接有一条电阻支路，各电阻支路上串设有两个电阻，各电阻支路上的两个电阻之间配置接地点。
其中，由于风电场的机侧变流器和网侧变流器均为电压源性变流器，依靠换流电抗两端的电压差异实现功率传输，也就是说实现功率传输可以通过控制换流阀交流侧(即网侧变流器交流侧和机侧变流器交流侧)输出目标功率所对应的交流电压来实现。其中，如图1所示，网侧变流器的换流电抗由LCL滤波器提供，机侧变流器的换流电抗由机侧变流器出口电抗提供。所以，在仿真软件中，可将机侧变流器和网侧变流器的六个桥臂均等效为如图2所示的六个受控电压源，并根据输出目标功率计算各受控电压源的控制量。同时，在仿真软件中，在等效后的机侧变流器以及网侧变流器的直流侧均连接有一条串设有两个电阻的电阻支路，并在各电阻支路上的两个电阻之间配置接地点。在本实施例中，各电阻支路上串设的两个电阻R的阻值均为1MΩ。此时，如图2所示，机侧变流器可等效为机侧变流器等效模型，网侧变流器则等效为网侧变流器等效模型。
需要说明的是，在等效后的机侧变流器以及网侧变流器的直流侧连接的电阻支路以及配置的接地点是额外添加的，而不是等效出来的，添加的理由是：在实际系统中，机侧变流器以及网侧变流器的直流侧没有接地，直流母线对地是悬浮电位；添加电阻支路及接地点，是为了在直流侧引入零电位参考点，从而确定两侧直流母线的对地电压，便于计算各受控电压源的指令值。
(2)建立机侧变流器和网侧变流器的功率传输模型，根据功率传输模型计算得到直流储能电容的电压。
其中，如图1所示，网侧变流器以直流电压为控制目标，被动吸收功率，机侧变流器以交流功率为控制目标，将风机产生的电能进行输出。功率传输的过程可以认为是机侧变流器给直流储能电容充电，直流储能电容向网侧变流器放电的过程。直流储能电容充放电正常运行的前提是直流电压稳定，因此当网侧变流器与机侧变流器等效为对应的受控电压源时，需要通过直流电压建立受控电压源之间的联系，该直流电压为直流储能电容的电压。
通过直流储能电容的直流电压建立受控电压源之间联系的依据是直流储能电容的吸收功率与放电功率保持平衡，即机侧变流器给直流储能电容输送多少功率，网侧变流器需要从直流储能电容吸收多少功率。因此，根据机侧变流器的输出功率与网侧风机变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，可以建立机侧变流器和网侧变流器的功率传输模型，该功率传输模型为：
Figure BDA0002003825650000061
其中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-Δt为t-Δt时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率，Δt为时间间隔。
根据机侧变流器和网侧变流器的功率传输模型，可以计算出得到直流储能电容的电压，也就是t时刻直流储能电容的电压Ut，对应的表达式为：
Figure BDA0002003825650000062
(3)根据直流储能电容的电压并结合机侧变流器控制器输出的调制波以及网侧变流器控制器输出的调制波，计算得到各受控电压源的电压控制量。
其中，机侧变流器和网侧变流器等效的各受控电压源的电压控制量可以基于基尔霍夫电压定律，并根据对应变流器交流出口电压和直流出口电压计算得到。根据机侧变流器和网侧变流器对应的控制目标，可以计算得到机侧变流器和网侧变流器交流出口的交流电压。根据变流器的控制原理，机侧变流器控制器和网侧变流器控制器输出的调制波均与交流出口处交流电压的相位相同而幅值不同，因此可通过调制波计算对应变流器等效的各受控电压源的电压控制量，而风电场系统中的原有其它控制器保持不变，也就是在风电场系统中，除了上述步骤(1)-(3)对应的控制策略之外的所有控制策略可以直接适用，而不需要作任何修改或处理。
机侧变流器或网侧变流器正常运行时，对应交流出口处交流电压与调制波之间存在如下关系：
uac＝Udc·m＝Ut·m
其中，uac为机侧变流器或网侧变流器的交流出口处交流电压的相电压，Udc为机侧变流器或网侧变流器直流侧的电压，m为调制波，为标幺值形式。
由于直流储能电容的电压Ut已经计算得到，因此机侧变流器或网侧变流器直流侧正负直流母线电压为：
Figure BDA0002003825650000071
其中，Udc+为机侧变流器或网侧变流器直流侧正直流母线电压，Udc-为机侧变流器或网侧变流器直流侧负直流母线电压。
因此，图2中网侧变流器和机侧变流器各个桥臂等效的各受控电压源的电压控制量的计算公式为：
Figure BDA0002003825650000072
Figure BDA0002003825650000073
其中，usau、usad、usbu、usbd、uscu、uscd分别为机侧变流器A、B、C三相上下桥臂等效的受控电压源的电压控制量，ugau、ugad、ugbu、ugbd、ugcu、ugcd分别为网侧变流器A、B、C三相上下桥臂等效的受控电压源的电压控制量；msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
另外，在控制时，网侧变流器有功外环为直流电压控制，为被动功率传输，即根据直流母线电压的变化情况控制功率传输，因此设计直流电压环的反馈值为t时刻直流储能电容的电压Ut，从而实现对网侧变流器如图3所示的完整控制，其中Udcref为电压外环参考值，Idref为电流内环参考值。建立网侧变流器直流电压环，即可实现网侧等效模型及机侧变流器等效模型的互联。由于电压环控制和电流环控制均属于现有技术，此处不再赘述。
通过上述的步骤(1)-(3)，即可得到风电场双馈风机变流器仿真模型。采用该风电场双馈风机变流器仿真模型进行仿真时，计算简便，可适用于包含多个风电机组的风电场系统仿真，能够在保证精确性的前提下，提高风电场系统仿真效率。

Claims (4)

1.一种风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
将机侧变流器的六个桥臂和网侧变流器的六个桥臂均等效为受控电压源，等效后的机侧变流器以及网侧变流器的直流侧均连接有一条电阻支路，各电阻支路上串设有两个电阻，各电阻支路上的两个电阻之间配置接地点；
建立机侧变流器和网侧变流器的功率传输模型，根据所述功率传输模型计算得到直流储能电容的电压；
根据直流储能电容的电压并结合机侧变流器控制器输出的调制波以及网侧变流器控制器输出的调制波，计算得到各受控电压源的电压控制量。
2.根据权利要求1所述的风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，其特征在于，所述功率传输模型为：
Figure FDA0002003825640000011
其中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-Δt为t-Δt时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率，根据所述功率传输模型计算得到的直流储能电容的电压为t时刻直流储能电容的电压Ut，Δt为时间间隔。
3.根据权利要求2所述的风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，其特征在于，各受控电压源的电压控制量的计算公式为：
Figure FDA0002003825640000021
Figure FDA0002003825640000022
其中，usau、usad、usbu、usbd、uscu、uscd分别为机侧变流器A、B、C三相上下桥臂等效的受控电压源的电压控制量，ugau、ugad、ugbu、ugbd、ugcu、ugcd分别为网侧变流器A、B、C三相上下桥臂等效的受控电压源的电压控制量；msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风电场双馈风机变流器仿真模型的建立方法，其特征在于，网侧变流器采用直流电压外环控制和直流电流内环控制，将t时刻直流储能电容的电压Ut作为网侧变流器的直流电压外环控制的反馈量。
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