CN113162107B - 一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法，属于电力系统仿真技术领域。本发明方法，包括：根据控制及电气参数对永磁同步发电机电磁暂态仿真模型的诺顿等值电流源进行初始化；换流器采用开关函数平均值模型，对永磁直驱风机的换流器机侧和网侧的受控电压源和电流源、换流器直流侧电容和交流侧滤波器初始化；根据换流器受控电压源初始化结果，确定控制系统内环积分初始值，根据功率和电压，确定外环积分初始值；执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算，获取仿真计算结果；根据有功功率计算结果，判断是否切换至换流器详细模型。本发明实现了大电网中含详细换流器模型的永磁直驱风机电磁暂态仿真的快速启动。

Description

一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真技术领域，并且更具体地，涉及一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法。

背景技术

随着高压直流、风电和光伏、柔性直流的快速发展，我国电网已经形成了交直流混联的大规模电网，特性非常复杂，传统的仿真技术和手段都难以适应大量电力电子应用的情况，需要以更加准确和精细的电磁暂态技术为基础开展大规模电网全电磁暂态仿真。

在大电网全电磁暂态仿真中，大规模电网仿真初始化问题值得关注，目前，已有电磁暂态仿真软件中多采用零状态初始化的方式，该方法只适用于小规模的仿真系统仿真，当规模增大时，需要人工调整才能达到潮流稳定状态，对大电网仿真中风电机组、柔直等含大量电力电子开关的设备，基于零状态初始化的电磁暂态仿真启动过程更是复杂，如果处理不合理，会造成系统振荡、不收敛，无法正常启动运行，为了实现交直流电磁暂态仿真的快速启动达到潮流稳定状态，研究交、直流设备的电磁暂态仿真初始化及启动方法尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法，包括：

根据永磁直驱风机的控制参数及永磁同步发电机的电气参数，获取永磁同步发电机的初始值，根据初始值对永磁同步发电机电磁暂态仿真模型的诺顿等值电流源进行初始化；

换流器采用开关函数平均值模型，对永磁直驱风机的换流器机侧和网侧的受控电压源和电流源、换流器直流侧电容和交流侧滤波器初始化；

根据换流器受控电压源初始化结果，确定控制系统内环积分初始值；

根据并网点及永磁同步发电机的功率和电压，确定控制系统外环积分初始值；

根据控制系统内环积分初始值和外环积分初始值，电气部分的初始值，确定电磁暂态仿真模型初始值，以电磁暂态仿真模型初始值，执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算，获取仿真计算结果；

针对计算结果中的永磁直驱风机的输出有功功率，对有功功率与控制系统给定的有功功率进行对比，获取差值，若差值小于预设阈值，则换流器切换为详细模型模式完成对永磁直驱风机电磁暂态仿真启动。

可选的，永磁同步发电机的初始值，包括：永磁同步发电机的有功功率、无功功率、电压幅值和相角的初始值；

所述有功功率和电压幅值的初始值为控制系统给定量，无功功率、电压相角的初始值，根据永磁发电机有功功率和电压幅值，利用dq坐标下永磁同步发电机稳态下的电压方程和功率计算公式列写一元四次方程，按照有功功率校验确定一元四次方程合理解，根据有功功率对合理解中dq轴的电压和电流进行迭代修正，确定无功功率、电压相角。

可选的，换流器开关函数平均值模型采用定平衡节点电压定向的方式，根据永磁同步发电机的初始值，求取机侧换流器交流侧的dq轴电流，根据机侧换流器交流侧的dq轴电流和机端电压确定受控电压源初始值，根据永磁同步发电机有功功率和直流电压参考值确定受控电流源初始值；或

所述换流器开关函数平均值模型，采用定平衡节点电压定向的方式，根据潮流结果中并网点的功率和电压，确定网侧换流器交流侧的dq轴电流，根据并网点电压和网侧dq轴电流确定网侧换流器受控电压源初始值，根据潮流中并网点有功功率和直流电压参考值确定受控电流源初始值。

可选的，内环积分初始值包括：网侧换流器内环积分初始值和机侧换流器内环积分初始值。

可选的，网侧换流器内环积分初始值的确定包括：

根据网侧换流器受控电压源初始值，确定网侧换流器控制输出的abc坐标下调制电压初始值，采用定电网电压定向，利用派克变换求取控制内环积分初始值。

可选的，机侧换流器内环积分初始值的确定包括：根据机侧换流器受控电压源初始值，确定机侧换流器控制输出的abc坐标下调制电压初始值，采用定机侧电压定向，利用派克变换求取控制内环积分初始值。

可选的，外环积分初始值包括：网侧换流器外环积分初始值和机侧换流器外环积分初始值。

可选的，网侧换流器控制外环积分初始值的确定包括：

根据潮流中并网点的功率、电压，计算网侧换流器交流侧dq轴坐标下电流，确定网侧换流器控制外环积分初始值。

可选的，机侧换流器控制外环积分初始值的确定包括：根据上述计算的永磁同步发电机的功率和电压，计算机侧换流器dq轴电流，确定机侧换流器控制外环积分初始值。

可选的，执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算的过程中，电磁暂态仿真模型的电气部分和控制部分独立求解，直流电压源支撑保持至少0.1秒；

所述电气部分，根据电气量结果计算控制部分，控制系统中包括PWM调制中触发信号的计算。

可选的，若差值大于预设阈值，再一次执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算；

所述仿真时步计算永磁直驱风机输出的有功功率，判断该有功功率与控制系统给定的有功功率的差值，当所述差值小于预设的阈值时，则切换到详细换流器模式。

本发明实现了大电网中含详细换流器模型的永磁直驱风机电磁暂态仿真的快速启动。

附图说明

图1为本发明一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法流程图；

图2为本发明一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法中的永磁直驱风机仿真系统结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

针对上述问题，本发明一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法，如图1所示，包括：

根据永磁直驱风机的控制参数及永磁同步发电机的电气参数，获取永磁同步发电机的初始值，根据初始值对永磁同步发电机电磁暂态仿真模型的诺顿等值电流源进行初始化；

换流器采用开关函数平均值模型，对永磁直驱风机的换流器机侧和网侧的受控电压源和电流源、换流器直流侧电容和交流侧滤波器初始化；

根据换流器受控电压源初始化结果，确定控制系统内环积分初始值；

根据并网点及永磁同步发电机的功率和电压，确定控制系统外环积分初始值；

根据控制系统内环积分初始值和外环积分初始值，电气部分初始值，确定电磁暂态仿真模型初始值，以电磁暂态仿真模型初始值，执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算，获取仿真计算结果；

针对计算结果中的永磁直驱风机的输出有功功率，对有功功率与控制系统给定的有功功率进行对比，获取差值，若差值小于预设阈值，则换流器切换为详细模型模式完成对永磁直驱风机电磁暂态仿真启动。

其中，永磁同步发电机的初始值，包括：永磁同步发电机的有功功率、无功功率、电压幅值和相角的初始值；

所述有功功率和电压幅值的初始值为控制系统给定量，无功功率、电压相角的初始值，根据永磁发电机有功功率和电压幅值，利用dq坐标下永磁同步发电机稳态下的电压方程和功率计算公式列写一元四次方程，按照有功功率校验确定一元四次方程合理解，根据有功功率对合理解中dq轴的电压和电流进行迭代修正，确定无功功率、电压相角。

其中，换流器开关函数平均值模型采用定平衡节点电压定向的方式，根据永磁同步发电机的初始值，求取机侧换流器交流侧的dq轴电流，根据机侧换流器交流侧的dq轴电流和机端电压确定受控电压源初始值，根据永磁同步发电机有功功率和直流电压参考值确定受控电流源初始值；或

所述换流器开关函数平均值模型，采用定平衡节点电压定向的方式，根据潮流结果中并网点的功率和电压，确定网侧换流器交流侧的dq轴电流，根据并网点电压和网侧dq轴电流确定网侧换流器受控电压源初始值，根据潮流中并网点有功功率和直流电压参考值确定受控电流源初始值。

其中，内环积分初始值包括：网侧换流器内环积分初始值和机侧换流器内环积分初始值。

其中，网侧换流器内环积分初始值的确定包括：

根据网侧换流器受控电压源初始值，确定网侧换流器控制输出的abc坐标下调制电压初始值，采用定电网电压定向，利用派克变换求取控制内环积分初始值。

其中，机侧换流器内环积分初始值的确定包括：根据机侧换流器受控电压源初始值，确定机侧换流器控制输出的abc坐标下调制电压初始值，采用定机侧电压定向，利用派克变换求取控制内环积分初始值。

其中，外环积分初始值包括：网侧换流器外环积分初始值和机侧换流器外环积分初始值。

其中，网侧换流器控制外环积分初始值的确定包括：

根据潮流中并网点的功率、电压，计算网侧换流器交流侧dq轴坐标下电流，确定网侧换流器控制外环积分初始值。

其中，机侧换流器控制外环积分初始值的确定包括：根据上述计算的永磁同步发电机的功率和电压，计算机侧换流器dq轴电流，确定机侧换流器控制外环积分初始值。

其中，执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算的过程中，电磁暂态仿真模型的电气部分和控制部分独立求解，直流电压源支撑保持至少0.1秒；

所述电气部分，根据电气量结果计算控制部分，控制系统中包括PWM调制中触发信号的计算。

其中，若差值大于预设阈值，再一次执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算；

所述仿真时步计算永磁直驱风机输出的有功功率，判断该有功功率与控制系统给定的有功功率的差值，当所述差值小于预设的阈值时，则切换到详细换流器模式。

下面结合实施例对本发明进行进一步说明：

S1、根据永磁直驱风机的控制参数及永磁同步发电机电气参数，永磁直驱风机仿真系统的结构如图2所示，在永磁直驱风机电磁暂态仿真中，永磁直驱风机保留完整的拓扑结构，为了能够快速基于潮流结果和相关已知参数实现电磁暂态仿真快速启动，将换流器模型处理为详细模型和开关函数平均值模型两种运行模式，通过开关K1～K4实现模式切换，其中K1闭合时K3断开，K2闭合时K4断开，反之亦然，其中机侧和网侧的换流器控制开关相互独立，无关联性。在启动初期，K5闭合，直流电容侧保持给定的电源支撑；

计算永磁同步发电机的有功、无功、电压、相角，并对其电磁暂态仿真模型诺顿等值电流源进行初始化。

按照机侧换流器控制策略d轴采用转速控制，q轴采用定机端电压控制，已知量为控制系统给定的永磁同步发电机有功功率标幺值P_m和机端电压幅值标幺值U_m，利用标幺值系统中dq轴坐标下永磁同步发电机稳态下的电压方程和和功率计算公式，有功功率可表示为：

其中，u_d和u_q分别为永磁同步发电机d、q轴电压标幺值，ω_e为永磁同步发电机的角速度标幺值，R_a为永磁同步发电机的电阻标幺值，L_d和L_q分别为d、q轴电感标幺值，λ_m为永磁体磁链标幺值。

已知机端电压：

令则将与其相乘量去掉，因此可得到一元四次方程：

求得多组求解的u_d和u_q结果，代入dq轴坐标下的电压方程，计算对应的电流标幺值i_d和i_q。根据上述多组电流i_d、i_q和电压u_d、u_q结果分别依次计算相应的有功功率P₁，若满足|P₁-P_m|≤0.1*P_m，则对应的电流和电压即为合理的i_d、i_q、u_d、u_q；然后利用有功功率值P_m为上述合理的电压进行迭代修正，确定最后精确的u_d、u_q以及i_d、i_q，利用上述dq轴电压和电流计算出最终的有功功率P_m、无功功率Q_m、电压幅值U_m和相角θ_m。

S2：断开图1中的K3和K4，闭合K1和K2，换流器采用开关函数平均值模型，对机侧和网侧换流器受控电压源和电流源初始化，直流侧电容、交流滤波器初始化。

在标幺值系统下，换流器开关函数平均值模型包含模拟损耗的串联RL支路，根据上述永磁同步发电机的有功功率P_m、无功功率Q_m、电压幅值U_m、相角θ_m，采用定平衡节点电压定向，得到对应dq轴电压标幺值u_md＝U_mcosθ_m，u_mq＝U_msinθ_m，根据上述功率和电压求取机侧换流器交流侧的dq轴电流标幺值i_md、i_mq：

根据上述dq轴发电机端电压和机侧电流计算可计算dq轴下受控电压源标幺值u_cd、u_cq：

其中，R_c和L_c为机侧换流器模拟损耗的RL串联支路对应的电阻和电感标幺值，f_m为发电机侧的频率标幺值，将式(5)中的u_cd、u_cq进行派克反变换则得到机侧换流器受控电压源初始值。

机侧换流器的受控电流源初始值等于永磁同步发电机有功功率有名值除以直流电压参考值u_dcref。

在标幺值系统下，根据潮流结果中的并网点的有功功率P_g、无功功率Q_g、并网点电压幅值U_g和相角θ_g，采用定平衡节点电压定向，得到对应dq轴并网点电压u_gd＝U_gcosθ_g，u_gq＝U_gsinθ_g，根据输入电网的功率和dq轴并网点电压求取网侧换流器交流侧的dq轴电流标幺值i_gd和i_gq，根据上述并网点电压和网侧dq轴电流可计算网侧换流器dq轴下受控电压源值u_kd、u_kq：

其中，R_k和L_k为网侧换流器模拟损耗的RL串联支路对应的电阻和电感标幺值，f_g为电网频率标幺值，将式(6)中的u_kd、u_kq进行派克反变换则得到网侧换流器受控电压源初始值。

网侧换流器的受控电流源初始值等于潮流中并网点有功功率有名值除以直流电压参考值u_dcref。直流电容的电压初始值等于控制参数中的直流电压参考值u_dcref，初始电流为零。

S3：根据换流器的受控电压源初值，确定换流器控制系统内环积分初始值，根据并网点及永磁同步发电机的功率和电压，确定外环积分初始值。

控制系统在标幺值系统下，根据上述网侧换流器受控电压源初始值，利用换流器调制电压与交、直流电压之间的关系，确定网侧换流器控制输出的abc坐标下的调制电压初始值，采用定电网电压定向，利用派克变换及控制内环的传递函数，求取控制内环积分初始值，根据潮流中并网点的有功功率、无功功率、电压，计算网侧换流器交流侧dq轴坐标下电流，确定网侧换流器控制外环积分初始值如下：

控制系统在标幺值系统下，根据上述机侧换流器受控电压源初始值，利用换流器调制电压与交、直流电压之间的关系，确定机侧换流器控制输出的调制电压初始值，采用定机侧电压定向，利用派克变换及控制环节的传递函数，求取控制内环积分初始值。根据上述计算的永磁同步发电机的功率和电压，计算机侧换流器dq轴电流，确定机侧换流器控制外环积分初始值如下：

S4：执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算，电气部分和控制部分独立求解，控制系统中包括PWM调制中触发信号的计算，直流电压源支撑保持0.1秒，0.1秒后图1中的K5断开。

S5：每个仿真时步计算永磁发电机输出的有功功率P_m1，判断是否满足|P_m1-P_m|≤ζ(ζ＝0.01)，若满足条件则切换到换流器详细模型模式，启动过程结束；反之，则不切换，返回S4继续执行下一时步仿真。

本发明实现了大电网中含详细换流器模型的永磁直驱风机电磁暂态仿真的快速启动。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种永磁直驱风机电磁暂态仿真的启动方法，所述方法包括：

根据永磁直驱风机的控制参数及永磁同步发电机的电气参数，获取永磁同步发电机的初始值，根据初始值对永磁同步发电机电磁暂态仿真模型的诺顿等值电流源进行初始化；

换流器采用开关函数平均值模型，对永磁直驱风机的换流器机侧和网侧的受控电压源和电流源、换流器直流侧电容和交流侧滤波器初始化；

根据换流器受控电压源初始化结果，确定控制系统内环积分初始值；

根据并网点及永磁同步发电机的功率和电压，确定控制系统外环积分初始值；

根据控制系统内环积分初始值和外环积分初始值，电气部分的初始值，确定电磁暂态仿真模型初始值，以电磁暂态仿真模型初始值，执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算，获取仿真计算结果；

针对计算结果中的永磁直驱风机的输出有功功率，对有功功率与控制系统给定的有功功率进行对比，获取差值，若差值小于预设阈值，则换流器切换为详细模型模式完成对永磁直驱风机电磁暂态仿真启动。

2.根据权利要求1所述的方法，所述永磁同步发电机的初始值，包括：永磁同步发电机的有功功率、无功功率、电压幅值和相角的初始值；

所述有功功率和电压幅值的初始值为控制系统给定量，无功功率、电压相角的初始值，根据永磁发电机有功功率和电压幅值，利用dq坐标下永磁同步发电机稳态下的电压方程和功率计算公式列写一元四次方程，按照有功功率校验确定一元四次方程合理解，根据有功功率对合理解中dq轴的电压和电流进行迭代修正，确定无功功率、电压相角。

3.根据权利要求1所述的方法，所述换流器开关函数平均值模型采用定平衡节点电压定向的方式，根据永磁同步发电机的初始值，求取机侧换流器交流侧的dq轴电流，根据机侧换流器交流侧的dq轴电流和机端电压确定受控电压源初始值，根据永磁同步发电机的有功功率和直流电压参考值确定受控电流源初始值；或

所述换流器开关函数平均值模型，采用定平衡节点电压定向的方式，根据潮流结果中并网点的功率和电压，确定网侧换流器交流侧的dq轴电流，根据并网点电压和网侧dq轴电流确定网侧换流器受控电压源初始值，根据潮流中并网点的有功功率和直流电压参考值确定受控电流源初始值。

4.根据权利要求1所述的方法，所述内环积分初始值包括：网侧换流器内环积分初始值和机侧换流器内环积分初始值。

5.根据权利要求4所述的方法，所述网侧换流器内环积分初始值的确定包括：

根据网侧换流器受控电压源初始值，确定网侧换流器控制输出的abc坐标下调制电压初始值，采用定电网电压定向，利用派克变换求取控制内环积分初始值。

6.根据权利要求4所述的方法，所述机侧换流器内环积分初始值的确定包括：根据机侧换流器受控电压源初始值，确定机侧换流器控制输出的abc坐标下调制电压初始值，采用定机侧电压定向，利用派克变换求取控制内环积分初始值。

7.根据权利要求1所述的方法，所述外环积分初始值包括：网侧换流器外环积分初始值和机侧换流器外环积分初始值。

8.根据权利要求7所述的方法，所述网侧换流器控制外环积分初始值的确定包括：

根据潮流中并网点的功率、电压，计算网侧换流器交流侧dq轴坐标下电流，确定网侧换流器控制外环积分初始值。

9.根据权利要求7所述的方法，所述机侧换流器控制外环积分初始值的确定包括：根据上述计算的永磁同步发电机的功率和电压，计算机侧换流器dq轴电流，确定机侧换流器控制外环积分初始值。

10.根据权利要求1所述的方法，所述执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算的过程中，电磁暂态仿真模型的电气部分和控制部分独立求解，直流电压源支撑保持至少0.1秒；

所述电气部分，根据电气量结果计算控制部分，控制系统中包括PWM调制中触发信号的计算。

11.根据权利要求1所述的方法，所述若差值大于预设阈值，再一次执行一个仿真时步的电磁暂态仿真计算；

所述仿真时步计算永磁直驱风机输出的有功功率，判断该有功功率与控制系统给定的有功功率的差值，当所述差值小于预设的阈值时，则切换到详细换流器模式。