CN113435150B - 一种双馈型风力发电机的等效电路、电磁暂态仿真方法 - Google Patents

一种双馈型风力发电机的等效电路、电磁暂态仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种双馈型风力发电机的等效电路、电磁暂态仿真方法，所述等效电路包括：变压器原边漏感支路、变压器副边漏感支路、变压器互感支路、发电机定子支路、发电机转子支路、发电机互感支路、变流器电抗支路、第一电压源、第二电压源和第三电压源；其中，每一支路包括伴随历史电流源和等效电阻，伴随历史电流源和等效电阻并联连接，第一电压源表示电网电压，第二电压源表示转子电压，第三电压源表示网侧变流器输出电压，第一电压源的一端与变压器原边漏感支路的一端连接，第一电压源的另一端接地。本发明基于变化相对平缓的变压器原边电流作为电气接口接入外部电网，更加适合采用FPGA小步长计算，从而能够提高双馈型风电机的仿真精细程度。

Description

一种双馈型风力发电机的等效电路、电磁暂态仿真方法
技术领域
本发明涉及双馈型风力发电机的建模技术领域，尤其涉及一种双馈型风力发电机的等效电路、电磁暂态仿真方法。
背景技术
双馈型风力发电机是当前广泛应用的一种变速恒频风力发电机。由于双馈型风力发电机只需要变流器提供转差功率(一般额定功率的30％)，即可实现风机的变速恒频运行与最大功率追踪，因此能够降低变流器容量、节约成本。
由于双馈型风力发电机的定子与电网直接相连，且变流器额定功率较小，使得其易受电网扰动的影响。为了提高风力发电机组的安全稳定运行能力，需要研究、提高双馈型风力发电机及其组成的风电场的电网适应性。
双馈型风力发电机的电网适应性受到风电机组控制保护系统的影响较大，为了节约成本，提高研发效率，可以利用数字实时仿真系统进行控制保护半实物仿真试验研究。其中，双馈型风力发电机的数字实时仿真模型是该仿真试验的关键部分。
现有双馈型风力发电机的数字实时仿真模型一般采用定转子磁链(或电流)作为状态变量描述的4阶微分方程组，并以非线性电流源作为电气接口接入外部电网。
在现有实时仿真器架构下，为了兼顾准确性与灵活性，一般采用大-小步长建模方法，即将时间常数较大的部分采用CPU大步长仿真，而对时间常数较小的部分等采用FPGA小步长仿真。为了提高风电机组仿真精细程度并兼顾电网建模的灵活性，要求研究采用小步长的仿真计算方式，即在FPGA中采用小步长(0.5～2μs)完成风电机组的仿真建模，在CPU中采用大步长(20～100μs)完成外部电网的仿真建模。然而现有双馈型风力发电机的建模方法中，电气接口部分包含了较大的PWM谐波成分，如果直接以该电气接口作为大小步长模型分割点，则会造成较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双馈型风力发电机的等效电路，以解决现有双馈型风力发电机的建模方法中，电气接口部分包含了较大的PWM谐波成分，如果直接以该电气接口作为大小步长模型分割点，则会造成较大的误差的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种双馈型风力发电机的等效电路，包括：变压器原边漏感支路、变压器副边漏感支路、变压器互感支路、发电机定子支路、发电机转子支路、发电机互感支路、变流器电抗支路、第一电压源、第二电压源和第三电压源；其中，每一支路包括伴随历史电流源和等效电阻，所述伴随历史电流源和所述等效电阻并联连接，所述第一电压源表示电网电压，所述第二电压源表示转子电压，所述第三电压源表示网侧变流器输出电压，所述第一电压源的一端与所述变压器原边漏感支路的一端连接，所述第一电压源的另一端接地，所述变压器原边漏感支路的另一端通过变压器互感支路接地，所述变压器原边漏感支路的另一端还通过所述变压器副边漏感支路分别与所述发电机定子支路和所述变流器电抗支路的一端连接，所述发电机定子支路的另一端通过发电机互感支路接地，所述发电机定子支路的另一端还通过发电机转子支路与所述第二电压源的一端连接，所述第二电压源的另一端通接地；所述变流器电抗支路的另一端通过第三电源接地。
第二方面，本发明实施例提供一种双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，适用于上述所述的双馈型风力发电机的等效电路，包括：
获取输入到各支路的电感和电阻，以及设定的仿真步长；
根据各支路的电感和电阻，以及设定的仿真步长计算各支路对应的等效导纳；
更新开关状态并构建系统导纳矩阵；
更新各支路的历史电流源；
更新节点电压；
更新支路电压；
更新支路电流；
判断是否达到仿真结束时间，若是，则退出仿真，否则，仿真时间增加一个仿真步长，并返回更新开关状态的步骤。
优选地，所述系统导纳矩阵为：
Figure BDA0003085014360000031
其中，Ysys为系统导纳矩阵，所述Yt1为变压器原边漏感支路等效导纳，Yt2为变压器副边漏感支路等效导纳，Ytm为变压器互感支路等效导纳，Ygs为发电机定子支路等效导纳，Yl为变流器电抗支路等效导纳，Ygm为发电机互感支路等效导纳，Ygr为发电机转子支路等效导纳。
优选地，所述各支路的历史电流源根据支路电感、支路电阻、仿真步长、上一步的支路电流和上一步的支路电压计算得到。
优选地，所述节点电压根据所述系统导纳矩阵和与节点相连的历史电流计算得到。
优选地，所述支路电流根据支路对应的导纳和支路电压计算得到，所述支路电压根据节点电压计算得到。
优选地，所述各支路的历史电流源具体根据如下公式计算得到：
Figure BDA0003085014360000032
其中，L表示电感、dt表示仿真步长、R表示电阻、Ibt-dt表示上一步的支路电流，Ubt-dt表示上一步的支路电压。
优选地，，所述节点电压具体根据如下公式计算得到：
Figure BDA0003085014360000041
其中，Unode为节点电压，Ysys为系统导纳矩阵，Inode为与节点相连的历史电流，流出为正，流入为负，It1为变压器原边漏感支路历史电流源，Itm为变压器互感支路历史电流源，It2为变压器副边漏感支路历史电流源，Il为变流器电抗支路历史电流源，Igs为发电机定子支路历史电流源，Igm为发电机互感支路历史电流源，Igr为发电机转子支路历史电流源。
优选地，所述支路电流根据如下公式计算得到：
Ib＝YUb
其中，Ib为支路电流，Ub为支路电压、Y为支路对应的等效导纳。
优选地，所述支路电压根据如下公式计算得到：
Figure BDA0003085014360000042
其中，Unode为节点电压，Ub为支路电压。
本发明实施例提供的一种双馈型风力发电机的等效电路，包括：变压器原边漏感支路、变压器副边漏感支路、变压器互感支路、发电机定子支路、发电机转子支路、发电机互感支路、变流器电抗支路、第一电压源、第二电压源和第三电压源；其中，每一支路包括伴随历史电流源和等效电阻，所述伴随历史电流源和所述等效电阻并联连接，所述第一电压源表示电网电压，所述第二电压源表示转子电压，所述第三电压源表示网侧变流器输出电压，所述第一电压源的一端与所述变压器原边漏感支路的一端连接，所述第一电压源的另一端接地，所述变压器原边漏感支路的另一端通过变压器互感支路接地，所述变压器原边漏感支路的另一端还通过所述变压器副边漏感支路分别与所述发电机定子支路和所述变流器电抗支路的一端连接，所述发电机定子支路的另一端通过发电机互感支路接地，所述发电机定子支路的另一端还通过发电机转子支路与所述第二电压源的一端连接，所述第二电压源的另一端通接地；所述变流器电抗支路的另一端通过第三电源接地。与现有技术相比，本发明实施例基于变化相对平缓的变压器原边电流作为电气接口接入外部电网，更加适合采用FPGA小步长计算，从而能够提高双馈型风电机的组仿真精细程度，提升控制保护系统研发与测试效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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。
图1是现有双馈型风力发电机系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的双馈型风力发电机的等效电路；
图3是本发明实施例提供的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法；
图4是本发明实施例提供的双馈型风力发电机的等效电路的详细标注图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
目前通用的双馈型风力发电机系统如图1所示，其中，双馈型风力发电机包括：机端变压器T、变流器断路器Brk_c、启动电阻断路器Brk_st、启动电阻Rst、变流器电抗Xl、定子断路器Brk_s、网侧变流器GSC、直流电容Cdc、机侧变流器TSC、双馈型异步发电机DFIG；其中，所述机端变压器T的第一端与电网G连接，所述机端变压器T的第二端与定子断路器的第一端连接，所述定子断路器Brk_s的第二端与双馈型异步发电机DFIG的第一端连接，所述机端变压器T的第二端还与所述变流器断路器Brk_c的第一端连接，所述变流器断路器Brk_c的第二端与所述启动电阻Rst的第一端连接，所述启动电阻Rst的第二端与所述变流器电抗Xl的第一端连接，所述变流器电抗Xl的第二端与网侧变流器GSC连接，所述网侧变流器GSC、所述直流电容Cdc和所述机侧变流器TSC并联连接，所述机侧变流器TSC的一端与双馈型异步发电机DFIG的第二端连接，所述双馈型异步发电机DFIG的第三端与传动链DT连接。
具体地，风能经叶轮和传动链DT转化成机械能，机械能经双馈型异步发电机DFIG转化为电能，电能再经机端变压器T输送至电网G。变流器起到调节转子电流与定子功率的作用。双馈型风力发电机系统的动态特性主要由双馈型异步发电机及其控制器决定，为了更加准确地模拟风电机组的动态特性，有必要使用更小的仿真步长。
为了采用FPGA小步长计算方法更加完整、准确地描述风电机组动态特性，本发明构建了双馈型异步风力发电机的等效电路，具体构建的是双馈型异步风力发电机的两相静止坐标系(定子α-β坐标系)等效电路。其中，双馈型异步发电机DFIG与机端变压器T均采用T型等效电路，发电机转子参数折算到定子侧，变压器原边参数折算到副边。发电机定子支路与定子断路器合并，变流器电抗支路与变流器断路器、启动电阻、启动电阻断路器等合并。最终得到7个阻抗支路与3个外部电源支路，每个阻抗支路由一个等效电阻以及一个伴随历史电流源构成。
本发明提供的双馈型风力发电机的(两相静止坐标系)等效电路，如图2所示(图2中，圆圈中的数字1，2，3，4，5，6为节点编号)，包括：变压器原边漏感支路t1、变压器副边漏感支路t2、变压器互感支路tm、发电机定子支路gs、发电机转子支路gr、发电机互感支路gm、变流器电抗支路l、第一电压源Vg、第二电压源Vr和第三电压源Vgsc；其中，每一支路包括伴随历史电流源和等效电阻，所述伴随历史电流源和所述等效电阻并联连接，所述第一电压源Vg表示电网电压，所述第二电压源Vr表示转子电压，所述第三电压源Vgsc表示网侧变流器输出电压，所述第一电压源Vg的一端与所述变压器原边漏感支路t1的一端连接，所述第一电压源Vg的另一端接地，所述变压器原边漏感支路t1的另一端通过变压器互感支路tm接地，所述变压器原边漏感支路t1的另一端还通过所述变压器副边漏感支路t2分别与所述发电机定子支路gs和所述变流器电抗支路l的一端连接，所述发电机定子支路gs的另一端通过发电机互感支路gm接地，所述发电机定子支路gs的另一端还通过发电机转子支路gr与所述第二电压源Vr的一端连接，所述第二电压源Vr的另一端通接地；所述变流器电抗支路l的另一端通过第三电压源Vgsc接地。
本发明还提供一种双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，适用于上述所述的双馈型风力发电机的(两相静止坐标系)等效电路，需要说明的是，由于在定子α-β坐标系下，所有参数都是对称的(仅有发电机转子等效电压有一点区别)，因此下面的仿真计算过程说明中不特别指出坐标系区别时，就说明两个坐标系下的计算是相同的。
请参阅图3本发明提供的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，包括：
S1、获取输入到各支路的电感和电阻，以及设定的仿真步长；根据各支路的电感和电阻，以及设定的仿真步长计算各支路对应的等效导纳；
S2、更新开关状态并构建系统导纳矩阵；
于步骤S2中，具体地，输入断路器控制信号，并更新包含断路器的支路导纳，即电路中的断路器导通时用小电阻替换，关断时用大电阻替换，并构建系统导纳矩阵。
S3、更新各支路的历史电流源；
S4、更新节点电压；
S5、更新支路电压；
S6、更新支路电流；
S7、判断是否达到仿真结束时间，若是，则退出仿真，否则，仿真时间增加一个仿真步长，并返回更新开关状态的步骤。
请参阅图4，作为本发明实施例的一种举例，所述系统导纳矩阵为：
Figure BDA0003085014360000081
其中，Ysys为系统导纳矩阵，所述Yt1为变压器原边漏感支路等效导纳，Yt2为变压器副边漏感支路等效导纳，Ytm为变压器互感支路等效导纳，Ygs为发电机定子支路等效导纳，Yl为变流器电抗支路等效导纳，Ygm为发电机互感支路等效导纳，Ygr为发电机转子支路等效导纳。作为本发明实施例的一种举例，所述各支路的历史电流源根据支路电感、支路电阻、仿真步长、上一步的支路电流和上一步的支路电压计算得到。
具体地，所述各支路的历史电流源根据如下公式计算得到：
Figure BDA0003085014360000091
其中，L表示电感、dt表示仿真步长、R表示电阻、Ibt-dt表示上一步的支路电流，Ubt-dt表示上一步的支路电压。
作为本发明实施例的一种举例，所述节点电压根据所述系统导纳矩阵和与节点相连的历史电流计算得到。
具体地，所述节点电压根据如下公式计算得到：
Figure BDA0003085014360000092
其中，Unode为节点电压，Ysys为系统导纳矩阵，Inode为与节点相连的历史电流，流出为正，流入为负，It1为变压器原边漏感支路历史电流源，Itm为变压器互感支路历史电流源，It2为变压器副边漏感支路历史电流源，Il为变流器电抗支路历史电流源，Igs为发电机定子支路历史电流源，Igm为发电机互感支路历史电流源，Igr为发电机转子支路历史电流源。
作为本发明实施例的一种举例，所述支路电流根据支路对应的导纳和支路电压计算得到，所述支路电压根据节点电压计算得到。
具体地，所述支路电流根据如下公式计算得到：
Ib＝YUb
其中，Ib为支路电流，Ub为支路电压、Y为支路对应的等效导纳。
具体地，支路电压为支路起始节点电压减去终止节点电压。
所述支路电压可根据如下公式计算得到：
Figure BDA0003085014360000101
其中，Unode为节点电压，Ub为支路电压。
需要说明的是，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要进一步说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双馈型风力发电机的等效电路，其特征在于，包括：变压器原边漏感支路、变压器副边漏感支路、变压器互感支路、发电机定子支路、发电机转子支路、发电机互感支路、变流器电抗支路、第一电压源、第二电压源和第三电压源；其中，每一支路包括伴随历史电流源和等效电阻，所述伴随历史电流源和所述等效电阻并联连接，所述第一电压源表示电网电压，所述第二电压源表示转子电压，所述第三电压源表示网侧变流器输出电压，所述第一电压源的一端与所述变压器原边漏感支路的一端连接，所述第一电压源的另一端接地，所述变压器原边漏感支路的另一端通过变压器互感支路接地，所述变压器原边漏感支路的另一端还通过所述变压器副边漏感支路分别与所述发电机定子支路和所述变流器电抗支路的一端连接，所述发电机定子支路的另一端通过发电机互感支路接地，所述发电机定子支路的另一端还通过发电机转子支路与所述第二电压源的一端连接，所述第二电压源的另一端通接地；所述变流器电抗支路的另一端通过第三电源接地。
2.一种双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，适用于权利要求1所述的双馈型风力发电机的等效电路，其特征在于，包括：
获取输入到各支路的电感和电阻，以及设定的仿真步长；
根据各支路的电感和电阻，以及设定的仿真步长计算各支路对应的等效导纳；
更新开关状态并构建系统导纳矩阵；
更新各支路的历史电流源；
更新节点电压；
更新支路电压；
更新支路电流；
判断是否达到仿真结束时间，若是，则退出仿真，否则，仿真时间增加一个仿真步长，并返回更新开关状态的步骤。
3.根据权利要求2所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述系统导纳矩阵为：
Figure FDA0003085014350000021
其中，Ysys为系统导纳矩阵，所述Yt1为变压器原边漏感支路等效导纳，Yt2为变压器副边漏感支路等效导纳，Ytm为变压器互感支路等效导纳，Ygs为发电机定子支路等效导纳，Yl为变流器电抗支路等效导纳，Ygm为发电机互感支路等效导纳，Ygr为发电机转子支路等效导纳。
4.根据权利要求3所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述各支路的历史电流源根据支路电感、支路电阻、仿真步长、上一步的支路电流和上一步的支路电压计算得到。
5.根据权利要求4所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述节点电压根据所述系统导纳矩阵和与节点相连的历史电流计算得到。
6.根据权利要求5所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述支路电流根据支路对应的导纳和支路电压计算得到，所述支路电压根据节点电压计算得到。
7.根据权利要求4所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述各支路的历史电流源具体根据如下公式计算得到：
Figure FDA0003085014350000031
其中，L表示电感、dt表示仿真步长、R表示电阻、Ibt-dt表示上一步的支路电流，Ubt-dt表示上一步的支路电压。
8.根据权利要求5所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述节点电压具体根据如下公式计算得到：
Figure FDA0003085014350000032
其中，Unode为节点电压，Ysys为系统导纳矩阵，Inode为与节点相连的历史电流，流出为正，流入为负，It1为变压器原边漏感支路历史电流源，Itm为变压器互感支路历史电流源，It2为变压器副边漏感支路历史电流源，Il为变流器电抗支路历史电流源，Igs为发电机定子支路历史电流源，Igm为发电机互感支路历史电流源，Igr为发电机转子支路历史电流源。
9.根据权利要求6所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述支路电流根据如下公式计算得到：
Ib＝YUb
其中，Ib为支路电流，Ub为支路电压、Y为支路对应的等效导纳。
10.根据权利要求9所述的双馈型风力发电机的电磁暂态仿真方法，其特征在于，所述支路电压根据如下公式计算得到：
Figure FDA0003085014350000041
其中，Unode为节点电压，Ub为支路电压。
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