CN113690903B - 双馈风电机组的降阶解耦分析方法、系统、设备和介质 - Google Patents

双馈风电机组的降阶解耦分析方法、系统、设备和介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法、系统、设备和介质，该方法包括：首先通过对双馈风电机组各个动态环节的频率响应特性进行分析，明确双馈风机各动态环节的频带分布规律，在此基础上基于双馈风机不同时间尺度的动态特性，提出其在低频段、次/超同步频段和中/高频段内的降阶解耦方法以及所对应的数学模型。所提出的适用于三个典型频段的降阶模型在一定程度上厘清了双馈风机内部各动态环节间的耦合作用关系，并降低了对双馈风机宽频振荡问题分析的难度，减少了相应的计算量。

Description

双馈风电机组的降阶解耦分析方法、系统、设备和介质
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，特别是涉及一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法、系统、设备和介质。
背景技术
双馈感应风电发电机组是当前风电领域的主流机型之一，其与长距离串联补偿输电线路间的相互作用可能引发系统在次同步频率范围内的严重振荡问题，除此之外，双馈风电机组的大量接入，对于电力系统低频振荡问题以及高频谐振问题的影响也不可忽略。根据现有认识可知，双馈风电机组包含多个物理和控制动态环节，呈现从低频(0.1Hz)到次/超同步频率(10－100Hz)甚至高频(数kHz)的宽频动态特性，并且该特性还与风电机组的运行状态相关。因此，明确风电机组各动态环节的频率响应特性，揭示各动态环节与风电机组特征振荡模态之间的耦合作用关系，建立适用于风电机组不同频段动态问题分析的降阶解耦模型，是研究风电机组宽频振荡问题的一种有效方法。
目前针对双馈风电机组接入电网后出现的宽频振荡问题的分析方法，主要是特征值分析法，但是，采用特征值法分析双馈风电机组并网系统的宽频振荡问题时，由于没有厘清双馈风电机组各动态环节的频带分布规律，没有对风电机组振荡模态与动态环节间的耦合关系进行区分解耦，导致无论在分析双馈风电机组何种频段振荡问题时，都需要建立包含其全部动态环节的详细小信号状态空间数学模型。在这种情况下，仅就单个双馈风机而言，其对应的状态变量个数就高达几十个，随着风机数量的增多，仅全部风电机组部分的状态矩阵的维数都将成指数级增加，导致对系统开展全维特征模态分析的难度随之增大。
发明内容
本发明的目的是：提供一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法、系统、设备和介质，本发明首先通过对双馈风电机组各个动态环节的频率响应特性进行分析，明确双馈风机各动态环节的频带分布规律，在此基础上基于双馈风机不同时间尺度的动态特性，提出其在低频段、次/超同步频段和中/高频段内的降阶解耦方法以及所对应的数学模型。所提出的适用于三个典型频段的降阶模型在一定程度上厘清了双馈风机内部各动态环节间的耦合作用关系，并降低了对双馈风机宽频振荡问题分析的难度，减少了相应的计算量。
为了实现上述目的，本发明提供了一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法，包括：
根据双馈风电机组内部的各动态环节间的信号传递关系，构建双馈风电机组的等值数学模型，并对所述等值数学模型做线性化处理，得到双馈风电机组的状态空间模型；
对所述双馈风电机组的等值数学模型进行拉式变换，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频域传递函数模型；
根据所述双馈风电机组各动态环节的频域传递函数模型，分析获得双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性；
根据双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律；
根据所述双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律，对所述双馈风电机组的状态空间数学模型进行降阶解耦，获得双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，其中，所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型；
根据所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，构建双馈风电机组并网系统对应的分析模型，并根据所述分析模型，对所述双馈风电机组并网系统进行分析处理，获得对应的分析结果。
进一步地，所述双馈风电机组的状态空间数学模型，采用如下计算公式：
Figure BDA0003217962610000031
其中，ΔXDFIG为双馈风电机的状态向量，A1、C1、A2、C2分别为相应的系数矩阵，ΔUsdq为双馈风电机并网点电压微变量，ΔI1dq为双馈风机输出电流微变量。
进一步地，所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型。
进一步地，所述双馈风电机组的中/高频段解耦模型，包括：双馈风电机的开关动态、测量动态、端口滤波动态、锁相环动态以及变流器内环动态环节；所述次/超同步频段解耦模型，包括：双馈风电机组的机侧变流器内外环控制、网侧变流器内外环控制和锁相环动态环节；所述双馈风电机组的低频段解耦模型，包括：双馈风电机组的桨距角控制、转速控制、锁相环控制和轴系动态环节。
本发明还提供一种双馈风电机组的降阶解耦分析系统，包括：构建模块、拉式变换处理模块、频率响应特性模块、频带分布规律模块、降阶解耦模块和分析处理模块，其中，
所述构建模块，用于根据双馈风电机组内部的各动态环节间的信号传递关系，构建双馈风电机组的等值数学模型，并对所述等值数学模型做线性化处理，得到双馈风电机组的状态空间模型；
所述拉式变换处理模块，用于对所述双馈风电机组的等值数学模型进行拉式变换，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频域传递函数模型；
所述频率响应特性模块，用于根据所述双馈风电机组各动态环节的频域传递函数模型，分析获得双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性；
所述频带分布规律模块，用于根据双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律；
所述降阶解耦模块，用于根据所述双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律，对所述双馈风电机组的状态空间数学模型进行降阶解耦，获得双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型；
所述分析处理模块，用于根据所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，构建双馈风电机组并网系统对应的分析模型，并根据所述分析模型，对所述双馈风电机组并网系统进行分析处理，获得对应的分析结果。
进一步地，所述双馈风电机组的状态空间数学模型，采用如下计算公式：
Figure BDA0003217962610000041
其中，ΔXDFIG为双馈风电机的状态向量，A1、C1、A2、C2分别为相应的系数矩阵，ΔUsdq为双馈风电机并网点电压微变量，ΔI1dq为双馈风机输出电流微变量。
进一步地，所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型。
进一步地，所述双馈风电机组的中/高频段解耦模型，包括：双馈风电机的开关动态、测量动态、端口滤波动态、锁相环动态以及变流器内环动态环节；所述次/超同步频段解耦模型，包括：双馈风电机组的机侧变流器内外环控制、网侧变流器内外环控制和锁相环动态环节；所述双馈风电机组的低频段解耦模型，包括：双馈风电机组的桨距角控制、转速控制、锁相环控制和轴系动态环节。
本发明还提供一种计算机终端设备，包括：一个或多个处理器；存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一项所述的双馈风电机组的降阶解耦分析方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的双馈风电机组的降阶解耦分析方法。
本发明提供的一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法、系统、设备和介质与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明首先通过对双馈风电机组各个动态环节的频率响应特性进行分析，明确双馈风机各动态环节的频带分布规律，在此基础上基于双馈风机不同时间尺度的动态特性，提出其在低频段、次/超同步频段和中/高频段内的降阶解耦方法以及所对应的数学模型。所提出的适用于三个典型频段的降阶模型在一定程度上厘清了双馈风机内部各动态环节间的耦合作用关系，并降低了对双馈风机宽频振荡问题分析的难度，减少了相应的计算量。
附图说明
图1是本发明提供的一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法的流程示意图；
图2是本发明提供的双馈风电机组拓扑结构的示意图；
图3是本发明提供的中/高频段降阶解耦模型的结构示意图；
图4是本发明提供的次/超同步频段降阶解耦模型的结构示意图；
图5是本发明提供的低频段降阶解耦模型的结构示意图；
图6是本发明提供的双馈风电场经串补并网的示意图；
图7是本发明提供的模式λ1,2参与因子分析的示意图；
图8是本发明提供的模式λ9,10参与因子分析的示意图；
图9是本发明提供的模式λ15,16参与因子分析的示意图；
图10是本发明提供的一种双馈风电机组的降阶解耦分析系统的结构示意图。
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做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。
如图1所示，本发明实施例提供的一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法，包括步骤S1－S6，具体如下：
S1、根据双馈风电机组内部的各动态环节间的信号传递关系，构建双馈风电机组的等值数学模型，并对所述等值数学模型做线性化处理，得到双馈风电机组的状态空间模型。
具体地，建立典型控制方式和参数下双馈风电机组的等值数学模型及对应的详细小信号状态空间模型，包括风轮机及轴系、桨距角和转速控制、感应电机、转子侧和网侧变流器及其控制、端口滤波、锁相环控制、电压电流测量滤波等全部物理/控制环节的动态方程，各环节的典型微分动态方程在较多公开文献中均可查到，此处不再赘述。双馈风电机组典型拓扑结构如图2所示，其转子侧和网侧变流器均采用典型的dq双环解耦控制策略，其中转子侧变流器外环控制机组的有功和无功功率，网侧变流器外环控制直流电压恒定，两个变流器内环均为电流控制。
根据各动态环节间的信号传递关系所描述的中间代数方程，联立各动态元件的微分动态方程，得到双馈风电机组以并网点电压作为输入变量，以流入到电网的电流作为输出变量的机组全维状态空间数学模型，然后在其工作点处进行线性化处理，即可得到双馈风电机组的全维小信号状态空间模型，表达式为
Figure BDA0003217962610000071
式中，ΔXDFIG为风机的状态向量，A1、C1、A2、C2分别为相应的系数矩阵，ΔUsdq为双馈风机并网点电压微变量，ΔI1dq为双馈风机输出电流微变量，其中，电压、电流均位于锁相环确定的dq旋转坐标系中。
需要说明的是，上述双馈风机的全维小信号模型是一组高达40阶的模型，其中ΔXDFIG表示的40个状态变量为：
Figure BDA0003217962610000081
其中，Δωt为风轮机机械角速度为微变量，Δθ为轴系两质量块之间相对扭转的角度微变量，Δsf为转差率微变量，对应于风机的轴系动态环节；Δωrref为转子转速指令值微变量，Δx1为转子转速控制中间变量微变量，对应于风机的最大功率跟踪及转速控制；Δisd为定子电流d轴分量微变量，Δisq为定子电流q轴分量微变量，Δird为转子电流d轴分量微变量，Δirq为转子电流q轴分量微变量，对应于感应电机环节；
Figure BDA0003217962610000082
为定子电压d轴分量测量量微变量(锁相环参考系)，/>
Figure BDA0003217962610000083
为定子电压q轴分量测量量微变量(锁相环参考系)，
Figure BDA0003217962610000084
为定子电流d轴分量测量值微变量(锁相环参考系)，/>
Figure BDA0003217962610000085
为定子电流q轴分量测量值微变量(锁相环参考系)，对应于定子电压电流测量滤波环节；/>
Figure BDA0003217962610000086
为转子电流d轴分量测量值微变量(锁相环坐标系)，/>
Figure BDA0003217962610000087
为转子电流q轴分量测量值微变量(锁相环坐标系)，对应于转子电流测量滤波环节；/>
Figure BDA0003217962610000088
为网侧电流d轴分量测量值微变量(锁相环坐标系)，/>
Figure BDA0003217962610000089
为网侧电流q轴分量测量值微变量(锁相环坐标系)，对应于网侧变流器输出电流测量滤波环节；ΔPsm为定子有功功率测量值微变量，ΔQsm为定子无功功率测量值微变量，对应于定子有功无功功率测量滤波环节；/>
Figure BDA00032179626100000810
为转子电压d轴分量微变量(锁相环坐标系)，/>
Figure BDA00032179626100000811
为转子电压q轴分量微变量(锁相环坐标系)，/>
Figure BDA00032179626100000812
为网侧电压d轴分量微变量(锁相环坐标系)，/>
Figure BDA00032179626100000813
为网侧电压q轴分量微变量(锁相环坐标系)，对应于转子侧和网侧变流器触发延时环节；Δy1为转子侧变流器外环控制中间变量1微变量，Δy2为转子侧变流器外环控制中间变量2微变量，Δy3为转子侧变流器内环控制中间变量3微变量，Δy4为转子侧变流器内环控制中间变量4微变量，对应于转子侧变流器控制环节；ΔUdc为直流电压微变量，对应于风机直流电容动态环节；Δy5为网侧变流器外环控制中间变量1微变量，Δy6为网侧变流器内环控制中间变量2微变量，Δy7为网侧变流器内环控制中间变量3微变量，对应于网侧变流器控制环节；Δigd为网侧电流d轴分量微变量，Δigq为网侧电流q轴分量微变量，对应于网侧变流器出口滤波环节；ΔθPLL为锁相环输出的相角微变量，Δz1为锁相环中间变量微变量，对应于锁相环环节；Δx2为桨距角控制中间变量1微变量，Δx3为桨距角控制中间变量2微变量，Δβ为桨距角微变量，对应于桨距角控制环节；Δusd为定子电压d轴分量微变量，Δusq为定子电压q轴分量微变量，对应于并网点滤波电容环节。
S2、对所述双馈风电机组的等值数学模型进行拉式变换，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频域传递函数模型。
具体地，根据步骤S1中所得到的双馈风电机组各个动态环节的微分动态方程，对其进行拉式变换，获得各动态环节的频域传递函数模型。
S3、根据所述双馈风电机组各动态环节的频域传递函数模型，分析获得双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性。
具体地，根据各动态环节的频域传递函数模型，分析获得双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性。
根据步骤S2中的依次分析双馈风电机组各动态环节的频率响应特性，如转速控制环节、桨距角控制环节、转子侧变流器外环控制环节、转子侧变流器内环控制环节、锁相环控制环节、网侧变流器外环控制环节、网侧变流器内环控制环节等，明确双馈风电机组各动态环节的频带分布规律。该分析过程在文献中也多有涉及，此处不再赘述。仅给出对各动态环节频率特性的分析结果：双馈风机转速控制环路和桨距角控制环路的带宽大约在0.5Hz附近，转子侧变流器功率外环和网侧变流器直流电压外环的带宽大约在10Hz附近，转子侧变流器电流内环和网侧变流器电流内环的带宽大约在100Hz附近，电压电流测量滤波环节、风机端口LC滤波环节的带宽大约在1000Hz附近，除此之外，锁相环的带宽在10Hz附近。
由此定义中/高频段的带宽范围为102Hz以上，低频段的带宽范围为101Hz以下，次/超同步频段的带宽范围为两者之间。
根据以上分析结论，可确定双馈风电机组中各物理环节的频带分布规律，如端口滤波、开关动态、测量动态位于中/高频段，变流器内环处于中/高频段和次/超同步频段交接处，变流器外环、锁相环位于次/超同步频段和低频段的交界处，转速控制、轴系扭振和桨距角控制位于低频段。
S4、根据双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律。
具体地，根据步骤S3中的依次分析双馈风电机组各动态环节的频率响应特性，如转速控制环节、桨距角控制环节、转子侧变流器外环控制环节、转子侧变流器内环控制环节、锁相环控制环节、网侧变流器外环控制环节、网侧变流器内环控制环节等，明确双馈风电机组各动态环节的频带分布规律。该分析过程在文献中也多有涉及，此处不再赘述。仅给出对各动态环节频率特性的分析结果：双馈风机转速控制环路和桨距角控制环路的带宽大约在0.5Hz附近，转子侧变流器功率外环和网侧变流器直流电压外环的带宽大约在10Hz附近，转子侧变流器电流内环和网侧变流器电流内环的带宽大约在100Hz附近，电压电流测量滤波环节、风机端口LC滤波环节的带宽大约在1000Hz附近，除此之外，锁相环的带宽在10Hz附近。
由此定义中/高频段的带宽范围为102Hz以上，低频段的带宽范围为101Hz以下，次/超同步频段的带宽范围为两者之间。
根据以上分析结论，可确定双馈风电机组中各物理环节的频带分布规律，如端口滤波、开关动态、测量动态位于中/高频段，变流器内环处于中/高频段和次/超同步频段交接处，变流器外环、锁相环位于次/超同步频段和低频段的交界处，转速控制、轴系扭振和桨距角控制位于低频段。
S5、根据所述双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律，对所述双馈风电机组的状态空间数学模型进行降阶解耦，获得双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型。
具体地，在步骤S1中双馈风电机组全维小信号模型的基础上，根据步骤S3中得到的各动态环节的频率响应规律，对双馈风机状态空间模型进行降阶解耦，分别得到三个简化的低维模型，依次为：中/高频段解耦模型、次/超同步频段解耦模型和低频段解耦模型，其中，中/高频解耦模型主要包含中/高频段物理控制环节以及邻近频段的变流器内环控制，次/超同步频解耦模型主要包含变流器内外环控制环节，低频解耦模型主要包含低频段物理控制环节以及临近频段的变流器外环控制环节。
考虑到双馈风电机组主要通过锁相环与电网之间实现功率耦合，其动态特性将会影响到风机的小干扰稳定水平，为了让降阶解耦模型能够准确反映风电机组的动态特性，故在各频段的解耦模型中均考虑锁相环的动态环节。
下面依次介绍各解耦模型的降阶建模方法及对应的解耦模型表达式。
1、中/高频段降阶解耦模型：
双馈风电机组的中/高频解耦模型涉及双馈风电机组的快速动态环节以及临近频段的环节，包含风机的开关动态、测量动态、端口滤波动态、锁相环动态以及变流器内环动态过程。降阶处理时，在其与次/超同步频解耦模型的接口处，进行如下简化：忽略变流器外环控制环节，原因是在双馈风电机组快速动态过程中，可近似认为变流器外环控制输出的电流指令值恒定，即
Figure BDA0003217962610000121
其中，/>
Figure BDA0003217962610000122
分别为锁相环参考系下的转子电流d轴分量指令值微变量、转子电流q轴分量指令值微变量、网侧电流d轴分量指令值微变量；忽略双馈风机的转速控制和桨距角控制环节，原因是在双馈风电机组的快速动态过程中，可近似认为风机的转速恒定，即转差率保持不变，有Δsf＝0。由此即可将双馈风电机组的状态变量由40个缩减为26个：
Figure BDA0003217962610000123
其中，各状态变量名称与步骤S1全维状态空间模型中的状态变量名称对应的物理意义一致。
2、次/超同步频段降阶解耦模型：
双馈风电机组的次/超同步频解耦模型主要包含风机的机侧变流器内外环控制、网侧变流器内外环控制和锁相环动态过程。在次/超同步频率的解耦模型中，既要忽略由端口滤波、测量等环节主导的快速动态过程，又要忽略由桨距角控制等主导的低速动态过程。在风机次/超同步频率解耦模型接口处，进行如下简化处理：忽略风机端口滤波电容，即近似将端口滤波电容等效为开路，认为流过电容的电流为0，有
Figure BDA0003217962610000131
其中Δicfd、Δicfq为电容电流d轴和q轴分量微变量；忽略通过一阶延时环节等效的测量、触发动态过程，近似认为这些过程为瞬时完成的，不考虑相应的延时，以定子电压测量过程为例，定子电压d、q轴分量微变量分别等于定子电压d、q轴分量测量量微变量，即有/>
Figure BDA0003217962610000132
忽略基于机械时间尺度的桨距角控制和转速控制过程，近似认为桨距角控制输出的桨距角恒定，转速控制输出的定子有功功率指令值恒定，即桨距角微变量为0，转速控制输出的定子有功功率微变量为0，即有/>
Figure BDA0003217962610000133
忽略基于机械时间尺度的轴系和转速动态过程，近似认为转子转速保持恒定，即有Δsf＝0。由此即可将双馈风电机组的状态变量由40个缩减为16个：
ΔX″DFIG＝{Δisd Δisq Δird Δirq Δy1 Δy2 Δy3 Δy4 ΔUdc Δy5 Δy6 Δy7Δigd Δigq ΔθPLL Δz1}
其中，各状态变量名称与步骤(1)全维状态空间模型中的状态变量名称对应的物理意义一致。
3、低频段降阶解耦模型：
双馈风电机组的低频解耦模型主要涉及双馈风电机组的低速动态环节，包含风机的桨距角控制、转速控制、锁相环控制和轴系动态等。同时，转子侧变流器外环控制由于是转速控制的下级控制环节，与转速控制耦合程度较高，因而在低频解耦模型中需考虑转子侧变流器外环控制结构。在低频段降阶解耦模型接口处，进行如下简化处理：忽略转子侧变流器电流内环动态过程，近似认为双馈风电机组的转子电流能迅速跟踪变流器外环控制输出的电流指令值，即风机的转子电流d、q轴电流值分别等于转子侧变流器外环控制输出的电流d、q轴指令值，即
Figure BDA0003217962610000141
忽略感应电机的转子电流动态过程，即转子电流d、q轴变化量为0，即/>
Figure BDA0003217962610000142
忽略网侧变流器的动态过程，认为网侧变流器输出电流恒定，即网侧变流器输出电流d、q轴变化量为0，即/>
Figure BDA0003217962610000143
忽略测量、触发动态过程和端口滤波环节，近似认为这些过程为瞬时完成的，以定子电压测量过程为例，定子电压d、q轴分量微变量分别等于定子电压d、q轴测量量微变量，即/>
Figure BDA0003217962610000144
由此即可将双馈风电机组的状态变量由40个缩减为14个：
ΔX″′DFIG＝{Δωt Δθ Δsf Δωrref Δx1 Δisd Δisq Δy1 Δy2 ΔθPLL Δz1Δx2 Δx3 Δβ}
其中，各状态变量名称与步骤S1全维状态空间模型中的状态变量名称对应的物理意义一致。
至此，适用于双馈风电机组不同时间尺度动态问题分析的三个降阶解耦模型的建立方法及其对应的状态变量均已列出，需要说明的是，以上三个降阶解耦模型的方程形式与步骤S1中的全维小信号状态空间模型形式完全一致，仅各系数矩阵的阶数和取值有所区别，但是三个降阶模型中所对应的系数矩阵均可以从步骤S1中全维模型对应的系数矩阵中退化而得到。与图2所示的含双馈风机全部动态环节的全维详细模型框图对比，可以得到仅含有部分主导动态环节的双馈风机中/高频段、次/超同步频段和低频段降阶解耦模型所对应的框图，分别如下图3、图4和图5所示，图中实线标记部分为当前降阶解耦模型中需要考虑的动态环节，灰色部分为解耦模型中可以忽略或近似认为相关变量不变的环节。
S6、根据所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，构建双馈风电机组并网系统对应的分析模型，并根据所述分析模型，对所述双馈风电机组并网系统进行分析处理，获得对应的分析结果。
具体地，将步骤S5中提出的双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型分别与网络部分的状态空间模型联立，即可构成全系统的闭环状态空间模型pΔX＝AΔX，进而针对全系统的状态矩阵A开展传统的特征值分析，如计算系统的特征频率、模态阻尼、参与因子等关键信息。需要指出的是，在该步骤中，针对需要特定关注的频段的动态问题，可以仅采用该频段的简化降阶模型进行分析即可，而不需要使用双馈风机的全维模型。
为了更好的理解本发明，以图6所示的双馈风电机组经串补并网系统为例，验证上文中提出的双馈风电机组的各频段降阶解耦模型的正确性。系统中双馈风机的参数如表1所示，线路的串补度为35％，风机运行风速为13m/s。
表1双馈风电机组经串补并网系统的相关参数
Figure BDA0003217962610000151
Figure BDA0003217962610000161
采用所提出的双馈风机的中/高频段降阶解耦模型对图5所示系统进行特征值分析的结果如下表2所示，同时表中给出采用双馈风机详细模型计算出的特征值中的中/高频率的模态作为对比，可见二者结果基本相同。同时以模态λ1,2为例，对比二者的参与因子，结果如图7所示，可见二者结果也基本相同。
表2解耦模型与全维模型在中/高频段的特征值结果
模式 解耦模型 全维模型 实部偏差 虚部偏差
λ1，2 -7.51±j13159.39×2π -7.53±j13159.36×2π 0.27％ 0.00％
λ3,4 -7.52±j13059.41×2π -7.53±j13059.37×2π 0.13％ 0.00％
λ5,6 -65.52±j161.34×2π -63.14±j166.18×2π 3.77％ 2.91％
采用所提出的双馈风机的次/超同步频段降阶解耦模型对图6所示系统进行特征值分析的结果如下表3所示，同时表中给出采用双馈风机详细模型计算出的特征值中的次/超同步频率的模态作为对比，可见二者结果也基本相同。同时以模态λ9，10为例，对比二者的参与因子，结果如图8所示，可见二者结果也基本相同。
表3解耦模型与全维模型在次/超同步频段的特征值结果
Figure BDA0003217962610000162
Figure BDA0003217962610000171
采用所提出的双馈风机的低频段降阶解耦模型对图6所示系统进行特征值分析的结果如下表4所示，同时表中给出采用双馈风机详细模型计算出的特征值中的低频率的模态作为对比，可见二者结果也基本相同。同时以模态λ15,16为例，对比二者的参与因子，结果如图9所示，可见二者结果也基本相同。
表4解耦模型与全维模型在低频段的特征值结果
模式 解耦模型 全维模型 实部偏差 虚部偏差
λ15,16 -12.27±j4.26×2π -11.57±j4.07×2π 6.05％ 4.67％
λ17,18 -1.52±j3.08×2π -1.47±j2.97×2π 3.40％ 3.70％
λ19,20 -0.67±j0.24×2π -0.62±j0.22×2π 8.06％ 9.09％
由以上分析计算可见，本专利所提出的适用于双馈风电机组中/高频段、次/超同步频段和低频段动态问题分析的降阶解耦建模方法和及其模型是有效的，可以简化对每个特定频段问题的分析过程。
在本发明的某一个实施例中，所述双馈风电机组的状态空间数学模型，采用如下计算公式：
Figure BDA0003217962610000172
其中，ΔXDFIG为双馈风电机的状态向量，A1、C1、A2、C2分别为相应的系数矩阵，ΔUsdq为双馈风电机并网点电压微变量，ΔI1dq为双馈风机输出电流微变量。
在本发明的某一个实施例中，所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型。
在本发明的某一个实施例中，所述双馈风电机组的中/高频段解耦模型，包括：双馈风电机的开关动态、测量动态、端口滤波动态、锁相环动态以及变流器内环动态环节；所述次/超同步频段解耦模型，包括：双馈风电机组的机侧变流器内外环控制、网侧变流器内外环控制和锁相环动态环节；所述双馈风电机组的低频段解耦模型，包括：双馈风电机组的桨距角控制、转速控制、锁相环控制和轴系动态环节。
本发明提供的一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明首先通过对双馈风电机组各个动态环节的频率响应特性进行分析，明确双馈风机各动态环节的频带分布规律，在此基础上基于双馈风机不同时间尺度的动态特性，提出其在低频段、次/超同步频段和中/高频段内的降阶解耦方法以及所对应的数学模型。所提出的适用于三个典型频段的降阶模型在一定程度上厘清了双馈风机内部各动态环节间的耦合作用关系，并降低了对双馈风机宽频振荡问题分析的难度，减少了相应的计算量。
如图2所示，本发明还提供一种双馈风电机组的降阶解耦分析系统200，包括：构建模块201、拉式变换处理模块202、频率响应特性模块203、频带分布规律模块204、降阶解耦模块205和分析处理模块206，其中，
所述构建模块201，用于根据双馈风电机组内部的各动态环节间的信号传递关系，构建双馈风电机组的等值数学模型，并对所述等值数学模型做线性化处理，得到双馈风电机组的状态空间数学模型；
所述拉式变换处理模块202，用于对所述双馈风电机组的等值数学模型进行拉式变换，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频域传递函数模型；
所述频率响应特性模块203，用于根据所述双馈风电机组各动态环节的频域传递函数模型，分析获得双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性；
所述频带分布规律模块204，用于根据双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律；
所述降阶解耦模块205，用于根据所述双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律，对所述双馈风电机组的状态空间数学模型进行降阶解耦，获得双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，其中，所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型；
所述分析处理模块206，用于根据所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，构建双馈风电机组并网系统对应的分析模型，并根据所述分析模型，对所述双馈风电机组并网系统进行分析处理，获得对应的分析结果。
在本发明的某一个实施例中，所述双馈风电机组的状态空间数学模型，采用如下计算公式：
Figure BDA0003217962610000191
其中，ΔXDFIG为双馈风电机的状态向量，A1、C1、A2、C2分别为相应的系数矩阵，ΔUsdq为双馈风电机并网点电压微变量，ΔI1dq为双馈风机输出电流微变量。
在本发明的某一个实施例中，所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型。
在本发明的某一个实施例中，所述双馈风电机组的中/高频段解耦模型，包括：双馈风电机的开关动态、测量动态、端口滤波动态、锁相环动态以及变流器内环动态环节；所述次/超同步频段解耦模型，包括：双馈风电机组的机侧变流器内外环控制、网侧变流器内外环控制和锁相环动态环节；所述双馈风电机组的低频段解耦模型，包括：双馈风电机组的桨距角控制、转速控制、锁相环控制和轴系动态环节。
本发明还提供一种计算机终端设备，包括：一个或多个处理器；存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上述任一项所述的双馈风电机组的降阶解耦分析方法。
需要说明的是，所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以是微处理器，或者所述处理器也可以是任何常规的处理器，所述处理器是所述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接所述终端设备的各个部分。
所述存储器主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等，数据存储区可存储相关数据等。此外，所述存储器可以是高速随机存取存储器，还可以是非易失性存储器，例如插接式硬盘，智能存储卡(SmartMediaCard，SMC)、安全数字(SecureDigital，SD)卡和闪存卡(FlashCard)等，或所述存储器也可以是其他易失性固态存储器件。
需要说明的是，上述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器，本领域技术人员可以理解，上述终端设备仅仅是示例，并不构成对终端设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的双馈风电机组的降阶解耦分析方法。
需要说明的是，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元(如计算机程序、计算机程序)，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述终端设备中的执行过程。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双馈风电机组的降阶解耦分析方法，其特征在于，包括：
根据双馈风电机组内部的各动态环节间的信号传递关系，构建双馈风电机组的等值数学模型，并对所述等值数学模型做线性化处理，得到双馈风电机组的状态空间数学模型；
对所述双馈风电机组的等值数学模型进行拉式变换，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频域传递函数模型；
根据所述双馈风电机组各动态环节的频域传递函数模型，分析获得双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性；
根据双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律；
根据所述双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律，对所述双馈风电机组的状态空间数学模型进行降阶解耦，获得双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型；所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型；所述中/高频段的带宽范围为102Hz以上，所述低频段的带宽范围为101Hz以下，所述次/超同步频段的带宽范围为两者之间；所述双馈风电机组的中/高频段解耦模型，包括：双馈风电机的开关动态、测量动态、端口滤波动态、锁相环动态以及变流器内环动态环节；所述次/超同步频段解耦模型，包括：双馈风电机组的机侧变流器内外环控制、网侧变流器内外环控制和锁相环动态环节；所述双馈风电机组的低频段解耦模型，包括：双馈风电机组的桨距角控制、转速控制、锁相环控制和轴系动态环节；
根据所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，构建双馈风电机组并网系统对应的分析模型，并根据所述分析模型，对所述双馈风电机组并网系统进行分析处理，获得对应的分析结果。
2.根据权利要求1所述的双馈风电机组的降阶解耦分析方法，其特征在于，所述双馈风电机组的状态空间数学模型，采用如下计算公式：
Figure FDA0004204894880000021
其中，ΔXDFIG为双馈风电机的状态向量，p、A1、C1、A2、C2分别为相应的系数矩阵，ΔUsdq为双馈风电机并网点电压微变量，ΔI1dq为双馈风机输出电流微变量。
3.一种双馈风电机组的降阶解耦分析系统，其特征在于，包括：构建模块、拉式变换处理模块、频率响应特性模块、频带分布规律模块、降阶解耦模块和分析处理模块，其中，
所述构建模块，用于根据双馈风电机组内部的各动态环节间的信号传递关系，构建双馈风电机组的等值数学模型，并对所述等值数学模型做线性化处理，得到双馈风电机组的状态空间模型；
所述拉式变换处理模块，用于对所述双馈风电机组的等值数学模型进行拉式变换，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频域传递函数模型；
所述频率响应特性模块，用于根据所述双馈风电机组各动态环节的频域传递函数模型，分析获得双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性；
所述频带分布规律模块，用于根据双馈风机组内部的各动态环节的频率响应特性，获得双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律；
所述降阶解耦模块，用于根据所述双馈风电机组内部的各动态环节的频带分布规律，对所述双馈风电机组的状态空间数学模型进行降阶解耦，获得双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型；所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型包括：双馈风电机组的中/高频段解耦模型、双馈风电机组的次/超同步频段解耦模型和双馈风电机组的低频段解耦模型；所述中/高频段的带宽范围为102Hz以上，所述低频段的带宽范围为101Hz以下，所述次/超同步频段的带宽范围为两者之间；所述双馈风电机组的中/高频段解耦模型，包括：双馈风电机的开关动态、测量动态、端口滤波动态、锁相环动态以及变流器内环动态环节；所述次/超同步频段解耦模型，包括：双馈风电机组的机侧变流器内外环控制、网侧变流器内外环控制和锁相环动态环节；所述双馈风电机组的低频段解耦模型，包括：双馈风电机组的桨距角控制、转速控制、锁相环控制和轴系动态环节；
所述分析处理模块，用于根据所述双馈风电机组不同频段的降阶解耦模型，构建双馈风电机组并网系统对应的分析模型，并根据所述分析模型，对所述双馈风电机组并网系统进行分析处理，获得对应的分析结果。
4.根据权利要求3所述的双馈风电机组的降阶解耦分析系统，其特征在于，所述双馈风电机组的状态空间数学模型，采用如下计算公式：
Figure FDA0004204894880000031
其中，ΔXDFIG为双馈风电机的状态向量，p、A1、C1、A2、C2分别为相应的系数矩阵，ΔUsdq为双馈风电机并网点电压微变量，ΔI1dq为双馈风机输出电流微变量。
5.一种计算机终端设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至2任一项所述的双馈风电机组的降阶解耦分析方法。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述的双馈风电机组的降阶解耦分析方法。
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