CN117744288A - 一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法、系统、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法、系统、设备及存储介质，建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型和单台直驱风机经交流并网模型，构建成含多台双馈风机和多台直驱风机的PSCAD/EMTDC仿真平台；利用动态等值方法将多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场；建立风电场直流并网系统电磁暂态模型；调节双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同风机群的风场模型并验证风场模型的有效性。本发明在同一风场同时包含双馈风机与直驱风机，并通过等值参数对两种风机的比例进行调节建模，对不同风机比例进行调节的电磁暂态模型风场端口进行短路故障仿真，分析故障特征以验证模型有效性。
Description
技术领域
本发明涉及风电场等值建模领域，具体涉及一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法、系统、设备及存储介质。
背景技术
双馈风机和直驱风机是常见的风力发电机类型，双馈风机(DFIG)采用双馈变频器来调节发电机转速，以实现对发电机转矩和风功率的控制，直驱风机(PMSG)则将发电机直接连接到风轮，不需要变速器和馈电机构，使用永磁体替代了传统发电机中的励磁线圈，从而减少了机械损耗和发电系统的复杂性。
DFIG系统的主要优势是适应性强，可以在不同的电网条件下工作。然而，它需要额外的功率电子器件和控制系统，导致成本较高；PMSG系统具有较高的电网适应性和响应能力，可以更好地应对电网故障和电压波动。
总的来说，双馈风机和直驱风机是当前风电领域的两个主要技术路线，随着技术的不断发展和成熟，现实中的工程实践越来越倾向于根据各自优势的不同风电机组进行合理配置，以形成混合风电场群，这一趋势已成为改造和扩建旧风电场，以及建设大容量新风电场的主要方式之一。
发明内容
本发明的目的是针对上述现状提供一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法、系统、设备及存储介质。
本发明以单台交流并网模型为基础，利用动态等值方法将多台风机构成的风电场等效为单台风机，降低系统复杂程度。两种不同类型的风机接入风场后系统的相互作用机理复杂程度加深，因此有必要对同时含双馈风机和直驱风机的混合风场进行等值建模，为实际工程提供一定的仿真基础。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，包括以下步骤：
步骤1、依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，形成含多台双馈风机和多台直驱风机的PSCAD/EMTDC仿真平台；
步骤2、利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场；
步骤3、在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型；
步骤4、调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型并验证风场模型的有效性。
为优化上述技术方案，采取的具体措施/限定还包括：
步骤1中，所述的依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，具体方法为：
双馈风机转子侧采用有功功率/无功功率控制，当转子侧采用定子电压定向控制时，双馈风机定子输出的功率为：
式中，Ps为双馈风机定子输出的有功功率，Qs为双馈风机定子输出的无功功率，usd为定子d轴电压，usq为定子q轴电压，isd为定子d轴电压，isq为定子q轴电压，Us为定子电压矢量幅值，Lm为同步旋转坐标系下定转子绕组的等效互感，Ls为同步旋转坐标系下定子绕组的等效自感，ird为转子电流的d轴分量，irq为转子电流的q轴分量，ω1为同步角速度；
定子向电网输出的有功、无功功率解耦，分别通过转子电流的d、q轴分量进行调节；采用前馈补偿和PI调节器控制方式，双馈风机转子电压控制方程式表述为：
式中，Lr为同步旋转坐标系下转子绕组的等效自感，kp、ki分别为转子电流内环的比例系数和积分调节系数，urd为转子d轴电压，urq为转子q轴电压，ird *、irq *为转子电流d、q轴分量的参考值，ω2为转差角速度；S是PI控制中拉普拉斯变换后标准公式分子部分；
电网侧采用直流电压/电网侧电流q轴分量控制，电网侧变流器外环的控制方程表述为：
式中，kp0、ki0分别为转子侧控制外环的比例和积分调节系数；
使电压源型换流器只考虑换流站容量的限制，根据有功不平衡量，进行频率控制，采用定交流电压-频率控制策略进行Uac/f控制，其控制方程如下：
式中，Kp、Ki分别为PI调节器中的比例系数和积分系数，vd、vq分别为换流器电压的d轴分量、q轴分量，Uac为交流母线电压，Uac*为交流母线电压参考值，M为中间变量。
步骤1中，所述的依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，具体方法为：
风机侧采用基于转子磁链定向的转速外环，电流内环的矢量控制策略，其转速外环控制方程为：
式中，kp1、ki1分别为外环PI控制器的比例系数和积分系数；分别为风机侧输出的有功和风机转速的参考值；/>分别为风机侧输出电流d、q轴分量的参考值；
电流内环控制方程为：
式中，kp2、ki2分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；Rs为风机侧换流器等效阻抗；usd、usq分别为风机侧电压的d、q轴分量；ids、iqs分别为风机侧电流的d、q轴分量；ψf为永磁体产生的磁通；
电网侧变流器采用直流电压/无功功率控制，其电压外环控制方程为：
式中，kP3、ki3分别为外环PI控制器的比例系数和积分系数；Udc*、Qg*分别为直流电压和输出到电网的无功功率的参考值；分别为电网侧输出电流d、q轴分量的参考值。电网侧变流器电流内环控制方程为：
式中，kP4、ki4分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；Rg为电网侧换流器等效阻抗；idg、iqg分别为电网侧输出电流d、q轴分量，udg、uqg分别为电网侧电压的d、q轴分量；ωg为电网侧角速度。
步骤2中，所述利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场，具体方法为：
采用加权系数动态更新的加权聚合算法对风电场进行等值，其中：
加权系数的表达式如下：
式中，n为风机台数，Si为第i台风机发出的实际功率，σi为第i台风机的加权系数；
依据以下公式判定是否需要更新加权系数：
式中，ΔSi为第i台风机发出功率的变化量，Sm为所有风机发出功率之和，ΔSm为所有风机发出功率之和的变化量，C为判定依据，当C大于1时，依据当前发出功率更新加权系数；
根据加权聚合算法，风机定子电阻电抗的表达式如下：
式中，Rseq为等值定子电阻，Xseq为等值定子电抗，Rsi为第i台风机定子电阻，Xsi为第i台风机定子电抗；
同理得到风机转子电阻电抗表达式：
式中，Rreq为等值转子电阻，Xreq为等值转子电抗，Rri为第i台风机转子电阻，Xri为第i台风机转子电抗；
励磁电抗表达式为：
式中，Xmeq为等值励磁电抗，Xmi为第i台风机励磁电抗。
步骤3中，所述的在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型，具体方法为：
整流器侧采用定交流电压-频率控制策略进行Uac/f控制；
与交流电网连接的逆变器控制采用控制直流电压稳定以及与电网之间交换的无功功率的策略。
步骤4中，调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型后，验证风场模型的有效性的具体方法为：
对不同风机比例的风机群进行调节的电磁暂态模型风场端口进行短路故障仿真，分析故障特征以验证模型有效性，将风机侧电流记为Im，风机侧阻抗记为Zm，电网侧电流记为Ig，风机侧阻抗记为Zg，记需要等效的风机台数n，等效元件设计满足以下公式：
通过改变风机群出口端的等效元件中的等效风机数量来实现双馈风机与直驱风机比例可调，对同一故障点进行故障特征对比分析。
本发明还保护一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模系统，包括：
仿真平台构建模块，用于依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，形成含多台双馈风机和多台直驱风机的PSCAD/EMTDC仿真平台；
等效计算模块，用于利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场；
电磁暂态模型构建模块，用于在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型；
风场模型构建及验证模块，用于调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型并验证风场模型的有效性。
本发明还保护一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如上所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法。
本发明还保护一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行如上所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的方法及系统在原有加权聚合算法的基础上增加了加权系数的动态更新，依据风场实际功率对加权系数进行更新，使得等值后的风场更贴近实际。
本发明建立了同时包含双馈风机与直驱风机的比例可调的混合风电场模型，更贴合实际工程发展趋势，可以根据实际工程的风机比例调节仿真模型中的风机比例，为实际工程中的混合风场提供了便利的仿真模型。
附图说明
图1为本发明一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法的总体流程图；
图2为双馈风机经直流并网系统拓扑结构图；
图3为双馈风机转子侧换流器控制框图；
图4为双馈风机定子侧换流器控制框图；
图5为电压源型换流器控制框图；
图6为直驱风机经直流并网系统拓扑结构图；
图7为直驱风机风机侧换流器控制框图；
图8为直驱风机电网侧换流器控制框图；
图9为混合风电场直流并网系统拓扑结构图；
图10为不同比例风机下混合风电场直流并网系统电磁暂态模型仿真结果图。
具体实施方式
以下通过实施例的形式对本发明的上述内容再作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是：
本发明中的d轴、q轴是指电机学中电机的磁极产生的磁场N极中心轴线作为直轴(d轴)，超前直轴90°电角度的位置定义为交轴(q轴)。
本发明中的“定子向电网输出的有功、无功功率解耦”由于采用了泰勒展开，忽略高阶，所以其解耦为近似解耦。
本发明中的换流站是指含有大量电气设备的电气站点，电气设备包括换流器。
在一实施例中，本发明提出了一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，包括以下步骤：
步骤1、依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，形成含多台双馈风机和多台直驱风机的PSCAD/EMTDC仿真平台；
步骤1中，所述的依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，具体方法为：
双馈风机转子侧采用有功功率/无功功率控制，当转子侧采用定子电压定向控制时，双馈风机定子输出的功率为：
式中，Ps为双馈风机定子输出的有功功率，Qs为双馈风机定子输出的无功功率，usd为定子d轴电压，usq为定子q轴电压，isd为定子d轴电压，isq为定子q轴电压，Us为定子电压矢量幅值，Lm为同步旋转坐标系下定转子绕组的等效互感，Ls为同步旋转坐标系下定子绕组的等效自感，ird为转子电流的d轴分量，irq为转子电流的q轴分量，ω1为同步角速度；
定子向电网输出的有功、无功功率解耦，分别通过转子电流的d、q轴分量进行调节；采用前馈补偿和PI调节器控制方式，双馈风机转子电压控制方程式表述为：
式中，Lr为同步旋转坐标系下转子绕组的等效自感，kp、ki分别为转子电流内环的比例系数和积分调节系数，urd为转子d轴电压，urq为转子q轴电压，ird *、irq *为转子电流d、q轴分量的参考值，ω2为转差角速度；S是PI控制中拉普拉斯变换后标准公式分子部分；
电网侧采用直流电压/电网侧电流q轴分量控制，电网侧变流器外环的控制方程表述为：
式中，kp0、ki0分别为转子侧控制外环的比例和积分调节系数；
使电压源型换流器只考虑换流站容量的限制，根据有功不平衡量，进行频率控制，采用定交流电压-频率控制策略进行Uac/f控制，其控制方程如下：
式中，Kp、Ki分别为PI调节器中的比例系数和积分系数，vd、vq分别为换流器电压的d轴分量、q轴分量，Uac为交流母线电压，Uac*为交流母线电压参考值，M为中间变量。
步骤1中，所述的依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，具体方法为：
风机侧采用基于转子磁链定向的转速外环，电流内环的矢量控制策略，其转速外环控制方程为：
式中，kp1、ki1分别为外环PI控制器的比例系数和积分系数；分别为风机侧输出的有功和风机转速的参考值；/>分别为风机侧输出电流d、q轴分量的参考值；
电流内环控制方程为：
式中，kp2、ki2分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；Rs为风机侧换流器等效阻抗；usd、usq分别为风机侧电压的d、q轴分量；ids、iqs分别为风机侧电流的d、q轴分量；ψf为永磁体产生的磁通；
电网侧变流器采用直流电压/无功功率控制，其电压外环控制方程为：
式中，kP3、ki3分别为外环PI控制器的比例系数和积分系数；Udc*、Qg*分别为直流电压和输出到电网的无功功率的参考值；分别为电网侧输出电流d、q轴分量的参考值。
电网侧变流器电流内环控制方程为：
式中，kP4、ki4分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；Rg为电网侧换流器等效阻抗；idg、iqg分别为电网侧输出电流d、q轴分量，udg、uqg分别为电网侧电压的d、q轴分量；ωg为电网侧角速度。
本发明的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法的总体流程图如图1所示。
图2所示为双馈风电场直流并网系统拓扑结构图，所述直驱风电场直流并网系统包括双馈感应发电机、风机转子侧换流器、风机网侧换流器、风机升压变压器、电压源型换流器和直流稳压电源。风机转子侧换流器采用定有功功率和无功功率控制，风机网侧换流器采用定直流电压和q轴电流控制，电压源型换流器采用定交流电压和频率控制。在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统的电磁暂态模型，风机转子侧换流器控制框图如图3所示，风机网侧换流器控制框图如图4所示，电压源型换流器控制框图如图5所示。
图2所示为直驱风电场直流并网系统拓扑结构图，所述直驱风电场直流并网系统包括直接驱动式发电机、风机侧换流器、网侧换流器、风机升压变压器、电压源型换流器和直流稳压电源。风机侧换流器采用定有功功率和无功功率控制，网侧换流器采用定直流电压和无功功率控制，电压源型换流器采用定交流电压和频率控制。在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统的电磁暂态模型，风机侧换流器控制框图如图7所示，网侧换流器控制框图如图8所示，电压源型换流器控制框图如图5所示。
步骤2、利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场，降低系统复杂程度；
步骤2中，在对多台风机内部电路进行等效时常采用容量加权聚合算法，然而风机发出的功率易受环境的影响，实际功率与容量之间存在偏差，因此本发明采用加权系数动态更新的加权聚合算法对风机内部电路进行等值，具体方法为：
采用加权系数动态更新的加权聚合算法对风电场进行等值，其中：
加权系数的表达式如下：
式中，n为风机台数，Si为第i台风机发出的实际功率，σi为第i台风机的加权系数；
考虑到实时监测每台风机的实际功率，并根据实际功率更新加权系数计算量过大，依据以下公式判定是否需要更新加权系数：
式中，ΔSi为第i台风机发出功率的变化量，Sm为所有风机发出功率之和，ΔSm为所有风机发出功率之和的变化量，C为判定依据，当C大于1时，依据当前发出功率更新加权系数；
根据加权聚合算法，风机定子电阻电抗的表达式如下：
式中，Rseq为等值定子电阻，Xseq为等值定子电抗，Rsi为第i台风机定子电阻，Xsi为第i台风机定子电抗；
同理得到风机转子电阻电抗表达式：
式中，Rreq为等值转子电阻，Xreq为等值转子电抗，Rri为第i台风机转子电阻，Xri为第i台风机转子电抗；
励磁电抗表达式为：
式中，Xmeq为等值励磁电抗，Xmi为第i台风机励磁电抗。
步骤3、在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型；
步骤3中，所述的在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型，具体方法为：
整流器侧采用定交流电压-频率控制策略进行Uac/f控制；
与交流电网连接的逆变器控制采用控制直流电压稳定以及与电网之间交换的无功功率的策略。
步骤4、调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型并验证风场模型的有效性。
步骤4中，调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型后，验证风场模型的有效性的具体方法为：
对不同风机比例的风机群进行调节的电磁暂态模型风场端口进行短路故障仿真，分析故障特征以验证模型有效性。
基于图9所示的混合风电场直流并网系统拓扑结构图，所述混合风电场直流并网系统包括双馈感应发电机、风机转子侧换流器、风机网侧换流器、直接驱动式发电机、风机侧换流器、网侧换流器、风机升压变压器、海上分裂式变压器、交流母线、柔直机侧升压变压器、柔直机侧换流器、柔直网侧换流器、柔直网侧降压变压器、525kV交流电源。柔直机侧换流器采用定交流电压和频率控制，柔直网侧换流器采用定有功功率和无功功率控制。在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统的电磁暂态模型，每一个风机群可以选择一种风机的类型，风机的出口端存在一个等效元件，其输入参数为基准电压、基准频率、基准频率、基准容量、等效风机数量、标幺定子电抗、标幺定子电阻、标幺转子电抗、标幺转子电阻、标幺励磁电抗，此等效元件的本质为受控电流源。
将风机侧电流记为Im，风机侧阻抗记为Zm，电网侧电流记为Ig，风机侧阻抗记为Zg，记需要等效的风机台数n，等效元件设计满足以下公式：
通过改变风机群出口端的等效元件中的等效风机数量来实现双馈风机与直驱风机比例可调，对同一故障点进行故障特征对比分析。
以每个风机群25台风机为例，当风机群1234的风机分别为100台直驱风机、75台直驱风机以及25台双馈风机、50台直驱风机以及50台双馈风机、100台双馈风机时，直驱风机与双馈风机的占比分别为1:0、3:1、1:3、0:1，从而实现不同风机比例可调。
对不同风机比例进行调节的电磁暂态模型风场端口进行短路故障仿真，分析故障特征以验证模型有效性。
为验证模型有效性，于图9f1点设置三相短路故障，故障发生时间为10s，故障持续时间为4s，图10为不同比例风机下混合风电场直流并网系统电磁暂态模型f1点发生三相短路故障仿真结果图，P为PMSG直驱风机的缩写，D为DFIG双馈风机的缩写，仿真对比了直驱风机与双馈风机的占比分别为1:0、1:3、1:1、0:1时的故障点近风场侧的故障电流有效值，观察仿真结果易得随着双馈风机占比的增加短路电流的有效值峰值不断下降且短路电流有效值衰减速度不断加快，这是由于直驱风机与双馈风机并网结构不同，直驱风场经逆变器变换后并网，通常采取P/Q控制策略，对输出的有功功率和无功功率解耦控制，直驱的风电发电机组与电网间相互隔离，在发生三相短路故障时直驱风机可等效为恒流源，持续输出稳定电流，而双馈风机和电网是直接相连的，体现为异步发电机特性，当故障发生后风场出口侧端电压跌落，三相短路故障电压跌落严重无法维持双馈风机的正常并网运行，导致风场提供的电路电流逐渐迅速减小，仿真结果符合理论分析，验证了本建模方法的正确性与可行性。
在另一实施例中，本发明提出了一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模系统，包括：
仿真平台构建模块，用于依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，形成含多台双馈风机和多台直驱风机的PSCAD/EMTDC仿真平台；
等效计算模块，用于利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场；
电磁暂态模型构建模块，用于在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型；
风场模型构建及验证模块，用于调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型并验证风场模型的有效性。
在另一实施例中，本发明提出了一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如上所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法。
在另一实施例中，本发明提出了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行如上所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法。
在本申请所公开的实施例中，计算机存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合使用的程序。计算机存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。计算机存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，形成含多台双馈风机和多台直驱风机的PSCAD/EMTDC仿真平台；
步骤2、利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场；
步骤3、在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型；
步骤4、调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型并验证风场模型的有效性。
2.根据权利要求1所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，其特征在于：步骤1中，所述的依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，具体方法为：
双馈风机转子侧采用有功功率/无功功率控制，当转子侧采用定子电压定向控制时，双馈风机定子输出的功率为：
式中，Ps为双馈风机定子输出的有功功率，Qs为双馈风机定子输出的无功功率，usd为定子d轴电压，usq为定子q轴电压，isd为定子d轴电压，isq为定子q轴电压，Us为定子电压矢量幅值，Lm为同步旋转坐标系下定转子绕组的等效互感，Ls为同步旋转坐标系下定子绕组的等效自感，ird为转子电流的d轴分量，irq为转子电流的q轴分量，ω1为同步角速度；
定子向电网输出的有功、无功功率解耦，分别通过转子电流的d、q轴分量进行调节；
采用前馈补偿和PI调节器控制方式，双馈风机转子电压控制方程式表述为：
式中，Lr为同步旋转坐标系下转子绕组的等效自感，kp、ki分别为转子电流内环的比例系数和积分调节系数，urd为转子d轴电压，urq为转子q轴电压，ird *、irq *为转子电流d、q轴分量的参考值，ω2为转差角速度；S是PI控制中拉普拉斯变换后标准公式分子部分；
电网侧采用直流电压/电网侧电流q轴分量控制，电网侧变流器外环的控制方程表述为：
式中，kp0、ki0分别为转子侧控制外环的比例和积分调节系数；
使电压源型换流器只考虑换流站容量的限制，根据有功不平衡量，进行频率控制，采用定交流电压-频率控制策略进行Uac/f控制，其控制方程如下：
式中，Kp、Ki分别为PI调节器中的比例系数和积分系数，vd、vq分别为换流器电压的d轴分量、q轴分量，Uac为交流母线电压，Uac*为交流母线电压参考值，M为中间变量。
3.根据权利要求2所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，其特征在于：步骤1中，所述的依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，具体方法为：
风机侧采用基于转子磁链定向的转速外环，电流内环的矢量控制策略，其转速外环控制方程为：
式中，kp1、ki1分别为外环PI控制器的比例系数和积分系数；Ps *、分别为风机侧输出的有功和风机转速的参考值；/>分别为风机侧输出电流d、q轴分量的参考值；
电流内环控制方程为：
式中，kp2、ki2分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；Rs为风机侧换流器等效阻抗；usd、usq分别为风机侧电压的d、q轴分量；ids、iqs分别为风机侧电流的d、q轴分量；ψf为永磁体产生的磁通；
电网侧变流器采用直流电压/无功功率控制，其电压外环控制方程为：
式中，kP3、ki3分别为外环PI控制器的比例系数和积分系数；Udc*、Qg*分别为直流电压和输出到电网的无功功率的参考值；分别为电网侧输出电流d、q轴分量的参考值。电网侧变流器电流内环控制方程为：
式中，kP4、ki4分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数；Rg为电网侧换流器等效阻抗；，idg、iqg分别为电网侧输出电流d、q轴分量，udg、uqg分别为电网侧电压的d、q轴分量；ωg为电网侧角速度。
4.根据权利要求1所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，其特征在于：
步骤2中，所述利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场，具体方法为：
采用加权系数动态更新的加权聚合算法对风电场进行等值，其中：
加权系数的表达式如下：
式中，n为风机台数，Si为第i台风机发出的实际功率，σi为第i台风机的加权系数；依据以下公式判定是否需要更新加权系数：
式中，ΔSi为第i台风机发出功率的变化量，Sm为所有风机发出功率之和，ΔSm为所有风机发出功率之和的变化量，C为判定依据，当C大于1时，依据当前发出功率更新加权系数；
根据加权聚合算法，风机定子电阻电抗的表达式如下：
式中，Rseq为等值定子电阻，Xseq为等值定子电抗，Rsi为第i台风机定子电阻，Xsi为第i台风机定子电抗；
同理得到风机转子电阻电抗表达式：
式中，Rreq为等值转子电阻，Xreq为等值转子电抗，Rri为第i台风机转子电阻，Xri为第i台风机转子电抗；
励磁电抗表达式为：
式中，Xmeq为等值励磁电抗，Xmi为第i台风机励磁电抗。
5.根据权利要求1所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，其特征在于：步骤3中，所述的在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型，具体方法为：
整流器侧采用定交流电压-频率控制策略进行Uac/f控制；
与交流电网连接的逆变器控制采用控制直流电压稳定以及与电网之间交换的无功功率的策略。
6.根据权利要求1所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法，其特征在于：步骤4中，调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型后，验证风场模型的有效性的具体方法为：
对不同风机比例的风机群进行调节的电磁暂态模型风场端口进行短路故障仿真，分析故障特征以验证模型有效性，将风机侧电流记为Im，风机侧阻抗记为Zm，电网侧电流记为Ig，风机侧阻抗记为Zg，记需要等效的风机台数n，等效元件设计满足以下公式：
通过改变风机群出口端的等效元件中的等效风机数量来实现双馈风机与直驱风机比例可调，对同一故障点进行故障特征对比分析。
7.一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模系统，其特征在于，包括：
仿真平台构建模块，用于依据双馈风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台双馈风机经电压源型换流器交流并网模型，依据直驱风机及其电压源型换流器系统拓扑结构建立单台直驱风机经电压源型换流器交流并网模型，形成含多台双馈风机和多台直驱风机的PSCAD/EMTDC仿真平台；
等效计算模块，用于利用动态等值方法将PSCAD/EMTDC仿真平台的多台双馈风机和多台直驱风机的风电场等效为单台风机风电场；
电磁暂态模型构建模块，用于在PSCAD/EMTDC仿真平台建立风电场直流并网系统电磁暂态模型；
风场模型构建及验证模块，用于调节PSCAD/EMTDC仿真平台中双馈风机与直驱风机的比例，构建含不同比例风机群的风场模型并验证风场模型的有效性。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行计算机程序时，实现如权利要求1-6任一项所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序使计算机执行如权利要求1-6任一项所述的含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311678123.6A CN117744288A (zh) | 2023-12-07 | 2023-12-07 | 一种含双馈风机与直驱风机且比例可调的风场建模方法、系统、设备及存储介质 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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