专利名称：常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法
技术领域：
本发明涉及风力发电系统，尤其涉及一种使用计算机程序进行双馈风电机组系统的建模分析的方法。
背景技术：
自二十世纪八十年代以来，风力发电的应用越来越受到全世界的普遍重视。随着科学技术的飞速发展，特别是空气动力学、尖端航天技术和大功率电力电子技术应用于新型风电机组的开发研制，风力发电在近二十年得到长足的发展。如今的风力发电正逐步走向规模化和产业化，风力发电在电网中的比例越来越大，成为除水力发电以外最成熟、最现实的一种清洁能源发电方式。大力发展风力发电，对环境保护、节约能源以及生态平衡都有重要的意义。然而风力发电是一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源发电的特点，风电厂的并网运行对电网的安全稳定，电能质量等诸多方面均会带来负面影响，随着风电场规模的日益扩大，风电特性对电网的影响也越发显著，成为制约风场规模和容量的严重障碍，大规模风电接入到底会对电网产生怎样的影响成为了急需解决的问题。中国实用新型专利“双馈风电机组的仿真装置”(实用新型专利号ZL201220127917. 4授权公告号CN202548295U)公开了一种双馈风电机组的仿真装置，包括双馈感应发电机、风电机组原动机、监测保护设备和转子侧变流设备。风电机组原动机连接到双馈感应发电机，风电机组原动机在风力驱动下带动双馈感应发电机的转子转动。监测保护设备连接到双馈感应发电机，测量双馈感应发电机输出的电压和电流。转子侧变流设备连接到双馈感应发电机，转子侧变流设备控制双馈感应发电机的电压幅值和相位，进行有功解耦控制和无功解耦控制。该实用新型的双馈风电机组的仿真装置能够准确反映风电机组的物理特性和双馈感应发电机的工作状况，能够满足风电并网规范对并网风电机组的完整测试要求。中国发明专利申请“一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法”(专利申请号201210008656. 9公开号CN 102592026A)公开了一种双馈风机等效模拟的仿真建模方法，所述双馈风机的变频器部分采用受控源模拟，所述建模方法包括如下步骤(1)建立双馈风电机组电路模型；(2)建立双馈风机等效模型；(3)建立双馈风机并网测试系统；(4)搭建多风机测试系统；其中，在步骤2中所述双馈风机等效模型基于双馈风机变频器交流侧受控电压源和直流侧受控电流源的特性建立。该发明提供的双馈风机等效模拟的仿真建模方法，能精确模拟双馈风机的暂态特性，并可计及多台风电机组间的不同特性及其相互影响；无需计及全控型器件的高频通断，仿真效率大幅提升；仿真风机台数越多，效率提升幅度越显著；在保持精度的同时，可采用较大的仿真步长，大幅提升仿真效率。用于稳定性研究的风电机组模型目前在国内的电力系统仿真软件中仍然没有实现，PSS/E、BPA中已有内建的风电机组模型，但其不适用于电网短路故障下风电机组的动态性能仿真。PSS/E是基于50Hz基频分量的电力系统仿真分析计算软件，在PSS/E中，网络方程是由稳态正弦等值相量来描述的，电力系统仿真的最大带宽限制在50Hz及更小的频率范围内。这个特点使PSS/E适合于大规模电力系统的快速计算分析。但是在PSS/E动态仿真中，电力系统中的动态元件是用微分方程来描述的，这些动态元件的求解过程与电气网络的向量代数求解过程是分开进行的。当微分方程中的时间常数相对于基频分量的波长较小时，由于带宽限制，描述动态元件许多复杂操作的模型细节就不能直接在PSS/E中得以实现。风电研究领域有很多文献，对目前已投入运行的多种类型的风电机组描述了相应的模型，但是其中的大多数模型都不能够轻易地在PSS/E中得以实现，这是因为模型中含有与风电机组控制相关的较小时间常数，PSS/E采用的基频分量仿真算法无法将这些时间常数考虑在内。
发明内容
本发明的目的是提供一种常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法，建立较为准确的风电机组模型，尽可能反映风电机组的运行调节特性。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法，使用常规电力系统仿真软件建立风电机组模型，所述的仿真方法包括以下步骤S100)将功率逆变器表示为一个可控电流源电流源，通过转子侧功率逆变器来控制风电机组的出力，建立逆变器控制模型；S200)基于磁链定位的矢量控制，跟踪双馈感应发电机定子的磁链向量，建立转子侧功率逆变器模型；S300 )根据电磁转矩与q-轴转子电流成正比，无功功率与d_轴转子电流成正比的关系，建立双馈感应发电机模型，发电机转子连接到转子侧功率逆变器模型，构成双馈感应发电机-功率逆变器模型；S400)采用双质量块模型模拟风力机轴与双馈感应发电机轴，将发电机转子相关的机械状态变量放置到风力机模型；S500)采用PSS/E风电机组桨距角控制模型；S600)将逆变器控制模型、桨距角控制模型、双馈感应发电机-功率逆变器模型和风力机模型组成风电机组仿真模型；S700)使用风电机组仿真模型，建立风电机组模型故障动态响应仿真测试系统模型。本发明的常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的步骤S600包括以下步骤S610)逆变器控制模型输出控制指令到桨距角控制模型和双馈感应发电机-功率逆变器模型；S620)桨距角控制模型输出桨距角到风力机模型；S630)风力机模型将轴转速信号传送到逆变器控制模型；S640)风力机模型将轴转速信号传送到桨距角控制模型；S650)双馈感应发电机-功率逆变器模型将有功、无功信号传送到逆变器控制模型；
S670)双馈感应发电机-功率逆变器模型将有功功率传递给风力机模型。本发明的有益效果是本发明的常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法，可以建立较为准确的风电机组模型，尽可能反映风电机组的运行调节特性，实现利用常规电力系统仿真软件进行风电机组的仿真，可以在不增加仿真系统投资的情况下，使现有常规电力系统仿真软件在风电建设中充分发挥作用。
图1是本发明常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法的主流程图；图2是本发明常规电力系统仿真软件中建立的风电机组仿真模型结构示意图；图3是双馈感应发电机-功率逆变器模型图；图4是风电机组逆变器控制模型图；图5是风电机组的风力机模型图；图6是风电机组桨距角控制模型图；图7是风电机组模型故障动态响应仿真测试系统图。
具体实施例方式为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。本发明的常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法，使用常规电力系统仿真软件建立风电机组模型，主流程图如图1所示，包括以下步骤S100)将功率逆变器表示为一个可控电流源电流源，通过转子侧功率逆变器来控制风电机组的出力，建立逆变器控制模型；风电机组逆变器控制模型结构如图4所示。S200)基于磁链定位的矢量控制，跟踪双馈感应发电机定子的磁链向量，建立转子侧功率逆变器模型；S300 )根据电磁转矩与q_轴转子电流成正比，无功功率与d_轴转子电流成正比的关系，建立双馈感应发电机模型，发电机转子连接到转子侧功率逆变器模型，构成双馈感应发电机-功率逆变器模型；双馈感应发电机-功率逆变器模型如图3所示。S400)采用双质量块模型模拟风力机轴与双馈感应发电机轴，将发电机转子相关的机械状态变量放置到风力机模型；风电机组的风力机模型图如图5所示。S500)采用PSS/E风电机组桨距角控制模型；风电机组桨距角控制模型如图6所
/Jn οS600)将逆变器控制模型、桨距角控制模型、双馈感应发电机-功率逆变器模型和风力机模型组成风电机组仿真模型；本发明的常规电力系统仿真软件中建立的风电机组仿真模型结构如图2所示。S700)使用风电机组仿真模型，建立风电机组模型故障动态响应仿真测试系统模型。根据本发明的常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法的一个实施例，步骤S600包括以下步骤
S610)逆变器控制模型输出控制指令到桨距角控制模型和双馈感应发电机-功率逆变器模型；S620)桨距角控制模型输出桨距角到风力机模型；S630)风力机模型将轴转速信号传送到逆变器控制模型；S640)风力机模型将轴转速信号传送到桨距角控制模型；S650)双馈感应发电机-功率逆变器模型将有功、无功信号传送到逆变器控制模型；S670)双馈感应发电机-功率逆变器模型将有功功率传递给风力机模型。为了检验本发明的常规电力系统仿真软件中建立的风电机组仿真模型在系统发生故障时的动态性能，在PSS/E中构建如图7所示的仿真测试系统，在I秒时在风电场接入电网处(母线2)发生持续时间为O.1秒的三相接地故障。本发明的常规电力系统仿真软件中建立的风电机组仿真模型，是采用双馈感应发电机(DFIG)的风电机组的通用的简化模型，适用于研究该种类型的风电机组接入电网后的基本运行特性。根据上述故障动态仿真结果，该模型在电网发生三相短路时保持并网运行的同时能够加大无功输出，而实际情况是DFIG使用跨接器(CrowBar)防止转子侧逆变器过流而短接转子后，将从电网中吸取一定的无功，因此该模型在系统故障期间表现出超出实际情况的对电网的无功支持能力，这是由于受制于PSS/E软件的限制，该模型无法接入风电机组具备低电压穿越能力所必须的跨接器，从而无法模拟风电机组在低电压穿越期间的状态变化。从本发明的风电机组模型框图中可以看出，DFIG模型的简化使得该模型无法准确计算DFIG的转子电流，也无法模拟转子的短接过程，因而该模型不适用于研究具备低电压穿越能力的风电机组对电网暂态稳定的影响，而且不适用于详细的电网短路电流研究计算以及深入的暂态稳定分析，如电压暂态稳定计算等。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法，使用常规电力系统仿真软件建立风电机组模型，所述的仿真方法包括以下步骤: S100)将功率逆变器表示为一个可控电流源电流源，通过转子侧功率逆变器来控制风电机组的出力，建立逆变器控制模型； S200)基于磁链定位的矢量控制，跟踪双馈感应发电机定子的磁链向量，建立转子侧功率逆变器模型； S300)根据电磁转矩与q_轴转子电流成正比，无功功率与d-轴转子电流成正比的关系，建立双馈感应发电机模型，发电机转子连接到转子侧功率逆变器模型，构成双馈感应发电机-功率逆变器模型； S400)采用双质量块模型模拟风力机轴与双馈感应发电机轴，将发电机转子相关的机械状态变量放置到风力机模型； S500)采用PSS/E风电机组桨距角控制模型； S600)将逆变器控制模型、桨距角控制模型、双馈感应发电机-功率逆变器模型和风力机模型组成风电机组仿真模型； S700)使用风电机组仿真模型，建立风电机组模型故障动态响应仿真测试系统模型。
2.根据权利要求1所述的常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法，其特征在于所述的步骤S600包括以下步骤: S610)逆变器控制模型输出控制指令到桨距角控制模型和双馈感应发电机-功率逆变器模型； S620)桨距角控制模型输出桨距角到风力机模型； S630)风力机模型将轴转速信号传送到逆变器控制模型； S640)风力机模型将轴转速信号传送到桨距角控制模型； S650)双馈感应发电机- 功率逆变器模型将有功、无功信号传送到逆变器控制模型； S670)双馈感应发电机-功率逆变器模型将有功功率传递给风力机模型。
全文摘要
一种常规电力系统仿真软件中风电机组模型的仿真方法，涉及风力发电系统，尤其涉及一种使用计算机程序进行双馈风电机组系统的建模分析的方法，包括以下步骤将功率逆变器表示为一个可控电流源电流源，建立逆变器控制模型；建立转子侧功率逆变器模型；建立双馈感应发电机模型，构成双馈感应发电机-功率逆变器模型；采用双质量块模型模拟风力机轴与双馈感应发电机轴；采用风电机组桨距角控制模型；组成风电机组仿真模型；使用风电机组仿真模型，建立风电机组模型故障动态响应仿真测试系统模型。本发明建立较为准确的风电机组模型，尽可能反映风电机组的运行调节特性，实现利用常规电力系统仿真软件进行风电机组的仿真。
文档编号G05B17/02GK103076745SQ20121053667
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者冯煜尧, 杨增辉, 郭强 申请人:上海市电力公司, 华东电力试验研究院有限公司, 国家电网公司