双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法

专利名称：双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法
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机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机的完整测试要求。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CN102592026A)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中已有内建的风机模型，但其不适用于电网短路故障下风机的动态性能仿真。DIgSILENT/PowerFactory是一款强大的电力系统仿真软件，其内建的双馈异步风机模型能较准确地反映其实际物理特性，即能对双馈机进行详细地机电暂态仿真，也能进行机电暂态仿真，使风机在大规模电网中的仿真成为可能。另外，PSCAD/EMTDC同样能够建立风机的机电暂态模型，建模精度可达到器件级，因此是考察风机单机系统在各种工况和故障下动态特性的理想工具，但不适用于风机接入大网后的仿真。

发明内容
本发明的目的是提供一种双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法，建立符合双馈变速恒频风电机组物理特性的详细模型，以便利用该详细模型进行电磁暂态和机电暂态仿真，考察风机在各种故障和工况下的动态特性。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法，所述的风电机组包括由风力机模型、轴系模型和桨距控制系统构成的原动机模型，由感应发电机模型和转子侧变频器控制保护系统构成的双馈风电机组模型，以及电网侧变频器控制系统，所述机电暂态仿真方法包括以下步骤S100)建立风力机模型，根据风速、风能转换效率与叶尖速比和叶片浆距角的关系，模拟风力机吸收的风功率；S200)使用发电机质块和风力机质块组成的两质量块轴系结构，建立风机轴系模型，模拟风力机机械转矩与发电机电磁转矩的能量传递关系；S300)建立桨距控制系统模型，使用桨距角控制仿真进行风电机组功率的寻优，寻求在给定风速下使风电机组输出功率的最大值；模拟风速超出额定风速时桨距控制系统的过载保护功能；S400)根据双馈感应电机的方程和磁链方程构建双馈异步感应电机的T型等效电路，建立DFIG电气仿真模型；S500)根据DFIG电气仿真模型双馈感应发电机定子的瞬时电磁功率方程、转子电流与定子电流的关系和转子电压方程，建立电网侧变频器和转子侧变频器控制器模型；S600)使用以上步骤建立的风电机组仿真模型，建立双馈风机单机无穷大系统模型；S700)设置风电机组仿真模型的初始运行工况，设置毫秒级别的仿真步长，进入风电机组系统的机电暂态仿真运行状态；S720)对所述的风力机模型分别施加风速负阶跃和风速正阶跃信号，进行风速阶跃的机电暂态仿真，分析风电机组的有功出力、转速、风功率、风能利用效率以及桨距角的响应，建立的双馈风机详细模型面对风速变化的动态响应特性，验证最大风能追踪的有效性；S740)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型施加无功功率阶跃信号，进行无功阶跃的机电暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功出力、无功出力以及转速的变化，建立的双馈风机详细模型面对外部电网无功负荷变化的动态响应特性，验证双馈风机矢量控制中无功控制环节的动态特性；S760)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型分别模拟外部电网三相对称故障和非对称故障，对有、无低电压穿越功能的双馈异步风机进行故障状态的机电暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功、无功、定子电流、转子电流波形，比较有、无低电压穿越功能的双馈异步风机在电网故障下的动态响应，验证双馈风机故障保护的动态特性。本发明的双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的DFIG模块使用可投切Crowbar装置实现低电压穿越功能，当外界故障使转子侧变频器检测到转子过电流，或者变频器直流母线过电压时，Crowbar装置中的开关元件IGBT导通，Crowbar投入工作旁路转子过流，同时转子侧变频器触发信号闭锁，双馈机转子绕组直接经串联电阻Re短路。本发明的有益效果是1.本发明的双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法，可以建立符合双馈变速恒频风电机组物理特性的详细模型，利用该详细模型进行电磁暂态和机电暂态仿真，可以考察风机在各种故障和工况下的动态特性。2.本发明的双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法，不但可以模拟双馈变速恒频风电机组的电气特性，还可以模拟风力原动机的机械运行状况，进行风力变化对风电场的影响进行仿真研究，即能对双馈机进行详细地机电暂态仿真，也能进行机电暂态仿真，使风机在大规模电网中的仿真成为可能。


图1是本发明双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法的主流程图；图2是双馈变速恒频风电机组模型结构示意图；图3是风电机组两质量块轴系模型示意图；图4是风电机组轴系模型的传递函数框图；图5是桨距控制系统框图；图6是同步旋转坐标系下DFIG的T型等效电路；图7是DFIG磁链定向矢量控制模型图；图8是电网侧变频器控制系统模型图；图9是双馈机转子侧变频器控制保护系统模型图；图10是带有可投切Crowbar的双馈异步风电机组的模型图；图11是使用风电机组仿真模型建立的风机单机无穷大系统模型图。
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。图2是双馈变速恒频风电机组模型结构示意图，风电机组包括由风力机模型110、轴系模型120和桨距控制系统130构成的原动机模块100，由感应发电机模型210和转子侧变频器控制保护系统220构成的双馈风电机组模块，以及电网侧变频器控制系统(图中未表不)。双馈变速恒频风电机组通过其控制系统可以实现以下功能控制发电机与电网之间的无功交换功率、控制风电机组发出的有功功率以追踪风电机组的最优运行点或者在高风速情况下限制风电机组出力。上述功能主要通过变速风电机组的转子侧变频器控制及风力机的桨距角控制实现。转子侧变频器220用于控制双馈机转子侧电压幅值和相位，实现对风电机组的有功和无功解耦控制，完成风电机组的最大功率追踪策略，包含以下各个模块最大风能追踪模块221、功率测量模块222、电压电流测量模块223、功率控制器224、电流控制器225以及坐标变换模块226。双馈风电机组的保护模型227也包含在双馈风电机组的模型中。本发明的双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法的主流程图如图1所示，包括以下步骤S100)建立风力机模型，根据风速、风能转换效率与叶尖速比和叶片浆距角的关系，模拟风力机吸收的风功率；S200)使用发电机质块和风力机质块组成的两质量块轴系结构，建立风机轴系模型，模拟风力机机械转矩与发电机电磁转矩的能量传递关系；S300)建立桨距控制系统模型，使用桨距角控制仿真进行风电机组功率的寻优，寻求在给定风速下使风电机组输出功率的最大值；模拟风速超出额定风速时桨距控制系统的过载保护功能；S400)根据双馈感应电机的方程和磁链方程构建双馈异步感应电机(DFIG)的T型等效电路，建立DFIG电气仿真模型；S500)根据DFIG电气仿真模型双馈感应发电机定子的瞬时电磁功率方程、转子电流与定子电流的关系和转子电压方程，建立电网侧变频器和转子侧变频器控制器模型；S600)使用以上步骤建立的风电机组仿真模型，建立双馈风机单机无穷大系统模型；使用风电机组仿真模型建立的双馈风机单机无穷大系统模型的一个实施例如图11所示，风电机组通过WT低压母线连接到升压变压器，升压后通过出口母线PCC连接到外部电网，设置风电机组和升压变压器、外部电网的参数，构成双馈风机单机无穷大系统，就可以进行风电机组系统的电磁暂态仿真、机电暂态仿真和故障仿真。对风机详细模型进行电磁暂态仿真可以精确反映电网故障时风机的动态性能，但是，大网仿真中若利用电磁暂态仿真方法则速度较慢，因此需要采用机电暂态仿真方法，同时与电磁暂态仿真结果进行比对，验证其正确性。机电暂态过程是指电力系统中发电机和电动机电磁转矩的变化引起电机转子机械运动的变化过程，持续时间常常在几秒到十几秒。机电暂态过程仿真是对电力系统中机械暂态过程和电磁暂态过程的综合分析研究，计算步长常常取IOms左右。电力系统机电暂态过程的仿真主要用于分析电力系统的稳定性，即用来分析当电力系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或过渡到一个新的稳定运行状态的问题。主要包括系统受到大扰动后的暂态稳定和受到小扰动后的静态稳定性倉泛。S700)设置风电机组仿真模型的初始运行工况，设置毫秒级别的仿真步长，进入风电机组系统的机电暂态仿真运行状态；S720)对所述的风力机模型分别施加风速负阶跃和风速正阶跃信号，进行风速阶跃的机电暂态仿真，分析风电机组的有功出力、转速、风功率、风能利用效率以及桨距角的响应，建立的双馈风机详细模型面对风速变化的动态响应特性，验证最大风能追踪的有效性；风速负阶跃仿真工况如下风机初始有功出力4. 5丽，无功出力O.OMvar，滑差+8%，1. Os后风速突然减小2m/s，考察风机有功出力、转速以及风能利用效率。风速正阶跃在同样的初始工况下，风速作+2m/s的阶跃变化。根据风速跃仿真的结果分析可知，机电暂态仿真结果与电磁暂态仿真结果基本一致。S740)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型施加无功功率阶跃信号，进行无功阶跃的机电暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功出力、无功出力以及转速的变化，建立的双馈风机详细模型面对外部电网无功负荷变化的动态响应特性，验证双馈风机矢量控制中无功控制环节的动态特性；无功阶跃响应主要验证双馈风机矢量控制中无功控制环节的动态特性。仿真工况如下风机初始有功出力4. 5丽，无功出力OMvar，滑差+8%，1. Os后无功功率参考值作O. 9MVar的阶跃，考察风机机端电压、有功、无功以及转速的变化。根据无功跃仿真的结果分析可知，机电暂态仿真结果与电磁暂态仿真结果基本一致。。S760)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型分别模拟外部电网三相对称故障和非对称故障，对有、无低电压穿越功能的双馈异步风机进行故障状态的机电暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功、无功、定子电流、转子电流波形，比较有、无低电压穿越功能的双馈异步风机在电网故障下的动态响应，验证双馈风机故障保护的动态特性。I)对称故障仿真当外部电网出现三相对称故障时，由于风机机端电压突然下降，再加上转子侧变频器矢量控制的作用，转子电流会突然增大导致变频器过流。同时短路故障后由于有功无法送出，而电网侧变频器有功电流不会突变导致电网侧变频器向直流电容充电，因此还可能引起直流电容过压，在这种情况下，变频器必须退出运行。这时，对于有低电压穿越功能的风机，仅切除变频器，双馈机仍挂网运行，而对于无低电压穿越功能的风机则直接切机，因此，需要详细比较两者在电网故障下的动态响应。有低电压穿越功能对于有低电压穿越功能的双馈异步风机，考察以下几种工况下的故障动态特性(I)风机初始运行点有功4. 5MW,无功OMvar，滑差+8%，故障时机端电压降福较小，Crowbar不动作；(2)风机初始运行点有功4. 5MW,无功OMvar，滑差+8%，故障时机端电压降幅较大，Crowbar动作，Crowbar切除时间60ms ；(3)风机初始运行点有功2. 8MW,无功OMvar，滑差_10%，故障时机端电压降幅较大，Crowbar动作，Crowbar切除时间60ms ；(4)风机初始运行点有功4. 5MW,无功OMvar，滑差+8%，故障时机端电压降幅较大，Crowbar 动作，Crowbar 切除时间 500ms ；下面逐一介绍以上几种工况下的机电暂态仿真结果(I)风机初始运行点有功4. 5MW,无功OMvar，滑差+8%，故障时机端电压降幅较小，Crowbar不动作；风机单机无穷大系统如图11所示，仿真工况如下风机初始有功出力4. 5MW,无功OMvar，初始滑差+8%，Crowbar切除时间60ms。Os时，风机升压变出口母线PCC发生三相短路故障，接地阻抗0. l+jl.0Q,0. 15s后故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果中没有大于50Hz的高频分量，其波形基本上为电磁暂态仿真结果的平均值曲线。(2 )风机初始运行点有功4. 5丽，无功OMvar，滑差+8%，故障时机端电压降幅较大，Crowbar动作，Crowbar切除时间60ms ;仿真工况风机初始有功出力4. 5丽,无功OMvar,初始滑差+8%，Crowbar切除时间60ms。Os时，风机升压变出口母线PCC发生三相短路故障，接地阻抗O. Ol+jO.1 Ω，0. 15s后故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果是电磁暂态仿真结果的平均值曲线。(3)风机初始运行点有功2. 8丽，无功OMvar，滑差_10%，故障时机端电压降幅较大，Crowbar动作，Crowbar切除时间60ms ;仿真工况风机初始有功出力2. 8丽,无功OMvar，初始滑差-10%，Crowbar切除时间60ms。Os时，风机升压变出口母线PCC发生三相短路故障，接地阻抗0.01+j0. 1Ω，0. 15s后故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果是电磁暂态仿真结果的平均值曲线。(4)风机初始运行点有功4. 5MW,无功OMvar，滑差+8%，故障时机端电压降幅较大,Crowbar动作,Crowbar切除时间500ms ;仿真工况风机初始有功4. 5MW,无功OMvar,初始滑差+8%，Crowbar切除时间整定值500ms。Os时，风机升压变出口母线PCC发生三相短路故障，短路阻抗0.01+j0. 1Ω，0.· 15s时故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果是电磁暂态仿真结果的平均值曲线。无低电压穿越功能(I)机端电压降幅较大，风机切除。仿真工况风机初始有功4. 5丽，无功OMvar，初始滑差+8%，三相短路故障接地阻抗0.01+j0. 1Ω，0. 15s故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果与电磁暂态仿真结果完全一致。(2)机端电压降幅较小，风机不切除。仿真工况风机初始运行点同前，三相短路故障接地阻抗0. l+jl.0Q,0. 15s故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果是电磁暂态仿真结果的平均值曲线。2)非对称故障仿真三相不对称故障时，风机同样会因为机端电压的突然降低而导致变频器过流或直流电容过压，同时，还可能由于三相不平衡过于严重而导致变频器三相不对称保护动作，因此，有必要分析比较有、无低电压穿越的风机在电网不对称故障下的动态响应。有低电压穿越功能(I)单相故障机端电压降幅较小，Crowbar不动作。仿真工况风机初始有功4. 5MW,无功OMvar，初始滑差+8%，Crowbar切除时间60ms，Os时风机升压变出口母线PCC发生a相接地故障，短路阻抗0.2+」2.0Ω，0. 15s故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果是电磁暂态仿真结果的平均值曲线。(2)相间故障机端电压降幅较小，Crowbar不动作。仿真工况风机初始运行点以及Crowbar参数同前，Os时，风机升压变出口母线PCC发生be相间短路故障，短路阻抗0. 35+j3. 5Ω，0. 15s故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果是电磁暂态仿真结果的平均值曲线。(3)单相故障机端电压降幅较大，Crowbar动作。仿真工况风机初始运行点以及Crowbar参数同前,单相接地阻抗0. 01+j0.1 Ω ,0. 15s故障清除。不对称故障的机电暂态仿真结果与电磁暂态仿真结果略有不同，是因为这里考虑了风机的三相不对称保护，因此Crowbar动作次数比起仅考虑变频器过流保护时多,O. 18s时Crowbar才完全切除,故障恢复过程中风机从电网中吸收较多无功。(4)相间故障机端电压降幅较大，Crowbar动作。仿真工况风机初始工况以及Crowbar参数同前，Os时，be相间短路阻抗O. 01+j0.1 Ω ,0. 15s故障清除。与单相接地故障类似，故障穿越过程中Crowbar投切3次，风机从电网中吸收一定无功。无低电压穿越功能(I)单相故障机端电压降幅较小，风机不切除。仿真工况风机初始有功4. 5MW，无功OMvar，初始滑差+8%，Os时，风机升压变出口母线PCC发生发生a相单相接地故障，短路阻抗0. 2+j2.0Q,0. 15s时故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果基本上是电磁暂态仿真结果的平均值曲线。(2)相间故障机端电压降幅较大，风机切除。仿真工况风机初始有功4. 5MW，无功OMvar,初始滑差+8%，Os时，风机升压变出口母线PCC发生发生be相间短路故障，短路阻抗0. 01+J0. ΙΩ,Ο. 15s故障清除。与相同工况下的电磁暂态仿真结果比较可知，机电暂态仿真结果与电磁暂态仿真结果完全一致。根据本发明的双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法的一个实施例，步骤S100根据公式
权利要求
1.一种双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法，所述的风电机组包括由风力机模型、轴系模型和桨距控制系统构成的原动机模型，由感应发电机模型和转子侧变频器控制保护系统构成的双馈风电机组模型，以及电网侧变频器控制系统，所述机电暂态仿真方法包括以下步骤S100)建立风力机模型，根据风速、风能转换效率与叶尖速比和叶片浆距角的关系，模拟风力机吸收的风功率；S200)使用发电机质块和风力机质块组成的两质量块轴系结构，建立风机轴系模型，模拟风力机机械转矩与发电机电磁转矩的能量传递关系；S300)建立桨距控制系统模型，使用桨距角控制仿真进行风电机组功率的寻优，寻求在给定风速下使风电机组输出功率的最大值；模拟风速超出额定风速时桨距控制系统的过载保护功能；S400)根据双馈感应电机的方程和磁链方程构建双馈异步感应电机的T型等效电路，建立DFIG电气仿真模型；S500)根据DFIG电气仿真模型双馈感应发电机定子的瞬时电磁功率方程、转子电流与定子电流的关系和转子电压方程，建立电网侧变频器和转子侧变频器控制器模型；S600)使用以上步骤建立的风电机组仿真模型，建立双馈风机单机无穷大系统模型；S700 )设置风电机组仿真模型的初始运行工况，设置毫秒级别的仿真步长，进入风电机组系统的机电暂态仿真运行状态；S720)对所述的风力机模型分别施加风速负阶跃和风速正阶跃信号，进行风速阶跃的机电暂态仿真，分析风电机组的有功出力、转速、风功率、风能利用效率以及桨距角的响应，建立的双馈风机详细模型面对风速变化的动态响应特性，验证最大风能追踪的有效性；S740)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型施加无功功率阶跃信号，进行无功阶跃的机电暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功出力、无功出力以及转速的变化，建立的双馈风机详细模型面对外部电网无功负荷变化的动态响应特性，验证双馈风机矢量控制中无功控制环节的动态特性；S760)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型分别模拟外部电网三相对称故障和非对称故障，对有、无低电压穿越功能的双馈异步风机进行故障状态的机电暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功、无功、定子电流、转子电流波形，比较有、无低电压穿越功能的双馈异步风机在电网故障下的动态响应，验证双馈风机故障保护的动态特性。
2.根据权利要求1所述的双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法，其特征在于所述的DFIG模块使用可投切Crowbar装置实现低电压穿越功能,当外界故障使转子侧变频器检测到转子过电流，或者变频器直流母线过电压时，Crowbar装置中的开关元件IGBT导通，Crowbar投入工作旁路转子过流，同时转子侧变频器触发信号闭锁，双馈机转子绕组直接经串联电阻Re短路。
全文摘要
一种双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法，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，包括以下步骤建立风功率模型模拟风力机吸收的风功率；建立风机轴系模型；建立桨距控制系统模型；建立双馈异步感应电机电气仿真模型；建立电网侧变频器和转子侧变频器控制器模型；使用风电机组仿真模型，建立双馈风机单机无穷大系统模型；设置风电机组系统的仿真运行工况和故障状态，进行机电暂态仿真和故障仿真，本发明建立符合双馈变速恒频风电机组物理特性的详细模型，进行电磁暂态和机电暂态仿真，可以考察风机在各种故障和工况下的动态特性，使风机在大规模电网中的仿真成为可能。
文档编号G06F17/50GK103034761SQ201210533440
公开日2013年4月10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