专利名称：双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法
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电磁暂态仿真，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电磁暂态模型，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建模与仿真方法，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建模与仿真方法，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，所述建模与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)设置风电机组系统的仿真运行工况和故障状态，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。本发明的双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的步骤SlOO根据公式
权利要求
1.一种双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，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，所述建模与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)设置风电机组系统的仿真运行工况和故障状态，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。
2.根据权利要求1所述的双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，其特征在于所述的步骤SlOO根据公式
3.根据权利要求1所述的双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，其特征在于所述的步骤S200根据公式
4.根据权利要求1所述的双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，其特征在于所述的桨距控制系统读取转速测量值speed，与预设的最大转速参考值speecLref进行比较，得出误差信号传送给输入PI控制器；所述的PI控制器产生桨距角参考值Beta_ref，再与实际的桨距角Beta比较，得出桨距角误差信号，输入到桨距角控制系统伺服机构；在桨距控制系统模型中，所述的桨距控制系统伺服机构用伺服时间常数T、桨距调节的限值Vrmax> Vrmin和奖距变化的梯度限值Rate_max、Rate_min表不。
5.根据权利要求1所述的双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，其特征在于所述的步骤S400根据同步旋转坐标系下双馈感应电机的电磁方程
6.根据权利要求1所述的双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，其特征在于所述的步骤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
7.根据权利要求1至6之任一权利要求所述的双馈变速恒频风电机组系统建模与仿真方法，其特征在于所述的DFIG模块带有可投切Crowbar装置，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建模与仿真方法，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，进行电磁暂态仿真、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G06F17/50GK103034764SQ20121053669
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