双馈风机简化电磁暂态仿真模型、方法、终端及介质与流程

1.本发明涉及电力系统仿真技术领域，尤其涉及一种双馈风机简化电磁暂态仿真模型、方法、终端及介质。


背景技术：

2.随着风电大规模的接入电网系统，风电已成为现代电力系统中应用最为广泛的分布式电源，与此同时也对电网的运行、维护、调度、控保等产生较大影响。为了分析大规模风电接入对电力系统的影响以及交互机理，需要借助数值电磁暂态仿真工具进行风电单元建模仿真。
3.在传统的电力系统分析中，一般将风机等效恒功率源，忽视风机的机械耦合特性，在以matlab/simulink为代表的仿真软件中，一般对双馈风机本体、变流器、风能转换等内容采用了全详细化的构建，可精确仿真电机内部的各类暂态以及开关纹波，即能较好地仿真风机的行为特征。但是，这种详细化建模得到的模型往往较为复杂，并且只使用对风机的单机特性研究，其必须依赖小步长；当仿真规模较大、拓扑内开关数量较多后将导致仿真效率急剧下降，仿真耗时可能达到几小时甚至几天。而随着对含大规模风电的电力系统仿真规模需求的不断增加，这种依赖小步长的仿真模型显然已无法满足仿真规模需求，因此亟需一种简化模型以达到在仿真效率与仿真精度方面的平衡。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供双馈风机简化电磁暂态仿真模型、方法、终端及介质，以解决现有的双馈风机电磁暂态仿真模型中存在的只适用于小步长建模，无法适用于较大仿真规模的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供一种双馈风机简化电磁暂态仿真模型，包括：
6.无功控制单元、有功控制单元以及风机接口简化等效模型；
7.所述无功控制单元用于将风机等值内电势输入至所述风机接口简化等效模型；
8.所述有功控制单元用于将风机有功电流指令输入至所述风机接口简化等效模型；
9.所述风机接口简化等效模型用于接收所述风机等值内电势、所述有功电流指令，并将风力发电系统等效为受控电流源接入电网。
10.进一步，作为优选地，在所述风机接口简化等效模型中，风力发电机的瞬时三相入网电流为：
[0011][0012][0013][0014]
式中，ia、ib、ic为三相入网电流；im为入网电流幅值，为功率因素角，θ为电网电压
角度；其中，和im满足：
[0015][0016][0017]
进一步，作为优选地，所述无功控制单元包括：风电场电压控制模型以及无功功率控制系统模型；
[0018]
所述风电场电压控制模型用于接收端电压值，并将输出的无功功率参考值输入至所述无功功率控制系统模型；
[0019]
所述无功功率控制系统模型用于根据无功功率参考值和无功功率的输入值，生成风机等值内电势。
[0020]
进一步，作为优选地，所述有功控制单元包括：风功率模型、转子动态模型、有功功率控制系统模型以及桨距角控制系统模型；
[0021]
所述风功率模型用于根据环境风速计算机械功率，并将机械功率对应的值输入至所述转子动态模型；
[0022]
所述转子动态模型用于根据所述机械功率计算风机转速，并将风机转速对应的值输入至所述有功功率控制系统模型；还用于将涡轮机转速对应的值输入至风功率模型；
[0023]
所述有功功率控制系统模型用于根据有功功率和端电压值对所述桨距角控制系统模型进行有功控制；
[0024]
所述桨距角控制系统模型用于将桨距角输入至所述风功率模型。
[0025]
本发明还提供一种双馈风机简化电磁暂态仿真方法，包括：
[0026]
输入端电压值、无功功率值至无功控制单元，将计算得到的风机等值内电势输入至风机接口简化等效模型；
[0027]
输入环境风速、有功功率值及端电压值至有功控制单元，将计算得到的有功电流指令输入至所述风机接口简化等效模型；
[0028]
利用所述风机接口简化等效模型计算风力发电机的瞬时三相入网电流、三相交流电压瞬时值以及电网电压相角。
[0029]
进一步，作为优选地，所述利用所述风机接口简化等效模型计算风力发电机的瞬时三相入网电流、三相交流电压瞬时值以及电网电压相角，包括：
[0030]
利用电网电压相角与三相交流电压瞬时值的交替求解法进行电磁暂态仿真计算。
[0031]
进一步，作为优选地，所述电网电压相角与三相交流电压瞬时值的交替求解法包括：
[0032]
在当前时刻先计算电网电压相角，再计算三相交流电压瞬时值；或者，
[0033]
在当前时刻先计算三相交流电压瞬时值，再计算电网电压相角。
[0034]
进一步，作为优选地，还包括当仿真步长大于预设阈值时，为下一时刻计算的电网电压相角进行补偿。
[0035]
本发明还提供一种终端设备，包括：
[0036]
一个或多个处理器；
[0037]
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
[0038]
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任一项所述的双馈风机简化电磁暂态仿真方法。
[0039]
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任一项所述的双馈风机简化电磁暂态仿真方法。
[0040]
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0041]
本发明公开了一种双馈风机简化电磁暂态仿真模型、方法、终端及介质，该模型包括：无功控制单元、有功控制单元以及风机接口简化等效模型；无功控制单元用于将风机等值内电势输入至风机接口简化等效模型；有功控制单元用于将风机有功电流指令输入至风机接口简化等效模型；风机接口简化等效模型用于接收风机等值内电势、有功电流指令，并将风力发电系统等效为受控电流源接入电网。
[0042]
本发明通过利用风机接口简化等效模型，考虑了仿真步长对受控源结果的影响。通过补偿相角使得电磁暂态仿真模型能够适用于大步长的风力发电系统级仿真分析，可准确仿真风机单元在交流接线端口处有功/无功特性，相比于传统风机详细化电磁暂态模型和平均化模型，具有计算量更小，仿真速度更快的优点。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是本发明某一实施例提供的双馈风机简化电磁暂态仿真模型的结构示意图；
[0045]
图2是本发明某一实施例提供的双馈风机简化电磁暂态仿真模型的控制方法的原理示意图；
[0046]
图3是本发明某一实施例提供的基于电流源注入的风机接口简化等效模型电路图；
[0047]
图4是本发明某一实施例提供的仿真计算过程中的数值变化过程的原理示意图；
[0048]
图5是本发明某一实施例提供的双馈风机简化电磁暂态仿真方法的流程示意图；
[0049]
图6是本发明某一实施例提供的终端设备的结构示意图。
具体实施方式
[0050]
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作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。
[0051]
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。
[0052]
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。
[0053]
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。
[0054]
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。
[0055]
请参阅图1，本发明某一实施例提供一种双馈风机简化电磁暂态仿真模型，包括：
[0056]
无功控制单元、有功控制单元以及风机接口简化等效模型；
[0057]
所述无功控制单元用于将风机等值内电势输入至所述风机接口简化等效模型；
[0058]
所述有功控制单元用于将风机有功电流指令输入至所述风机接口简化等效模型；
[0059]
所述风机接口简化等效模型用于接收所述风机等值内电势、所述有功电流指令，并将风力发电系统等效为受控电流源接入电网。
[0060]
需要说明的是，近年来化石能源枯竭和环境污染问题日益严峻，风能作为一种清洁、可再生的新型能源，受到世界范围内的高度重视与大力发展。风力发电技术是一种利用旋转风力发电设备及电气装置将大自然中的风能转化为电能的技术。风力发电系统主要由风力机、传动装置、发电机、辅助系统以及电能变换系统等组成。其中，能量变换的具体过程体现为：风能驱动风力机的桨叶旋转，将风能转化为机械能；桨叶转动经传动装置将机械能传递给发电机，发电机做切割磁感线运动将机械能转化为电能；产生电能经变换装置整理为标准电能形式送入电网或供本地负载使用。随着风力发电技术的不断发展进步以及装机容量的不断增长，变速恒频双馈风力发电系统以其控制灵活、可运行风速范围宽等优点，成为当前风力发电市场中使用最为广泛的主流方案。然而，在现有的电力系统分析中，通常是将风机等效恒功率源并忽视风机的机械耦合特性，然后在仿真软件中对双馈风机本体、变流器、风能转换等内容采用详细化的构建，以精确仿真电机内部的各类暂态以及开关纹波，即精确化仿真风机的行为特征。但是，这种详细化建模得到的模型往往十分复杂，只能适用于小步长，小规模的仿真情况。但随着对含大规模风电的电力系统仿真规模需求的不断增加，这种依赖小步长的仿真模型显然已无法满足仿真规模需求，因此本发明实施例旨在一种简化模型以达到在仿真效率与仿真精度方面的平衡。其中，该简化模型需要能够反映风机单元端口的有功及无功暂态特性，以及风机的机械特性，对高频的开关纹波特性则可以进行简化。对于需要精细化模拟的场合选用全详细化模型，对于系统级分析的场合则可以选择简化等效模型，以完成对仿真精度及仿真效率的平衡。
[0061]
具体地，本实施例主要关注风机单元在交流接线端口处有功/无功特性的双馈风力发电机简化电磁暂态模型。通过将风力发电系统等效为受控电流源注入至电网接口，以重点考虑仿真步长对注入电流数值的影响。其中，双馈风力发电系统的电磁暂态仿真模型的结构如图1所示，该模型忽略了电网侧变流器的控制，主要包含无功控制、有功控制以及风机接口简化等效模型三个部分。其中，无功控制单元用于将风机等值内电势输入至风机接口简化等效模型；有功控制单元用于将风机有功电流指令输入至风机接口简化等效模型；风机接口简化等效模型用于接收风机等值内电势、有功电流指令，并将风力发电系统等效为受控电流源接入电网。
[0062]
请参阅图2，在某一具体实施例中，无功控制单元包括：风电场电压控制模型以及无功功率控制系统模型；有功控制单元包括：风功率模型、转子动态模型、有功功率控制系统模型以及桨距角控制系统模型。
[0063]
进一步地，风电场电压控制模型用于接收端电压值，并将输出的无功功率参考值
输入至无功功率控制系统模型；
[0064]
无功功率控制系统模型用于根据无功功率参考值和无功功率的输入值，生成风机等值内电势。
[0065]
风功率模型用于根据环境风速计算机械功率，并将机械功率对应的值输入至所述转子动态模型；
[0066]
转子动态模型用于根据机械功率计算风机转速，并将风机转速对应的值输入至有功功率控制系统模型；还用于将涡轮机转速对应的值输入至风功率模型；
[0067]
有功功率控制系统模型用于根据有功功率和端电压值对所述桨距角控制系统模型进行有功控制；
[0068]
桨距角控制系统模型用于将桨距角输入至风功率模型。
[0069]
具体地，图2中的各个参数的含义如下：v表示环境风速、θr表示桨距角、ωr表示涡轮机转速、ωg表示风机转速、pm表示机械功率、pg表示有功功率、qg表示无功功率、u
t
表示端电压、q
cmd
表示无功功率参考值、ig表示并网电流。最终，简化后的无功控制单元的最终输出为e”qcmd
，表示风机等值内电势，无功控制单元的最终输出为i
pcmd
，表示风机有功电流指令。
[0070]
需要说明的是，根据图2所提供的双馈风机简化电磁暂态仿真模型的控制原理，本发明实施例只对上述不同控制模块之间的接口逻辑进行保护，由于不同厂家、不同型号风机的控制模块内部实现逻辑各异，在此不对每个控制器内部的具体实现方式进行保护。
[0071]
进一步地，为了帮助理解该风机接口简化等效模型的工作原理，在某一具体实施例中，还提供了基于电流源注入的风机接口简化等效模型电路图。如图3所示，e”qcmd
经一阶惯性环节后除以风机等效电抗x”得到无功电流分量参考值iq，其中一阶惯性环节用以模拟控制系统的延迟效应。i
pcmd
经一阶惯性环节以及低电压功率逻辑环节后得到有功电流分量参考值i
p
，其中低电压功率逻辑环节依据机端电压有效值的跌落情况，限制风机单元的有功电流幅值及变化率，该环节用以抑制故障期间电压跌落，加快故障清除后的电压恢复速度。根据风机瞬时入网电流的有功及无功分量参考值i
p
，iq，可得此时风力发电机的瞬时三相入网电流为：
[0072][0073][0074][0075]
式中，ia、ib、ic为三相入网电流；im为入网电流幅值，为功率因素角，θ为电网电压角度，可通过锁相环对三相端电压瞬时值锁相并加上延迟补偿角得到。
[0076]
其中，和im满足：
[0077][0078][0079]
作为可选地，在对上述模型进行电磁暂态仿真计算时，电气部分与控制部分是交
替求解的。其中，典型的求解顺序有两种：1)先算控制部分，后算电气部分；2)先算电气部分，后算控制部分。下面以第一种求解顺序为例，分析仿真步长对如图2所示模型的影响。
[0080]
具体地，当系统处于稳态时，i
p
，iq为定值，影响图3模型的因素主要为电网相角θ。其中，图4示出了仿真计算过程中的数值变化过程。可以看出，在t时刻求解得出的三相交流电压瞬时值v
abc
，在下一个时步才开始进行锁相求解出电网电压相角，即t+δt时刻的电网电压相角为t时刻的值θ(t)。利用θ(t)计算出的ik(t+δt)(k＝a,b,c)与真值存在误差。需要说明的是，当仿真步长小于或等于预设阈值(较小)时，该误差可忽略不计。然而当仿真步长大于预设阈值(较大)时，将会出现理论上想要控制输出的电流i
p
，iq值与实际计算并量测出来的值存在较大差异，主要为相角出现差异，其模值依然相同。因此，为了消除由于计算顺序带来的延迟，需要受控源计算部分进行补偿。由图4可知，θ(t)滞后了v
abc
(t+δt)一个仿真步长，因此可对由pll计算出的θ1补偿一个超前角度θc，即：
[0081]
θ＝θ1+θc[0082]
θc＝ωδt；
[0083]
式中，ω为电网角频率。引入延迟补偿后即可保证i
p
，iq参考值与实际计算并量测出来的值在相角和幅值上都是一致的。
[0084]
综上所述，本发明实施例提供的双馈风机简化电磁暂态仿真模型，通过利用风机接口简化等效模型，考虑了仿真步长对受控源结果的影响。通过补偿相角使得电磁暂态仿真模型能够适用于大步长的风力发电系统级仿真分析，可准确仿真风机单元在交流接线端口处有功/无功特性，相比于传统风机详细化电磁暂态模型和平均化模型，具有计算量更小，仿真速度更快的优点。
[0085]
请参阅图5，基于上述实施例提供的双馈风机简化电磁暂态仿真模型，本发明某一实施例还提供一种双馈风机简化电磁暂态仿真方法。如图5所示，该双馈风机简化电磁暂态仿真方法包括步骤s10至步骤s30。各步骤具体如下：
[0086]
s10、输入端电压值、无功功率值至无功控制单元，将计算得到的风机等值内电势输入至风机接口简化等效模型。
[0087]
需要说明的是，该无功控制单元包括：风电场电压控制模型以及无功功率控制系统模型；其中，风电场电压控制模型用于接收端电压值，并将输出的无功功率参考值输入至无功功率控制系统模型；无功功率控制系统模型用于根据无功功率参考值和无功功率的输入值，生成风机等值内电势。有功控制单元包括：风功率模型、转子动态模型、有功功率控制系统模型以及桨距角控制系统模型。其中，风功率模型用于根据环境风速计算机械功率，并将机械功率对应的值输入至所述转子动态模型；转子动态模型用于根据机械功率计算风机转速，并将风机转速对应的值输入至有功功率控制系统模型；还用于将涡轮机转速对应的值输入至风功率模型；有功功率控制系统模型用于根据有功功率和端电压值对所述桨距角控制系统模型进行有功控制；桨距角控制系统模型用于将桨距角输入至风功率模型。
[0088]
s20、输入环境风速、有功功率值及端电压值至有功控制单元，将计算得到的有功电流指令输入至所述风机接口简化等效模型；
[0089]
具体地，风力发电机的瞬时三相入网电流为：
[0090]
[0091][0092][0093]
式中，ia、ib、ic为三相入网电流；im为入网电流幅值，为功率因素角，θ为电网电压角度，可通过锁相环对三相端电压瞬时值锁相并加上延迟补偿角得到。
[0094]
其中，和im满足：
[0095][0096][0097]
s30、利用所述风机接口简化等效模型计算风力发电机的瞬时三相入网电流、三相交流电压瞬时值以及电网电压相角。具体地，在执行步骤时s30，主要利用电网电压相角与三相交流电压瞬时值的交替求解法进行电磁暂态仿真计算，包括：在当前时刻先计算电网电压相角，再计算三相交流电压瞬时值；或者在当前时刻先计算三相交流电压瞬时值，再计算电网电压相角。
[0098]
在某一个具体地实施方式中，当仿真步长小于或等于预设阈值时，该误差可忽略不计。然而当仿真步长大于预设阈值时，将会出现理论上想要控制输出的电流值与实际计算并量测出来的值存在较大差异，主要为相角出现差异，其模值依然相同)。为了消除由于计算顺序带来的延迟，需要受控源计算部分进行补偿，即为下一时刻计算的电网电压相角进行补偿。
[0099]
可以理解的是，本发明实施例提供的双馈风机简化电磁暂态仿真方法通过利用风机接口简化等效模型，考虑了仿真步长对受控源结果的影响。通过补偿相角使得电磁暂态仿真模型能够适用于大步长的风力发电系统级仿真分析，可准确仿真风机单元在交流接线端口处有功/无功特性，相比于传统风机详细化电磁暂态模型和平均化模型，具有计算量更小，仿真速度更快的优点。
[0100]
请参阅图6，本发明某一实施例提供一种终端设备，包括：
[0101]
一个或多个处理器；
[0102]
存储器，与所述处理器耦接，用于存储一个或多个程序；
[0103]
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所述的双馈风机简化电磁暂态仿真方法。
[0104]
处理器用于控制该终端设备的整体操作，以完成上述的双馈风机简化电磁暂态仿真方法的全部或部分步骤。存储器用于存储各种类型的数据以支持在该终端设备的操作，这些数据例如可以包括用于在该终端设备上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据。该存储器可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器
(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
[0105]
在一示例性实施例中，终端设备可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific 1ntegrated circuit，简称as1c)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device,简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行如上述任一项实施例所述的双馈风机简化电磁暂态仿真方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0106]
在另一示例性实施例中，还提供一种包括计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一项实施例所述的双馈风机简化电磁暂态仿真方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由终端设备的处理器执行以完成如上述任一项实施例所述的双馈风机简化电磁暂态仿真方法，并达到如上述方法一致的技术效果。
[0107]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。