直驱型风力发电机组的机电暂态建模方法与流程

本发明涉及电力系统，特别是一种用于电力系统机电暂态仿真的直驱型风力发电机组建模方法。

背景技术：

近几年，风力发电在全球范围内发展迅猛。据全球风能委员会(GWEC)给出的报告称，2015年全球新增风电装机容量63GW，总装机容量达到了432.9GW，其中中国新增风电装机容量30.8GW，总装机容量达到了145.4GW。因此深入研究风力发电技术具有非常重要的意义，而风电机组的建模又是风力发电技术中非常重要的问题之一。

目前，风电机组主要分为恒转速型和变转速型：恒转速型发电机组主要用在早期的风力发电中；随着技术的发展，变转速型发电机组成为今后发电机组的主流类型。变转速型风电机组主要包括当前应用广泛的双馈感应发电机(DFIG)和很有发展前景的永磁直驱式同步发电机组(D-PMSG)。与其他类型的风电机组相比，直驱型风机因没有变速箱而具有机组噪声小、寿命长、效率高、结构简单、维护方便、适应低风速等优点。

在电力系统电磁暂态仿真软件中，建立直驱型风力发电机组的数学模型，需要对空气动力学模型、轴系模型、永磁同步电机模型、换流器及控制模型等进行分别建模。而这种电磁暂态模型直接用于大规模风电场接入电力系统的仿真时，较为复杂，计算速度慢，数值收敛性差。

在主流电力系统机电暂态仿真软件中，直驱型风力发电机组模型大多是基于风电机组的外特性建立，简化为暂态电抗后的可控电流源模型，或者只考虑风机模型中的慢速动态过程。这些现有模型不能完全反映风电机组的运行特性，仿真结果较为粗略。

传统上直驱型风力发电机组的机电模型主要存在如下问题：

1)风机动态过程上，只考虑了风机转子机械动态等慢速动态过程；

2)风机控制建模上，只考虑了有功功率控制、桨距角控制等慢速控制过程；

3)封装程度较高，编程实现复杂，不具有开发的模型参数接口；

本发明借鉴直驱型风机的电磁暂态模型，建立适于机电暂态仿真的直驱式风力发电机组机电暂态模型。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于电力系统机电暂态仿真的直驱型风力发电机组的建模方法，该方法在保证仿真效率的同时，更加准确地、完整地反映风机动态过程。

本发明的技术解决方案如下：

一种直驱型风力发电机组的机电暂态仿真建模方法，该方法综合运用合理的模型分割、反馈环节近似处理、换流器dq轴完全解耦假设、低压穿越控制策略和大小步长混合仿真，在保证仿真效率的前提下尽可能完整地、准确地反映直驱型风力发电机组在正常运行和电网故障状态下的机械动态和电磁暂态特性，具体包含以下步骤：

步骤一：为了能准确地反映直驱型风力发电机组的机电暂态过程，完整地列写描述风机各个部分动态的代数微分方程组，以及相关控制系统的框图，共同构成直驱型风力发电机组的完整数学模型；

步骤二：按照系统各个部分的物理特性和具体功能，将整个风机模型分割为8个模块：风速模块、最大功率追踪(MPPT)模块、机侧VSC(电压源型换流器)及其控制模块、桨距角控制模块、风功率模块、风机转子动态模块、网侧VSC及其控制模块、直流环节动态模块；

步骤三：将各个模块所对应的代数微分方程或控制框图表示成差分方程的形式，这样，在已知初始值(即0时刻的状态变量)的情况下，根据差分方程便可以求得h时刻的状态变量(h为步长)；同理，再由h时刻的状态变量，可依次求得2h，3h……时刻的状态变量，从而完成对风电机组模型的数值求解；

特殊处理1：

如果按步骤二中的顺序依次求解各个模块的状态变量，会遇到如下问题：在t时刻，为了求解某一模块的状态变量x(t),差分方程中可能含有后面模块的状态变量u(t)，而此时还没有计算到后面模块，u(t)是未知的。

在本发明的建模方法中，在求解各个模块的状态变量x(t)时，如果差分方程含有未知的状态变量u(t)，则u(t)采用上一时刻的值u(t-h)来近似。通过这种近似处理，便可以按顺序依次求解各个模块，从而可以避免同时对整个模型的差分方程组进行方程组求解，也使风机模型具有更高的开放性，利于程序编写与模块拓展。

特殊处理2：

对于机侧VSC及其控制模块和网侧VSC及其控制模块，其换流器物理模型的d轴、q轴之间存在耦合，在换流器的控制中引入了补偿项ωLi_d,ωLi_q。本发明假设控制的补偿项可以完全抵消物理模型d轴、q轴间的耦合项，从而可以对d轴和q轴进行独立建模。

特殊处理3：

为了获得正确的电网故障时风机动态特性，本发明分别在机侧VSC及其控制模块、网侧VSC及其控制模块、桨距角控制模块和直流环节动态模块中，增加了相应的低电压穿越(LVRT)控制策略，以期在电网故障时获得正确的风机动态特性。该LVRT控制采用了风机转子储能和直流卸荷电路相结合的协调控制策略：用当风电场出口电压跌落时，一方面，通过切换为定交流电压控制提供无功支持，另一方面，降低了机侧VSC的有功功率参考值，将不平衡功率转化为转子动能；如果此时直流电压仍越限，剩余的不平衡能量将通过直流环节的卸荷电路释放。

步骤四：在完成各个模块差分方程编程的基础上，完善模型的仿真时序流程。一方面，增加判断仿真时间ts＝0，进入初始化程序，先建立用于最大功率追踪(MPPT)的风速-最优功率表，再根据从主程序读取的风电场出口电压和功率，计算并保存风机模型内部各个模块的状态变量为X0，作为后续数值计算的初始值；另一方面，当仿真时间ts＝0时，进入数值求解阶段，即依次求解步骤二中的8个模块的差分方程。

特殊处理1：

由于所建立风机模型中含有较多快速动态过程，而采用一般机电暂态仿真步长难以准确反映。因此，本发明采用了大、小步长混合的仿真技术，即主仿真程序仍用正常的机电暂态仿真步长h进行计算，在风机模型内部采用更小的步长hs进行数值求解，从而可以完整地、准确地反映风机的快速动态过程，也提高了仿真的数值稳定性。

具体时序流程如下：在某个正常机电暂态仿真步上，主程序将电压数据传递给风机模型，风机模型完成多个小步长计算后，将功率数据返回主程序，主程序完成一个正常的机电暂态仿真步长后，将新的电压数据传递给风机模型，重复上述过程，从而实现大、小步长的混合仿真。

本发明的技术效果:

1、本发明直驱型风力发电机组的机电暂态建模方法，能更加完整地、准确地反映直驱型风力发电机组在正常运行和电网故障状态下的机械和电磁暂态特性。

2、本发明按照系统各个部分的物理特性和具体功能，将整个风机模型分为8个模块，分别进行建模，可以完整地对直驱型风力发电机组各个功能结构进行建模，可以更加准确地反映了内部机械动态和电磁暂态特性。

3、本发明对所有的反馈信号均采用上一时刻的值，使风机模型便于按顺序结构进行模块化编程，大幅降低了模型的实现难度，使风机模型具有更高的开放性，有利于日后的扩展和完善。

4、在具体模块的设计上，本发明还假设控制的补偿项可以完全抵消物理模型d、q轴间的耦合项，从而可以对d轴和q轴进行独立建模，进一步降低编程复杂度。本发明分别在机侧VSC及其控制模型、网侧VSC及其控制模型、桨距角控制模型和直流环节动态模型中增加了低电压穿越(LVRT)控制策略的建模，从而可以正确反映故障时的动态特性。

5、在时序流程的设计上，本发明采用了大、小步长混合的仿真技术，在风力发电机模型内部采用更小的步长hs进行数值求解，从而可以完整地、准确地反映风机的快速动态过程，也提高了仿真的数值稳定性。

附图说明

图1是本发明风机模型的调用流程图；

图2是风机模型中各个模块及其逻辑关系图；

图3是主仿真程序和风机模型间的时序流程图；

图4是换流器模块的dq轴解耦示意图；

图5是风机低压穿越(LVRT)控制策略示意图；

图6是机侧VSC控制及PMSG定子电磁动态模型；

图7是网侧VSC控制及滤波阻抗电磁动态模型。

具体实施方式

为便于理解，下面将结合附图对本发明进行阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明直驱型风力发电机组的机电暂态仿真建模方法，其核心在于综合运用合理的模型分割、反馈环节近似处理、换流器dq轴完全解耦假设、低压穿越(LVRT)控制策略建模、大小步长混合仿真等，在保证仿真效率的前提下尽可能完整地、准确地反映直驱型风力发电机组在正常运行和电网故障状态下的机械动态和电磁暂态特性。

首先，列写出直驱型风力发电机组各个部分的机电暂态过程的代数微分方程组和相关控制系统的框图，共同构成直驱型风力发电机组的完整数学模型。①风机一些机械动态或机电暂态过程是用代数微分方程来描述的。例如，风速V_w和风机叶片输出的机械功率P_m存在如下代数约束关系：

而风机转子的机械动态则需要用如下微分方程来描述

又如，机侧VSC和网侧VSC间的直流电容在正常运行下，其电压动态特性为

②机侧VSC及其控制(图6)和网侧VSC及其控制(图7)则可以用控制框图来建模。图6中，T_e是PMSG输出电流产生的电磁转矩；图7中，P_g和Q_g分别是网侧VSC，也是整个风电机组的输出有功功率和无功功率。类似，风机的桨距角控制等也可以用控制框图来建模，在此不赘述。

图1是本发明风机模型被主程序调用时的时序流程图。

当仿真时间ts＝0时，处于初始化阶段，应由主仿真程序完成电网的潮流计算，因而风电场出口电压(实部vreal和虚部vimag)和功率(有功功率pwd和无功功率qwd)已知。此时，风机模型被主程序调用，主要完成两个工作：

1、主程序应将用户定义的仿真系统的数据文件中风机数据传递给风机模型，风机模型在初始化阶段便可建立用于最大功率追踪(MPPT)的风速-最优功率表；

2、将步骤一中描述风机动态过程的代数微分方程组中的微分项置为零，并将控制框图中的误差项置为零，便可得到初始时各个状态变量间的代数约束关系。再根据从主程序读取的风电场出口电压和功率，可以计算并保存风机模型内部各个模块的状态变量，作为后续数值计算的初始值。

当前仿真时间ts>0时，处于仿真的数值求解阶段，在每一个主仿真步上，主仿真程序调用一次风机模型，向风机模型提供风电场出口电压(实部vreal和虚部vimag)，由风机模型计算得到下一时刻的风电场输出功率(有功功率pwd和无功功率qwd)，并返回给主程序，供主程序计算下一时刻的风电场出口电压，由此可以逐步得到该风机模型的仿真结果。

图1中的BLOCK1、BLOCK2…BLOCK8是本发明将整个风机模型分割得到的8个模块：分别是风速模块、最大功率追踪(MPPT)模块、机侧VSC(电压源型换流器)及其控制模块、桨距角控制模块、风功率模块、风机转子机械动态模块、网侧VSC及其控制模块、直流环节动态模块。

它们之间的电气和信号联系如图2所示。

由图2可以看出，各个模块间的逻辑关系并非简单的顺序结构，模块间存在多个反馈，前面模块的求解可能依赖后面模块的输出。为了使风机模型便于按顺序结构进行模块化编程，在本发明的建模方法中，在求解各个模块的状态变量x(t)时，如果差分方程含有未知的状态变量u(t)，则u(t)采用上一时刻的值u(t-h)来近似。通过这种近似处理，便可以按顺序依次求解各个模块，从而可以避免同时对整个模型的差分方程组进行方程组求解。因而，在对本发明的风机模型进行求解时，各个模块可以按照图1中所示顺序，从上到下依次求解，利于程序编写与模块拓展。

在具体模块的设计上，对于其中的机侧VSC及其控制模块和网侧VSC及其控制模块，其换流器物理模型的d轴、q轴之间存在耦合，因而在控制中引入了补偿项ωLi_d,ωLi_q。如图4所示，本发明假设控制的补偿项可以完全抵消物理模型d轴、q轴间的耦合项，从而可以对d轴和q轴进行独立建模。为了正确反映电网故障时的风机动态特性，分别在机侧VSC及其控制模型、网侧VSC及其控制模型、桨距角控制模型和直流环节动态模型中增加了低电压穿越(LVRT)控制策略的建模。如图5所示，本发明采用风机转子储能和直流卸荷电路的协调控制策略：当风电场出口电压跌落时，一方面，通过切换为定交流电压控制提供无功支持，另一方面，降低了机侧VSC的有功功率参考值，将不平衡功率转为转子动能。如果此时直流电压仍越限，剩余的不平衡能量将通过直流环节的卸荷电路释放。

在时序流程的设计上，为了完整反映风机系统的整体结构，所建立的风机模型中含有较多快速动态过程，而采用一般机电暂态仿真步长难以准确反映。因此，本发明采用了大、小步长混合的仿真技术，即主程序仍用正常机电暂态仿真步长进行计算，在风机模型内部采用更小的步长hs进行数值求解。具体时序流程如图3所示：在某个正常机电暂态仿真步上，①主程序将电压数据传递给风机模型，②风机模型完成多个小步长计算后，③将功率数据返回主程序，④主程序完成一个正常机电暂态仿真步长后，①将新的电压数据传递给风机模型，如此循环从而实现大、小步长的混合仿真。