一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法
【专利摘要】本发明提供一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对双馈式风力发电机组的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。仿真结果表明，该模型仿真曲线和双馈式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠，用于分析大规模双馈式风电机组风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。
【专利说明】—种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种建模方法，具体讲涉及一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法。
【背景技术】
[0002]应用最广泛的两种类型的风电机组为双馈式风电机组和直驱式风电机组。现在市场上有一种误解，即直驱技术是一种新兴的技术，而双馈技术是传统的技术。其实，从诞生时间看，双馈和直驱两种技术几乎是同时出现的，甚至直驱技术的出现要比双馈技术更早些。但是发展至今，双馈技术因其运行稳定的特性，占据了大片的市场份额。双馈发电机在结构上变流器容量仅为其容量大的1/3，降低了变流器的造价。同时，网侧和直流侧的滤波电感和支撑电容都相应缩小，电磁干扰也大大降低，也可方便地实现无功功率控制。双馈、直驱两种技术路线的本质区别在于双馈型是带“齿轮箱”的，而直驱型是不带“齿轮箱”的。现在世界上风电机组中85%以上是带齿轮箱的机型。尤其在技术、稳定性及可靠性要求更高的海上机组中，无一例外的全部采用了技术成熟且可靠性好的带齿轮箱技术方案。
[0003]与绕线式异步电机相似，即定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由花环导入，发电机的定子接入电网；而电网通过四象限交直变流器向发电机转子供电，提供交流励磁电流。通过变流器的功率仅为电机的转差功率，功率变流器将转差功率回馈到转子或者电网，
[0004]目前大量文献研究了双馈式风力发电机组的数学模型，对空气动力学模型、轴系模型、异步电机模型、变频器及控制模型等分别进行了建模，并仿真研究了整个系统的运行特性。上述模型均是基于电磁暂态模型进行建模仿真，当用于大规模风电场接入系统影响分析计算时，其较为复杂，计算速度慢，数值收敛性差。而大电网稳定仿真计算对双馈式风电机组的模型提出了更高的要求，仿真计算的步长大，计算速度快，同时还要求具有很好的数值稳定性和收敛性。因此，需要深入研究风电机组的电磁暂态模型，在不影响风电机组外特性的前提下，简化风电机组及控制器电磁暂态模型快动态的过程，研究剔除影响收敛性的风电机组电耦合过程。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对双馈式风力发电机组的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。仿真结果表明，该模型仿真曲线和双馈式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠，用于分析大规模双馈式风电机组风电场接入电网对电力系统暂态稳定性的影响。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案:
[0007]本发明提供一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，所述建模方法包括以下步骤:[0008]步骤1:构建风力发电机组风力机模型；
[0009]步骤2:构建风力发电机组转子模型；
[0010]步骤3:构建风力发电机组机侧变流器控制模型；
[0011]步骤4:构建风力发电机组网侧变流器控制模型；
[0012]步骤5:构建风力发电机组低电压穿越控制模型。
[0013]所述步骤I中的风力发电机组风力机模型包括风速模型、风能-功率模型、轴系模型和桨距角模型。
[0014]所述风速模型中的风速包括基本风、阵风、渐变风和噪声风；所述基本风为常量，数值保持不变。
[0015]所述阵风用以描述风速的突变特性，阵风风速用Ve表示，其表达式如下:
[0016]
【权利要求】
1.一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述建模方法包括以下步骤: 步骤1:构建风力发电机组风力机模型； 步骤2:构建风力发电机组转子模型； 步骤3:构建风力发电机组机侧变流器控制模型； 步骤4:构建风力发电机组网侧变流器控制模型； 步骤5:构建风力发电机组低电压穿越控制模型。
2.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述步骤I中的风力发电机组风力机模型包括风速模型、风能-功率模型、轴系模型和桨距角模型。
3.根据权利要求2所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述风速模型中的风速包括基本风、阵风、渐变风和噪声风；所述基本风为常量，数值保持不变。
4.根据权利要求2所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述阵风用以描述风速的突变特性，阵风风速用Ve表示，其表达式如下:
5.根据权利要求2所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述渐变风用以描述风速的渐变特性，渐变风风速用\表示，其表达式如下:
6.根据权利要求2所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述噪声风用以描述风速的随机特性，噪声风风速用Vwn表示，其表达式如下:
7.根据权利要求2所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述风能-功率模型用于模拟风力发电机组将风能转换为机械能的稳态运行特性，根据所述风速模型中的风速将风力发电机组划分为以下运行区域:启动区、最大风能追踪区、转速恒定区和功率恒定区； 1)风力发电机组划运行区域位于启动区，当风速小于切入风速时，风力发电机组停机；当风速大于或等于切入风速时，风力发电机组以最低转速运行； 2)风力发电机组划运行区域位于最大风能追踪区，当风力发电机组转速在启动转速和额定转速之间，由桨距角控制器、风力发电机组及变流器并行控制风力发电机组的转矩和转速，调节叶尖速比实现最大风能捕获，风力发电机组以最优转速运行； 3)风力发电机组划运行区域位于转速恒定区，当风力发电机组的转速达到额定转速时，保持风力发电机组转速恒定运行； 4)风力发电机组划运行区域位于功率恒定区，当风力发电机组的输出功率达到额定值时，将风力发电机组控制在转速恒定功率恒定运行点；控制过程通过风力发电机组桨距角控制器增大桨距角降低风能利用系数实现。
8.根据权利要求2所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述轴系模型为双质量块模型，相对较大的质量块对应转子的惯量JMt，相对较小的质量块对应发电机惯量Jgm ;低速轴采用刚性系数k'和阻尼系数c来模拟，高速轴认为是刚性的； 所述轴系模型中还包括变比为l:ng_的理想的齿轮箱，其中ng_为低速轴和高速轴的变比； 将空气动力转矩Trot转换为低速轴的机械转矩Tshaft, Tshaft表示为:
9.根据权利要求2所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述桨距角模型包括前半部分和后半部分，前半部分以风力发电机组的转速和电磁功率Pm作为输入信号，经过PI环节，给出桨距角控制信号；后半部分包括桨距角幅值的上下限、变化率的上下限以及一阶惯性环节，一阶惯性环节模拟具体执行是伺服特性，最后输出桨距角β ; 所述桨距角模型中，采用初始转速、最大转速或功率-转速曲线处理风力发电机组的转速的参考值；在低电压穿越控制过程中，风力发电机组采用快速变桨的方式增大桨距角，以减少风力发电机组的转速。
10.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述步骤2中，风力发电机组内部的绕线式异步发电机的定子和转子三相绕组分别接到两个独立的三相对称电源，转子电源电压的幅值、频率和相位按运行要求分别进行调节; 1)考虑定子绕组暂态过程的情况下，绕线式异步发电机的机电暂态方程如下:
11.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述步骤3中的风力发电机组机侧变流器控制模型包括有功控制模型、无功控制模型和转子电压控制模型。
12.根据权利要求11所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:风力发电机组正常运行时，所述有功控制模型采用风力发电机组的转速作为控制信号的控制方式和恒定转矩控制方式以实现最大风能跟踪的控制方式，通过风力发电机组的转速控制电磁转矩，进而实现电磁功率控制； 在风力发电机组正常运行时，维持直流电压为设定值、保证变流器运行的功率因数为I ;在电网发生故障或扰动，导致风力发电机组机端电压降低时，通过有功功率模型限制有功电流，保护变流 器。
13.根据权利要求11所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:无功控制模型中，通过恒电压、恒功率因数、恒无功和电压下垂控制无功功率。
14.根据权利要求13所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:恒电压控制无功功率是将电压设定为指定值进行控制；恒功率因数控制无功功率是根据设置的功率因数和量测的有功功率计算风力发电机发出的无功功率；恒无功控制无功功率是将输出的无功设置为定值进行控制；电压下垂控制无功功率按照公式Q =(1-Vterm)*k*IN计算，其中，Q为风力发电机组无功功率，Vterm为风力发电机组机端三相电压的最小值；k为比例系数；IN是风力发电机组的额定电流。
15.根据权利要求11所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述转子电压控制模型中，有功、无功控制信号直接转换为电流信号经过PI环节控制转子电压；正常运行条件下，有功电流限幅环节和无功电流限幅环节采用有功功率优先的方式，即无功电流限幅根据最大电流限制和有功电流计算得到，具体有:
16.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述步骤4中的风力发电机组网侧变流器控制模型包括直流电压控制模型和变流器电流控制模型。
17.根据权利要求16所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述直流电压控制模型中，风力发电机组直流电压动态方程为:
18.根据权利要求16所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述变流器电流控制模型包括固定有功电流限制模型和动态有功电流限制模型； 所述固定有功电流限制模型是控制有功电流小于或等于变流器的无功电流最大值Iqmax ； 所述动态有功电流限制模型是根据风力发电机组低电压穿越控制模型输出信号，动态设置变流器的有功电流限值Ivlim。，表示为:
19.根据权利要求1所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:所述步骤5中的风力发电机组低电压穿越控制模型检测风力发电机组是否进入低电压穿越状态，为变流器电流控制模型提供控制信号； 风力发电机组低电压穿越控制模型输入信号是机端A、B、C三相电压幅值，输出信号是tm” tm2、tm3 ;控制策略如下: tmi = I表示风力发电机组处在低电压阶段；机端任一相电压均低于低电压穿越保护启动阀值Vlvpt ;在低电压阶段变流器采取有功电流控制； tm2 = I表示风力发电机组处在机端电压恢复后的短暂时间段，变流器恢复有功功率；tm3 = I表示风力发电机组处在有功恢复的阶段；变流器恢复有功功率的送出，同时限制功率的恢复速度。
20.根据权利要求19所述的双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，其特征在于:风力发电机组低电压穿越控制包括低电压和高电压的判断，以及CROWBAR保护和CHOPPER 保护； 通过低电压和高电压 的判断检测风力发电机组是否进入低电压穿越状态；所述CROWBAR保护用于转子过电流保护，所述CHOPPER保护用于直流电压保护。
【文档编号】G06Q50/06GK103955572SQ201410163949
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】安宁, 邓丽君, 邵广惠, 訾鹏, 黄鸣宇, 赵铮, 徐兴伟, 尹亮, 侯凯元, 梁亚波, 夏德明, 岳涵 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 东北电网有限公司, 国网宁夏电力公司电力科学研究院