一种基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法与流程

本方法涉及风力发电领域，特别涉及一种基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法。

背景技术：

1、作为新能源发电的一种，风力发电具有发电成本相对较低、技术成熟的优点，能减少对环境的污染，风电场含有大量换流器，对电网带来了诸多稳定性问题，电磁暂态仿真是研究其动态特性的重要手段，然而，风电场中包含大量风机及电力电子设备，开关动作频繁，导致其仿真精度与效率难以兼顾，为调和风电场模型的详细程度及扩大电网仿真规模之间的矛盾，需要研究兼顾效率和准确性的风电场电磁暂态仿真方法，

2、风电场中的换流器一般为两电平的vsc换流器，针对vsc电磁暂态仿真详细模型效率低下的问题，vsc的平均值模型，该方法虽提高了电磁暂态仿真速度，但未涉及vsc的内部特征，动态谐波域法，状态空间平均法，广义状态空间平均法，多频段时间尺度变换法，并建立了vsc换流器的多频段时间尺度变换模型，以上仿真方法均采用傅里叶变换，模型精度随着谐波阶数的增加而增加，由于硬件条件限制，实际工程为了提高计算效率，仅能考虑少数阶次谐波，导致模型的谐波截断误差大，精度难以满足要求，

3、为减小仿真规模，利用分网解耦并行的方法，通过长输电线解耦分割，将大系统分解为多个小系统，但该方法需选取长度满足要求的传输线实现分网，解耦灵活性受限，文献对系统中单个电感和电容的计算采用一步延时，实现电力电子装置不同变换级之间的解耦，该方法本质为前向欧拉法，不仅仿真精度不高，而且存在开关动作时的非状态量突变引起的数值振荡问题，文献为提升仿真速度提出了指数积分法的cpu/gpu混合仿真算法，通过gpu并行计算风电场电磁暂态仿真中的高维数矩阵，文献提出了细粒度电路划分方法，并利用gpu来实现大规模仿真计算，以上仿真方法虽通过gpu实现并行计算，但未涉及风力发电单元的解耦，

4、对风电场进行集中等值建模可以降低仿真规模提高仿真速度，风电场等值建模归纳为以下3种：单机表征法、风速分群多机等值法和机群划分多机等值法，逐点聚合法，将风机排列位置与其他分群指标分开考虑，提出一种逐点消去的风机聚合法，以获取等值机的参数和完整的风电场等值模型，以上等值处理在仿真分析时拟合效果好，但是由于无法涵盖所有的运行工况以及风电场的内部故障，限制了模型适用范围，影响仿真精度，此外，在实际运用中，风电场虽然可采用集中等值建模减少风机的数量，但是当大规模交直流系统中存在多个风电场时，系统中等值后的风机依然不是一个小的数目，仍然面临着如何提高风力发电单元的仿真效率问题。

5、因此，提出一种基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法来解决上述问题很有必要。

6、方法内容

7、本方法的主要目的在于提供一种基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，可以有效解决背景技术中的问题。

8、为实现上述目的，本方法采取的技术方案为：

9、一种基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，包括以下操作步骤：

10、s1：将电力系统、升压变压器、电力系统和升压变压器通过并网线路相连，以此组成风电场，同时升压变压器与若干个风力发电单元进行相连，其中风力发电单元中的直驱风力发电机、背靠背换流器、lc/lcl滤波器、变压器和集电线路构成一个完整直驱风力发电单元；

11、s2：分析单个vsc换流器的解耦方法：将t1-t6设为各桥臂igbt；d1-d6设为为各桥臂反并联二极管，i1-i6为各桥臂电流，la、lb和lc为交流侧各相电感，c为直流侧电容，ia、ib和ic为交流侧电流，uc为直流侧电容电压，ua、ub和uc为交流侧输入电压，id为直流侧电流，其中每个igbt与其反并联二极管构成一个开关组igbt//vd，引入描述开关组状态的开关函数，定义为sn等于1，上桥臂导通和0，上桥臂管段，式中的n＝a、b、c，正常运行时，同一相的上、下桥臂交替导通，下桥臂的开关函数可以描述为1-sn，设每个桥臂导通电阻ron(ron＝0.001ω)，以此得到电感电流和电容电压的半隐式延迟解耦递推格式，并对其进行推导，得到vsc的解耦和半步时延模型；

12、s3：lc/lcl滤波器解耦方法：lc滤波器和与其相连的电感，或变压器一起构成lcl电路；

13、s4：对lcl滤波器可用t型分网组合元件进行解耦；

14、s5：集电线路解耦方法：风力发电单元内部集电线路采用π型等效电路模型；

15、s6：将上述直驱风力发电单元各部分解耦模型进行拼接，可以得到直驱风力发电单元的整体解耦模型，以此可以看到应用半隐式延迟解耦法，不仅实现了直驱风力发电单元间的解耦，而且还能实现单个发电单元内部设备之间的进一步解耦，从而将大规模风电场的电磁暂态仿真分解成多个小的子系统，既可实现系统分解从而降低计算规模，又可实现解耦子系统间的并行计算，两者能够极大提高仿真的计算效率；

16、s7：计算时序：将直驱风力发电单元解耦模型的子系统按受控电压源和受控电流源分为u和ⅰ两组，仿真时交替求解两组受控源，每次求解组u和组ⅰ时错开半个时步，组内各子系统并行求解。

17、优选的，所述风力发电系统通过风力发电机将风能转化为风机转子动能，最后输出交流电，风力发电系统的其他部分对风机产生的交流电进行整流、逆变和传输。

18、优选的，所述步骤s7的计算步骤为：

19、a：数据初始化：读输入系统数据，生成系统导纳矩阵并进行lu分解，存储igbt开关状态组合与受控源对应系数等，并对直驱风力发电单元中各状态变量进行分组；

20、b：设当前时刻为tn，根据上半时步的状态变量组u并行计算含有电感电流子系统内各受控电压源的值u﹐并计算系统内其他节点tn时刻的电压；

21、c：时刻前进半个时步至tn+1/2，根据半隐式延迟解耦递推式，并行求解状态变量组i；

22、d：根据上半时步的状态变量组ⅰ并行计算含有电容电压子系统内各受控电流源的值，并计算系统内其他节点tn+1/2时刻的电流；

23、e：时刻前进半个时步至tn+1，根据半隐式延迟解耦递推式，并行求解状态变量组u，此处计算返回步骤b，进行下一轮计算，直至仿真时刻结束。

24、有益效果

25、与现有技术相比，本方法提供了一种基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，具备以下有益效果：

26、1、该基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，此方法首先利用矩阵分裂原理，按照状态变量进行分组，并将直驱风力发电单元分解为多个子系统，采用半隐式延迟解耦方法实现直驱风力发电单元不同状态变量组之间的时间延迟解耦，基于半隐式延迟解耦递推格式，构建了直驱风力发电单元的解耦模型，并分析了该模型的特点，设计了计算时序和流，实际算例仿真结果表明，该文方法在提高直驱风力发电单元电磁暂态仿真的计算效率的基础上还兼顾了较高的仿真精度。

27、2、该基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，系统导纳矩阵恒定，开关状态的变化仅改变受控源veq、jeq和对应的控制系数kv、ki，换流器等效电路的电阻ron为定值，计算过程中开关状态改变时不需要重新形成系统导纳矩阵以及lu重分解，进一步提高计算效率，减少计算时间。

28、3、该基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，模型考虑了换流器的开关导通损耗和内部动态特性，具有与详细模型近似的仿真精度，动态相量模型和平均值模型则无法计及设备的内部特性，传统的开关函数模型虽计及设备内部开关过程，但未计及换流器损耗。

29、4、该基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，本模型解耦时采用的中心积分形式，其面积在电磁暂态仿真尺度下与隐式梯形积分的面积等效，因此本模型与详细模型的精度相仿，考虑非状态变量的突变，常规仿真算法(如隐式梯形法)为避免引起数值振荡，在换流器开关动作时通常将积分方法改成后退欧拉法，而本模型对系统的状态变量(电感电流和电容电压)进行分组和延时，解耦的状态变量间不会由于开关动作而突变，无需在开关动作时切换积分形式，可以始终保持解耦形式的一致。

30、5、该基于直驱风力发电单元的风电场电磁暂态仿真方法，此方法具有很高的计算效率，本方法开关状态的变化仅反映在受控源veq、jeq和对应的控制系数kv、ki中，换流器开关动作时导纳矩阵不发生变化，而传统方法导纳矩阵发生变化需要每次进行lu分解，计算效率低下，开关动作时，本文解耦算法无需切换，可以保持解耦形式的一致，因此可以保持风电场仿真并行的一致性，风力发电单元之间以及单元内部的解耦和并行计算，可有效解决风电场规模大、风机数量多带来的超高阶线性方程组求解难题，在实际运用中，一个风电场往往采用集中等值方法建模为多台风机，然而，当大规模交直流系统中存在多个风电场时，系统中的等值风机数目依然很多，仍然面临着如何提高风力发电单元的仿真效率问题，本方法提供了一个有效的解决途径。

技术实现思路