双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法与流程

本发明涉及电力系统仿真的技术领域，尤其是指一种双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法。

背景技术：

风能以其清洁、蕴含量大等优势成为各国绿色能源利用的首选，由于风能间歇性出力的特性给电网运行控制带来了极大困难，电磁暂态仿真技术是研究双馈风电机组并网运行电磁暂态过程的基础和关键。双馈风电机组并网模型包括双馈异步发电机、换流器及其控制系统、锁相环等环节，电磁暂态仿真时若直接采用常规的零状态启动方式已无法满足要求。

目前已有的双馈风电机组电磁暂态仿真启动涉及多个环节，包括双馈异步发电机不同的运行模式的切换，网侧换流器控制、机侧换流器控制的依次延时投入，若考虑风力机及轴系模型，则还需要确定合理风速。以上启动过程复杂，一般一台机组从零状态到稳定状态需要几秒钟的时间。同时，还需要依靠人工经验辅助调节，若并网机组数量增加平稳启动则更加困难。因此，在现有技术中，常规电磁暂态仿真零状态启动时，网侧换流器和机侧换流器需要依次延时投入，并且需要人工干预；另外，若电磁暂态仿真中初始值不合理，则会导致仿真结果振荡过大，造成控制系统无法收敛的问题。

技术实现要素：

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有电磁暂态仿真零状态启动时双馈风电机组电磁暂态仿真启动中需要人工干预，若初值不合理造成仿真结果振荡过大甚至无法收敛的问题，从而提供一种避免人工干预，以及有效避免仿真结果振荡过大的基于潮流结果平启动的双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法。

为解决上述技术问题，本发明的一种双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法，获取潮流计算结果、控制参量及电路基本参数；根据潮流计算结果，对网侧换流器的输出功率及双馈异步发电机的定子侧的输出功率初始化；分别计算dq轴坐标下的流入网侧换流器电流标幺值、流入定子侧电流标幺值、流入转子侧电流标幺值及转子电压标幺值；并分别推导dq轴坐标下机侧换流器和网侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系；分别计算网侧换流器外环pi初值、内环pi初值及机侧换流器外环pi初值、内环pi初值。

在本发明的一个实施例中，所述对网侧换流器的输出功率及双馈异步发电机的定子侧的输出功率初始化的方法为：采用预测校正的方法计算网侧换流器输出有功功率有名值pgc、无功功率有名值qgc和双馈异步发电机定子侧输出有功功率有名值ps、无功功率有名值qs。

在本发明的一个实施例中，所述计算dq轴坐标下的流入网侧换流器电流标幺值的方法为：选取机组额定容量的30％为容量基准值，额定电压为基准电压，采用电网电压定向，根据所述网侧换流器的输出功率和电网电压计算dq轴下流入网侧换流器的电流标幺值。

在本发明的一个实施例中，所述计算dq轴坐标下的流入定子测电流标幺值、流入转子侧电流标幺值的方法为：选取机组额定容量为容量基准值，额定电压为基准电压，采用定子电压定向，根据所述双馈异步发电机定子侧的输出功率和定子磁链方程和定子电压计算dq轴下的定子电流标幺值和转子电流标幺值。

在本发明的一个实施例中，所述计算dq轴坐标下的转子电压标幺值的方法为：根据双馈异步电机稳态电路，由定子电压和所述定子电流、转子电流计算dq轴下的转子电压标幺值。

在本发明的一个实施例中，所述分别推导dq轴坐标下机侧换流器和网侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系的方法为：根据换流器开关函数等效电路，利用开关函数平均化原理，获取换流器控制输出调制量与换流器交直流侧电压的关系。

在本发明的一个实施例中，所述计算网侧换流器外环pi初值的方法为：假设内、外环pi输入量为0，采用电网电压定向，选择流入换流器方向为正，根据网侧换流器外环控制模型和内环控制输入量，确定网侧换流器外环pi积分初值。

在本发明的一个实施例中，所述计算网侧换流器内环pi初值的方法为：根据所述的网侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系，结合网侧换流器交流侧与电网接口的稳态电路，假设内环pi输入量为0，利用网侧换流器内环控制模型，确定网侧换流器内环pi积分初值。

在本发明的一个实施例中，所述计算机侧换流器外环pi初值的方法为：假设内、外环pi输入量为0，采用定子电压定向，根据机侧换流器外环控制模型和内环控制输入量，确定机侧换流器外环pi积分初值。

在本发明的一个实施例中，所述计算机侧换流器内环pi初值的方法为：根据所述的机侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系，假设内环pi输入量为0，利用机侧换流器内环控制模型，确定机侧换流器内环pi积分初值。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法，基于潮流结果、控制参考量、基本参数等已知信息计算出双馈风电机组换流器控制系统的合理初始值，省去常规电磁暂态仿真零状态启动时网侧换流器和机侧换流器依次延时投入的过程，避免了人工干预；解决了电磁暂态仿真中初始值不合理造成的仿真结果振荡过大，控制系统无法收敛的问题。该方法是双馈风电机组电磁暂态仿真初始化中的一个重要部分，对双馈风电机组电磁暂态仿真基于潮流结果实现平启动奠定了基础。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法的流程图；

图2是本发明双馈异步电机稳态电路。

具体实施方式

如图1所示，本实施例提供一种双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法，包括如下步骤：步骤s1：获取潮流计算结果、控制参量及电路基本参数；步骤s2：根据潮流计算结果，对网侧换流器的输出功率及双馈异步发电机的定子侧的输出功率初始化；步骤s3：分别计算dq轴坐标下的流入网侧换流器电流标幺值、流入定子侧电流标幺值、流入转子侧电流标幺值及转子电压标幺值；并分别推导dq轴坐标下机侧换流器和网侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系；步骤s4:分别计算网侧换流器外环pi初值、内环pi初值及机侧换流器外环pi初值、内环pi初值。

本实施例所述双馈风电机组换流器控制模型电磁暂态仿真初始化方法，所述步骤s1中，获取潮流计算结果、控制参量及电路基本参数，该部分是已知量，有利于后续计算过程量和对每个pi环节积分量计算合理初值；所述步骤s2中，根据潮流计算结果，对网侧换流器的输出功率及双馈异步发电机的定子侧的输出功率初始化，即分别计算初始的有功功率和无功功率；所述步骤s3中，分别计算dq轴坐标下的流入网侧换流器电流标幺值、流入定子侧电流标幺值、流入转子侧电流标幺值及转子电压标幺值；并分别推导dq轴坐标下机侧换流器和网侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系；所述步骤s4中，分别计算网侧换流器外环pi初值、内环pi初值及机侧换流器外环pi初值、内环pi初值，从而计算出双馈风电机组换流器控制系统的合理初始值，省去常规电磁暂态仿真零状态启动时网侧换流器和机侧换流器依次延时投入的过程，避免了人工干预；而且解决了电磁暂态仿真中初始值不合理造成的仿真结果振荡过大，控制系统无法收敛的问题。

所述步骤s1中，所述潮流计算结果包括双馈风机输入电网的有功功率有名值pg、无功功率有名值qg、电压有名值um、相角θ；所述控制参量包括直流电压参考udc；所述电路基本参数主要包括双馈异步发电机基本参数。

所述步骤s2中，对网侧换流器的输出功率及双馈异步发电机的定子侧的输出功率初始化的方法为：根据潮流计算结果，按照预测校正的方法计算网侧换流器输出有功功率有名值pgc、无功功率有名值qgc和双馈异步发电机定子侧输出有功功率有名值ps、无功功率有名值qs。具体地，按照定转子功率分配原则，首先假设双馈异步发电机定子侧输出有功功率ps近似为无功功率qs＝qg，然后利用功率和电压计算定子电流，并根据双馈异步电机稳态电路计算转子电流和转子电压，最后再由转子电流和转子电压计算转子侧输出有功功率pr。判断如果满足ps+pr＞pg-ξ(ξ＝1e-6)，则ps＝ps-0.001；若ps+pr＜pg+ξ，则ps＝ps+0.001，然后重新计算定子电流、转子电流和电压并求解pr，反复校正直到满足pg-ξ＜ps+pr＜pg+ξ，最终确定ps、qs和pr、qr。忽略换流器损耗，网侧换流器交流侧输出有功功率pgc近似为pr，；无功功率qgc设为0。其中，s为转差率。

所述步骤s3中，所述计算dq轴坐标下的流入网侧换流器电流标幺值的方法为：采用电网电压定向，在标幺制系统下,根据所述网侧换流器的输出功率和电网电压计算dq轴下流入网侧换流器的电流，具体地选取机组额定容量的30％为容量基准值，额定电压为基准电压，根据dq轴下网侧换流器流出功率标幺值pgc,pu、qgc,pu与电流、电压关系，求取dq轴下流入网侧换流器电流标幺值idgc,pu、iqgc,pu。采用定电网电压定向，q轴电网电压ugq,pu＝0，d轴电网电压ugd,pu＝upu，upu是电网电压标幺值。根据dq轴下有功、无功表达式，可得d轴电流标幺值：idgc,pu＝-pgc,pu/ugd,pu＝-pgc,pu/upu；可得q轴电流标幺值：iqgc,pu＝qgc,pu/ugd,pu＝0。

所述计算dq轴坐标下的流入定子侧电流标幺值、流入转子侧电流标幺值的方法为：选取机组额定容量为容量基准值，额定电压为基准电压，采用定子电压定向，根据所述双馈异步发电机定子侧的输出功率、定子磁链方程和定子电压计算dq轴下的定子电流标幺值和转子电流标幺值。具体地，采用定子电压定向，在标幺制系统下，利用dq轴下定子输出功率标幺值ps,pu、qs,pu与定子电流、电压关系，计算dq轴下定子电流标幺值isd,pu、isq,pu，根据定子磁链方程、稳态下电压方程，结合所述的定子电流计算转子电流标幺值ird,pu、irq,pu。采用定子电压定向时，q轴定子电压usq,pu＝0，d轴定子电压usd,pu＝upu，dq轴定子电流标幺值可通过功率和电压表示为：双馈异步发电机采用电动机模式，根据定子磁链方程：其中，ψsd,pu、ψsq,pu是dq轴下定子磁链标幺值，lm,pu为励磁电感标幺值，ls,pu＝ls,pu+lm,pu，lls,pu是定子漏抗标幺值。根据稳态下电压方程，磁链可表示为：其中，rs,pu为定子电阻标幺值。由上述三个公式可以得到转子电流标幺值：

所述计算dq轴坐标下的转子电压标幺值的方法为：根据双馈异步电机稳态电路，由定子电压和所述定子电流、转子电流计算dq轴下的转子电压。具体地，在标幺制系统下根据双馈异步电机稳态电路，由定子电压、电流和转子电流求取dq转子电压标幺值urd,pu、urq,pu。将双馈异步电机稳态电路折算到定子侧，稳态电路如图2所示。采用定子电压定向，根据稳态电路，可知励磁电压相量标幺值可表示为：其中，rs,pu是定子电阻标幺值，ωs,pu为系统转速标幺值。令-rs,puisd,pu+ωs,pulls,puisq,pu+upu＝vmd,pu，-(rs,puisq,pu+ωs,pulls,puisd,pu)＝vmq,pu，则励磁电流相量可表示为：转子电流相量：转子电压相量：其中llr,pu是转子漏抗，rr,pu是转子电阻。将转子电压相量分解到dq坐标下：

所述分别推导dq轴坐标下机侧换流器和网侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系的方法为：根据换流器开关函数等效电路，利用开关函数平均化原理，获取换流器控制输出调制量与换流器交直流侧电压的关系。具体地，根据换流器开关函数等效电路，利用开关函数平均化原理，获取换流器控制输出调制量md、mq与换流器交直流侧电压的关系。在载波周期内将开关函数平均化，则表示为：其中mi是换流器控制系统输出的调制量。在不接地系统中，等效换流器模型的交直流侧电压有名值的平均值与控制输出调制量的关系可表示为：ui＝0.5udcmi(i＝a,b,c)，其中，ui为载波周期内换流器交流侧电压平均值，udc为直流母线参考电压。上述公式经派克变换，换流器交流侧dq轴电压有名值：

所述计算网侧换流器外环pi初值的方法为：假设内、外环pi输入量为0，采用电网电压定向，选择流入换流器方向为正，根据网侧换流器外环控制模型和内环控制输入量，确定网侧换流器外环pi积分初值igcdini、igcqini。具体地，内、外环pi给输入量为0，根据外环控制模型和内环控制输入量，d轴外环pi中积分初始值等于流入网侧换流器d轴电流：igcdini＝idgc,pu。q轴外环pi中积分初始值为等于流入网侧换流器q轴电流：igcqini＝iqgc,pu。

所述计算网侧换流器内环pi初值的方法为：根据所述的网侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系，结合网侧换流器交流侧与电网接口的稳态电路，假设内环pi输入量为0，利用网侧换流器内环控制模型，确定网侧换流器内环pi积分初值。具体地，计算网侧换流器内环pi积分初值vgcdini,pu、vgcqini,pu，考虑交流侧电感支路对电压的影响，电网电压有名值可表示为：其中，l为换流器交流侧串联电感，ωs为系统角速度有名值，ugd、ugq是dq轴电网电压有名值，idgc、iqgc是流入网侧换流器的dq轴电流有名值，udgc、uqgc换流器交流侧dq轴电压有名值。电网电压与调制电压的关系可表示为：网侧换流器控制系统模型采用标幺值，内环pi积分的初始值分别为vgcdini,pu、vgcqini,pu，内环pi输入为0，标幺制下由内环pi控制模型可得：其中，uac_base为线电压基准值，lpu是交流侧串联电感标幺值。如前所述定电压电压控制下，ugd,pu＝upu，ugq,pu＝0。无功电流iqgc,pu＝0，iqgc＝0，由上述两个公式，可得到内环pi积分的初始值：

所述计算机侧换流器外环pi初值的方法为：假设内、外环pi输入量为0，采用定子电压定向，根据机侧换流器外环控制模型和内环控制输入量，确定机侧换流器外环pi积分初值ircdini、ircqini。具体地，内环和外环pi输入量为0，根据外环控制模型，d轴pi积分初始值：q轴pi积分初始值：

所述计算机侧换流器内环pi初值的方法为：根据所述的机侧换流器控制系统输出的调制量与换流器交直流电压的关系，假设内环pi输入量为0，利用机侧换流器内环控制模型，确定机侧换流器内环pi积分初值vrcdini,pu、vrcqini,pu。具体地，根据所述的机侧换流器控制系统输出调制量与机侧换流器交直流电压的关系，dq轴转子电压有名值urd、urq可表示为：机侧换流器控制系统模型采用标幺值，假设内环pi积分的初始值分别为vdini、vqini，内环pi输入为0，根据内环控制模型可得：其中，补偿项δud、δuq表示为：如前所述采用定子电压定向时，usd＝upu，usq＝0，则ψsd,pu＝0，代入可得由上述公式，内环pi积分的初始值可表示为：

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。