一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统及方法
【专利摘要】本发明公开了风力发电系统技术领域中一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统及方法，该降阶仿真系统由数据采集模块、特征根分析模块、时域仿真验证模块以及结果输出模块顺序连接组成。仿真方法首先计算双馈风电机组各状态变量的衰减时间常数，并根据各状态变量的衰减快慢关系，从时间尺度探究双馈风电机组各组成部分的动态特性；然后计及机组机电耦合特性，推导保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型；最后构建出降阶模型接入多机互联系统的动态模型。本发明能正确且有效地分析含虚拟惯量控制的双馈风电机组接入对系统小干扰稳定性的影响，解决了含虚拟惯量控制的双馈风电机组阶数较高、不便分析计算的难题。
【专利说明】
-种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于风力发电系统技术领域，尤其设及一种含虚拟惯量控制的双馈风电机 组降阶仿真系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着对双馈风电机组控制部分研究的逐步深入，风机模型日趋完善。但考虑到双 馈风电机组包含众多的控制器，其详细模型阶数过高，当其接入互联电力系统时，更易引发 "维数灾"，给计算分析带来极大困难。因此，亟需对双馈风电机组的降阶模型进行深入研 究。
[0003] 目前，风电机组模型降阶已逐渐成为国内外众多专家和学者研究的热点。然而，现 有模型均未考虑双馈风电机组附加控制器的影响，随着大规模风电并网，我国国家标准《风 电场接入电力系统技术规定KGB/T19963-2011)与能源行业标准《大型风电场并网设计技 术规范》均要求双馈风电机组具备响应系统频率变化的能力，但现有降阶模型均无法反应 具备惯量支持能力的双馈风电机组的动态特性。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述问题，本发明提出了一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真 系统，其特征在于，所述系统包括数据采集模块、特征根分析模块、时域仿真验证模块W及 结果输出模块依次连接。
[0005] 所述数据采集模块用于采集系统数据，并将其传递给特征根分析模块；
[0006] 所述特征根分析模块用于接收数据采集模块传递的数据，在控制器参数不同的情 况下分析简化模型是否合理；
[0007] 所述时域仿真验证模块用于验证特征根分析模块结果的正确性和有效性；
[000引所述结果输出模块用于输出简化模型能否正确反应双馈风电机组的动态特性的 信息。
[0009] -种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真方法，其特征在于，包括
[0010] 步骤1、建立考虑转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器W及风电机组机 械部分的暂态特性的双馈风电机组详细模型；
[0011] 步骤2、计算模型中各状态变量的衰减时间常数，根据各状态变量的衰减快慢关 系，从时间尺度描述双馈风电机组各组成部分的动态特性；
[0012] 步骤3、构建保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型，推导多机互联系统 的状态方程。
[0013] 所述步骤1中双馈风电机组详细模型包括锁相环模型和虚拟惯量控制模型；
[0014] 锁相环模型动态方程表示为
[001 7] ω s_PLL = Kl_PLL祉ix-Kp_PLLUsd;
[001引式中：XPLL为跟踪定子d轴电压的误差积累，Usd为双馈风机定子d轴电压,δριχ表示观 巧蝴的定子电压矢量领先xy坐标中X轴的角度，Ws_PLL为锁相环测得的dq标系旋转角速度， ω η为电网频率，Kp_PLL和Kl_PLL为锁相环PI控制器参数;攝U为变量XPLL沿时间的导数，与U为变 量SpLL沿时间的导数；
[0019]虚规肢量控制模型表示为
[0020]
[002。 式中：X。为引入的中间变量;fmeas为系统频率测量值，由锁相环测得，即4。,，=%^; 2：π Τ。为微分环节的时间常数;私为变量X。沿时间的导数；
[002^ C分二戶口内-A = Κ"文0 ;
[0023] 式中：Pref为实际有功输出，Popt为最大功率跟踪模块输出的有功参考值，Pj为虚拟 惯量控制的功率输出信号;K。为虚拟惯量控制环节的比例系数，用于模仿虚拟惯量，Ku〉0。
[0024] 所述步骤2中从时间尺度描述双馈风电机组各组成部分的动态特性包括
[0025] 步骤201、构建含双馈风电机组的电力系统模型；
[0026] 步骤202、分析计算当双馈风电机组运行在满发状态时，各状态变量的时间常数；
[0027] 步骤203、改变虚拟惯量的大小，分析计算此时各状态变量的时间常数；
[0028] 步骤204、改变锁相环PI参数，分析计算此时各状态变量的时间常数。
[0029] 步骤3中保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型为
[0030]
[0031] 其中：Δ C〇s_PLL = Kl_PLLAxpLL-Kp_PLLAUsd，Us为风机出口电压，δυ为实际的风机定子 电压矢量相位，A c〇s_PLL为锁相环测得的dq标系旋转角速度的变化量，Δ Usd为双馈风机定 子d轴电压的变化量，ASpll为观测到的定子电压矢量领先xy坐标中X轴的角度的变化量， Δ皂α为Δ SpLL沿时间的导数，Δ δυ为实际的风机定子电压矢量相位的变化量，为跟踪 定子d轴电压的误差积累变化量的沿时间的导数，Δχ。为X。的变化量，心为Δχ。沿时间的 导数。
[0032]所述多机互联系统的状态方程为：
[0033]
[0043]式中：δ表示发电机功角列向量，Δ δ表示δ的变化量，表示A δ沿时间的导数，ω 表示发电机转速列向量，A ω表示ω的变化量，Δ&表示Δ ω沿时间的导数，Aj为线性化的状 态矩阵，I为适维单位矩阵，D为发电机阻尼系数列向量，化为发电机惯性时间常数列向量； A表示对该变量求变化量，上标?表示该变量沿时间的导数;η表示互联系统发电机台数； amn为状态矩阵相应位置的矩阵，m = 2,…，5，η = 1，3,4,5，amMj则表示矩阵amn中i行j列位置 的元素，i，j = l，2，···，n-l，无 j时默认j = l; Ji、k为中间变量，化、Kk均为中间变量，k=l，2， 3;Us表示风机出口电压，E/康示第i台发电机的暂态电动势，厶,康示第i台发电机与风机 之间等效联系电抗，Si表示第i台发电机的功角，δυ表示实际风机定子电压矢量相位，也,1表 示第i台发电机的惯性时间常数。
[0044] 有益效果
[0045] 本发明根据各状态变量的衰减快慢关系及机电禪合特性，提出了保留虚拟惯量控 制和锁相环动态的3阶简化模型。与详细模型相比，利用简化模型进行小干扰稳定性分析极 大地降低了计算量，解决了含虚拟惯量控制的双馈风电机组阶数较高，不便分析计算的难 题。
【附图说明】
[0046] 图1 一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统结构图；
[0047] 图2锁相环模型；
[004引图3典型虚拟惯量控制框图；
[0049] 图4单机无穷大系统；
[0050] 图5新英格兰10机39节点系统；
[0051] 图6各状态变量的参与因子随虚拟惯量变化的情况；
[0052] 图7各状态变量的参与因子随风机出力变化的情况；
[0化3] 图8风电场出力1050MW时系统的动态响应；
[0化4] 图9风电场出力910MW时系统的动态响应。
【具体实施方式】
[0055] 本发明提出了一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统及方法，用于分 析其对电力系统小干扰稳定性的影响，解决针对含虚拟惯量控制的双馈风电机组详细模型 阶数过高不便分析的难题。
[0056] 如图1所示，一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统，包括顺序连接的 W下模块:数据采集模块、特征根分析模块、时域仿真验证模块、结果输出模块。
[0057] 所述数据采集模块用于采集系统数据，并将其传递给特征根分析模块。
[0058] 所述特征根分析模块接收数据采集模块传递的数据，在控制器参数不同的情况下 分析简化模型是否合理。
[0059] 所述时域仿真验证模块用于验证特征根分析模块结果的正确性和有效性。
[0060] 所述结果输出模块用于输出简化模型能否正确反应双馈风电机组的动态特性的 信息。
[0061] -种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真方法，其特征是具体包括W下步 骤：
[0062] 步骤1、建立考虑转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器、风电机组机械 部分等暂态特性的双馈风电机组详细模型。主要包括:锁相环模型、虚拟惯量控制模型。
[0063] 所述锁相环模型动态方程表示为：
[0064] 丈眠=-%
[00化]=",_/·￡￡-妨"：
[0066] ω s_PLL = Kl_PLL祉LL_Kp_PLLUsd
[0067] 式中：XPLL为跟踪定子d轴电压的误差积累，Usd为双馈风机定子d轴电压,δριχ表示观 巧蝴的定子电压矢量领先xy坐标中X轴的角度，Ws_PLL为锁相环测得的dq标系旋转角速度， ω η为电网频率，Kp_PLL和Kl_PLL为锁相环PI控制器参数，如图2所示。
[0068] 所述虚拟惯量控制模型表示为：
[0069]
[0070] 式中：X。为引入的中间变量;fmeas为系统频率测量值，由锁相环测得，即 T。为微分环节的时间常数，如图3所示。
[0071]
[0072] 式中：Pcpt为最大功率跟踪模块输出的有功参考值，Pj为虚拟惯量控制的功率输出 信号;K。为虚拟惯量控制环节的比例系数，用于模仿虚拟惯量，Ku〉0。
[0073] 步骤2、计算模型中各状态变量的衰减时间常数，根据各状态变量的衰减快慢关 系，从时间尺度描述双馈风电机组各组成部分的动态特性。
[0074] 所述步骤2的子步骤包括：
[00巧]子步骤201:构建含双馈风电机组的电力系统模型。
[0076] 对于高阶系统，通常采用Lyapunov第一法（间接法），求取系统的特征根及参与因 子，再根据参与因子发现物理量与特征根的对应关系，进而由特征根获取各状态变量的时 间常数。本发明采用如图4所示的单机无穷大系统计算含虚拟惯量控制的双馈风电机组各 状态变量的时间常数。
[0077] 为便于分析，本发明为双馈风电机组设置参数如下:额定功率Pbase=1.5MW，额定 频率fbase = 50Hz，定子额定电压Us = 690V，定子电阻Rs =化U，转子电阻虹=0.05631口11，定子 漏感Ls = 0.1pu，转子漏感心=0.03129口11，互感为Lm=〇.13129pu，发电机惯性时间常数出= 5.29s，虚拟惯量Κω = lOpu。转子侧变频器控制参数如下：Κρι = 0.3pu，Kii = 8s-l ;Κρ2 = 0.55pu，Ki2 = 100s-l;Kp3 = 0.3pu，Ki3 = 8s-l;Kp4=1.25pu，Ki4 = 300s-l。锁相环 PI 控制器参 数如下：Kp_PLL=lpU，Kl_PLL = 330s-l。
[0078] 双馈发电机组与无穷大母线相连的传输线路电抗抽=0.018pu。
[0079] 子步骤202:分析计算当双馈风电机组运行在满发状态时，各状态变量的时间常 数。
[0080] 当双馈风电机组运行在满发状态时，各状态变量的时间常数计算结果如表1所示。 [0081 ] 表化P_PLL= 1、Ki_pll = 330时各状态变量时间常数
[0082]
[0083]由表1知，虚拟惯量控制与机械部分时间常数相近，数量级均为秒级。锁相环时间 常数略小于虚拟惯量控制，为百毫秒级。转子电压与转子变频器部分的时间常数远小于虚 拟惯量控制的时间常数，为十毫秒级。上述计算结果与含虚拟惯量控制的双馈风电机组的 物理特性及设计原理一致，即：为使风力发电机具有良好的控制性能，转子电流的响应时间 一般设计为10-20ms，运与表1中转子侧变频器对应状态变量XI、X2、X3、X4的时间常数一致。 但由于变频器的快速响应特性，传统双馈风电机组的机械动态特性与系统的动态特性解 禪，不受系统频率变化的影响，为此，需加入与机械部分响应时间相近的虚拟惯量控制，W 实现风电机组的惯量响应。对于锁相环，通常将其时间常数设置在定子磁链的时间常数上 下，即百毫秒级，从而实现准确观测基波电压信息的功能。
[0084]子步骤203:改变虚拟惯量的大小，分析计算此时各状态变量的时间常数。
[00化]结果如表2所示。
[0086] 表2状态变量时间常数随虚拟惯量变化的情况
[0087]
[0088] 由表2知，机械部分、锁相环及虚拟惯量控制对应的状态变量的时间常数，随虚拟 惯量的变化会发生微小改变，但各时间常数对应的数量级并未发生变化，其余状态变量的 时间常数几乎不变。
[0089] 子步骤204:改变锁相环PI参数，分析计算此时各状态变量的时间常数。
[0090] 结果如表3所示。
[0091] 表3ΚΡ_Ρ^ = 2、ΚΙ_Ρ化= 333时各状态变量时间常数
[0092]
[0093] 对比表1与表3知，改变锁相环ΡΙ参数，仅影响与锁相环对应的状态变量的时间常 数，其他状态变量时间常数保持不变。
[0094] 步骤3、构建保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型，推导多机互联系统 的状态方程。
[00Μ]双馈风电机组对系统小干扰稳定性的影响主要通过改变网络中潮流分布实现，对 于运行在最大功率跟踪条件下的双馈风电机组，其功率波动主要来源于虚拟惯量控制，而 锁相环的测量结果将直接影响虚拟惯量控制的输出。因此，综合上述分析，本发明提出仅保 留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型，用于研究含虚拟惯量控制的双馈风电机组 接入对系统小干扰稳定性的影响。
[0096] 所述仅保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型为：
[0097]
[009引其中；Δ ω s_PLL = Kl_PLL Δ 祉ix-Kp_PLL Δ Usd
[0099] 所述多机互联系统的状态方程为：
[0100]
[0109]
[0110] W如图5所示的新英格兰10机39节点系统为例，当双馈风电机组分别运行在不同 控制器参数、不同工况下，分析其详细模型和降阶模型分别接入系统后，对区间振荡模态的 影响，并通过时域仿真验证结果的正确性。
[0111] 新英格兰该系统分为4大区域，其中，区域1由G1组成，区域2由G2、G3组成，区域3由 G4-G7组成，区域4由G8-G10组成。将区域1中同步发电机G1W等容量的含虚拟惯量控制的双 馈风电机组组成的风电场代替，即BUS39处接入由700台额定容量为1.5MW的双馈风电机组 构成的风电场。
[0112] 运行特征根分析模块，在控制器参数不同时的运行结果为：
[0113] 保持时FK= 1050MW不变，虚拟惯量K。W步长2由4增加到12,此时，降阶前后系统区 间振荡模态的频率和阻尼比如表4所示。对比降阶前后区间振荡模态的阻尼比知，采用3阶 模型分析系统的小干扰稳定性，结果偏乐观。同时，由表4知，W详细模型接入的互联系统区 间振荡模态为基准，计算3阶模型接入系统时的误差，降阶后区间振荡模态的最大频率误差 为1.623%，最大阻尼比误差为1.789%，二者均在可接受的误差范围之内。因此，在不对精 度严格要求的情况下，采用保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型，研究含虚拟惯 量控制的双馈风电机组接入对系统小干扰稳定性的影响。
[0114] 表4虚拟惯量不同时区间振荡模态的频率和阻尼比
[0115]
[0117] 图6给出了不同虚拟惯量下，风电机组各状态变量对系统区间振荡模态的参与因 子。不论虚拟惯量取值如何，虚拟惯量控制状态变量X。和锁相环状态变量SPLL，二者对系统 区间振荡模态的参与程度均远大于其他状态变量，由此也验证了 3阶简化模型的合理性。
[0118] 运行特征根分析模块，在工况不同时的运行结果为：
[0119] 保持Κω = 10不变，风电场出力W步长70从700MW增加到1050MW，此时，降阶前后系 统区间振荡模态的频率和阻尼比如表5所示。
[0120] 表5风机出力不同时区间振荡模态的频率和阻尼比
[0121]
[0122] 由表5知，降阶后区间振荡模态的最大频率误差为1.733%，最大阻尼比误差为 1.922%，二者均在可接受的误差范围之内。同时，对比降阶前后区间振荡模态的阻尼比知， 采用3阶模型分析系统的小干扰稳定性，结果偏乐观。
[0123] 进一步分析降阶前双馈风电机组各状态变量对系统区间振荡模态的参与因子，如 图7所示。虚拟惯量控制状态变量X。和锁相环状态变量SpLL，二者对系统区间振荡模态的参 与程度均远大于其他状态变量，且运种大小关系不受风机出力不同的影响。
[0124] 综上得到与仿真方法中相同的结论，即在对精度要求不严格的情况下，采用保留 虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型，研究系统的小干扰稳定性。再者，通过计算知， 采用详细模型获取机电振荡模态所需时间为0.0813s，而采用简化模型获取机电振荡模态 的时间仅需0.0027s(联想-M490,4G内存，64位操作系统），由此知，降阶过程极大的降低了 计算量。
[0125] 运行时域仿真模块，验证上述结果的正确性和有效性。
[0126] 分别在虚拟惯量和风机出力不同的情况下，对系统进行时域仿真。假设t = ls时， 区域2与区域4间的联络线3-4的母线3侧发生Ξ相短路故障，接地电阻800Ω，故障持续时间 30ms。图8为风机出力为额定功率时，系统中同步发电机相对功角的动态响应曲线，图9为风 机出力小于额定功率时，系统中同步发电机相对功角的动态响应曲线。其中，黑线代表降阶 模型，红色代表详细模型。
[0127] 由此知，采用详细模型和降阶模型得到的不同区域间同步发电机相对功角的振荡 曲线几乎一致，且运种关系不受系统运行工况影响，因此，在研究含虚拟惯量控制的双馈风 电机组接入对系统小干扰稳定性的影响时，采用保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简 化模型代替双馈风电机组详细模型。
【主权项】
1. 一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统，其特征在于，所述系统包括数 据采集模块、特征根分析模块、时域仿真验证模块以及结果输出模块依次连接。2. 根据权利要求1所述的一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真系统，其特征 在于，所述数据采集模块用于采集系统数据，并将其传递给特征根分析模块； 所述特征根分析模块用于接收数据采集模块传递的数据，在控制器参数不同的情况下 分析简化模型是否合理； 所述时域仿真验证模块用于验证特征根分析模块结果的正确性和有效性； 所述结果输出模块用于输出简化模型能否正确反应双馈风电机组的动态特性的信息。3. -种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真方法，其特征在于，包括 步骤1、建立考虑转子电压、锁相环、虚拟惯量控制、转子侧变频器以及风电机组机械部 分的暂态特性的双馈风电机组详细模型； 步骤2、计算模型中各状态变量的衰减时间常数，根据各状态变量的衰减快慢关系，从 时间尺度描述双馈风电机组各组成部分的动态特性； 步骤3、构建保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型，推导多机互联系统的状 态方程。4. 根据权利要求3所述的一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真方法，其特征 在于，所述步骤1中双馈风电机组详细模型包括锁相环模型和虚拟惯量控制模型； 锁相环模型动态方程表示为 女PLL = = <^s__PU ~^n ? ω s_PLL = Kl_PLLXPLL-Kp_PLLUsd ； 式中：XM为跟踪定子d轴电压的误差积累，Usd为双馈风机定子d轴电压，δΡ^表示观测到 的定子电压矢量领先xy坐标中X轴的角度，为锁相环测得的dq标系旋转角速度，ωη* 电网频率，K P_PLL和Ku^为锁相环PI控制器参数;为变量XPLL沿时间的导数，t为变量 δΡα沿时间的导数； 虚拟惯量控制模型表示为式中：Χω为引入的中间变量;fme3as为系统频率测量值，由锁相环测得Τω 为微分环节的时间常数;4为变量Χω沿时间的导数； Ρ,，Ρ?ρ「Ρ，υωΚ ' 式中：Pref为实际有功输出，PoPt为最大功率跟踪模块输出的有功参考值，Pj为虚拟惯量 控制的功率输出信号;κω为虚拟惯量控制环节的比例系数，用于模仿虚拟惯量，κω>0。5. 根据权利要求3所述的一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真方法，其特征 在于，所述步骤2中从时间尺度描述双馈风电机组各组成部分的动态特性包括 步骤201、构建含双馈风电机组的电力系统模型； 步骤202、分析计算当双馈风电机组运行在满发状态时，各状态变量的时间常数； 步骤203、改变虚拟惯量的大小，分析计算此时各状态变量的时间常数； 步骤204、改变锁相环PI参数，分析计算此时各状态变量的时间常数。6. 根据权利要求4所述的一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真方法，其特征 在于，步骤3中保留虚拟惯量控制和锁相环动态的3阶简化模型为其中：Δ COs_pLL = Kl_PLLAxpLL-Kp_PLLAusd，Us为风机出口电压，实际的风机定子电压 矢量相位，A 为锁相环测得的dq标系旋转角速度的变化量，△ usd为双馈风机定子d轴 电压的变化量，△ Spu为观测到的定子电压矢量领先xy坐标中X轴的角度的变化量， Α δΡ^沿时间的导数，△ 实际的风机定子电压矢量相位的变化量，为跟踪定子d轴 电压的误差积累变化量的沿时间的导数，Α Χω*Χω的变化量，Ak为△ ^沿时间的导数。7. 根据权利要求6所述的一种含虚拟惯量控制的双馈风电机组降阶仿真方法，其特征 在于，多机互联系统的状态方程为：式中：δ表示发电机功角列向量，△ δ表示δ的变化量，表示△ δ沿时间的导数，ω表示 发电机转速列向量，△ ω表示ω的变化量，△由表示△ ω沿时间的导数，Aj为线性化的状态矩 阵，I为适维单位矩阵，D为发电机阻尼系数列向量，He为发电机惯性时间常数列向量；△表 示对该变量求变化量，上标?表示该变量沿时间的导数;η表示互联系统发电机台数;amn为 状态矩阵相应位置的矩阵，m = 2,…，5，n = l，3,4,5，amn,ij则表示矩阵amn中i行j列位置的元 素，丨，]_ = 1，2，"_，11-1，无邱寸默认]_ = 1;土上为中间变量，1^、&均为中间变量汰=1，2,3;仏 表示风机出口电压，表示第i台发电机的暂态电动势，表示第i台发电机与风机之间 等效联系电抗表示第i台发电机的功角，表示实际风机定子电压矢量相位，H C>1表示第i 台发电机的惯性时间常数。
【文档编号】H02J3/38GK106058922SQ201610423554
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】马静, 邱扬, 郭鹏
【申请人】华北电力大学