直驅型風力發電機組的機電暫態建模方法技術

一種直驅型風力發電機組的機電暫態仿真建模方法，該模型包括8個模塊，各個模塊間相對獨立，便于模塊化編程。對各個模塊間的反饋量均采用上一時刻的值，使各個模塊可以按順序結構進行編程。在仿真時序流程上，對兩個換流器模塊采用了dq軸完全解耦的假設，使d軸和q軸可以獨立建模。此外，為了正確反映風機的故障特性，在相應模塊中增加了低壓穿越(LVRT)控制策略。在仿真時序流程上，采用了大、小步長混合的仿真技術，使得風機內部快速動態得以準確反映。本發明專利技術有效解決了現有風機的機電暫態模型不能完整地、準確地反映風機暫態過程的問題。

【技術實現步驟摘要】
直驅型風力發電機組的機電暫態建模方法
本專利技術涉及電力系統，特別是一種用于電力系統機電暫態仿真的直驅型風力發電機組建模方法。
技術介紹
近幾年，風力發電在全球范圍內發展迅猛。據全球風能委員會(GWEC)給出的報告稱，2015年全球新增風電裝機容量63GW，總裝機容量達到了432.9GW，其中中國新增風電裝機容量30.8GW，總裝機容量達到了145.4GW。因此深入研究風力發電技術具有非常重要的意義，而風電機組的建模又是風力發電技術中非常重要的問題之一。目前，風電機組主要分為恒轉速型和變轉速型：恒轉速型發電機組主要用在早期的風力發電中；隨著技術的發展，變轉速型發電機組成為今后發電機組的主流類型。變轉速型風電機組主要包括當前應用廣泛的雙饋感應發電機(DFIG)和很有發展前景的永磁直驅式同步發電機組(D-PMSG)。與其他類型的風電機組相比，直驅型風機因沒有變速箱而具有機組噪聲小、壽命長、效率高、結構簡單、維護方便、適應低風速等優點。在電力系統電磁暫態仿真軟件中，建立直驅型風力發電機組的數學模型，需要對空氣動力學模型、軸系模型、永磁同步電機模型、換流器及控制模型等進行分別建模。而這種電磁暫態模型直接用于大規模風電場接入電力系統的仿真時，較為復雜，計算速度慢，數值收斂性差。在主流電力系統機電暫態仿真軟件中，直驅型風力發電機組模型大多是基于風電機組的外特性建立，簡化為暫態電抗后的可控電流源模型，或者只考慮風機模型中的慢速動態過程。這些現有模型不能完全反映風電機組的運行特性，仿真結果較為粗略。傳統上直驅型風力發電機組的機電模型主要存在如下問題：1)風機動態過程上，只考慮了風機轉子機械動態等慢速動態過程；2)風機控制建模上，只考慮了有功功率控制、槳距角控制等慢速控制過程；3)封裝程度較高，編程實現復雜，不具有開發的模型參數接口；本專利技術借鑒直驅型風機的電磁暫態模型，建立適于機電暫態仿真的直驅式風力發電機組機電暫態模型。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種用于電力系統機電暫態仿真的直驅型風力發電機組的建模方法，該方法在保證仿真效率的同時，更加準確地、完整地反映風機動態過程。本專利技術的技術解決方案如下：一種直驅型風力發電機組的機電暫態仿真建模方法，該方法綜合運用合理的模型分割、反饋環節近似處理、換流器dq軸完全解耦假設、低壓穿越控制策略和大小步長混合仿真，在保證仿真效率的前提下盡可能完整地、準確地反映直驅型風力發電機組在正常運行和電網故障狀態下的機械動態和電磁暫態特性，具體包含以下步驟：步驟一：為了能準確地反映直驅型風力發電機組的機電暫態過程，完整地列寫描述風機各個部分動態的代數微分方程組，以及相關控制系統的框圖，共同構成直驅型風力發電機組的完整數學模型；步驟二：按照系統各個部分的物理特性和具體功能，將整個風機模型分割為8個模塊：風速模塊、最大功率追蹤(MPPT)模塊、機側VSC(電壓源型換流器)及其控制模塊、槳距角控制模塊、風功率模塊、風機轉子動態模塊、網側VSC及其控制模塊、直流環節動態模塊；步驟三：將各個模塊所對應的代數微分方程或控制框圖表示成差分方程的形式，這樣，在已知初始值(即0時刻的狀態變量)的情況下，根據差分方程便可以求得h時刻的狀態變量(h為步長)；同理，再由h時刻的狀態變量，可依次求得2h，3h……時刻的狀態變量，從而完成對風電機組模型的數值求解；特殊處理1：如果按步驟二中的順序依次求解各個模塊的狀態變量，會遇到如下問題：在t時刻，為了求解某一模塊的狀態變量x(t),差分方程中可能含有后面模塊的狀態變量u(t)，而此時還沒有計算到后面模塊，u(t)是未知的。在本專利技術的建模方法中，在求解各個模塊的狀態變量x(t)時，如果差分方程含有未知的狀態變量u(t)，則u(t)采用上一時刻的值u(t-h)來近似。通過這種近似處理，便可以按順序依次求解各個模塊，從而可以避免同時對整個模型的差分方程組進行方程組求解，也使風機模型具有更高的開放性，利于程序編寫與模塊拓展。特殊處理2：對于機側VSC及其控制模塊和網側VSC及其控制模塊，其換流器物理模型的d軸、q軸之間存在耦合，在換流器的控制中引入了補償項ωLid,ωLiq。本專利技術假設控制的補償項可以完全抵消物理模型d軸、q軸間的耦合項，從而可以對d軸和q軸進行獨立建模。特殊處理3：為了獲得正確的電網故障時風機動態特性，本專利技術分別在機側VSC及其控制模塊、網側VSC及其控制模塊、槳距角控制模塊和直流環節動態模塊中，增加了相應的低電壓穿越(LVRT)控制策略，以期在電網故障時獲得正確的風機動態特性。該LVRT控制采用了風機轉子儲能和直流卸荷電路相結合的協調控制策略：用當風電場出口電壓跌落時，一方面，通過切換為定交流電壓控制提供無功支持，另一方面，降低了機側VSC的有功功率參考值，將不平衡功率轉化為轉子動能；如果此時直流電壓仍越限，剩余的不平衡能量將通過直流環節的卸荷電路釋放。步驟四：在完成各個模塊差分方程編程的基礎上，完善模型的仿真時序流程。一方面，增加判斷仿真時間ts＝0，進入初始化程序，先建立用于最大功率追蹤(MPPT)的風速-最優功率表，再根據從主程序讀取的風電場出口電壓和功率，計算并保存風機模型內部各個模塊的狀態變量為X0，作為后續數值計算的初始值；另一方面，當仿真時間ts＝0時，進入數值求解階段，即依次求解步驟二中的8個模塊的差分方程。特殊處理1：由于所建立風機模型中含有較多快速動態過程，而采用一般機電暫態仿真步長難以準確反映。因此，本專利技術采用了大、小步長混合的仿真技術，即主仿真程序仍用正常的機電暫態仿真步長h進行計算，在風機模型內部采用更小的步長hs進行數值求解，從而可以完整地、準確地反映風機的快速動態過程，也提高了仿真的數值穩定性。具體時序流程如下：在某個正常機電暫態仿真步上，主程序將電壓數據傳遞給風機模型，風機模型完成多個小步長計算后，將功率數據返回主程序，主程序完成一個正常的機電暫態仿真步長后，將新的電壓數據傳遞給風機模型，重復上述過程，從而實現大、小步長的混合仿真。本專利技術的技術效果:1、本專利技術直驅型風力發電機組的機電暫態建模方法，能更加完整地、準確地反映直驅型風力發電機組在正常運行和電網故障狀態下的機械和電磁暫態特性。2、本專利技術按照系統各個部分的物理特性和具體功能，將整個風機模型分為8個模塊，分別進行建模，可以完整地對直驅型風力發電機組各個功能結構進行建模，可以更加準確地反映了內部機械動態和電磁暫態特性。3、本專利技術對所有的反饋信號均采用上一時刻的值，使風機模型便于按順序結構進行模塊化編程，大幅降低了模型的實現難度，使風機模型具有更高的開放性，有利于日后的擴展和完善。4、在具體模塊的設計上，本專利技術還假設控制的補償項可以完全抵消物理模型d、q軸間的耦合項，從而可以對d軸和q軸進行獨立建模，進一步降低編程復雜度。本專利技術分別在機側VSC及其控制模型、網側VSC及其控制模型、槳距角控制模型和直流環節動態模型中增加了低電壓穿越(LVRT)控制策略的建模，從而可以正確反映故障時的動態特性。5、在時序流程的設計上，本專利技術采用了大、小步長混合的仿真技術，在風力發電機模型內部采用更小的步長hs進行數值求解，從而可以完整地、準確地反映風機的快速動態過程，也提高了仿真的數本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種直驅型風力發電機組的機電暫態仿真建模方法，其特征在于該方法綜合運用合理的模型分割、反饋環節近似處理、換流器dq軸完全解耦假設、低壓穿越控制策略和大小步長混合仿真，在保證仿真效率的前提下盡可能完整地、準確地反映直驅型風力發電機組在正常運行和電網故障狀態下的機械動態和電磁暫態特性，具體包含以下步驟：步驟一：列寫直驅型風力發電機組各個部分的機電暫態過程的代數微分方程組和相關控制系統的框圖，共同構成直驅型風力發電機組的完整數學模型；步驟二：將整個風機模型分割為八個模塊：風速模塊、最大功率追蹤模塊、機側電壓源型換流器及其控制模塊、槳距角控制模塊、風功率模塊、風機轉子動態模塊、網側電壓源型換流器及其控制模塊和直流環節動態模塊；步驟三：將各個模塊所對應的代數微分方程或控制框圖表示成差分方程的形式，在已知初始值的情況下，即0時刻的狀態變量的情況下，根據差分方程求得h時刻的狀態變量，h為步長，再由h時刻的狀態變量，依次求得2h，3h，……時刻的狀態變量，從而完成對風電機組模型的數值求解；步驟四：在完成各個模塊差分方程編程的基礎上，完善模型的仿真時序流程：一方面，增加判斷仿真時間ts＝0，進入初始化程序，先建立用于最大功率追蹤的風速?最優功率表，再根據從主程序讀取的風電場出口電壓和功率，計算并保存風機模型內部各個模塊的狀態變量為X0，作為后續數值計算的初始值；另一方面，當仿真時間ts＝0時，進入數值求解階段，即依次求解步驟二中的八個模塊的差分方程，采用大、小步長混合的仿真技術，即主仿真程序仍用正常的機電暫態仿真步長h進行計算，在風機模型內部采用更小的步長hs進行數值求解，具體時序流程如下：在某個正常機電暫態仿真步上，主程序將電壓數據傳遞給風機模型，風機模型完成多個小步長計算后，將功率數據返回主程序，主程序完成一個正常的機電暫態仿真步長后，將新的電壓數據傳遞給風機模型，重復上述過程，實現大、小步長的混合仿真。...

【技術特征摘要】
1.一種直驅型風力發電機組的機電暫態仿真建模方法，其特征在于該方法綜合運用合理的模型分割、反饋環節近似處理、換流器dq軸完全解耦假設、低壓穿越控制策略和大小步長混合仿真，在保證仿真效率的前提下盡可能完整地、準確地反映直驅型風力發電機組在正常運行和電網故障狀態下的機械動態和電磁暫態特性，具體包含以下步驟：步驟一：列寫直驅型風力發電機組各個部分的機電暫態過程的代數微分方程組和相關控制系統的框圖，共同構成直驅型風力發電機組的完整數學模型；步驟二：將整個風機模型分割為八個模塊：風速模塊、最大功率追蹤模塊、機側電壓源型換流器及其控制模塊、槳距角控制模塊、風功率模塊、風機轉子動態模塊、網側電壓源型換流器及其控制模塊和直流環節動態模塊；步驟三：將各個模塊所對應的代數微分方程或控制框圖表示成差分方程的形式，在已知初始值的情況下，即0時刻的狀態變量的情況下，根據差分方程求得h時刻的狀態變量，h為步長，再由h時刻的狀態變量，依次求得2h，3h，……時刻的狀態變量，從而完成對風電機組模型的數值求解；步驟四：在完成各個模塊差分方程編程的基礎上，完善模型的仿真時序流程：一方面，增加判斷仿真時間ts＝0，進入初始化程序，先建立用于最大功率追蹤的風速-最優功率表，再根據從主程序讀取的風電場出口電壓和功率，計算并保存風機模型內部各個模塊的狀態變量為X0，作為后續數值計算的初始值；另一方面，當仿真時間ts＝0時，進入數值求解階段，即依次求解...

【專利技術屬性】
技術研發人員：汪可友，徐晉，齊琛，趙志宇，李國杰，韓蓓，馮琳，江秀臣，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：上海,31