一種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，從實(shí)際的物理裝置出發(fā)，通過合理的假設(shè)，對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了簡化，同時考慮了變頻器直流電壓的動態(tài)過程和低電壓穿越特性。仿真結(jié)果表明，該模型仿真曲線和雙饋式風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越實(shí)測曲線一致，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，用于分析大規(guī)模雙饋式風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場接入對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。
【專利說明】—種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種建模方法，具體講涉及一種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)用最廣泛的兩種類型的風(fēng)電機(jī)組為雙饋式風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組?，F(xiàn)在市場上有一種誤解，即直驅(qū)技術(shù)是一種新興的技術(shù)，而雙饋技術(shù)是傳統(tǒng)的技術(shù)。其實(shí)，從誕生時間看，雙饋和直驅(qū)兩種技術(shù)幾乎是同時出現(xiàn)的，甚至直驅(qū)技術(shù)的出現(xiàn)要比雙饋技術(shù)更早些。但是發(fā)展至今，雙饋技術(shù)因其運(yùn)行穩(wěn)定的特性，占據(jù)了大片的市場份額。雙饋發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上變流器容量僅為其容量大的1/3，降低了變流器的造價。同時，網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)的濾波電感和支撐電容都相應(yīng)縮小，電磁干擾也大大降低，也可方便地實(shí)現(xiàn)無功功率控制。雙饋、直驅(qū)兩種技術(shù)路線的本質(zhì)區(qū)別在于雙饋型是帶“齒輪箱”的，而直驅(qū)型是不帶“齒輪箱”的。現(xiàn)在世界上風(fēng)電機(jī)組中85%以上是帶齒輪箱的機(jī)型。尤其在技術(shù)、穩(wěn)定性及可靠性要求更高的海上機(jī)組中，無一例外的全部采用了技術(shù)成熟且可靠性好的帶齒輪箱技術(shù)方案。
[0003]與繞線式異步電機(jī)相似，即定子、轉(zhuǎn)子均為三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組電流由花環(huán)導(dǎo)入，發(fā)電機(jī)的定子接入電網(wǎng)；而電網(wǎng)通過四象限交直變流器向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子供電，提供交流勵磁電流。通過變流器的功率僅為電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率，功率變流器將轉(zhuǎn)差功率回饋到轉(zhuǎn)子或者電網(wǎng)，
[0004]目前大量文獻(xiàn)研究了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，對空氣動力學(xué)模型、軸系模型、異步電機(jī)模型、變頻器及控制模型等分別進(jìn)行了建模，并仿真研究了整個系統(tǒng)的運(yùn)行特性。上述模型均是基于電磁暫態(tài)模型進(jìn)行建模仿真，當(dāng)用于大規(guī)模風(fēng)電場接入系統(tǒng)影響分析計(jì)算時，其較為復(fù)雜，計(jì)算速度慢，數(shù)值收斂性差。而大電網(wǎng)穩(wěn)定仿真計(jì)算對雙饋式風(fēng)電機(jī)組的模型提出了更高的要求，仿真計(jì)算的步長大，計(jì)算速度快，同時還要求具有很好的數(shù)值穩(wěn)定性和收斂性。因此，需要深入研究風(fēng)電機(jī)組的電磁暫態(tài)模型，在不影響風(fēng)電機(jī)組外特性的前提下，簡化風(fēng)電機(jī)組及控制器電磁暫態(tài)模型快動態(tài)的過程，研究剔除影響收斂性的風(fēng)電機(jī)組電耦合過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，從實(shí)際的物理裝置出發(fā)，通過合理的假設(shè)，對雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了簡化，同時考慮了變頻器直流電壓的動態(tài)過程和低電壓穿越特性。仿真結(jié)果表明，該模型仿真曲線和雙饋式風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越實(shí)測曲線一致，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，用于分析大規(guī)模雙饋式風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場接入電網(wǎng)對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供一種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，所述建模方法包括以下步驟:[0008]步驟1:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模型；
[0009]步驟2:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子模型；
[0010]步驟3:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器控制模型；
[0011]步驟4:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器控制模型；
[0012]步驟5:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型。
[0013]所述步驟I中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模型包括風(fēng)速模型、風(fēng)能-功率模型、軸系模型和槳距角模型。
[0014]所述風(fēng)速模型中的風(fēng)速包括基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和噪聲風(fēng)；所述基本風(fēng)為常量，數(shù)值保持不變。
[0015]所述陣風(fēng)用以描述風(fēng)速的突變特性，陣風(fēng)風(fēng)速用Ve表示，其表達(dá)式如下:
[0016]
【權(quán)利要求】
1.一種雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述建模方法包括以下步驟: 步驟1:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模型； 步驟2:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子模型； 步驟3:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器控制模型； 步驟4:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器控制模型； 步驟5:構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述步驟I中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力機(jī)模型包括風(fēng)速模型、風(fēng)能-功率模型、軸系模型和槳距角模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述風(fēng)速模型中的風(fēng)速包括基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和噪聲風(fēng)；所述基本風(fēng)為常量，數(shù)值保持不變。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述陣風(fēng)用以描述風(fēng)速的突變特性，陣風(fēng)風(fēng)速用Ve表示，其表達(dá)式如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述漸變風(fēng)用以描述風(fēng)速的漸變特性，漸變風(fēng)風(fēng)速用\表示，其表達(dá)式如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述噪聲風(fēng)用以描述風(fēng)速的隨機(jī)特性，噪聲風(fēng)風(fēng)速用Vwn表示，其表達(dá)式如下:
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述風(fēng)能-功率模型用于模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，根據(jù)所述風(fēng)速模型中的風(fēng)速將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劃分為以下運(yùn)行區(qū)域:啟動區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、轉(zhuǎn)速恒定區(qū)和功率恒定區(qū)； 1)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劃運(yùn)行區(qū)域位于啟動區(qū)，當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組停機(jī)；當(dāng)風(fēng)速大于或等于切入風(fēng)速時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行； 2)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劃運(yùn)行區(qū)域位于最大風(fēng)能追蹤區(qū)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速在啟動轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間，由槳距角控制器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及變流器并行控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)葉尖速比實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以最優(yōu)轉(zhuǎn)速運(yùn)行； 3)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劃運(yùn)行區(qū)域位于轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行； 4)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劃運(yùn)行區(qū)域位于功率恒定區(qū)，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率達(dá)到額定值時，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制在轉(zhuǎn)速恒定功率恒定運(yùn)行點(diǎn)；控制過程通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳距角控制器增大槳距角降低風(fēng)能利用系數(shù)實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述軸系模型為雙質(zhì)量塊模型，相對較大的質(zhì)量塊對應(yīng)轉(zhuǎn)子的慣量JMt，相對較小的質(zhì)量塊對應(yīng)發(fā)電機(jī)慣量Jgm ;低速軸采用剛性系數(shù)k'和阻尼系數(shù)c來模擬，高速軸認(rèn)為是剛性的； 所述軸系模型中還包括變比為l:ng_的理想的齒輪箱，其中ng_為低速軸和高速軸的變比； 將空氣動力轉(zhuǎn)矩Trot轉(zhuǎn)換為低速軸的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tshaft, Tshaft表示為:
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述槳距角模型包括前半部分和后半部分，前半部分以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和電磁功率Pm作為輸入信號，經(jīng)過PI環(huán)節(jié)，給出槳距角控制信號；后半部分包括槳距角幅值的上下限、變化率的上下限以及一階慣性環(huán)節(jié)，一階慣性環(huán)節(jié)模擬具體執(zhí)行是伺服特性，最后輸出槳距角β ; 所述槳距角模型中，采用初始轉(zhuǎn)速、最大轉(zhuǎn)速或功率-轉(zhuǎn)速曲線處理風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速的參考值；在低電壓穿越控制過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用快速變槳的方式增大槳距角，以減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述步驟2中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的繞線式異步發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子三相繞組分別接到兩個獨(dú)立的三相對稱電源，轉(zhuǎn)子電源電壓的幅值、頻率和相位按運(yùn)行要求分別進(jìn)行調(diào)節(jié); 1)考慮定子繞組暫態(tài)過程的情況下，繞線式異步發(fā)電機(jī)的機(jī)電暫態(tài)方程如下:
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述步驟3中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器控制模型包括有功控制模型、無功控制模型和轉(zhuǎn)子電壓控制模型。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時，所述有功控制模型采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速作為控制信號的控制方式和恒定轉(zhuǎn)矩控制方式以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤的控制方式，通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電磁功率控制； 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時，維持直流電壓為設(shè)定值、保證變流器運(yùn)行的功率因數(shù)為I ;在電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端電壓降低時，通過有功功率模型限制有功電流，保護(hù)變流 器。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:無功控制模型中，通過恒電壓、恒功率因數(shù)、恒無功和電壓下垂控制無功功率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:恒電壓控制無功功率是將電壓設(shè)定為指定值進(jìn)行控制；恒功率因數(shù)控制無功功率是根據(jù)設(shè)置的功率因數(shù)和量測的有功功率計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率；恒無功控制無功功率是將輸出的無功設(shè)置為定值進(jìn)行控制；電壓下垂控制無功功率按照公式Q =(1-Vterm)*k*IN計(jì)算，其中，Q為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無功功率，Vterm為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端三相電壓的最小值；k為比例系數(shù)；IN是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定電流。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述轉(zhuǎn)子電壓控制模型中，有功、無功控制信號直接轉(zhuǎn)換為電流信號經(jīng)過PI環(huán)節(jié)控制轉(zhuǎn)子電壓；正常運(yùn)行條件下，有功電流限幅環(huán)節(jié)和無功電流限幅環(huán)節(jié)采用有功功率優(yōu)先的方式，即無功電流限幅根據(jù)最大電流限制和有功電流計(jì)算得到，具體有:
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述步驟4中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器控制模型包括直流電壓控制模型和變流器電流控制模型。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述直流電壓控制模型中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直流電壓動態(tài)方程為:
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述變流器電流控制模型包括固定有功電流限制模型和動態(tài)有功電流限制模型； 所述固定有功電流限制模型是控制有功電流小于或等于變流器的無功電流最大值Iqmax ； 所述動態(tài)有功電流限制模型是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型輸出信號，動態(tài)設(shè)置變流器的有功電流限值Ivlim。，表示為:

19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:所述步驟5中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，為變流器電流控制模型提供控制信號； 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型輸入信號是機(jī)端A、B、C三相電壓幅值，輸出信號是tm” tm2、tm3 ;控制策略如下: tmi = I表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處在低電壓階段；機(jī)端任一相電壓均低于低電壓穿越保護(hù)啟動閥值Vlvpt ;在低電壓階段變流器采取有功電流控制； tm2 = I表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處在機(jī)端電壓恢復(fù)后的短暫時間段，變流器恢復(fù)有功功率；tm3 = I表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處在有功恢復(fù)的階段；變流器恢復(fù)有功功率的送出，同時限制功率的恢復(fù)速度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型的建模方法，其特征在于:風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制包括低電壓和高電壓的判斷，以及CROWBAR保護(hù)和CHOPPER 保護(hù)； 通過低電壓和高電壓 的判斷檢測風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)；所述CROWBAR保護(hù)用于轉(zhuǎn)子過電流保護(hù)，所述CHOPPER保護(hù)用于直流電壓保護(hù)。
【文檔編號】G06Q50/06GK103955572SQ201410163949
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月23日
【發(fā)明者】安寧, 鄧麗君, 邵廣惠, 訾鵬, 黃鳴宇, 趙錚, 徐興偉, 尹亮, 侯凱元, 梁亞波, 夏德明, 岳涵 申請人:國家電網(wǎng)公司, 中國電力科學(xué)研究院, 東北電網(wǎng)有限公司, 國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院