专利名称：直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型的制作方法
技术领域：
本发明涉及风力发电机组的建模方法及暂态模型，具体涉及一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型。
背景技术：
应用最广泛的两种类型的风机为双馈式风机和直驱式风机。与双馈式风机相比，直驱式风机不仅具有更能适应低风速、噪声小、结构简单、运行效率高、后续维护成本低等优点，而且直驱式风机电机侧变流器可实现最大功率跟踪控制、电网侧变流器可控制直流电压恒定、直驱式风机发电机的转速与并网频率没有关系、直流卸荷电路可有效隔离电网故障对发电机侧的影响等特点，因此直驱式风机在全国风电场中所占的比重越来越高。直驱式风机根据发电机侧整流器的不同，分为两种典型的结构，不可控整流+多重Boost+PWM逆变器结构和背靠背双PWM变流器结构。电机侧选用不可控整流+多重Boost通常是考虑低价格和低损耗，但是它不能控制电流的相位，不能供给发电机所需要的无功功率。电机侧选用PWM变流器可以很好地控制永磁同步发电机，得到恒定的功率因数，谐波含量低，能量双向流动，恒定的直流电压等，但成本较高，损耗较大。目前大量文献研究了直驱式风电系统的数学模型，对空气动力学模型、轴系模型、永磁同步电机模型、变频器及控制模型等分别进行了建模，并仿真研究了整个系统的运行特性。上述模型均是基于电磁暂态模型进行建模仿真，当用于大规模风电场接入系统影响分析计算时，其较为复杂，计算速度慢，数值收敛性差。而大电网稳定仿真计算对直驱式风机的模型提出了更高的要求，仿真计算的步长大，计算速度快，同时还要求具有很好的数值稳定性和收敛性。因此，需要深入研究风机的电磁暂态模型，在不影响风机外特性的前提下，简化风机及控制器电磁暂态模型快动态的过程，研究剔除影响收敛性的风机电耦合过程。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型，本发明从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对直驱式风电系统的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。仿真结果表明，该模型仿真曲线和直驱式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠，用于分析大规模直驱式风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。本发明的目的是采用下述技术方案实现的:一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其改进之处在于，所述建模方法包括下述步骤:A、构建风力发电机组机侧模型；B、构建风力发电机组直流电压及卸荷电路模型；C、构建风力发电机组网侧变流器及控制系统模型；
D、构建风力发电机组低电压穿越控制模型。 其中，所述步骤A中，所述风力发电机侧模型包括风速模型和风能-功率模型。其中，将所述风速模型中的风速分为基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四个分量；所述基本风为常量，数值保持不变。其中，所述阵风用于描述风速突变的特性；在风电系统的动态仿真中，考察风电系统在风速扰动下的动态特性；其数学表达如下式所示:
权利要求
1.一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述建模方法包括下述步骤: A、构建风力发电机组机侧模型； B、构建风力发电机组直流电压及卸荷电路模型； C、构建风力发电机组网侧变流器及控制系统模型； D、构建风力发电机组低电压穿越控制模型。
2.按权利要求1所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述步骤A中，所述风力发电机侧模型包括风速模型和风能-功率模型。
3.按权利要求2所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，将所述风速模型中的风速分为基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四个分量；所述基本风为常量，数值保持不变。
4.按权利要求3所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述阵风用于描述风速突变的特性；在风电系统的动态仿真中，考察风电系统在风速扰动下的动态特性；其数学表达如下式所示:
5.按权利要求3所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述渐变风用来描述风速的渐变特性，其数学表达式如下式所示:
6.按权利要求3所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述随机噪声风用来反映风速的随机特性，其数学表达式如下式所示:
7.按权利要求2所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述风能-功率模型用于模拟风力发电机将风能转换为机械能的稳态运行特性，根据所述风速模型中的风速将直驱式风力发电机组划分为四个运行区域:启动区、最大风能追踪区、转速恒定区、功率恒定区。
8.按权利要求7所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述启动区:当风速小于切入风速时，风力发电机停机；当风速大于或等于切入风速时，风电机组以最低转速运行； 最大风能追踪区域:当风力发电机转速在启动转速和额定转速之间，由桨距角控制器、发电机及变流器控制系统一起控制直驱式同步发电机的转矩和转速，调节叶尖速比实现最大风能捕获；风力发电机以最优转速运行； 转速恒定区:当风力发电机组的转速达到额定转速时，保持风力发电机转速恒定运行； 功率恒定区:当风力发电机组的输出功率达到额定值时，将风力发电机组控制在转速恒定功率恒定运行点；控制过程通过风力发电机桨距角控制器增大桨距角降低风能利用系数实现。
9.按权利要求1所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述步骤B中，风力发电机组直流电压动态方程用下式表示:
10.按权利要求9所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，占空比d表达式如下式所示:
11.按权利要求1所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述步骤C中，风力发电机组网侧变流器及控制系统的机电暂态模型包括有功控制模型、无功控制模型和变流器模型。
12.按权利要求11所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，在直驱式风电机组正常运行时，有功控制模型采用恒直流电压控制，用于保证有功功率的实时平衡；在电网发生故障或扰动，导致风电机组机端电压降低时，用于有功功率模型限制有功电流，保护变流器设备。
13.按权利要求12所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述有功控制模型表述为:将直流电压与参考值的差值Utk(S)-Udrarf作为输入，经过PI调节器环节和有功电流限幅环节，输出有功电流参考值I_f(s)。
14.按权利要求13所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述有功电流限幅环节包括固定有功电流限制和动态有功电流限制； 所述固定有功电流限制部分是控制有功电流小于或等于变流器的最大有功电流值Itpax ;所述动态有功电流限制部分是根据直驱风机低电压穿越控制模型输出信号，动态设置有功电流的限值Ivlim。；所述有功电流的限值Ivlinrc取值如下:
15.按权利要求11所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述无功控制模型用于控制:无功功率参考值QMf、恒定功率因数和按电压跌落程度成比例控制无功功率。
16.按权利要求15所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，恒定功率因数控制是根据设置的功率因数和量测的有功功率计算风力发电机发出的无功功率； 按电压跌落程序成比例控制无功功率是按照公式Q = (1-Vtem)*k*IN计算的；其中，Vtem表示风力发电机组机端三相电压的最小值；k表示比例系数；In是风力发电机的额定电流值。
17.按权利要求12所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述变流器模型包括一阶滞后环节、变流器电流控制环节和机网接口。
18.按权利要求17所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述一阶滞后环节是模拟变流器有功、无功解耦控制的时间延迟；Tp，Tq分别是有功、无功滞后环节的时间常数； 变流器电流控制环节用于防止变流器过电流；通过设置有功/无功电流优先的控制信号，实现有功电流优先或者无功电流优先的控制，Iqmx是变流器电流控制输出的无功电流最大值；设置有功电流优先，首先保证有功电流的输出，无功电流的最大值J9wc =ψ:-!2ρ。
Ipmx是变流器电流控制输出的有功电流最大值；设置无功电流优先，首先保证无功电流的输出，有功电流的最大值/; 其中:1 是变流器允许通过的最大电流值； 机网接口将风力发电机注入电流从dq坐标系变换到电力系统同步旋转坐标系；变换方法如下表示:
19.按权利要求1所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述步骤D中，低电压穿越控制模型用于检测风力发电机是否进入低电压穿越状态，为网侧变流器有功控制模型提供控制信号；低电压穿越控制模型输入信号是机端a，b, c三相电压幅值，输出控制信号是叫，tm2, tm3。
20.按权利要求19所述的直驱式风力发电机组机电暂态建模方法，其特征在于，所述低电压穿越控制模型的控制策略如下: 蝴=I表不风力发电机处于低电压的时间段；机端任一相电压均低于Vlvpt ;在低电压段内变流器采取有功电流控制； tm2 = I表示机端电压恢复后的短暂时间段，在这一时间段内变流器恢复有功功率；tm3 = I表示恢复有功功率的时间段；此时间段内变流器要恢复有功功率的送出，同时限制功率的恢复速度。
21.一种直驱式风力发电机组机电暂态模型，其特征在于，所述机电暂态模型包括: 风力发电机侧模型:模拟风力发电机侧变流器最大功率追踪、额定转速控制及桨距角控制系统的特性； 直流电压及卸荷电路模型:直流电压模型模拟直流电压的动态过程；卸荷电路模型模拟低电压穿越过程中卸荷电阻动态过程； 网侧变流器及控制系统模型:包括有功控制模型、无功控制模型及变流器模型；有功控制模型控制直流侧电压恒定，同时模拟在低电压穿越过程中限制有功电流及功率恢复的动态过程；无功控制模型控制风机发出的无功功率；变流器模型模拟风力发电机逆变器动态调制特性； 低电压穿越控制模型:用于检测风力发电机低电压穿越，为网侧变流器有功控制模型提供低电压穿越控制信号； 所述网侧变流器及控制系统模型通过变压器接入电网。
全文摘要
本发明涉及风力发电机组的建模方法及暂态模型，具体涉及一种直驱式风力发电机组机电暂态建模方法及机电暂态模型。建模方法包括下述步骤A、构建风力发电机组机侧模型；B、构建风力发电机组直流电压及卸荷电路模型；C、构建风力发电机组网侧变流器及控制系统模型；D、构建风力发电机组低电压穿越控制模型。本发明从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对直驱式风电系统的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。仿真结果表明，该模型仿真曲线和直驱式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠，用于分析大规模直驱式风电场接入对电力系统暂态稳定性的影响。
文档编号G06F17/50GK103094921SQ20131000296
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月6日 优先权日2013年1月6日
发明者黄永宁, 张爽, 安宁, 訾鹏, 郑伟杰, 李蒙, 焦龙, 赵晓东, 张星, 胡晓波, 田蓓, 刘敏, 梁剑, 杨雪红, 孙丽香, 戴红阳 申请人:宁夏电力公司电力科学研究院, 中国电力科学研究院, 国家电网公司