建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法
【专利摘要】一种建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，方法包括步骤有：(1)建立包含基本风、阵风、渐变风、噪声风及现场记录风速的风速模型；(2)建立多质量块风机和传动系统模型；(3)建立含转子侧交流-直流-交流变换逆变器的双馈感应发电机模型；(4)建立对偏航系统、风力机桨距角和发电机转子电流进行调整的控制系统模型。本发明解决了现阶段电网发展过程中对新能源接入带来的随机波动性电源的动态模型需求，为解决带有冲击性负荷的电铁接入系统与风电场的影响提供了有效工具，为提高电网供电质量，改进风电机组设计制造和参数整定，增强电网的运行可靠性，提供了参考依据。
【专利说明】建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统电能质量分析【技术领域】，尤其是一种建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法。
【背景技术】
[0002]由于风电发电与传统发电方式相比，风速具有不可预测性，处于不断变化中，因此风力发电机提供给电网的风能也具有随机性和波动性，且难以调节。随着风电场的容量在系统中所占的比例不断增加，风力发电对系统的影响将越来越显著。这种随机的较难预测的、不断变化的风能馈入电网将给电网的电能质量造成不可忽略的影响。传统的仿真平台缺乏能够描述风力发电机组随机动态行为的有效模型，不能对风电机组对电网电能质量的影响进行仿真。
[0003]风电等新能源大规模接入和高速铁路的快速发展，引入大量含逆变器等电力电子装置的随机波动性电源和负荷，给传统的基于电磁感应电力机械的电网带来众多的瞬态干扰源。相比电磁感应机械(发电机、电动机、变压器等)，基于电力电子器件的电能变换装置承受电压变化的动态范围小，过载能力低，对电网电能质量要求高。传统的电力分析程序基于常规电气元件开发的模型不足以精细模拟复杂负荷环境下风电机组的动态行为，缺乏深入研究现代电网环境下影响电网电能质量的有效工具。
[0004]传统的仿真软件通常使用经典的异步发电机替代风力发电机组的仿真模型，虽然能够在一定程度上反应风电机组的运行特性，但在研究风电与复杂负荷条件下电网的相互影响等相关的电能质量问题方面存在很大不足。特别是在国内电气化铁路接入电网，引入冲击性随机负荷的条件下，不足以模拟电网谐波、电压波动和闪变、频率波动弓I起的风电机组动态行为。也无法模拟随机波动的风电输出功率对电网的影响。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法。
[0006]本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0007]一种建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，方法包括步骤有:
[0008](I)建立包含基本风、阵风、渐变风、噪声风及现场记录风速的风速模型；
[0009](2)建立多质量块风机和传动系统模型；
[0010](3)建立含转子侧交流-直流-交流变换逆变器的双馈感应发电机模型；
[0011](4)建立对偏航系统、风力机桨距角和发电机转子电流进行调整的控制系统模型。
[0012]而且，所述步骤(I)建立风速模型的具体方法为:记录整理基本风、阵风、渐变风、噪声风的典型波形数据，以及现场记录风速数据，构成风况数据库，生成可供选择的多种类型风速模型，风速模型可以模拟基本风、阵风、渐变风、噪声风，实现风速模式选择与风速参数设定，实现风场录入数据波形回放。[0013]而且，所述步骤(2)建立多质量块风机和传动系统模型的具体方法为:根据输入的风速、偏航角、桨距角、发电机转速，构造风能利用系数表，通过风能利用系数表建立多质量块风机和传动系统模型，输出轴端机械出力，模拟风力机的非线性能量转换特性。
[0014]而且，所述步骤(3)建立含转子侧交流-直流-交流变换逆变器的双馈感应发电机模型的具体方法为:将风力机输入的机械功率，转换为电网的有功功率输出，并在转子逆变器PWM脉冲信号的作用下，控制发电机的转速和无功功率输出，实现机械功率到电磁功率的转换，模拟撬杠保护特性，模拟逆变器的开关动态特性和瞬态过程。
[0015]而且，所述步骤(4)建立控制系统模型的具体方法为，通过转子磁链矢量控制生成转子侧逆变器PWM控制信号，根据直流电容电压设定值和交流端无功输出值，生成定子侧逆变器PWM控制信号，按照最大风功率跟踪法则生成偏航角和桨距角控制信号，实现对转子侧逆变器的开关状态控制、偏航系统控制、风力机桨距角控制。
[0016]本发明的优点和积极效果是:
[0017]本发明的风力发电机组动态仿真模型解决了现阶段电网发展过程中对新能源接入引入的随机波动性电源的动态模型需求，为解决带有冲击性负荷的电铁接入系统与风电场的影响提供了有效工具。通过仿真模拟分析复杂电网络环境下电力系统的动态运行特性，为提高电网供电质量，改进风电机组设计制造和参数整定，增强电网的运行可靠性，提供了参考依据。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1本发明方法的模型结构图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，需要强调的是，以下实施方式是说明性的，而不是限定性的，不能以此实施方式作为对本发明的限定。
[0020]一种建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，本发明从物理建模的角度出发，建立通用的PSCAD平台风电机组仿真模型，如图1所示，该方法包括步骤如下:
[0021](I)建立包含基本风、阵风、渐变风、噪声风及现场记录风速的风速模型，具体方法为，记录整理基本风、阵风、渐变风、噪声风的典型波形数据，以及现场记录风速数据，构成风况数据库，生成可供选择的多种类型风速模型，风速模型可以模拟基本风、阵风、渐变风、噪声风，实现风速模式选择与风速参数设定，实现风场录入数据波形回放；
[0022](2)建立多质量块风机和传动系统模型，具体方法为，根据输入的风速、偏航角、桨距角、发电机转速，构造风能利用系数表，通过风能利用系数表建立多质量块风机和传动系统模型，输出轴端机械出力，模拟风力机的非线性能量转换特性，风力机和传动系统模型参考国内广泛应用FD-77机组建立的多质量块模型，实现对偏航信号、桨距角调节和风速的动态响应，输出机械功率，模拟风力机的非线性能量转换特性；
[0023](3)建立含转子侧交流-直流-交流变换逆变器的双馈感应发电机模型，将风力机输入的机械功率，转换为电网的有功功率输出，并在转子逆变器PWM脉冲信号的作用下，控制发电机的转速和无功功率输出，实现机械功率到电磁功率的转换，模拟撬杠保护特性，模拟逆变器的开关动态特性和瞬态过程；[0024](4)建立对偏航系统、风力机桨距角和发电机转子电流进行调整的控制系统模型，具体方法为，通过转子磁链矢量控制生成转子侧逆变器PWM控制信号，根据直流电容电压设定值和交流端无功输出值，生成定子侧逆变器PWM控制信号，按照最大风功率跟踪法则生成偏航角和桨距角控制信号，实现对转子侧逆变器的开关状态控制、偏航系统控制、风力机桨距角控制，实现发电机输出的有功功率、无功功率、机械转速的调整，实现运行状态检测和撬杠保护信号输出。
[0025]模型使用国际通用的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建，封装成自定义模块的形式提供给最终用户，可用于对大规模风电场接入电力系统的仿真和复杂电网条件下风电场与随机扰动负荷相互作用的影响仿真研究，为提高电网的供电可靠性提供设计参考依据。
【权利要求】
1.一种建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，其特征在于方法包括步骤有: (1)建立包含基本风、阵风、渐变风、噪声风及现场记录风速的风速模型； (2)建立多质量块风机和传动系统模型； (3)建立含转子侧交流-直流-交流变换逆变器的双馈感应发电机模型； (4)建立对偏航系统、风力机桨距角和发电机转子电流进行调整的控制系统模型。
2.根据权利要求1所述的建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，其特征在于:所述步骤(I)建立风速模型的具体方法为:记录整理基本风、阵风、渐变风、噪声风的典型波形数据，以及现场记录风速数据，构成风况数据库，生成可供选择的多种类型风速模型，风速模型可以模拟基本风、阵风、渐变风、噪声风，实现风速模式选择与风速参数设定，实现风场录入数据波形回放。
3.根据权利要求1所述的建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，其特征在于:所述步骤(2)建立多质量块风机和传动系统模型的具体方法为:根据输入的风速、偏航角、桨距角、发电机转速，构造风能利用系数表，通过风能利用系数表建立多质量块风机和传动系统模型，输出轴端机械出力，模拟风力机的非线性能量转换特性。
4.根据权利要求1所述的建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，其特征在于:所述步骤(3)建立含转子侧交流-直流-交流变换逆变器的双馈感应发电机模型的具体方法为:将风力机输入的机械功率，转换为电网的有功功率输出，并在转子逆变器PWM脉冲信号的作用下，控制发电机的转速和无功功率输出，实现机械功率到电磁功率的转换，模拟撬杠保护特性，模拟逆变器的开关动态特性和瞬态过程。
5.根据权利要求1所述的建立通用风力发电机组动态仿真模型的方法，其特征在于:所述步骤(4)建立控制系统模型的具体方法为，通过转子磁链矢量控制生成转子侧逆变器PWM控制信号，根据直流电容电压设定值和交流端无功输出值，生成定子侧逆变器PWM控制信号，按照最大风功率跟踪法则生成偏航角和桨距角控制信号，实现对转子侧逆变器的开关状态控制、偏航系统控制、风力机桨距角控制。
【文档编号】G06F17/50GK103455688SQ201310421434
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】刘云, 李晓辉, 李国栋, 王旭东, 刘亚丽, 胡晓辉 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司