双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法
【专利摘要】本发明提供了一种双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法。(1)从三相电路方程和磁链方程出发，经派克变换得到电路方程，使用带阻尼的隐式梯形积分方法对电路方程进行差分化，得到双馈异步电机定子侧和转子侧的戴维南等值电路；(2)提出双馈异步电机与外部电磁暂态网络的接口方法，以定子侧和转子侧三相注入电流源和伴随导纳矩阵的形式与外部网络相联；(3)使用带阻尼的隐式梯形积分方法对双馈异步电机的转子运动方程进行差分化，得到多质量块的双馈异步电机转动方程，通过迭代计算实现了双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分建模和计算。本发明方法提高了双馈异步电机模型的电磁暂态仿真精度，增强了模型的稳定性。
【专利说明】双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力领域，具体涉及一种双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法。
【背景技术】
[0002]双馈异步电机也称交流励磁电机,定子接50 Hz工频电网，转子接交流励磁电源，随着交流励磁自动控制系统对转子励磁电流的频率、幅值大小和相位的调节，双馈异步电机能够调节转子转速，在不同的工况下运行，而定子输出电压和频率可以维持不变，运行方式灵活。双馈即是指有两个能量流动通道，双馈异步电机的定子、转子都可以与电网交换能量，实现能量从定子和转子到电网的两个通道流动。
[0003]随着风能在全球范围内的大规模开发，双馈型风力发电机组由于具有能够变速运行、风能转换效率高、具有最大风能捕获能力并减小了风电机组机械部件所受应力、实现有功、无功功率解耦控制、改善风电场功率因数及电压稳定等优点，已经成为世界风电市场上的主流机型之一。作为双馈型风力发电机组关键设备之一的双馈异步电机，其定子侧直接通过变压器与电网相连，转子侧则通过背靠背换流器与电网相连接，接入所需低频励磁电流。
[0004]由于双馈型风力发电机组含有高频开断的电力电子换流器，在通过数字仿真研究双馈型风力发电机组的控制策略、动态特性、故障响应及低电压穿越能力等方面时通常需要使用微秒级的仿真步长，在电磁暂态环境下进行建模和仿真计算。在现有的电力系统电磁暂态仿真研究中，通常使用隐式梯形积分法或欧拉法对双馈异步电机进行建模。这种建模方法在仿真应用中对一些现象会导致电机的数值振荡，存在着精度和稳定性较差的问题，仿真结果不理想。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法，该方法通过在积分方法中引入阻尼系数，对电机的电压方程、磁链方程和转子运动方程进行差分化处理后联入外部网络，综合了隐式梯形积分法和后退欧拉法的优点，能够有效抑制开关动作引发的双馈异步电机及系统的数值振荡，增强了仿真方法的稳定性。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案是:一种双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法，包括如下步骤，
步骤S1:从三相电路方程和磁链方程出发，经派克变换得到dqO坐标轴下的电路方程，使用带阻尼的隐式梯形积分方法对标么化后的dqO轴电路方程进行差分化，得到双馈异步电机定子侧和转子侧的dqO轴戴维南等值电路；
步骤S2:提出双馈异步电机与外部电磁暂态网络的接口方法，以定子侧和转子侧三相注入电流源和伴随导纳矩阵的形式与外部网络相联；
步骤S3:使用带阻尼的隐式梯形积分方法对双馈异步电机的转子运动方程进行差分化，得到多质量块的双馈异步电机转动方程，计算转子角和转速，通过迭代计算实现了双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分建模和计算。
[0007]在本发明实施例中，在所述步骤SI中，将双馈异步电机的磁链方程代入三相电路方程，使用派克变换和标么化处理得到d轴、q轴和O轴的标么化向量方程；以d轴为例，其方程如下式所示:
【权利要求】
1.一种双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法，其特征在于:包括如下步骤， 步骤S1:从三相电路方程和磁链方程出发，经派克变换得到dqO坐标轴下的电路方程，使用带阻尼的隐式梯形积分方法对标么化后的dqO轴电路方程进行差分化，得到双馈异步电机定子侧和转子侧的dqO轴戴维南等值电路； 步骤S2:提出双馈异步电机与外部电磁暂态网络的接口方法，以定子侧和转子侧三相注入电流源和伴随导纳矩阵的形式与外部网络相联； 步骤S3:使用带阻尼的隐式梯形积分方法对双馈异步电机的转子运动方程进行差分化，得到多质量块的双馈异步电机转动方程，计算转子角和转速，通过迭代计算实现了双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分建模和计算。
2.根据权利要求1所述的双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法，其特征在于:在所述步骤SI中，将双馈异步电机的磁链方程代入三相电路方程，使用派克变换和标么化处理得到d轴、q轴和O轴的标么化向量方程；以d轴为例，其方程如下式所示:
式中，电压v = [^ ViiJt,电流i =^i jT,旋转电势I =Jal Ui jT’电阻
电抗
为基波频率;分别是定子绕组d轴、转子绕
组d轴的电压分别是定子绕组d轴、转子绕组d轴的电流分别是定子绕组d轴、转子绕组d轴的旋转电势；i?3、|分别是定子绕组和转子绕组的电阻，《1、ifJ和Isrf分别为定子绕组d轴电抗、转子绕组d轴电抗和d轴互感抗； 记Clf为带阻尼的隐式梯形积分方法的阻尼系数，用带阻尼隐式梯形积分方法对上式进行差分可得:
式中，I为当前计算时刻，ΔΙ为计算步长，?-Μ为上一计算时刻，h(l -k) = Ihi(1-M) kJ1-Ai)f，为历史项，该项中的电流、电压和旋转电势各量均为上一时刻的值，对当前计算时刻而言是已知量；
;将差分方程展开整理后可得定子d轴和转子d轴的戴维南等值电路:
式中，Rd、ed分别为定子绕组的d轴等值电阻、d轴等值电压源，RD,eD分别为转子绕组的d轴等值电阻、d轴等值电压源；记定子绕组和转子绕组的d轴等值历史项的表达式分别为Histd (t- Δt)和HistD(t -Δt),戴维南等值电路中各量的详细表达式如下:
同理可得q轴和O轴的戴维南等值电路；将dqO轴的等值电路方程按照定子侧等值电路和转子侧等值电路分别排列如下， 定子侧:
式中，Vq、νQ别是定子绕组q轴、转子绕组q轴的电压，分别是定子绕组O轴、转子绕组O轴的电压分别是定子绕组q轴、转子绕组q轴的电流，ios、ioy.分别是定子绕组O轴、转子绕组O轴的电流分别是定子绕组q轴、转子绕组q轴的等值电压源， e05,eor分 别是定子绕组0轴、转子绕组O轴的等值电压源;R0s,Ror分别是定子绕组和转子绕组O轴的等值电阻。
3.根据权利要求2所述的双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法，其特征在于:在所述步骤S2中，首先对定子侧的戴维南等值电路进行诺顿等值，得到dqO轴注入电流源，如下所示:
通过反派克变换将定子侧dqO量转换成abc三相量，产生三相注入电流源和伴随导纳矩阵的并联模型，其电流源为:
式中^为反派克变换中使用的同步轴和定子轴之间的夹角’、^_m和‘为定子abc三相的注入电流，dqO坐标轴下的定子绕组等值电阻矩阵为对角矩阵,三个对角元依次为J^、i^和i^j5 ;通过派克变换得到abc坐标轴下的三相等值电阻矩阵记其逆为三相并联导纳矩阵
三相等值电阻矩阵为对称矩阵，对角线元素记为非对角元素记为1?,
然后对转子侧的戴维南等值电路进行诺顿等值，得到dqO轴注入电流源，如下所示:.#|5
通过反派克变换将转子侧dqO量转换成abc三相量，产生三相注入电流源和伴随导纳矩阵的并联模型，其电流源为:
式中4为反派克变换中使用的同步轴和转子轴之间的夹角’ i—觀、‘,麵和U卿,为转子abc三相的注入电流；dqO坐标轴下的转子绕组等值电阻矩阵为对角矩阵，三个对角元依次为；通过派克变换得到abc坐标轴下的三相等值电阻矩阵，记其逆为三相并联导纳矩阵Iferj 有:
上式中的对角线元素记为非对角元素记为
4.根据权利要求1所述的双馈异步电机的带阻尼的隐式梯形积分电磁暂态建模方法，其特征在于:在所述步骤S3中，双馈异步电机的转子运动方程使用标么化的多质量块系统描述，以满足风力发电场合的应用需求，如下式所示:
式中，g为双馈异步电机各质量块的转子角，_为各质量块的转速，为惯性时间常数的对角线矩阵，D为阻尼系数的三对角线矩阵，I；为弹性系数的三对角线矩阵， TA为各质量块上的电磁转矩和机械转矩，ω=2π?0,?0为基波频率，立为带阻尼的隐式梯形积分方法的阻尼系数，I为当前计算时刻，为计算步长为上一计算时刻； 用带阻尼的隐式梯形积分法对转子运动方程进行差分，可得:
【文档编号】H02P21/14GK104079228SQ201410323683
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】林因, 胡晓波, 张星, 黄霆, 徐振华, 王峰, 刘子新, 刘敏, 彭红英, 江伟 申请人:国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 国网福建省电力有限公司电力科学研究院, 中国电力科学研究院