專利名稱：雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種使用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行雙饋風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的建模分析的方法。
背景技術(shù)：
自二十世紀(jì)八十年代以來，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用越來越受到全世界的普遍重視。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是空氣動力學(xué)、尖端航天技術(shù)和大功率電力電子技術(shù)應(yīng)用于新型風(fēng)電機(jī)組的開發(fā)研制，風(fēng)力發(fā)電在近二十年得到長足的發(fā)展。如今的風(fēng)力發(fā)電正逐步走向規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例越來越大，成為除水力發(fā)電以外最成熟、最現(xiàn)實(shí)的一種清潔能源發(fā)電方式。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，對環(huán)境保護(hù)、節(jié)約能源以及生態(tài)平衡都有重要的意義。然而風(fēng)力發(fā)電是一種特殊的電力，具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點(diǎn)，風(fēng)電廠的并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，電能質(zhì)量等諸多方面均會帶來負(fù)面影響，隨著風(fēng)電場規(guī)模的日益擴(kuò)大，風(fēng)電特性對電網(wǎng)的影響也越發(fā)顯著，成為制約風(fēng)場規(guī)模和容量的嚴(yán)重障礙，大規(guī)模風(fēng)電接入到底會對電網(wǎng)產(chǎn)生怎樣的影響成為了急需解決的問題。中國實(shí)用新型專利“雙饋風(fēng)電機(jī)組的仿真裝置”(實(shí)用新型專利號ZL201220127917. 4授權(quán)公告號CN202548295U)公開了一種雙饋風(fēng)電機(jī)組的仿真裝置，包括雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組原動機(jī)、監(jiān)測保護(hù)設(shè)備和轉(zhuǎn)子側(cè)變流設(shè)備。風(fēng)電機(jī)組原動機(jī)連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，風(fēng)電機(jī)組原動機(jī)在風(fēng)力驅(qū)動下帶動雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。監(jiān)測保護(hù)設(shè)備連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，測量雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)輸出的電壓和電流。轉(zhuǎn)子側(cè)變流設(shè)備連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流設(shè)備控制雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的電壓幅值和相位，進(jìn)行有功解耦控制和無功解耦控制。該實(shí)用新型的雙饋風(fēng)電機(jī)組的仿真裝置能夠準(zhǔn)確反映風(fēng)機(jī)的物理特性和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的工作狀況，能夠滿足風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范對并網(wǎng)風(fēng)機(jī)的完整測試要求。中國發(fā)明專利申請“一種雙饋風(fēng)機(jī)等效模擬的仿真建模方法”(專利申請?zhí)?01210008656. 9公開號CN102592026A)公開了一種雙饋風(fēng)機(jī)等效模擬的仿真建模方法，所述雙饋風(fēng)機(jī)的變頻器部分采用受控源模擬，所述建模方法包括如下步驟(1)建立雙饋風(fēng)電機(jī)組電路模型；(2)建立雙饋風(fēng)機(jī)等效模型；(3)建立雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)測試系統(tǒng)；(4)搭建多風(fēng)機(jī)測試系統(tǒng)；其中，在步驟2中所述雙饋風(fēng)機(jī)等效模型基于雙饋風(fēng)機(jī)變頻器交流側(cè)受控電壓源和直流側(cè)受控電流源的特性建立。該發(fā)明提供的雙饋風(fēng)機(jī)等效模擬的仿真建模方法，能精確模擬雙饋風(fēng)機(jī)的暫態(tài)特性，并可計(jì)及多臺風(fēng)電機(jī)組間的不同特性及其相互影響；無需計(jì)及全控型器件的高頻通斷，仿真效率大幅提升；仿真風(fēng)機(jī)臺數(shù)越多，效率提升幅度越顯著；在保持精度的同時(shí)，可采用較大的仿真步長，大幅提升仿真效率。用于穩(wěn)定性研究的風(fēng)電機(jī)組模型目前在國內(nèi)的電力系統(tǒng)仿真軟件中仍然沒有實(shí)現(xiàn)，PSS/E、BPA中已有內(nèi)建的風(fēng)機(jī)模型，但其不適用于電網(wǎng)短路故障下風(fēng)機(jī)的動態(tài)性能仿真。DIgSILENT/PowerFactory是一款強(qiáng)大的電力系統(tǒng)仿真軟件，其內(nèi)建的雙饋異步風(fēng)機(jī)模型能較準(zhǔn)確地反映其實(shí)際物理特性，即能對雙饋機(jī)進(jìn)行詳細(xì)地機(jī)電暫態(tài)仿真，也能進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真，使風(fēng)機(jī)在大規(guī)模電網(wǎng)中的仿真成為可能。另外，PSCAD/EMTDC同樣能夠建立風(fēng)機(jī)的機(jī)電暫態(tài)模型，建模精度可達(dá)到器件級，因此是考察風(fēng)機(jī)單機(jī)系統(tǒng)在各種工況和故障下動態(tài)特性的理想工具，但不適用于風(fēng)機(jī)接入大網(wǎng)后的仿真。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法，建立符合雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組物理特性的詳細(xì)模型，以便利用該詳細(xì)模型進(jìn)行電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)仿真，考察風(fēng)機(jī)在各種故障和工況下的動態(tài)特性。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法，所述的風(fēng)電機(jī)組包括由風(fēng)力機(jī)模型、軸系模型和槳距控制系統(tǒng)構(gòu)成的原動機(jī)模型，由感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型，以及電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)，所述機(jī)電暫態(tài)仿真方法包括以下步驟S100)建立風(fēng)力機(jī)模型，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關(guān)系，模擬風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)功率；S200)使用發(fā)電機(jī)質(zhì)塊和風(fēng)力機(jī)質(zhì)塊組成的兩質(zhì)量塊軸系結(jié)構(gòu)，建立風(fēng)機(jī)軸系模型，模擬風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的能量傳遞關(guān)系；S300)建立槳距控制系統(tǒng)模型，使用槳距角控制仿真進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，尋求在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組輸出功率的最大值；模擬風(fēng)速超出額定風(fēng)速時(shí)槳距控制系統(tǒng)的過載保護(hù)功能；S400)根據(jù)雙饋感應(yīng)電機(jī)的方程和磁鏈方程構(gòu)建雙饋異步感應(yīng)電機(jī)的T型等效電路，建立DFIG電氣仿真模型；S500)根據(jù)DFIG電氣仿真模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子的瞬時(shí)電磁功率方程、轉(zhuǎn)子電流與定子電流的關(guān)系和轉(zhuǎn)子電壓方程，建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；S600)使用以上步驟建立的風(fēng)電機(jī)組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型；S700)設(shè)置風(fēng)電機(jī)組仿真模型的初始運(yùn)行工況，設(shè)置毫秒級別的仿真步長，進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真運(yùn)行狀態(tài)；S720)對所述的風(fēng)力機(jī)模型分別施加風(fēng)速負(fù)階躍和風(fēng)速正階躍信號，進(jìn)行風(fēng)速階躍的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的有功出力、轉(zhuǎn)速、風(fēng)功率、風(fēng)能利用效率以及槳距角的響應(yīng)，建立的雙饋風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型面對風(fēng)速變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗(yàn)證最大風(fēng)能追蹤的有效性；S740)對所述的雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型施加無功功率階躍信號，進(jìn)行無功階躍的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓、有功出力、無功出力以及轉(zhuǎn)速的變化，建立的雙饋風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型面對外部電網(wǎng)無功負(fù)荷變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗(yàn)證雙饋風(fēng)機(jī)矢量控制中無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性；S760)對所述的雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型分別模擬外部電網(wǎng)三相對稱故障和非對稱故障，對有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障狀態(tài)的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓、有功、無功、定子電流、轉(zhuǎn)子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證雙饋風(fēng)機(jī)故障保護(hù)的動態(tài)特性。本發(fā)明的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法的一種較佳的技術(shù)方案，其特征在于所述的DFIG模塊使用可投切Crowbar裝置實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，當(dāng)外界故障使轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器檢測到轉(zhuǎn)子過電流，或者變頻器直流母線過電壓時(shí)，Crowbar裝置中的開關(guān)元件IGBT導(dǎo)通，Crowbar投入工作旁路轉(zhuǎn)子過流，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器觸發(fā)信號閉鎖，雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子繞組直接經(jīng)串聯(lián)電阻Re短路。本發(fā)明的有益效果是1.本發(fā)明的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法，可以建立符合雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組物理特性的詳細(xì)模型，利用該詳細(xì)模型進(jìn)行電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)仿真，可以考察風(fēng)機(jī)在各種故障和工況下的動態(tài)特性。2.本發(fā)明的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法，不但可以模擬雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組的電氣特性，還可以模擬風(fēng)力原動機(jī)的機(jī)械運(yùn)行狀況，進(jìn)行風(fēng)力變化對風(fēng)電場的影響進(jìn)行仿真研究，即能對雙饋機(jī)進(jìn)行詳細(xì)地機(jī)電暫態(tài)仿真，也能進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真，使風(fēng)機(jī)在大規(guī)模電網(wǎng)中的仿真成為可能。


圖1是本發(fā)明雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法的主流程圖；圖2是雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組模型結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是風(fēng)電機(jī)組兩質(zhì)量塊軸系模型示意圖；圖4是風(fēng)電機(jī)組軸系模型的傳遞函數(shù)框圖；圖5是槳距控制系統(tǒng)框圖；圖6是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下DFIG的T型等效電路；圖7是DFIG磁鏈定向矢量控制模型圖；圖8是電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)模型圖；圖9是雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制保護(hù)系統(tǒng)模型圖；圖10是帶有可投切Crowbar的雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的模型圖；圖11是使用風(fēng)電機(jī)組仿真模型建立的風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型圖。
具體實(shí)施例方式為了能更好地理解本發(fā)明的上述技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步地詳細(xì)描述。圖2是雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組模型結(jié)構(gòu)示意圖，風(fēng)電機(jī)組包括由風(fēng)力機(jī)模型110、軸系模型120和槳距控制系統(tǒng)130構(gòu)成的原動機(jī)模塊100，由感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型210和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制保護(hù)系統(tǒng)220構(gòu)成的雙饋風(fēng)電機(jī)組模塊，以及電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)(圖中未表不)。雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組通過其控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能控制發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的無功交換功率、控制風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的有功功率以追蹤風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行點(diǎn)或者在高風(fēng)速情況下限制風(fēng)電機(jī)組出力。上述功能主要通過變速風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制及風(fēng)力機(jī)的槳距角控制實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器220用于控制雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓幅值和相位，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組的有功和無功解耦控制，完成風(fēng)電機(jī)組的最大功率追蹤策略，包含以下各個模塊最大風(fēng)能追蹤模塊221、功率測量模塊222、電壓電流測量模塊223、功率控制器224、電流控制器225以及坐標(biāo)變換模塊226。雙饋風(fēng)電機(jī)組的保護(hù)模型227也包含在雙饋風(fēng)電機(jī)組的模型中。本發(fā)明的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法的主流程圖如圖1所示，包括以下步驟S100)建立風(fēng)力機(jī)模型，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關(guān)系，模擬風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)功率；S200)使用發(fā)電機(jī)質(zhì)塊和風(fēng)力機(jī)質(zhì)塊組成的兩質(zhì)量塊軸系結(jié)構(gòu)，建立風(fēng)機(jī)軸系模型，模擬風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的能量傳遞關(guān)系；S300)建立槳距控制系統(tǒng)模型，使用槳距角控制仿真進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，尋求在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組輸出功率的最大值；模擬風(fēng)速超出額定風(fēng)速時(shí)槳距控制系統(tǒng)的過載保護(hù)功能；S400)根據(jù)雙饋感應(yīng)電機(jī)的方程和磁鏈方程構(gòu)建雙饋異步感應(yīng)電機(jī)(DFIG)的T型等效電路，建立DFIG電氣仿真模型；S500)根據(jù)DFIG電氣仿真模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子的瞬時(shí)電磁功率方程、轉(zhuǎn)子電流與定子電流的關(guān)系和轉(zhuǎn)子電壓方程，建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；S600)使用以上步驟建立的風(fēng)電機(jī)組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型；使用風(fēng)電機(jī)組仿真模型建立的雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型的一個實(shí)施例如圖11所示，風(fēng)電機(jī)組通過WT低壓母線連接到升壓變壓器，升壓后通過出口母線PCC連接到外部電網(wǎng)，設(shè)置風(fēng)電機(jī)組和升壓變壓器、外部電網(wǎng)的參數(shù)，構(gòu)成雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)，就可以進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真、機(jī)電暫態(tài)仿真和故障仿真。對風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型進(jìn)行電磁暫態(tài)仿真可以精確反映電網(wǎng)故障時(shí)風(fēng)機(jī)的動態(tài)性能，但是，大網(wǎng)仿真中若利用電磁暫態(tài)仿真方法則速度較慢，因此需要采用機(jī)電暫態(tài)仿真方法，同時(shí)與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果進(jìn)行比對，驗(yàn)證其正確性。機(jī)電暫態(tài)過程是指電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的變化引起電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械運(yùn)動的變化過程，持續(xù)時(shí)間常常在幾秒到十幾秒。機(jī)電暫態(tài)過程仿真是對電力系統(tǒng)中機(jī)械暫態(tài)過程和電磁暫態(tài)過程的綜合分析研究，計(jì)算步長常常取IOms左右。電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)過程的仿真主要用于分析電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即用來分析當(dāng)電力系統(tǒng)在某一正常運(yùn)行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經(jīng)過一定的時(shí)間后回到原來的運(yùn)行狀態(tài)或過渡到一個新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的問題。主要包括系統(tǒng)受到大擾動后的暫態(tài)穩(wěn)定和受到小擾動后的靜態(tài)穩(wěn)定性倉泛。S700)設(shè)置風(fēng)電機(jī)組仿真模型的初始運(yùn)行工況，設(shè)置毫秒級別的仿真步長，進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真運(yùn)行狀態(tài)；S720)對所述的風(fēng)力機(jī)模型分別施加風(fēng)速負(fù)階躍和風(fēng)速正階躍信號，進(jìn)行風(fēng)速階躍的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的有功出力、轉(zhuǎn)速、風(fēng)功率、風(fēng)能利用效率以及槳距角的響應(yīng)，建立的雙饋風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型面對風(fēng)速變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗(yàn)證最大風(fēng)能追蹤的有效性；風(fēng)速負(fù)階躍仿真工況如下風(fēng)機(jī)初始有功出力4. 5麗，無功出力O.OMvar，滑差+8%，1. Os后風(fēng)速突然減小2m/s，考察風(fēng)機(jī)有功出力、轉(zhuǎn)速以及風(fēng)能利用效率。風(fēng)速正階躍在同樣的初始工況下，風(fēng)速作+2m/s的階躍變化。根據(jù)風(fēng)速躍仿真的結(jié)果分析可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果基本一致。S740)對所述的雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型施加無功功率階躍信號，進(jìn)行無功階躍的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓、有功出力、無功出力以及轉(zhuǎn)速的變化，建立的雙饋風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型面對外部電網(wǎng)無功負(fù)荷變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗(yàn)證雙饋風(fēng)機(jī)矢量控制中無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性；無功階躍響應(yīng)主要驗(yàn)證雙饋風(fēng)機(jī)矢量控制中無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性。仿真工況如下風(fēng)機(jī)初始有功出力4. 5麗，無功出力OMvar，滑差+8%，1. Os后無功功率參考值作O. 9MVar的階躍，考察風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓、有功、無功以及轉(zhuǎn)速的變化。根據(jù)無功躍仿真的結(jié)果分析可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果基本一致。。S760)對所述的雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型分別模擬外部電網(wǎng)三相對稱故障和非對稱故障，對有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障狀態(tài)的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓、有功、無功、定子電流、轉(zhuǎn)子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證雙饋風(fēng)機(jī)故障保護(hù)的動態(tài)特性。I)對稱故障仿真當(dāng)外部電網(wǎng)出現(xiàn)三相對稱故障時(shí)，由于風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓突然下降，再加上轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器矢量控制的作用，轉(zhuǎn)子電流會突然增大導(dǎo)致變頻器過流。同時(shí)短路故障后由于有功無法送出，而電網(wǎng)側(cè)變頻器有功電流不會突變導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)變頻器向直流電容充電，因此還可能引起直流電容過壓，在這種情況下，變頻器必須退出運(yùn)行。這時(shí)，對于有低電壓穿越功能的風(fēng)機(jī)，僅切除變頻器，雙饋機(jī)仍掛網(wǎng)運(yùn)行，而對于無低電壓穿越功能的風(fēng)機(jī)則直接切機(jī)，因此，需要詳細(xì)比較兩者在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)。有低電壓穿越功能對于有低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機(jī)，考察以下幾種工況下的故障動態(tài)特性(I)風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時(shí)機(jī)端電壓降福較小，Crowbar不動作；(2)風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時(shí)機(jī)端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時(shí)間60ms ；(3)風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功2. 8MW,無功OMvar，滑差_10%，故障時(shí)機(jī)端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時(shí)間60ms ；(4)風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時(shí)機(jī)端電壓降幅較大，Crowbar 動作，Crowbar 切除時(shí)間 500ms ；下面逐一介紹以上幾種工況下的機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果(I)風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時(shí)機(jī)端電壓降幅較小，Crowbar不動作；風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)如圖11所示，仿真工況如下風(fēng)機(jī)初始有功出力4. 5MW,無功OMvar，初始滑差+8%，Crowbar切除時(shí)間60ms。Os時(shí)，風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生三相短路故障，接地阻抗0. l+jl.0Q,0. 15s后故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果中沒有大于50Hz的高頻分量，其波形基本上為電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。(2 )風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功4. 5麗，無功OMvar，滑差+8%，故障時(shí)機(jī)端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時(shí)間60ms ;仿真工況風(fēng)機(jī)初始有功出力4. 5麗,無功OMvar,初始滑差+8%，Crowbar切除時(shí)間60ms。Os時(shí)，風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生三相短路故障，接地阻抗O. Ol+jO.1 Ω，0. 15s后故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果是電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。(3)風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功2. 8麗，無功OMvar，滑差_10%，故障時(shí)機(jī)端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時(shí)間60ms ;仿真工況風(fēng)機(jī)初始有功出力2. 8麗,無功OMvar，初始滑差-10%，Crowbar切除時(shí)間60ms。Os時(shí)，風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生三相短路故障，接地阻抗0.01+j0. 1Ω，0. 15s后故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果是電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。(4)風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時(shí)機(jī)端電壓降幅較大,Crowbar動作,Crowbar切除時(shí)間500ms ;仿真工況風(fēng)機(jī)初始有功4. 5MW,無功OMvar,初始滑差+8%，Crowbar切除時(shí)間整定值500ms。Os時(shí)，風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生三相短路故障，短路阻抗0.01+j0. 1Ω，0.· 15s時(shí)故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果是電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。無低電壓穿越功能(I)機(jī)端電壓降幅較大，風(fēng)機(jī)切除。仿真工況風(fēng)機(jī)初始有功4. 5麗，無功OMvar，初始滑差+8%，三相短路故障接地阻抗0.01+j0. 1Ω，0. 15s故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果完全一致。(2)機(jī)端電壓降幅較小，風(fēng)機(jī)不切除。仿真工況風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)同前，三相短路故障接地阻抗0. l+jl.0Q,0. 15s故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果是電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。2)非對稱故障仿真三相不對稱故障時(shí)，風(fēng)機(jī)同樣會因?yàn)闄C(jī)端電壓的突然降低而導(dǎo)致變頻器過流或直流電容過壓，同時(shí)，還可能由于三相不平衡過于嚴(yán)重而導(dǎo)致變頻器三相不對稱保護(hù)動作，因此，有必要分析比較有、無低電壓穿越的風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)不對稱故障下的動態(tài)響應(yīng)。有低電壓穿越功能(I)單相故障機(jī)端電壓降幅較小，Crowbar不動作。仿真工況風(fēng)機(jī)初始有功4. 5MW,無功OMvar，初始滑差+8%，Crowbar切除時(shí)間60ms，Os時(shí)風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生a相接地故障，短路阻抗0.2+」2.0Ω，0. 15s故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果是電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。(2)相間故障機(jī)端電壓降幅較小，Crowbar不動作。仿真工況風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)以及Crowbar參數(shù)同前，Os時(shí)，風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生be相間短路故障，短路阻抗0. 35+j3. 5Ω，0. 15s故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果是電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。(3)單相故障機(jī)端電壓降幅較大，Crowbar動作。仿真工況風(fēng)機(jī)初始運(yùn)行點(diǎn)以及Crowbar參數(shù)同前,單相接地阻抗0. 01+j0.1 Ω ,0. 15s故障清除。不對稱故障的機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果略有不同，是因?yàn)檫@里考慮了風(fēng)機(jī)的三相不對稱保護(hù)，因此Crowbar動作次數(shù)比起僅考慮變頻器過流保護(hù)時(shí)多,O. 18s時(shí)Crowbar才完全切除,故障恢復(fù)過程中風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)中吸收較多無功。(4)相間故障機(jī)端電壓降幅較大，Crowbar動作。仿真工況風(fēng)機(jī)初始工況以及Crowbar參數(shù)同前，Os時(shí)，be相間短路阻抗O. 01+j0.1 Ω ,0. 15s故障清除。與單相接地故障類似，故障穿越過程中Crowbar投切3次，風(fēng)機(jī)從電網(wǎng)中吸收一定無功。無低電壓穿越功能(I)單相故障機(jī)端電壓降幅較小，風(fēng)機(jī)不切除。仿真工況風(fēng)機(jī)初始有功4. 5MW，無功OMvar，初始滑差+8%，Os時(shí)，風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生發(fā)生a相單相接地故障，短路阻抗0. 2+j2.0Q,0. 15s時(shí)故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果基本上是電磁暫態(tài)仿真結(jié)果的平均值曲線。(2)相間故障機(jī)端電壓降幅較大，風(fēng)機(jī)切除。仿真工況風(fēng)機(jī)初始有功4. 5MW，無功OMvar,初始滑差+8%，Os時(shí)，風(fēng)機(jī)升壓變出口母線PCC發(fā)生發(fā)生be相間短路故障，短路阻抗0. 01+J0. ΙΩ,Ο. 15s故障清除。與相同工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果比較可知，機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果與電磁暫態(tài)仿真結(jié)果完全一致。根據(jù)本發(fā)明的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法的一個實(shí)施例，步驟S100根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法，所述的風(fēng)電機(jī)組包括由風(fēng)力機(jī)模型、軸系模型和槳距控制系統(tǒng)構(gòu)成的原動機(jī)模型，由感應(yīng)發(fā)電機(jī)模型和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成的雙饋風(fēng)電機(jī)組模型，以及電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)，所述機(jī)電暫態(tài)仿真方法包括以下步驟S100)建立風(fēng)力機(jī)模型，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關(guān)系，模擬風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)功率；S200)使用發(fā)電機(jī)質(zhì)塊和風(fēng)力機(jī)質(zhì)塊組成的兩質(zhì)量塊軸系結(jié)構(gòu)，建立風(fēng)機(jī)軸系模型，模擬風(fēng)力機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的能量傳遞關(guān)系；S300)建立槳距控制系統(tǒng)模型，使用槳距角控制仿真進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組功率的尋優(yōu)，尋求在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機(jī)組輸出功率的最大值；模擬風(fēng)速超出額定風(fēng)速時(shí)槳距控制系統(tǒng)的過載保護(hù)功能；S400)根據(jù)雙饋感應(yīng)電機(jī)的方程和磁鏈方程構(gòu)建雙饋異步感應(yīng)電機(jī)的T型等效電路，建立DFIG電氣仿真模型；S500)根據(jù)DFIG電氣仿真模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)定子的瞬時(shí)電磁功率方程、轉(zhuǎn)子電流與定子電流的關(guān)系和轉(zhuǎn)子電壓方程，建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；S600)使用以上步驟建立的風(fēng)電機(jī)組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型；S700 )設(shè)置風(fēng)電機(jī)組仿真模型的初始運(yùn)行工況，設(shè)置毫秒級別的仿真步長，進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)仿真運(yùn)行狀態(tài)；S720)對所述的風(fēng)力機(jī)模型分別施加風(fēng)速負(fù)階躍和風(fēng)速正階躍信號，進(jìn)行風(fēng)速階躍的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的有功出力、轉(zhuǎn)速、風(fēng)功率、風(fēng)能利用效率以及槳距角的響應(yīng)，建立的雙饋風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型面對風(fēng)速變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗(yàn)證最大風(fēng)能追蹤的有效性；S740)對所述的雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型施加無功功率階躍信號，進(jìn)行無功階躍的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓、有功出力、無功出力以及轉(zhuǎn)速的變化，建立的雙饋風(fēng)機(jī)詳細(xì)模型面對外部電網(wǎng)無功負(fù)荷變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗(yàn)證雙饋風(fēng)機(jī)矢量控制中無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性；S760)對所述的雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型分別模擬外部電網(wǎng)三相對稱故障和非對稱故障，對有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機(jī)進(jìn)行故障狀態(tài)的機(jī)電暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機(jī)組的機(jī)端電壓、有功、無功、定子電流、轉(zhuǎn)子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證雙饋風(fēng)機(jī)故障保護(hù)的動態(tài)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法，其特征在于所述的DFIG模塊使用可投切Crowbar裝置實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能,當(dāng)外界故障使轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器檢測到轉(zhuǎn)子過電流，或者變頻器直流母線過電壓時(shí)，Crowbar裝置中的開關(guān)元件IGBT導(dǎo)通，Crowbar投入工作旁路轉(zhuǎn)子過流，同時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器觸發(fā)信號閉鎖，雙饋機(jī)轉(zhuǎn)子繞組直接經(jīng)串聯(lián)電阻Re短路。
全文摘要
一種雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真方法，涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種使用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行雙饋風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的建模分析的方法，包括以下步驟建立風(fēng)功率模型模擬風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)功率；建立風(fēng)機(jī)軸系模型；建立槳距控制系統(tǒng)模型；建立雙饋異步感應(yīng)電機(jī)電氣仿真模型；建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；使用風(fēng)電機(jī)組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機(jī)單機(jī)無窮大系統(tǒng)模型；設(shè)置風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的仿真運(yùn)行工況和故障狀態(tài)，進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真和故障仿真，本發(fā)明建立符合雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組物理特性的詳細(xì)模型，進(jìn)行電磁暫態(tài)和機(jī)電暫態(tài)仿真，可以考察風(fēng)機(jī)在各種故障和工況下的動態(tài)特性，使風(fēng)機(jī)在大規(guī)模電網(wǎng)中的仿真成為可能。
文檔編號G06F17/50GK103034761SQ201210533440
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者馮煜堯, 楊增輝, 郭強(qiáng) 申請人:上海市電力公司, 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司, 國家電網(wǎng)公司