專利名稱：直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法及機(jī)電暫態(tài)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模方法及暫態(tài)模型，具體涉及一種直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法及機(jī)電暫態(tài)模型。
背景技術(shù)：
應(yīng)用最廣泛的兩種類型的風(fēng)機(jī)為雙饋式風(fēng)機(jī)和直驅(qū)式風(fēng)機(jī)。與雙饋式風(fēng)機(jī)相比，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)不僅具有更能適應(yīng)低風(fēng)速、噪聲小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行效率高、后續(xù)維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且直驅(qū)式風(fēng)機(jī)電機(jī)側(cè)變流器可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤控制、電網(wǎng)側(cè)變流器可控制直流電壓恒定、直驅(qū)式風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與并網(wǎng)頻率沒有關(guān)系、直流卸荷電路可有效隔離電網(wǎng)故障對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)的影響等特點(diǎn)，因此直驅(qū)式風(fēng)機(jī)在全國風(fēng)電場(chǎng)中所占的比重越來越高。直驅(qū)式風(fēng)機(jī)根據(jù)發(fā)電機(jī)側(cè)整流器的不同，分為兩種典型的結(jié)構(gòu)，不可控整流+多重Boost+PWM逆變器結(jié)構(gòu)和背靠背雙PWM變流器結(jié)構(gòu)。電機(jī)側(cè)選用不可控整流+多重Boost通常是考慮低價(jià)格和低損耗，但是它不能控制電流的相位，不能供給發(fā)電機(jī)所需要的無功功率。電機(jī)側(cè)選用PWM變流器可以很好地控制永磁同步發(fā)電機(jī)，得到恒定的功率因數(shù)，諧波含量低，能量雙向流動(dòng)，恒定的直流電壓等，但成本較高，損耗較大。目前大量文獻(xiàn)研究了直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)模型、軸系模型、永磁同步電機(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(gè)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(chǎng)接入系統(tǒng)影響分析計(jì)算時(shí)，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(duì)直驅(qū)式風(fēng)機(jī)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(shí)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)機(jī)的電磁暫態(tài)模型，在不影響風(fēng)機(jī)外特性的前提下，簡(jiǎn)化風(fēng)機(jī)及控制器電磁暫態(tài)模型快動(dòng)態(tài)的過程，研究剔除影響收斂性的風(fēng)機(jī)電耦合過程。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法及機(jī)電暫態(tài)模型，本發(fā)明從實(shí)際的物理裝置出發(fā)，通過合理的假設(shè)，對(duì)直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，同時(shí)考慮了變頻器直流電壓的動(dòng)態(tài)過程和低電壓穿越特性。仿真結(jié)果表明，該模型仿真曲線和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越實(shí)測(cè)曲線一致，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，用于分析大規(guī)模直驅(qū)式風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其改進(jìn)之處在于，所述建模方法包括下述步驟:A、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)模型；B、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直流電壓及卸荷電路模型；C、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器及控制系統(tǒng)模型；
D、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型。 其中，所述步驟A中，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)模型包括風(fēng)速模型和風(fēng)能-功率模型。其中，將所述風(fēng)速模型中的風(fēng)速分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)噪聲風(fēng)四個(gè)分量；所述基本風(fēng)為常量，數(shù)值保持不變。其中，所述陣風(fēng)用于描述風(fēng)速突變的特性；在風(fēng)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真中，考察風(fēng)電系統(tǒng)在風(fēng)速擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性；其數(shù)學(xué)表達(dá)如下式所示:
權(quán)利要求
1.一種直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述建模方法包括下述步驟: A、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)模型； B、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直流電壓及卸荷電路模型； C、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器及控制系統(tǒng)模型； D、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型。
2.按權(quán)利要求1所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述步驟A中，所述風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)模型包括風(fēng)速模型和風(fēng)能-功率模型。
3.按權(quán)利要求2所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，將所述風(fēng)速模型中的風(fēng)速分為基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)、隨機(jī)噪聲風(fēng)四個(gè)分量；所述基本風(fēng)為常量，數(shù)值保持不變。
4.按權(quán)利要求3所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述陣風(fēng)用于描述風(fēng)速突變的特性；在風(fēng)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真中，考察風(fēng)電系統(tǒng)在風(fēng)速擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性；其數(shù)學(xué)表達(dá)如下式所示:
5.按權(quán)利要求3所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述漸變風(fēng)用來描述風(fēng)速的漸變特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示:
6.按權(quán)利要求3所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述隨機(jī)噪聲風(fēng)用來反映風(fēng)速的隨機(jī)特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下式所示:
7.按權(quán)利要求2所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)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)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)速將直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組劃分為四個(gè)運(yùn)行區(qū)域:啟動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、轉(zhuǎn)速恒定區(qū)、功率恒定區(qū)。
8.按權(quán)利要求7所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述啟動(dòng)區(qū):當(dāng)風(fēng)速小于切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī)；當(dāng)風(fēng)速大于或等于切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)電機(jī)組以最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行； 最大風(fēng)能追蹤區(qū)域:當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在啟動(dòng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速之間，由槳距角控制器、發(fā)電機(jī)及變流器控制系統(tǒng)一起控制直驅(qū)式同步發(fā)電機(jī)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)以最優(yōu)轉(zhuǎn)速運(yùn)行； 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(shí)，保持風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行； 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(shí)，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)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)。
9.按權(quán)利要求1所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述步驟B中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直流電壓動(dòng)態(tài)方程用下式表示:
10.按權(quán)利要求9所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，占空比d表達(dá)式如下式所示:
11.按權(quán)利要求1所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述步驟C中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器及控制系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)模型包括有功控制模型、無功控制模型和變流器模型。
12.按權(quán)利要求11所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，在直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，有功控制模型采用恒直流電壓控制，用于保證有功功率的實(shí)時(shí)平衡；在電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓降低時(shí)，用于有功功率模型限制有功電流，保護(hù)變流器設(shè)備。
13.按權(quán)利要求12所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述有功控制模型表述為:將直流電壓與參考值的差值Utk(S)-Udrarf作為輸入，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)和有功電流限幅環(huán)節(jié)，輸出有功電流參考值I_f(s)。
14.按權(quán)利要求13所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述有功電流限幅環(huán)節(jié)包括固定有功電流限制和動(dòng)態(tài)有功電流限制； 所述固定有功電流限制部分是控制有功電流小于或等于變流器的最大有功電流值Itpax ;所述動(dòng)態(tài)有功電流限制部分是根據(jù)直驅(qū)風(fēng)機(jī)低電壓穿越控制模型輸出信號(hào)，動(dòng)態(tài)設(shè)置有功電流的限值Ivlim。；所述有功電流的限值Ivlinrc取值如下:
15.按權(quán)利要求11所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述無功控制模型用于控制:無功功率參考值QMf、恒定功率因數(shù)和按電壓跌落程度成比例控制無功功率。
16.按權(quán)利要求15所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，恒定功率因數(shù)控制是根據(jù)設(shè)置的功率因數(shù)和量測(cè)的有功功率計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率； 按電壓跌落程序成比例控制無功功率是按照公式Q = (1-Vtem)*k*IN計(jì)算的；其中，Vtem表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)端三相電壓的最小值；k表示比例系數(shù)；In是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定電流值。
17.按權(quán)利要求12所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述變流器模型包括一階滯后環(huán)節(jié)、變流器電流控制環(huán)節(jié)和機(jī)網(wǎng)接口。
18.按權(quán)利要求17所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述一階滯后環(huán)節(jié)是模擬變流器有功、無功解耦控制的時(shí)間延遲；Tp，Tq分別是有功、無功滯后環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)； 變流器電流控制環(huán)節(jié)用于防止變流器過電流；通過設(shè)置有功/無功電流優(yōu)先的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)有功電流優(yōu)先或者無功電流優(yōu)先的控制，Iqmx是變流器電流控制輸出的無功電流最大值；設(shè)置有功電流優(yōu)先，首先保證有功電流的輸出，無功電流的最大值J9wc =ψ:-!2ρ。
Ipmx是變流器電流控制輸出的有功電流最大值；設(shè)置無功電流優(yōu)先，首先保證無功電流的輸出，有功電流的最大值/; 其中:1 是變流器允許通過的最大電流值； 機(jī)網(wǎng)接口將風(fēng)力發(fā)電機(jī)注入電流從dq坐標(biāo)系變換到電力系統(tǒng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系；變換方法如下表示:
19.按權(quán)利要求1所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述步驟D中，低電壓穿越控制模型用于檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)是否進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，為網(wǎng)側(cè)變流器有功控制模型提供控制信號(hào)；低電壓穿越控制模型輸入信號(hào)是機(jī)端a，b, c三相電壓幅值，輸出控制信號(hào)是叫，tm2, tm3。
20.按權(quán)利要求19所述的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法，其特征在于，所述低電壓穿越控制模型的控制策略如下: 蝴=I表不風(fēng)力發(fā)電機(jī)處于低電壓的時(shí)間段；機(jī)端任一相電壓均低于Vlvpt ;在低電壓段內(nèi)變流器采取有功電流控制； tm2 = I表示機(jī)端電壓恢復(fù)后的短暫時(shí)間段，在這一時(shí)間段內(nèi)變流器恢復(fù)有功功率；tm3 = I表示恢復(fù)有功功率的時(shí)間段；此時(shí)間段內(nèi)變流器要恢復(fù)有功功率的送出，同時(shí)限制功率的恢復(fù)速度。
21.一種直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)模型，其特征在于，所述機(jī)電暫態(tài)模型包括: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)模型:模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)變流器最大功率追蹤、額定轉(zhuǎn)速控制及槳距角控制系統(tǒng)的特性； 直流電壓及卸荷電路模型:直流電壓模型模擬直流電壓的動(dòng)態(tài)過程；卸荷電路模型模擬低電壓穿越過程中卸荷電阻動(dòng)態(tài)過程； 網(wǎng)側(cè)變流器及控制系統(tǒng)模型:包括有功控制模型、無功控制模型及變流器模型；有功控制模型控制直流側(cè)電壓恒定，同時(shí)模擬在低電壓穿越過程中限制有功電流及功率恢復(fù)的動(dòng)態(tài)過程；無功控制模型控制風(fēng)機(jī)發(fā)出的無功功率；變流器模型模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)逆變器動(dòng)態(tài)調(diào)制特性； 低電壓穿越控制模型:用于檢測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越，為網(wǎng)側(cè)變流器有功控制模型提供低電壓穿越控制信號(hào)； 所述網(wǎng)側(cè)變流器及控制系統(tǒng)模型通過變壓器接入電網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的建模方法及暫態(tài)模型，具體涉及一種直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)電暫態(tài)建模方法及機(jī)電暫態(tài)模型。建模方法包括下述步驟A、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)側(cè)模型；B、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組直流電壓及卸荷電路模型；C、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器及控制系統(tǒng)模型；D、構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越控制模型。本發(fā)明從實(shí)際的物理裝置出發(fā)，通過合理的假設(shè)，對(duì)直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，同時(shí)考慮了變頻器直流電壓的動(dòng)態(tài)過程和低電壓穿越特性。仿真結(jié)果表明，該模型仿真曲線和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越實(shí)測(cè)曲線一致，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，用于分析大規(guī)模直驅(qū)式風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103094921SQ20131000296
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者黃永寧, 張爽, 安寧, 訾鵬, 鄭偉杰, 李蒙, 焦龍, 趙曉東, 張星, 胡曉波, 田蓓, 劉敏, 梁劍, 楊雪紅, 孫麗香, 戴紅陽 申請(qǐng)人:寧夏電力公司電力科學(xué)研究院, 中國電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司