双馈变速恒频风电机组系统电磁暂态仿真方法

摘要

一种双馈变速恒频风电机组系统电磁暂态仿真方法，涉及风力发电系统，尤其涉及一种使用计算机程序进行双馈风电机组系统的建模分析的方法，包括以下步骤：建立风功率模型模拟风力机吸收的风功率；建立风机轴系模型；建立桨距控制系统模型；建立双馈异步感应电机电气仿真模型；建立电网侧变频器和转子侧变频器控制器模型；使用风电机组仿真模型，建立双馈风机单机无穷大系统模型；设置风电机组系统的仿真运行工况和故障状态，进行电磁暂态仿真，验证保护装置整定值的合理性。本发明建立符合双馈变速恒频风电机组物理特性的详细模型，进行电磁暂态和机电暂态仿真，可以考察风机在各种故障和工况下的动态特性，使风机在大规模电网中的仿真成为可能。

主权项

一种双馈变速恒频风电机组系统电磁暂态仿真方法，所述的风电机组包括由风力机模型、轴系模型和桨距控制系统构成的原动机模型，由感应发电机模型和转子侧变频器控制保护系统构成的双馈风电机组模型，以及电网侧变频器控制系统，所述电磁暂态仿真方法包括以下步骤：S100)建立风力机模型，根据风速、风能转换效率与叶尖速比和叶片浆距角的关系，模拟风力机吸收的风功率；S200)使用发电机质块和风力机质块组成的两质量块轴系结构，建立风机轴系模型，模拟风力机机械转矩与发电机电磁转矩的能量传递关系；S300)建立桨距控制系统模型，使用桨距角控制仿真进行风电机组功率的寻优，寻求在给定风速下使风电机组输出功率的最大值；模拟风速超出额定风速时桨距控制系统的过载保护功能；S400)根据双馈感应电机的电磁方程和磁链方程构建双馈异步感应电机的T型等效电路，建立DFIG电气仿真模型；其中，所述的双馈感应电机的电磁方程为$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=-\frac{d{\psi }_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}+{\omega }_1{\psi }_{\mathrm{sq}}-R_s{i}_{\mathrm{sd}}\\ u_{\mathrm{sq}}=-\frac{d{\psi }_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}-{\omega }_1{\psi }_{\mathrm{sd}}-R_s{i}_{\mathrm{sq}}\\ u_{\mathrm{rd}}=\frac{d{\psi }_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}-{\omega }_s{\psi }_{\mathrm{rq}}+R_r{i}_{\mathrm{rd}}\\ i_{\mathrm{rq}}=\frac{d{\psi }_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}+{\omega }_s{\psi }_{\mathrm{rd}}+R_r{i}_{\mathrm{rq}}\end{array}\right.---\left(3\right),$所述的磁链方程为$\left\{\begin{array}{c}{\psi }_{\mathrm{sd}}=L_s{i}_{\mathrm{sd}}-L_m{i}_{\mathrm{rd}}\\ {\psi }_{\mathrm{sq}}=L_s{i}_{\mathrm{sq}}-L_m{i}_{\mathrm{rq}}\\ {\psi }_{\mathrm{rd}}=-L_m{i}_{\mathrm{sd}}+L_r{i}_{\mathrm{rd}}\\ {\psi }_{\mathrm{rq}}=-L_m{i}_{\mathrm{sq}}+L_r{i}_{\mathrm{rq}}\end{array}\right.---\left(4\right);$其中，u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分别为定子绕组和转子绕组电压的d轴和q轴分量；R_s和R_r分别为定子绕组和转子绕组相电阻；i_sd、i_sq、i_rd.i_rq,分别为定子绕组和转子绕组电流的d轴和q轴分量，ω₁为同步角速度，ω_s为转差角速度，ψ_sd、ψ_sq、ψ_rd和ψ_rq为定子和转子d轴和q轴的磁链，L_s＝L_m+L_σs，L_r＝L_m+L_σr，为定、转子电感，L_σs、L_σr、L_m为定、转子漏感和互感；S500)根据DFIG电气仿真模型双馈感应发电机定子的瞬时电磁功率方程、转子电流与定子电流的关系方程和转子电压方程，建立电网侧变频器和转子侧变频器控制器模型；其中，所述的瞬时电磁功率方程为$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sd}}+u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sq}})=-\frac{3}{2}{U}_1{i}_{\mathrm{sq}}\\ Q=\frac{3}{2}(u_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{sd}}-u_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{sq}})=-\frac{3}{2}{U}_1{i}_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.---\left(5\right),$所述的转子电流与定子电流的关系方程为$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{rd}}=\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sd}}-\frac{\psi }{L_m}\\ i_{\mathrm{rq}}=\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}}\end{array}\right.---\left(6\right),$所述的转子电压方程为$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rd}}=R_r{i}_{\mathrm{rd}}+{\mathrm{\sigma L}}_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}-{\omega }_s{\psi }_{\mathrm{rq}}+\frac{L_m}{L_s}(u_{\mathrm{sd}}-R_s{i}_{\mathrm{sd}})\\ u_{\mathrm{rq}}=R_r{i}_{\mathrm{rq}}+\sigma L_r\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}+{\omega }_s{\psi }_{\mathrm{rd}}+\frac{L_m}{L_s}(u_{\mathrm{sq}}-R_s{i}_{\mathrm{sq}}-{\omega }_1{\psi }_{\mathrm{sd}})\end{array}\right.---\left(7\right);$S600)使用以上步骤建立的风电机组仿真模型，建立双馈风机单机无穷大系统模型；S700)设置风电机组仿真模型的初始运行工况，设置微秒级别的仿真步长，进入风电机组系统的电磁暂态仿真运行状态；S720)对所述的风力机模型分别施加风速负阶跃和风速正阶跃信号，进行风速阶跃的电磁暂态仿真，分析风电机组的有功出力、转速、风功率、风能利用效率以及桨距角的响应，建立的双馈风机详细模型面对风速变化的动态响应特性，验证最大风能追踪的有效性；S740)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型施加无功阶跃信号，进行无功阶跃的电磁暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功出力、无功出力以及转速的变化，建立的双馈风机详细模型面对外部电网无功负荷变化的动态响应特性，验证双馈风机矢量控制中无功控制环节的动态特性；S760)对所述的双馈风机单机无穷大系统模型分别模拟外部电网三相对称故障和非对称故障，对有、无低电压穿越功能的双馈异步风机进行故障状态的电磁暂态仿真，分析风电机组的机端电压、有功、无功、定子电流、转子电流波形，比较有、无低电压穿越功能的双馈异步风机在电网故障下的动态响应，验证双馈风机故障保护的动态特性。