一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法技术

一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，可以模拟永磁直驱风电机组的输出特性，适用于大规模风电场接入系统的分析，为多风机系统提供了模型支撑。本发明专利技术利用PSCAD仿真工具平台构建了所述风电机组简化模型，通过比较电磁全阶模型和机电暂态简化模型在恒定风速下的仿真结果，采用所述简化模型由于不计及变流器中晶闸管的通断，省略了电力电子开关过程的模拟，仿真时间大为缩短。通过分析计算精度和仿真时耗，该简化模型在保证一定的计算精度下，可以大幅提高计算速度，当风机台数增加时，仿真效率提高更加明显。最后，在电网故障情况下通过跨仿真平台PSCAD和PSASP具体的量化分析，进一步验证了模型的正确性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，可以模拟永磁直驱风电机组的输出特性，适用于大规模风电场接入系统的分析，为多风机系统提供了模型支撑。本专利技术利用PSCAD仿真工具平台构建了所述风电机组简化模型，通过比较电磁全阶模型和机电暂态简化模型在恒定风速下的仿真结果，采用所述简化模型由于不计及变流器中晶闸管的通断，省略了电力电子开关过程的模拟，仿真时间大为缩短。通过分析计算精度和仿真时耗，该简化模型在保证一定的计算精度下，可以大幅提高计算速度，当风机台数增加时，仿真效率提高更加明显。最后，在电网故障情况下通过跨仿真平台PSCAD和PSASP具体的量化分析，进一步验证了模型的正确性。【专利说明】
本专利技术涉及，属新能源发电并网
。
技术介绍
风力发电是目前发展最成熟的新能源发电技术，随着风电装机的越来越大，风电并网对系统产生很大的影响。近年来尤其是永磁直驱风电机组因其维护成本低、噪声小、效率高，具有较好的低电压穿越能力、运行可靠而备受青睐，因此研究永磁直驱风电在电网故障下的输出特性成为热点，大多数文献研究的是电磁暂态模型，包括风力机、传动链、发电机、变流器和控制系统的电磁全阶模型，主要研究对风机的控制，可以精确反映风电机组的运行特性，但是其求解费时，仿真计算工作量大，数值收敛性差，用于大规模风电场接入系统影响的时候，较为复杂，计算速度慢。风电模型的仿真精度和仿真速度之间存在矛盾，一般需要根据不同的研究需要在两者之间取得某一程度的折中。
技术实现思路
本专利技术的目的是，为了克服上述技术中存在的问题，本专利技术提供了，在保证一定的计算精度下，可以大幅提高计算速度，且当风电机组增加时，速度提高的更加明显，这样就适合大规模的电力系统的计算。 实现本专利技术的技术方案是，首先详细的研究了直驱风电机组通用模型，并在分析PMSG原理的基础上，针对其中的发电机-变流器模型，提出了一种基于可控电流源的简化方法，将发电机-变流器模型等值为代数运算的可控电流源。 本专利技术方法将直驱风电机组通用模型中发电机-变流器模型等值为代数运算的可控电流源，模拟永磁直驱风电机组的输出特性，通过在PSCAD仿真环境下搭建模型；所述模型包括发电机/变流器模型、电气控制模型和风力机及桨距控制模型。 本专利技术提出的简化方法，在PSCAD仿真软件平台中搭建了对应的简化模型，在此平台上比较电磁全阶模型和机电暂态简化模型在恒定风速下的仿真结果，采用机电模型由于不计及变流器中晶闸管的通断，省略了电力电子开关过程的模拟，仿真时间大为缩短，在相同的仿真步长下，简化模型比全阶模型计算时间明显缩短，同等简化程度的模型在机组台数增加时，仿真效率提高明显。 本专利技术研究的直驱风电机组通用模型根据GE公司的风电机组进行建模，主要用于大型风电场的正序相量时域仿真分析。完整的直驱风机模型包括:发电机/变流器模型(WT3G)、电气控制模型(WT3E)、风力机及桨距控制模型(WT3W)，永磁直驱风机整体框图如图1所示。 其中，Pgen, Qgen为发电机输出有功功率和无功功率，Ipcmd> E" qcmd为控制有功的电流和无功的电压指令，Pord> Qcffld为有功和无功功率指令。电气控制根据机端电压、发电机转速偏差和Pgm、Qgen计算生成I_d、E " qcffld, Pord, Qcffld, I_d、E " qcffld指令输入发电机和变流器，同时根据机端电压计算输出Pgm、Qgm，Pord>Qcffld与发电机转速偏差输入风力机计算生成桨距角，该桨距角与发电机输出的Pgm共同输入风力机计算生成发电机转速及其偏差。 本专利技术中发电机和变流器等效模型是风电机组和电力系统的接口，与传统的发电机不同，发电机一变流器模型等值为代数运算的可控电流源，其控制框图如图2所示。由于变流器的电气控制响应速度快，等值了励磁系统动态特性。发电机模型从系统中读取母线电压Vtem，根据电气控制部分提供的控制变量，包括控制无功的励磁电压指令E"qc;md和控制有功的电流指令I_d，计算注入并网点的电流I ;有功电流指令Ipaml经过一阶惯性环节1/(1+0.02s)得到受控电流源电流有功电流分量Ip，有功电流分量与机端电压Vtenil相乘得到有功功率P，励磁电压E" qc;md经过一阶惯性环节I/(1+0.02s)再根据无功计算公式(E^q-Vterm)VtermA"得到无功功率Q，其中E" q为机端电动势，X"是发电机等效次暂态电抗；根据复电流计算公式I= ((P+jQ)/Vtem)*得到注入系统的可控电流源I。与详细直驱风电机组模型相比，该部分将PMSG七阶模型等效为二阶可控电流源，并省略了变流器，忽略电磁暂态过程，保留机电特性，大大节省了计算时间和计算量，计算速度大幅度提高。 本专利技术中电气控制模型模拟了风力发电机输出功率控制部分，包括有功控制和无功控制两个环节，控制器监测发电机无功功率Qgm和端电压vtem，计算励磁电压E " qcffld和有功电流指令Ud。为了调节为Qgm给定值，对Vtem进行闭环控制，得到Qcmd，与Qgm形成闭环负反馈控制，经过一级积分加上限幅环节，与Vtmi形成负反馈控制，最后经过第二个积分外加限幅环节，得到E" ，有功电流命令Ipcmd由风力机模型输出的POTd除以发电机端电压Vterm得到。电气控制模型控制框图如图3和图4所示，图3为风力发电机无功控制环节，图4为风力发电机有功控制环节。 本专利技术风力机模型包括了桨距角控制及转矩控制，最大风能追踪(MPPT)得到发电机转速指令，经过惯性环节，与发电机转速作差，转速偏差经过转矩控制(PI)，而后乘以发电机转速，经过惯性环节计算生成有功指令，转速偏差还参与桨距角控制，经过PI，和转矩角补偿相加，得到桨距角。风力机模型控制框图如图5所示。 本专利技术的有益效果是，本专利技术提出的，将直驱风电机组详细模型中的发电机-变流器模型等值为代数运算的可控电流源，模拟永磁直驱风电机组的输出特性，通过在PSCAD仿真环境下搭建模型，通过模拟三相电压跌落至20 %，风电机组简化模型在故障时运行特性趋势基本相同，其具体表现为故障期间有功降低，转速、短路电流上升，故障恢复时有功、转速等恢复原始状态，进一步验证了简化模型的正确性。在研究风电场并网时，采用机电暂态模型可大大缩短仿真时间，提高仿真效率。 【专利附图】【附图说明】 图1为永磁直驱风机整体框图； 图2为发电机一变流器模型控制框图； 图3为电气控制模型控制框图(风力发电机无功控制环节)； 图4为电气控制模型控制框图(风力发电机有功控制环节)； 图5为风力机模型控制框图； 图6为直驱风机仿真测试系统； 图7为发电机一变流器模型； 图8为电器控制模型(模拟有功的解耦控制)； 图9为电器控制模型(模拟无功的解耦控制)； 图10为风力机及控制模型； 图1 Ia?I Ib为三相短路机电模型运行特性机端电压有效值对比图； 图12a?12b为三相短路机电模型运行特性转子转速波形对比图； 图13a?13b为三相短路机电模型运行特性A相输出电流有效值对比图； 图14a?14b为三相短路机电模型运行特性输出有功和无功波形对比图； 其中:a图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法，其特征在于，所述方法将直驱风电机组通用模型中发电机‑变流器模型等值为代数运算的可控电流源，模拟永磁直驱风电机组的输出特性，通过在PSCAD仿真环境下搭建模型；所述模型包括发电机/变流器模型、电气控制模型和风力机及桨距控制模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨越，孙旻，曹蓓，何伟，张妍，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网江西省电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11