基于自适应模式切换的双馈风机数字物理混合仿真新方法技术

一种基于自适应模式切换的双馈风机数字物理混合仿真新方法，属于新能源发电技术领域。本发明专利技术的目的是提出了利用小波神经网络时间序列预测算法对延时（包括设备延时及计算延时）进行补偿策略的基于自适应模式切换的双馈风机数字物理混合仿真新方法。本发明专利技术步骤是：设计接口及其开关判据，动态阻抗实时匹配及延时补偿，利用Morlet小波作为神尽元激励函数，最后输出学习结果，完成延时补偿。本发明专利技术所提新型接口算法解决了数字物理混合仿真中，因风速波动造成传统接口对电流谐波造成放大影响的问题，在面对励磁冲击电流的影响，接口稳定性和精确性均表现良好，能够精确模拟双馈风机接入对交流电网的影响。为实现风机并网系统数字物理混合仿真提供了技术支撑，具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应模式切换的双馈风机数字物理混合仿真新方法
本专利技术属于新能源发电

技术介绍
风能是一种可再生、无污染且储量巨大的清洁资源，全球范围内一年产生的风能相当于耗煤所产生能量的一千多倍。随着风力发电系统日趋庞大，风机并网仿真技术逐渐成为风力发电系统的重要部分之一。在风机的动态过程中，由于定子电压及磁链的急剧变化，采用传统忽略定子磁链变化的简化风机模型无法达到精确控制的效果；动态物理模拟仿真则可以实现双馈风机并网系统特性的真实模拟，但由于实验成本等因素的限制，无法对整体风机组并网进行等效模拟。数字物理混合仿真，又称功率硬件在环(powerhardware-in-the-loop，PHIL)仿真，结合了实时数字物理仿真和动态物理模拟仿真的优点，不仅能够直观地反映双馈风机的并网运行特性，也可以对其动态过程进行设计分析，逐渐成为研究风机并网仿真的新方法。接口算法是解决PHIL仿真系统稳定性和精确性问题的关键技术，理想变压器模型(idealtransformermodel，ITM)是PHIL仿真中较为常用的接口算法，其物理仿真系统具有较高的仿真精度，但数字仿真系统的精确性相对较差，且接口稳定性受限于数字侧等效阻抗和物理侧等效阻抗的大小关系，容易失稳。阻抗实时匹配的阻尼阻抗法(dampingimpedancemethod，DIM)具有较高的稳定裕度，且数字侧仿真结果几乎不受扰动和延时的影响，精确性要优于其他接口算法，但由其波特图频谱分析可以得知在受到电流冲击等扰动时会放大谐波，且在阻抗匹配的过程中需要实时采集并传输风机转速，然而由于I/O接口等设备及计算延时必然会造成等效阻抗延时的匹配，大幅降低接口精确性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出基于自适应模式切换以及小波神经网络时间序列预测延时补偿的双馈风机数字物理混合仿真新方法。本专利技术步骤是：(1)设计功率接口及其开关判据在功率接口数字侧添加接地滤波器Zk，在风机起动以及并网等动态过程中保持开关闭合，感性滤波器接入电路；在风机达到稳态运行后开关断开，滤波器切离功率接口。对风机定子三相电流进行快速傅里叶变换，提取电流中的非周期分量即直流分量，并获得直流分量含有率δDC，设定δDC作为衡量系统临界稳态判断的指标：(2)物理侧动态阻抗实时匹配求取定转子电压方程：Us＝RsIs+jω1ψsUr＝RrIr+jsω1ψr其中Us为定子电压，Rs为定子绕组电阻，Is为定子电流，ψs为电机定子磁链相量，Ur为折算到定子侧的转子电压，Rr为折算到定子侧的转子绕组电阻，Ir为折算到定子侧的转子电流，ω1为同步角速度，ψr为电机转子磁链相量，s为转差率；求取磁链方程：ψs＝LsIs+LmIrψr＝LmIs+LrIr其中，Ls为定子绕组自感，Lm为双馈感应电机互感，Lm为转子绕组自感；求取电磁转矩方程：其中，Te为电机电磁转矩，np为电机极对数，Im为励磁电流相量；进一步做戴维南等效变换得到等效阻抗为：最后通过风机I\O接口实时传输发电机转速完成阻抗匹配。(3)基于小波神经网络预测延时补偿首先，利用Morlet小波作为神尽元激励函数，可达到计算式简单以及收敛速度快的要求其中C是重构归一化常数；得到该输出的连续小波过程神经网络：将十组模拟风机转速历史数据作为学习样本，一份样本作为测试样本，可求取该神经网络的误差函数为：其中，在给定的10个学习样本(x1s(t),x2s(t),…,xns(t),ds)，s＝1,2,…,10)中，xis(t)的第一个下标表示输入函数向量分量序号，第二个表示学习样本序号，ds为网络期望，ys为网络实际输出；设定连续小波过程神经网络的待训练参数调整规则：最后输出学习结果，完成延时补偿。本专利技术提出了一种基于自适应模式切换的双馈风机并网数字物理混合仿真新型接口算法。首先，设计了接口切换判据及风机接口模式切换方案，设计动态开关判据，在电流有较大波动时切入感性滤波器，避免了传统接口对动态电流谐波的放大效应；设计稳态开关判据，使滤波器在风机达到稳态时切离功率接口，避免滤波器对DIM接口传递信号中正常谐波造成多滤。同时，构建了物理侧等效风机数学模型，准确计算出双馈风机实时动态匹配阻抗，保证了阻尼阻抗实时匹配的精确性。在双馈风机实时阻抗匹配的基础上，采用Morlet小波神经网络，对DFIG转速传输延时进行时间序列补偿，搭建了延时补偿学习模型并设计其学习流程。本专利技术所提新型接口算法解决了数字物理混合仿真中，因风速波动造成传统接口对电流谐波造成放大影响的问题，在面对励磁冲击电流的影响，接口稳定性和精确性均表现良好，能够精确模拟双馈风机接入对交流电网的影响。为实现风机并网系统数字物理混合仿真提供了技术支撑，具有较好的应用前景。附图说明图1是数字物理混合仿真整体结构图；图2是传统DIM原理结构图；图3是新型接口算法原理图；图4是风机定子电流及直流分量含有率变化图；图5是双馈感应电机T型等效电路图；图6是小波神经网络学习算法流程图；图7是双馈风机并网数字物理混合仿真系统图；图8是ITM、DIM与新型接口系统并网点电流波形；图9是风机快速傅里叶变换分析谐波对比；图10a是ITM、DIM与新型接口系统的精确性对比图-----电网侧有功功率稳态相对误差；图10b是ITM、DIM与新型接口系统的精确性对比图-----风机侧有功功率稳态相对误差。具体实施方式本专利技术数字物理仿真系统主要分为三个主要部分：数字实时仿真系统(DigitalSimulationSystem，DSS)、物理风机仿真系统(PhysicalSimulationSystem，PSS)以及功率接口，整体PHIL系统结构如图1所示。接口算法是数字物理混合仿真系统的关键技术，针对风机并网以及风速波动可造成功率接口对电流谐波放大的问题，本申请提出了一种适用于双馈风机并网数字物理混合仿真的新型接口算法——感性滤波器DIM算法。同时，在求取物理侧等效阻抗时，为解决风机转速的传输时延问题，提出了利用小波神经网络时间序列预测算法对延时(包括设备延时及计算延时)进行补偿的策略，从而保证双馈风机数字物理混合仿真顺利完成。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：步骤1：设计基于模式选择的新接口算法传统DIM接口算法如图2所示，在DIM基础上，新型接口算法在接口数字侧添加接地滤波器Zk，其结构原理图如图3所示。当风机在起动以及并网等动态过程中开关闭合，感性滤波器接入电路，避免了传统接口对动态电流谐波的放大效应；当风机达到稳态运行后开关关断，滤波器切离功率接口，避免滤波器对DIM接口传递信号中正常谐波造成多滤。步骤2：设计新算法开关切换判据...

【技术保护点】
1.一种基于自适应模式切换的双馈风机数字物理混合仿真新方法，其特征在于：其步骤是：/n(1)设计功率接口及其开关判据/n在功率接口数字侧添加接地滤波器Z

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应模式切换的双馈风机数字物理混合仿真新方法，其特征在于：其步骤是：
(1)设计功率接口及其开关判据
在功率接口数字侧添加接地滤波器Zk，在风机起动以及并网等动态过程中保持开关闭合，感性滤波器接入电路；在风机达到稳态运行后开关断开，滤波器切离功率接口。
对风机定子三相电流进行快速傅里叶变换，提取电流中的非周期分量即直流分量，并获得直流分量含有率δDC，设定δDC作为衡量系统临界稳态判断的指标：



(2)物理侧动态阻抗实时匹配
求取定转子电压方程：
Us＝RsIs+jω1ψs
Ur＝RrIr+jsω1ψr
其中Us为定子电压，Rs为定子绕组电阻，Is为定子电流，ψs为电机定子磁链相量，Ur为折算到定子侧的转子电压，Rr为折算到定子侧的转子绕组电阻，Ir为折算到定子侧的转子电流，ω1为同步角速度，ψr为电机转子磁链相量，s为转差率；
求取磁链方程：
ψs＝LsIs+LmIr
ψr＝LmIs+LrIr
其中，Ls为定子绕组自感，Lm为双馈感应电机互感，Lm为转子绕组自...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹤，周鹤伦，边竞，李嘉帅，李国庆，于华楠，王振浩，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22