一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法，涉及电力电子化电力系统仿真应用领域。根据多时间尺度模型简化原理建立DFIG各控制环节的动态模型和简化模型；从控制参数入手，提出两级轨迹灵敏度分析方法，研究在动态全过程仿真中主导DFIG输出特性的关键控制环节；提出一种模型切换控制策略，根据两级轨迹灵敏度分析结果，通过设置阈值建立可调节的模型切换判据，实现了DFIG控制的局部模型切换，在动态全过程仿真中分时调用各控制环节的动态模型和简化模型，在保证模型精度的同时实现模型的降阶和简化，提高仿真速度，另外根据模型切换情况可以对动态过程进行机理分析，提高了模型可解释性。提高了模型可解释性。提高了模型可解释性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法


[0001]本专利技术涉及电力电子化电力系统仿真应用领域，具体为一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法。

技术介绍

[0002]为了应对能源危机和环境问题，我国提出碳达峰、碳中和的目标，以化石能源为主的能源结构正逐步向以风电为代表的可再生能源为主的能源结构转型，可再生能源的装机容量在电力系统中的占比将不断提高。DFIG凭借其功率解耦控制、变流器容量小等优势成为主流风电机组。但由于DFIG经变流器柔性并网且具备常规多时间尺度控制和多种附加控制，与传统同步机主导电力系统相比，DFIG大规模并网的电力系统的高阶、非线性、多时间尺度等特点更为凸显，对此提出能够适用于动态全过程仿真的简化建模方法，对系统的安全稳定分析具有重要的意义。
[0003]专利201610162711.8“一种双馈风力发电场多机表征等值建模方法”、专利201510186090.2“一种双馈风电机组机电暂态模型的建模方法”、专利CN201810976495.X“一种基于同调机组分群的风电场动态等值方法”等主要研究了风电等值建模，其关注点往往在于聚类指标选择、分群算法优化以及模型参数辨识等方面，而对风电控制策略对输出响应特性的影响则考虑不足，导致模型可解释性差，难以分析问题的物理本质；专利201611032705.7“一种双馈异步风力发电机组的整机动态建模方法”通过对风力发电机组的机械侧和电气侧分别进行高精度建模，利用数据传输通道对整机动态模型进行耦合求解，但电气侧快动态环节与机械侧慢动态环节并存，极大地限制了仿真速度；专利201910500539.6“基于选择模式分析的双馈风机模型降阶方法”、专利201210533440.4“双馈变速恒频风电机组系统机电暂态仿真方法”等建模方法多是面向暂态仿真分析，无法应用于中长期动态过程的研究。基于上述建模方法适用性不足的问题以及DFIG模型精度和仿真速度的矛盾，需要改进现有的建模方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决解决现有建模方法适用性不足的问题，以及DFIG模型精度和仿真速度的矛盾，提供了一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法。
[0005]本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法，包括如下步骤：
[0006]S1：DFIG控制的局部简化模型：
[0007]根据多时间尺度模型简化原理对DFIG各个控制进行局部简化建模，对于带宽在秒级以上的控制，动态响应较慢，其微分方程降阶为常量；对于带宽在秒级以下的控制，动态响应较快，其微分方程降阶为代数方程，具体如下：
[0008](1)原动机模型：
[0009]1)气动、轴系模型
[0010]采用稳定性问题研究常用的基于Cp曲线近似的气动模型；采用等效两质量块模型作为轴系模型；
[0011]2)桨距角控制的动态和简化模型：
[0012]桨距角控制包含转速误差控制和功率误差补偿控制；桨距角控制的动态模型采用PI控制动态环节，如式(1)、式(2)所示；由于其控制带宽在秒级以上，动态响应较慢，根据多时间尺度模型简化原理，微分方程降阶为常量，认为维持恒定，简化模型用恒定值表示：
[0013][0014][0015]式(1)、式(2)中，K
pa
、K
pj
分别为转速误差控制和功率误差补偿控制PI控制器的比例系数；K
ia
、K
ij
分别为转速误差控制和功率误差补偿控制PI控制器的积分系数；
[0016](2)转子侧变换器控制环节动态和简化模型：
[0017]转子侧变换器通过两级PI控制来控制DFIG功率输出，包括外环功率控制和内环电流控制，外环和内环均包括有功和无功，两者动态模型均保留PI控制动态环节：
[0018][0019][0020]式(3)、式(4)中，K
rp
、K
rq
分别为有功功率和无功功率PI控制器的比例系数；T
rp
、T
rq
分别为有功功率和无功功率PI控制器的时间常数；
[0021][0022][0023]式(5)、式(6)中，K
rcq
、K
rcd
分别为有功电流和无功电流PI控制器的比例系数；T
rcq
、T
rcd
分别为有功电流和无功电流PI控制器的时间常数；
[0024]由于转子侧变换器控制带宽在秒级以下，动态响应较快，根据多时间尺度模型简化原理，微分方程降阶为代数方程，其简化模型建立过程如下：
[0025]在定子磁链定向控制下，有约束方程：
[0026][0027]式中，ψ
ds
、ψ
qs
为定子磁链的dq轴分量；
[0028]由于在一般工况下，定子绕组电阻比电抗小得多，故忽略定子绕组电阻，此时感应电动势近似等于定子侧电压，且其相位滞后定子磁链90
°
，则又有约束方程：
[0029][0030]式中，u
ds
、u
qs
为定子电压的dq轴分量；
[0031]将式(7)代入定子输出功率方程，可得：
[0032][0033]式中，i
ds
、i
qs
为定子电流的dq轴分量；
[0034]将式(8)代入定子磁链方程，整理可得转子电流和定子电流的关系如下：
[0035][0036]式中，i
dr
、i
qr
为转子电流的dq轴分量；L
m
、L
s
分别为定转子绕组互感、定子绕组自感；
[0037]将式(10)代入转子磁链方程，整理得：
[0038][0039]式中，σ1＝L
m
/L
s
，L
r
转子绕组自感；
[0040]将式(11)代入转子电压方程，整理得：
[0041][0042]式中，u
dr
、u
qr
为转子电压的dq轴分量；R
r
为转子绕组电阻；p为微分算子；
[0043]根据式(9)
‑
(10)建立转子侧功率控制的简化模型，根据式(12)建立转子侧电流控制的简化模型；
[0044](3)网侧变换器控制动态和简化模型：
[0045]网侧变换器控制通过两级PI控制实现单位功率因数控制和直流母线电压恒定，包括外环直流母线电压控制和内环dq轴电流控制，两者动态模型均保留PI控制动态环节；
[0046][0047]式(13)中，K
udc
、T
udc
分别为直流母线电压PI控制器的比例系数和时间常数；
[0048][0049][0050]式(14)、式(15)中，K
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：DFIG控制的局部简化模型：根据多时间尺度模型简化原理对DFIG各个控制进行局部简化建模，对于带宽在秒级以上的控制，动态响应较慢，其微分方程降阶为常量；对于带宽在秒级以下的控制，动态响应较快，其微分方程降阶为代数方程，具体如下：(1)原动机模型：1)气动、轴系模型采用稳定性问题研究常用的基于Cp曲线近似的气动模型；采用等效两质量块模型作为轴系模型；2)桨距角控制的动态和简化模型：桨距角控制包含转速误差控制和功率误差补偿控制；桨距角控制的动态模型采用PI控制动态环节，如式(1)、式(2)所示；由于其控制带宽在秒级以上，动态响应较慢，根据多时间尺度模型简化原理，微分方程降阶为常量，认为维持恒定，简化模型用恒定值表示：尺度模型简化原理，微分方程降阶为常量，认为维持恒定，简化模型用恒定值表示：式(1)、式(2)中，K
pa
、K
pj
分别为转速误差控制和功率误差补偿控制PI控制器的比例系数；K
ia
、K
ij
分别为转速误差控制和功率误差补偿控制PI控制器的积分系数；(2)转子侧变换器控制环节动态和简化模型：转子侧变换器通过两级PI控制来控制DFIG功率输出，包括外环功率控制和内环电流控制，外环和内环均包括有功和无功，两者动态模型均保留PI控制动态环节：制，外环和内环均包括有功和无功，两者动态模型均保留PI控制动态环节：式(3)、式(4)中，K
rp
、K
rq
分别为有功功率和无功功率PI控制器的比例系数；T
rp
、T
rq
分别为有功功率和无功功率PI控制器的时间常数；为有功功率和无功功率PI控制器的时间常数；式(5)、式(6)中，K
rcq
、K
rcd
分别为有功电流和无功电流PI控制器的比例系数；T
rcq
、T
rcd
分别为有功电流和无功电流PI控制器的时间常数；由于转子侧变换器控制带宽在秒级以下，动态响应较快，根据多时间尺度模型简化原理，微分方程降阶为代数方程，其简化模型建立过程如下：在定子磁链定向控制下，有约束方程：
式中，ψ
ds
、ψ
qs
为定子磁链的dq轴分量；由于在一般工况下，定子绕组电阻比电抗小得多，故忽略定子绕组电阻，此时感应电动势近似等于定子侧电压，且其相位滞后定子磁链90
°
，则又有约束方程：式中，u
ds
、u
qs
为定子电压的dq轴分量；将式(7)代入定子输出功率方程，可得：式中，i
ds
、i
qs
为定子电流的dq轴分量；将式(8)代入定子磁链方程，整理可得转子电流和定子电流的关系如下：式中，i
dr
、i
qr
为转子电流的dq轴分量；L
m
、L
s
分别为定转子绕组互感、定子绕组自感；将式(10)代入转子磁链方程，整理得：式中，σ1＝L
m
/L
s
，L
r
转子绕组自感；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦文萍，张宇，朱志龙，薛邵锴，姚宏民，景祥，张永勤，李森良，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：