雙饋變速恒頻風電機組系統機電暫態仿真方法技術方案

一種雙饋變速恒頻風電機組系統機電暫態仿真方法，涉及風力發電系統，尤其涉及一種使用計算機程序進行雙饋風電機組系統的建模分析的方法，包括以下步驟：建立風功率模型模擬風力機吸收的風功率；建立風機軸系模型；建立槳距控制系統模型；建立雙饋異步感應電機電氣仿真模型；建立電網側變頻器和轉子側變頻器控制器模型；使用風電機組仿真模型，建立雙饋風機單機無窮大系統模型；設置風電機組系統的仿真運行工況和故障狀態，進行機電暫態仿真和故障仿真，本發明專利技術建立符合雙饋變速恒頻風電機組物理特性的詳細模型，進行電磁暫態和機電暫態仿真，可以考察風機在各種故障和工況下的動態特性，使風機在大規模電網中的仿真成為可能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及風力發電系統，尤其涉及一種使用計算機程序進行雙饋風電機組系統的建模分析的方法。
技術介紹
自二十世紀八十年代以來，風力發電的應用越來越受到全世界的普遍重視。隨著科學技術的飛速發展，特別是空氣動力學、尖端航天技術和大功率電力電子技術應用于新型風電機組的開發研制，風力發電在近二十年得到長足的發展。如今的風力發電正逐步走向規模化和產業化，風力發電在電網中的比例越來越大，成為除水力發電以外最成熟、最現實的一種清潔能源發電方式。大力發展風力發電，對環境保護、節約能源以及生態平衡都有重要的意義。然而風力發電是一種特殊的電力，具有許多不同于常規能源發電的特點，風電廠的并網運行對電網的安全穩定，電能質量等諸多方面均會帶來負面影響，隨著風電場規模的日益擴大，風電特性對電網的影響也越發顯著，成為制約風場規模和容量的嚴重障礙，大規模風電接入到底會對電網產生怎樣的影響成為了急需解決的問題。中國技術專利“雙饋風電機組的仿真裝置”(技術專利號ZL201220127917. 4授權公告號CN202548295U)公開了一種雙饋風電機組的仿真裝置，包括雙饋感應發電機、風電機組原動機、監測保護設備和轉子側變流設備。風電機組原動機連接到雙饋感應發電機，風電機組原動機在風力驅動下帶動雙饋感應發電機的轉子轉動。監測保護設備連接到雙饋感應發電機，測量雙饋感應發電機輸出的電壓和電流。轉子側變流設備連接到雙饋感應發電機，轉子側變流設備控制雙饋感應發電機的電壓幅值和相位，進行有功解耦控制和無功解耦控制。該技術的雙饋風電機組的仿真裝置能夠準確反映風機的物理特性和雙饋感應發電機的工作狀況，能夠滿足風電并網規范對并網風機的完整測試要求。中國專利技術專利申請“一種雙饋風機等效模擬的仿真建模方法”(專利申請號201210008656. 9公開號CN102592026A)公開了一種雙饋風機等效模擬的仿真建模方法，所述雙饋風機的變頻器部分采用受控源模擬，所述建模方法包括如下步驟(1)建立雙饋風電機組電路模型；(2)建立雙饋風機等效模型；(3)建立雙饋風機并網測試系統；(4)搭建多風機測試系統；其中，在步驟2中所述雙饋風機等效模型基于雙饋風機變頻器交流側受控電壓源和直流側受控電流源的特性建立。該專利技術提供的雙饋風機等效模擬的仿真建模方法，能精確模擬雙饋風機的暫態特性，并可計及多臺風電機組間的不同特性及其相互影響；無需計及全控型器件的高頻通斷，仿真效率大幅提升；仿真風機臺數越多，效率提升幅度越顯著；在保持精度的同時，可采用較大的仿真步長，大幅提升仿真效率。用于穩定性研究的風電機組模型目前在國內的電力系統仿真軟件中仍然沒有實現，PSS/E、BPA中已有內建的風機模型，但其不適用于電網短路故障下風機的動態性能仿真。DIgSILENT/PowerFactory是一款強大的電力系統仿真軟件，其內建的雙饋異步風機模型能較準確地反映其實際物理特性，即能對雙饋機進行詳細地機電暫態仿真，也能進行機電暫態仿真，使風機在大規模電網中的仿真成為可能。另外，PSCAD/EMTDC同樣能夠建立風機的機電暫態模型，建模精度可達到器件級，因此是考察風機單機系統在各種工況和故障下動態特性的理想工具，但不適用于風機接入大網后的仿真。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種，建立符合雙饋變速恒頻風電機組物理特性的詳細模型，以便利用該詳細模型進行電磁暫態和機電暫態仿真，考察風機在各種故障和工況下的動態特性。本專利技術解決上述技術問題所采用的技術方案是一種，所述的風電機組包括由風力機模型、軸系模型和槳距控制系統構成的原動機模型，由感應發電機模型和轉子側變頻器控制保護系統構成的雙饋風電機組模型，以及電網側變頻器控制系統，所述機電暫態仿真方法包括以下步驟S100)建立風力機模型，根據風速、風能轉換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關系，模擬風力機吸收的風功率；S200)使用發電機質塊和風力機質塊組成的兩質量塊軸系結構，建立風機軸系模型，模擬風力機機械轉矩與發電機電磁轉矩的能量傳遞關系；S300)建立槳距控制系統模型，使用槳距角控制仿真進行風電機組功率的尋優，尋求在給定風速下使風電機組輸出功率的最大值；模擬風速超出額定風速時槳距控制系統的過載保護功能；S400)根據雙饋感應電機的方程和磁鏈方程構建雙饋異步感應電機的T型等效電路，建立DFIG電氣仿真模型；S500)根據DFIG電氣仿真模型雙饋感應發電機定子的瞬時電磁功率方程、轉子電流與定子電流的關系和轉子電壓方程，建立電網側變頻器和轉子側變頻器控制器模型；S600)使用以上步驟建立的風電機組仿真模型，建立雙饋風機單機無窮大系統模型；S700)設置風電機組仿真模型的初始運行工況，設置毫秒級別的仿真步長，進入風電機組系統的機電暫態仿真運行狀態；S720)對所述的風力機模型分別施加風速負階躍和風速正階躍信號，進行風速階躍的機電暫態仿真，分析風電機組的有功出力、轉速、風功率、風能利用效率以及槳距角的響應，建立的雙饋風機詳細模型面對風速變化的動態響應特性，驗證最大風能追蹤的有效性；S740)對所述的雙饋風機單機無窮大系統模型施加無功功率階躍信號，進行無功階躍的機電暫態仿真，分析風電機組的機端電壓、有功出力、無功出力以及轉速的變化，建立的雙饋風機詳細模型面對外部電網無功負荷變化的動態響應特性，驗證雙饋風機矢量控制中無功控制環節的動態特性；S760)對所述的雙饋風機單機無窮大系統模型分別模擬外部電網三相對稱故障和非對稱故障，對有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風機進行故障狀態的機電暫態仿真，分析風電機組的機端電壓、有功、無功、定子電流、轉子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風機在電網故障下的動態響應，驗證雙饋風機故障保護的動態特性。本專利技術的的一種較佳的技術方案，其特征在于所述的DFIG模塊使用可投切Crowbar裝置實現低電壓穿越功能，當外界故障使轉子側變頻器檢測到轉子過電流，或者變頻器直流母線過電壓時，Crowbar裝置中的開關元件IGBT導通，Crowbar投入工作旁路轉子過流，同時轉子側變頻器觸發信號閉鎖，雙饋機轉子繞組直接經串聯電阻Re短路。本專利技術的有益效果是1.本專利技術的，可以建立符合雙饋變速恒頻風電機組物理特性的詳細模型，利用該詳細模型進行電磁暫態和機電暫態仿真，可以考察風機在各種故障和工況下的動態特性。2.本專利技術的，不但可以模擬雙饋變速恒頻風電機組的電氣特性，還可以模擬風力原動機的機械運行狀況，進行風力變化對風電場的影響進行仿真研究，即能對雙饋機進行詳細地機電暫態仿真，也能進行機電暫態仿真，使風機在大規模電網中的仿真成為可能。附圖說明圖1是本專利技術的主流程圖；圖2是雙饋變速恒頻風電機組模型結構示意圖；圖3是風電機組兩質量塊軸系模型示意圖；圖4是風電機組軸系模型的傳遞函數框圖；圖5是槳距控制系統框圖；圖6是同步旋轉坐標系下DFIG的T型等效電路；圖7是DFIG磁鏈定向矢量控制模型圖；圖8是電網側變頻器控制系統模型圖；圖9是雙饋機轉子側變頻器控制保護系統模型圖；圖10是帶有可投切Crowbar的雙饋異步風電機組的模型圖；圖11是使用風電機組仿真模型建立的風機單機無窮大系統模型圖。具體實施例方式為了能更好地理解本專利技術的上述技術方案，下面結合附圖和實施本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種雙饋變速恒頻風電機組系統機電暫態仿真方法，所述的風電機組包括由風力機模型、軸系模型和槳距控制系統構成的原動機模型，由感應發電機模型和轉子側變頻器控制保護系統構成的雙饋風電機組模型，以及電網側變頻器控制系統，所述機電暫態仿真方法包括以下步驟：S100）建立風力機模型，根據風速、風能轉換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關系，模擬風力機吸收的風功率；S200）使用發電機質塊和風力機質塊組成的兩質量塊軸系結構，建立風機軸系模型，模擬風力機機械轉矩與發電機電磁轉矩的能量傳遞關系；S300）建立槳距控制系統模型，使用槳距角控制仿真進行風電機組功率的尋優，尋求在給定風速下使風電機組輸出功率的最大值；模擬風速超出額定風速時槳距控制系統的過載保護功能；S400）根據雙饋感應電機的方程和磁鏈方程構建雙饋異步感應電機的T型等效電路，建立DFIG電氣仿真模型；S500）根據DFIG電氣仿真模型雙饋感應發電機定子的瞬時電磁功率方程、轉子電流與定子電流的關系和轉子電壓方程，建立電網側變頻器和轉子側變頻器控制器模型；S600）使用以上步驟建立的風電機組仿真模型，建立雙饋風機單機無窮大系統模型；S700）設置風電機組仿真模型的初始運行工況，設置毫秒級別的仿真步長，進入風電機組系統的機電暫態仿真運行狀態；S720）對所述的風力機模型分別施加風速負階躍和風速正階躍信號，進行風速階躍的機電暫態仿真，分析風電機組的有功出力、轉速、風功率、風能利用效率以及槳距角的響應，建立的雙饋風機詳細模型面對風速變化的動態響應特性，驗證最大風能追蹤的有效性；S740）對所述的雙饋風機單機無窮大系統模型施加無功功率階躍信號，進行無功階躍的機電暫態仿真，分析風電機組的機端電壓、有功出力、無功出力以及轉速的變化，建立的雙饋風機詳細模型面對外部電網無功負荷變化的動態響應特性，驗證雙饋風機矢量控制中無功控制環節的動態特性；S760）對所述的雙饋風機單機無窮大系統模型分別模擬外部電網三相對稱故障和非對稱故障，對有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風機進行故障狀態的機電暫態仿真， 分析風電機組的機端電壓、有功、無功、定子電流、轉子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風機在電網故障下的動態響應，驗證雙饋風機故障保護的動態特性。...

【技術特征摘要】
1.一種雙饋變速恒頻風電機組系統機電暫態仿真方法，所述的風電機組包括由風力機模型、軸系模型和槳距控制系統構成的原動機模型，由感應發電機模型和轉子側變頻器控制保護系統構成的雙饋風電機組模型，以及電網側變頻器控制系統，所述機電暫態仿真方法包括以下步驟S100)建立風力機模型，根據風速、風能轉換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關系，模擬風力機吸收的風功率；S200)使用發電機質塊和風力機質塊組成的兩質量塊軸系結構，建立風機軸系模型，模擬風力機機械轉矩與發電機電磁轉矩的能量傳遞關系；S300)建立槳距控制系統模型，使用槳距角控制仿真進行風電機組功率的尋優，尋求在給定風速下使風電機組輸出功率的最大值；模擬風速超出額定風速時槳距控制系統的過載保護功能；S400)根據雙饋感應電機的方程和磁鏈方程構建雙饋異步感應電機的T型等效電路，建立DFIG電氣仿真模型；S500)根據DFIG電氣仿真模型雙饋感應發電機定子的瞬時電磁功率方程、轉子電流與定子電流的關系和轉子電壓方程，建立電網側變頻器和轉子側變頻器控制器模型；S600)使用以上步驟建立的風電機組仿真模型，建立雙饋風機單機無窮大系統模型；S700 )設置風電機組仿真模型的初始運行工況，設置毫秒級別的仿真步長，進入風電機組系統的機電暫態仿真運行狀態；S720)對所述的風力機模型分別施...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馮煜堯，楊增輝，郭強，
申請(專利權)人：上海市電力公司，華東電力試驗研究院有限公司，國家電網公司，
類型：發明
國別省市：