專利名稱：雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種使用計算機程序進行雙饋風(fēng)電機組系統(tǒng) 的建模分析的方法。
背景技術(shù)：
自二十世紀八十年代以來，風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用越來越受到全世界的普遍重視。隨著 科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是空氣動力學(xué)、尖端航天技術(shù)和大功率電力電子技術(shù)應(yīng)用于新 型風(fēng)電機組的開發(fā)研制，風(fēng)力發(fā)電在近二十年得到長足的發(fā)展。如今的風(fēng)力發(fā)電正逐步走 向規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化，風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例越來越大，成為除水力發(fā)電以外最成熟、最現(xiàn) 實的一種清潔能源發(fā)電方式。大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，對環(huán)境保護、節(jié)約能源以及生態(tài)平衡都有 重要的意義。
然而風(fēng)力發(fā)電是一種特殊的電力，具有許多不同于常規(guī)能源發(fā)電的特點，風(fēng)電廠 的并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，電能質(zhì)量等諸多方面均會帶來負面影響，隨著風(fēng)電場規(guī)模 的日益擴大，風(fēng)電特性對電網(wǎng)的影響也越發(fā)顯著，成為制約風(fēng)場規(guī)模和容量的嚴重障礙，大 規(guī)模風(fēng)電接入到底會對電網(wǎng)產(chǎn)生怎樣的影響成為了急需解決的問題。
中國實用新型專利“雙饋風(fēng)電機組的仿真裝置”(實用新型專利號 ZL201220127917. 4授權(quán)公告號CN202548295U)公開了一種雙饋風(fēng)電機組的仿真裝置，包 括雙饋感應(yīng)發(fā)電機、風(fēng)電機組原動機、監(jiān)測保護設(shè)備和轉(zhuǎn)子側(cè)變流設(shè)備。風(fēng)電機組原動機 連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機，風(fēng)電機組原動機在風(fēng)力驅(qū)動下帶動雙饋感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 監(jiān)測保護設(shè)備連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機，測量雙饋感應(yīng)發(fā)電機輸出的電壓和電流。轉(zhuǎn)子側(cè)變 流設(shè)備連接到雙饋感應(yīng)發(fā)電機，轉(zhuǎn)子側(cè)變流設(shè)備控制雙饋感應(yīng)發(fā)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。該實用新型的雙饋風(fēng)電機組的仿真裝置能夠準確反映 風(fēng)機的物理特性和雙饋感應(yīng)發(fā)電機的工作狀況，能夠滿足風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)范對并網(wǎng)風(fēng)機的完整 測試要求。
中國發(fā)明專利申請“一種雙饋風(fēng)機等效模擬的仿真建模方法”(專利申請?zhí)?201210008656. 9公開號CN102592026A)公開了一種雙饋風(fēng)機等效模擬的仿真建模方法， 所述雙饋風(fēng)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(fēng)電機組電路模型；(2)建立雙饋風(fēng)機等效模型；(3)建立雙饋風(fēng)機并網(wǎng)測試系統(tǒng)；(4)搭 建多風(fēng)機測試系統(tǒng)；其中，在步驟2中所述雙饋風(fēng)機等效模型基于雙饋風(fēng)機變頻器交流側(cè) 受控電壓源和直流側(cè)受控電流源的特性建立。該發(fā)明提供的雙饋風(fēng)機等效模擬的仿真建模 方法，能精確模擬雙饋風(fēng)機的暫態(tài)特性，并可計及多臺風(fēng)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(fēng)機臺數(shù)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(wěn)定性研究的風(fēng)電機組模型目前在國內(nèi)的電力系統(tǒng)仿真軟件中仍然沒有實 現(xiàn)，PSS/E、BPA中已有內(nèi)建的風(fēng)機模型，但其不適用于電網(wǎng)短路故障下風(fēng)機的動態(tài)性能仿 真。DIgSILENT/PowerFactory是一款強大的電力系統(tǒng)仿真軟件，其內(nèi)建的雙饋異步風(fēng)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電磁暫態(tài)仿真，也能進行機 電暫態(tài)仿真，使風(fēng)機在大規(guī)模電網(wǎng)中的仿真成為可能。另外，PSCAD/EMTDC同樣能夠建立風(fēng) 機的電磁暫態(tài)模型，建模精度可達到器件級，因此是考察風(fēng)機單機系統(tǒng)在各種工況和故障 下動態(tài)特性的理想工具，但不適用于風(fēng)機接入大網(wǎng)后的仿真。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，建立符 合雙饋變速恒頻風(fēng)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(tài)和機電 暫態(tài)仿真，考察風(fēng)機在各種故障和工況下的動態(tài)特性。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，所述的風(fēng)電機組包括由風(fēng)力 機模型、軸系模型和槳距控制系統(tǒng)構(gòu)成的原動機模型，由感應(yīng)發(fā)電機模型和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器 控制保護系統(tǒng)構(gòu)成的雙饋風(fēng)電機組模型，以及電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)，所述電磁暫態(tài)仿真 方法包括以下步驟
S100)建立風(fēng)力機模型，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關(guān) 系，模擬風(fēng)力機吸收的風(fēng)功率；
S200)使用發(fā)電機質(zhì)塊和風(fēng)力機質(zhì)塊組成的兩質(zhì)量塊軸系結(jié)構(gòu)，建立風(fēng)機軸系模 型，模擬風(fēng)力機機械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的能量傳遞關(guān)系；
S300)建立槳距控制系統(tǒng)模型，使用槳距角控制仿真進行風(fēng)電機組功率的尋優(yōu)，尋 求在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機組輸出功率的最大值；模擬風(fēng)速超出額定風(fēng)速時槳距控制系統(tǒng)的 過載保護功能；
S400)根據(jù)雙饋感應(yīng)電機的方程和磁鏈方程構(gòu)建雙饋異步感應(yīng)電機的T型等效電 路，建立DFIG電氣仿真模型；
S500)根據(jù)DFIG電氣仿真模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子的瞬時電磁功率方程、轉(zhuǎn)子電 流與定子電流的關(guān)系和轉(zhuǎn)子電壓方程，建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；
S600)使用以上步驟建立的風(fēng)電機組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模 型；
S700)設(shè)置風(fēng)電機組仿真模型的初始運行工況，設(shè)置微秒級別的仿真步長，進入風(fēng) 電機組系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真運行狀態(tài)；
S720)對所述的風(fēng)力機模型分別施加風(fēng)速負階躍和風(fēng)速正階躍信號，進行風(fēng)速階 躍的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的有功出力、轉(zhuǎn)速、風(fēng)功率、風(fēng)能利用效率以及槳距角的 響應(yīng)，建立的雙饋風(fēng)機詳細模型面對風(fēng)速變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗證最大風(fēng)能追蹤的有效 性；
S740)對所述的雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型施加無功階躍信號，進行無功階躍 的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的機端電壓、有功出力、無功出力以及轉(zhuǎn)速的變化，建立的 雙饋風(fēng)機詳細模型面對外部電網(wǎng)無功負荷變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗證雙饋風(fēng)機矢量控制中 無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性；
S760)對所述的雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型分別模擬外部電網(wǎng)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(fēng)機進行故障狀態(tài)的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的機端電壓、有功、無功、定子電流、轉(zhuǎn)子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的 雙饋異步風(fēng)機在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)，驗證雙饋風(fēng)機故障保護的動態(tài)特性。
本發(fā)明的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法的一種較佳的技術(shù)方案， 其特征在于所述的DFIG模塊使用可投切Crowbar裝置實現(xiàn)低電壓穿越功能，當(dāng)外界故障使 轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器檢測到轉(zhuǎn)子過電流，或者變頻器直流母線過電壓時，Crowbar裝置中的開關(guān)元 件IGBT導(dǎo)通，Crowbar投入工作旁路轉(zhuǎn)子過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器觸發(fā)信號閉鎖，雙饋機轉(zhuǎn) 子繞組直接經(jīng)串聯(lián)電阻Re短路。
本發(fā)明的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法的一種更好的技術(shù)方案， 其特征在于所述的電磁暫態(tài)仿真方法還包括以下步驟
S762)仿真分析Crowbar裝置投切過程的轉(zhuǎn)子電流的衰減過程,分析不同Crowbar 切除時間整定值下低電壓穿越功能的動態(tài)響應(yīng)，驗證Crowbar切除時間整定值的合理性。
本發(fā)明的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法的一種改進的技術(shù)方案， 其特征在于所述的電磁暫態(tài)仿真方法還包括以下步驟
S764)仿真分析外界電網(wǎng)發(fā)生三相不對稱故障時轉(zhuǎn)子三相電流的瞬時值和幅值的 變化，驗證三相不對稱故障時變頻器保護的設(shè)置參數(shù)。
本發(fā)明的有益效果是
1.本發(fā)明的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，可以建立符合雙饋變 速恒頻風(fēng)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(tài)仿真，可以考察風(fēng)機 在各種故障和工況下的動態(tài)特性，驗證保護裝置整定值的合理性。
2.本發(fā)明的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，不但可以模擬雙饋變 速恒頻風(fēng)電機組的電氣特性，還可以模擬風(fēng)力原動機的機械運行狀況，進行風(fēng)力變化對風(fēng) 電場的影響進行仿真研究，即能對雙饋機進行詳細地電磁暫態(tài)仿真，也能進行機電暫態(tài)仿 真，使風(fēng)機在大規(guī)模電網(wǎng)中的仿真成為可能。


圖1是本發(fā)明雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法的主流程圖2是雙饋變速恒頻風(fēng)電機組模型結(jié)構(gòu)示意圖3是風(fēng)電機組兩質(zhì)量塊軸系模型示意圖4是風(fēng)電機組軸系模型的傳遞函數(shù)框圖5是槳距控制系統(tǒng)框圖6是同步旋轉(zhuǎn)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8是電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)模型圖9是雙饋機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制保護系統(tǒng)模型圖10是帶有可投切Crowbar的雙饋異步風(fēng)電機組的模型圖11是使用風(fēng)電機組仿真模型建立的風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型圖。
具體實施方式
為了能更好地理解本發(fā)明的上述技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實施例進行進一步地詳細描述。
圖2是雙饋變速恒頻風(fēng)電機組模型結(jié)構(gòu)示意圖，風(fēng)電機組包括由風(fēng)力機模型110、 軸系模型120和槳距控制系統(tǒng)130構(gòu)成的原動機模塊100，由感應(yīng)發(fā)電機模型210和轉(zhuǎn)子側(cè) 變頻器控制保護系統(tǒng)220構(gòu)成的雙饋風(fēng)電機組模塊，以及電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)(圖中未 表不)。
雙饋變速恒頻風(fēng)電機組通過其控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能控制發(fā)電機與電網(wǎng) 之間的無功交換功率、控制風(fēng)電機組發(fā)出的有功功率以追蹤風(fēng)電機組的最優(yōu)運行點或者在 高風(fēng)速情況下限制風(fēng)電機組出力。上述功能主要通過變速風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制及 風(fēng)力機的槳距角控制實現(xiàn)。
轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器220用于控制雙饋機轉(zhuǎn)子側(cè)電壓幅值和相位，實現(xiàn)對風(fēng)電機組的有 功和無功解耦控制，完成風(fēng)電機組的最大功率追蹤策略，包含以下各個模塊最大風(fēng)能追蹤 模塊221、功率測量模塊222、電壓電流測量模塊223、功率控制器224、電流控制器225以及 坐標變換模塊226。雙饋風(fēng)電機組的保護模型227也包含在雙饋風(fēng)電機組的模型中。
本發(fā)明的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法的主流程圖如圖1所示， 包括以下步驟
S100)建立風(fēng)力機模型，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關(guān) 系，模擬風(fēng)力機吸收的風(fēng)功率；
S200)使用發(fā)電機質(zhì)塊和風(fēng)力機質(zhì)塊組成的兩質(zhì)量塊軸系結(jié)構(gòu)，建立風(fēng)機軸系模 型，模擬風(fēng)力機機械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的能量傳遞關(guān)系；
S300)建立槳距控制系統(tǒng)模型，使用槳距角控制仿真進行風(fēng)電機組功率的尋優(yōu)，尋 求在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機組輸出功率的最大值；模擬風(fēng)速超出額定風(fēng)速時槳距控制系統(tǒng)的 過載保護功能；
S400)根據(jù)雙饋感應(yīng)電機的方程和磁鏈方程構(gòu)建雙饋異步感應(yīng)電機(DFIG)的T型 等效電路，建立DFIG電氣仿真模型；
S500)根據(jù)DFIG電氣仿真模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子的瞬時電磁功率方程、轉(zhuǎn)子電 流與定子電流的關(guān)系和轉(zhuǎn)子電壓方程，建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；
S600)使用以上步驟建立的風(fēng)電機組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模 型；
使用風(fēng)電機組仿真模型建立的雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型的一個實施例如圖 11所示，風(fēng)電機組通過WT低壓母線連接到升壓變壓器，升壓后通過出口母線PCC連接到外 部電網(wǎng)，設(shè)置風(fēng)電機組和升壓變壓器、外部電網(wǎng)的參數(shù)，構(gòu)成雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)，就 可以進行風(fēng)電機組系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真、機電暫態(tài)仿真和故障仿真。
電磁暫態(tài)過程是指電力系統(tǒng)各個元件中電場和磁場以及相應(yīng)的電壓和電流的變 化過程，電磁暫態(tài)仿真對電力系統(tǒng)中從幾微秒到幾秒之間的電磁暫態(tài)過程進行仿真，仿真 的計算步長常常取20—200 us。電磁暫態(tài)仿真主要的分析對象為①由電力系統(tǒng)外部、故障 或者操作引起的暫態(tài)過電壓和過電流，如雷電過電壓、操作過電壓、工頻過電壓等；②諧振 暫態(tài)，如次同步諧振、鐵磁諧振等；③控制暫態(tài)，如一次與二次系統(tǒng)的相互作用等HVDC 和FACTS等大功率電力電子設(shè)備中的快速暫態(tài)和非正弦的準穩(wěn)態(tài)過程；⑤對于研究新型快 速繼電保護裝置的動作原理，故障點探測原理及電磁干擾等問題，也常需進行電磁暫態(tài)過程分析。
S700)設(shè)置風(fēng)電機組仿真模型的初始運行工況，設(shè)置微秒級別的仿真步長，進入風(fēng) 電機組系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真運行狀態(tài)；
S720)對所述的風(fēng)力機模型分別施加風(fēng)速負階躍和風(fēng)速正階躍信號，進行風(fēng)速階 躍的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的有功出力、轉(zhuǎn)速、風(fēng)功率、風(fēng)能利用效率以及槳距角的 響應(yīng)，建立的雙饋風(fēng)機詳細模型面對風(fēng)速變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗證最大風(fēng)能追蹤的有效 性；
風(fēng)速負階躍仿真工況如下風(fēng)機初始有功出力4. 5麗，無功出力O.OMvar，滑差 +8%，1. Os后風(fēng)速突然減小2m/s，考察風(fēng)機有功出力、轉(zhuǎn)速以及風(fēng)能利用效率。當(dāng)風(fēng)速從 12. 946m/s變化到10. 946m/s時，風(fēng)機的有功出力從4. 5麗減小到2. 7565麗，風(fēng)機轉(zhuǎn)速從1. 08pu減小到O. 9171pu，但風(fēng)能利用效率Cp卻沒有變，仍是O. 4473，因此該風(fēng)機模型能夠 實現(xiàn)不同風(fēng)速下的最佳風(fēng)能追蹤。
風(fēng)速正階躍在同樣的初始工況下，風(fēng)速作+2m/s的階躍變化時，由于風(fēng)機的最大 出力限制使有功出力最終限制在5. 5麗，在2. 9s左右時，雙饋機轉(zhuǎn)速超過1. 2pu，此時槳 距控制投入，限制風(fēng)機對風(fēng)功率的獲取，因此風(fēng)能利用效率降低，最終，風(fēng)機出力5. 5MW，轉(zhuǎn) 速穩(wěn)定在1. 24pu，槳距角大約控制在4. 20左右，風(fēng)能利用效率為O. 3543，小于初始時的 O.4473。
S740)對所述的雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型施加無功階躍信號，進行無功階躍 的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的機端電壓、有功出力、無功出力以及轉(zhuǎn)速的變化，建立的 雙饋風(fēng)機詳細模型面對外部電網(wǎng)無功負荷變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗證雙饋風(fēng)機矢量控制中 無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性；
無功階躍響應(yīng)主要驗證雙饋風(fēng)機矢量控制中無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性。仿真工 況如下風(fēng)機初始有功出力4. 5麗，無功出力OMvar，滑差+8%，1. Os后無功功率參考值作O.9MVar的階躍，考察風(fēng)機機端電壓、有功、無功以及轉(zhuǎn)速的變化。分析表明，無功功率參考 值階躍后，風(fēng)機的無功出力能夠迅速跟蹤參考值的變化，而機端電壓、有功出力以及發(fā)電機 轉(zhuǎn)速均基本保持不變。
S760)對所述的雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型分別模擬外部電網(wǎng)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(fēng)機進行故障狀態(tài)的電磁暫態(tài)仿真，分析 風(fēng)電機組的機端電壓、有功、無功、定子電流、轉(zhuǎn)子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的 雙饋異步風(fēng)機在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)，驗證雙饋風(fēng)機故障保護的動態(tài)特性。
I)對稱故障仿真
當(dāng)外部電網(wǎng)出現(xiàn)三相對稱故障時，由于風(fēng)機機端電壓突然下降，再加上轉(zhuǎn)子側(cè)變 頻器矢量控制的作用，轉(zhuǎn)子電流會突然增大導(dǎo)致變頻器過流。同時短路故障后由于有功無 法送出，而電網(wǎng)側(cè)變頻器有功電流不會突變導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)變頻器向直流電容充電，因此還可 能引起直流電容過壓，在這種情況下，變頻器必須退出運行。這時，對于有低電壓穿越功能 的風(fēng)機，僅切除變頻器，雙饋機仍掛網(wǎng)運行，而對于無低電壓穿越功能的風(fēng)機則直接切機， 因此，需要詳細比較兩者在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)。
有低電壓穿越功能
對于有低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機，考察以下幾種工況下的故障動態(tài)特性
(I)風(fēng)機初始運行點有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時機端電壓降福較小，Crowbar不動作；
(2)風(fēng)機初始運行點有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時機端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時間60ms ；
(3)風(fēng)機初始運行點有功2. 8MW,無功OMvar，滑差_10%，故障時機端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時間60ms ；
(4)風(fēng)機初始運行點有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時機端電壓降幅較大，Crowbar 動作，Crowbar 切除時間 500ms ；
下面逐一介紹以上幾種工況下的電磁暫態(tài)仿真結(jié)果
(I)風(fēng)機初始運行點有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時機端電壓降幅較小，Crowbar不動作；風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)如圖11所示，仿真工況如下風(fēng)機初始有功出力 4. 5MW,無功OMvar，初始滑差+8%，Crowbar切除時間60ms。Os時，風(fēng)機升壓變出口母線PCC 發(fā)生三相短路故障，接地阻抗0. l+jl.0Q,0. 15s后故障清除。故障后，由于雙饋機本身的暫態(tài)過程，有功、無功以及轉(zhuǎn)子電流均會發(fā)生振蕩，振蕩衰減的速度與雙饋機定、轉(zhuǎn)子繞組的時間常數(shù)有關(guān)。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器的功率控制策略中，電網(wǎng)電壓跌落時有功參考值相應(yīng)減少， 無功參考值相應(yīng)增加，因此可以發(fā)現(xiàn)故障期間雙饋機有功平均值較之故障前減小，而無功則相應(yīng)增加，以幫助電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。
(2 )風(fēng)機初始運行點有功4. 5麗，無功OMvar，滑差+8%，故障時機端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時間60ms ;仿真工況風(fēng)機初始有功出力4. 5麗,無功 OMvar,初始滑差+8%，Crowbar切除時間60ms。Os時，風(fēng)機升壓變出口母線PCC發(fā)生三相短路故障，接地阻抗0.01+j0. 1Ω，0. 15s后故障清除。故障后，機端電壓迅速跌至0. 2pu左右， 此時Crowbar動作，雙饋機有功、無功均迅速下降，同時，由于雙饋機本身的暫態(tài)過程，其有功、無功包括定、轉(zhuǎn)子電流均作振蕩衰減。60ms左右時,Crowbar切除,轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制信號恢復(fù)，但此時由于故障還未清除，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器進入故障期間的功率控制策略，此時雙饋機無功出力增加，使得故障期間電網(wǎng)電壓略有提升。0. 15s后故障清除，雙饋機有功、無功、 轉(zhuǎn)子電流再次疊加高頻振蕩分量，待振蕩衰減后重新恢復(fù)有功、無功控制功能，回到初始運行點并繼續(xù)進行最佳風(fēng)能跟蹤。
(3)風(fēng)機初始運行點有功2. 8麗，無功OMvar，滑差_10%，故障時機端電壓降幅較大，Crowbar動作，Crowbar切除時間60ms ;仿真工況風(fēng)機初始有功出力2. 8麗,無功 OMvar，初始滑差-10%，Crowbar切除時間60ms。Os時，風(fēng)機升壓變出口母線PCC發(fā)生三相短路故障，接地阻抗0.01+j0. 1Ω，0. 15s后故障清除。Crowbar退出后風(fēng)機進入故障期間的功率控制策略，為電網(wǎng)電壓恢復(fù)提供支撐，故障清除后風(fēng)機同樣能回到初始運行點。
(4)風(fēng)機初始運行點有功4. 5MW,無功OMvar，滑差+8%，故障時機端電壓降幅較大,Crowbar動作,Crowbar切除時間500ms ;仿真工況風(fēng)機初始有功4. 5MW,無功OMvar,初始滑差+8%，Crowbar切除時間整定值500ms。Os時，風(fēng)機升壓變出口母線PCC發(fā)生三相短路故障，短路阻抗0.01+j0. 1Ω，0. 15s時故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果，0. 15s故障恢復(fù)后 Crowbar還未切除,風(fēng)機作普通異步發(fā)電機運行,發(fā)出有功吸收無功,直到0. 5s,Crowbar切除后風(fēng)機重新恢復(fù)有功無功控制能力，故障期間Crowbar投切一次。Crowbar切除時間整定值較長時，故障穿越期間風(fēng)機會從電網(wǎng)吸收更多的無功，這不利于故障后電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。
無低電壓穿越功能
(I)機端電壓降幅較大，風(fēng)機切除。仿真工況風(fēng)機初始有功4. 5麗，無功OMvar， 初始滑差+8%，三相短路故障接地阻抗O. Ol+jO. ΙΩ,Ο. 15s故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果， 無低電壓穿越能力的風(fēng)機在電網(wǎng)發(fā)生較嚴重故障后直接切除，故障清除后無法重新恢復(fù)有功無功控制能力，對故障后電網(wǎng)頻率以及電壓的恢復(fù)均不利。
(2)機端電壓降幅較小，風(fēng)機不切除。仿真工況風(fēng)機初始運行點同前，三相短路故障接地阻抗O. l+jl.0Q,0. 15s故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果，故障期間機端電壓降為O.7pu，轉(zhuǎn)子電流未超過變頻器保護整定值，風(fēng)機仍掛網(wǎng)運行，故障期間有功指令比正常工作時小，無功則比正常工作時多發(fā)，從而為電網(wǎng)電壓提供支撐作用。
2)非對稱故障仿真
三相不對稱故障時，風(fēng)機同樣會因為機端電壓的突然降低而導(dǎo)致變頻器過流或直流電容過壓，同時，還可能由于三相不平衡過于嚴重而導(dǎo)致變頻器三相不對稱保護動作，因此，有必要分析比較有、無低電壓穿越的風(fēng)機在電網(wǎng)不對稱故障下的動態(tài)響應(yīng)。
有低電壓穿越功能(I)單相故障機端電壓降幅較小，Crowbar不動作。仿真工況風(fēng)機初始有功 4. 5MW，無功OMvar，初始滑差+8%，Crowbar切除時間60ms，0s時風(fēng)機升壓變出口母線PCC 發(fā)生a相接地故障，短路阻抗0. 2+J2. O Ω，0. 15s故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果，故障過程中Crowbar未動作，變頻器始終未退出，但與三相對稱故障機端電壓降幅較小時不同，故障期間，風(fēng)機有功、無功均振幅較大，無法控制在4. 5MW和OMvar的參考值上，這主要是因為不對稱故障時機端電壓有負序分量，該負序分量經(jīng)過轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器矢量控制作用后，會在有功和無功中疊加2倍頻(100Hz)的附加量，導(dǎo)致有功、無功均以IOOHz振蕩。
(2)相間故障機端電壓降幅較小，Crowbar不動作。仿真工況風(fēng)機初始運行點以及Crowbar參數(shù)同前，Os時，風(fēng)機升壓變出口母線PCC發(fā)生be相間短路故障，短路阻抗0.35+j3. 5Ω，0. 15s故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果，與單相故障類似，相間故障期間風(fēng)機的有功和無功同樣會發(fā)生振蕩，振蕩的頻率中含有IOOHz的分量。
(3)單相故障機端電壓降幅較大，Crowbar動作。仿真工況風(fēng)機初始運行點以及 Crowbar參數(shù)同前,單相接地阻抗0. 01+j0. ΙΩ,Ο. 15s故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果，單相故障同樣會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過流，故障穿越過程中，Crowbar 一共投切兩次，這主要是由于非對稱故障Crowbar投入后,轉(zhuǎn)子電流中IOOHz的分量衰減較慢。因此第一次Crowbar退出變頻器重新投入后，由于外界故障還未消除，轉(zhuǎn)子又再次迅速過流，Crowbar再次投入，直到0. 19s 左右時Crowbar退出，風(fēng)機重新恢復(fù)控制功能并回到初始運行點。
(4)相間故障機端電壓降幅較大，Crowbar動作。仿真工況風(fēng)機初始工況以及 Crowbar參數(shù)同前,Os時，be相間短路阻抗0. 01+j0. ΙΩ,Ο. 15s故障清除。與單相故障類似，相間故障時轉(zhuǎn)子過流同樣衰減較慢，Crowbar多次動作后風(fēng)機才重新恢復(fù)有功、無功控制功能。
無低電壓穿越功能
(I)單相故障機端電壓降幅較小，風(fēng)機不切除。仿真工況風(fēng)機初始有功4. 5MW，無功OMvar，初始滑差+8%，Os時，風(fēng)機升壓變出口母線PCC發(fā)生發(fā)生a相單相接地故障，短路阻抗0. 2+j2. 0Ω，0. 15s時故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果，故障過程中雙饋機轉(zhuǎn)子未過流，變頻器保護不動作，但風(fēng)機的有功和無功同樣在4. 5MW和OMvar附近作IOOHz的等幅振蕩。
(2)相間故障機端電壓降幅較大，風(fēng)機切除。仿真工況風(fēng)機初始有功4. 5MW，無功 OMvar,初始滑差+8%，Os時，風(fēng)機升壓變出口母線PCC發(fā)生發(fā)生be相間短路故障，短路阻抗0.01+J0. ΙΩ,Ο. 15s故障清除。根據(jù)仿真分析結(jié)果，無低電壓穿越能力的風(fēng)機在電網(wǎng)故障清除后無法恢復(fù)有功、無功控制能力，對電網(wǎng)頻率以及電壓的恢復(fù)均不利。
根據(jù)本發(fā)明的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法的一個實施例，步驟 SlOO根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，所述的風(fēng)電機組包括由風(fēng)力機模型、軸系模型和槳距控制系統(tǒng)構(gòu)成的原動機模型，由感應(yīng)發(fā)電機模型和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制保護系統(tǒng)構(gòu)成的雙饋風(fēng)電機組模型，以及電網(wǎng)側(cè)變頻器控制系統(tǒng)，所述電磁暫態(tài)仿真方法包括以下步驟S100)建立風(fēng)力機模型，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率與葉尖速比和葉片漿距角的關(guān)系，模擬風(fēng)力機吸收的風(fēng)功率；S200)使用發(fā)電機質(zhì)塊和風(fēng)力機質(zhì)塊組成的兩質(zhì)量塊軸系結(jié)構(gòu)，建立風(fēng)機軸系模型，模擬風(fēng)力機機械轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的能量傳遞關(guān)系；S300)建立槳距控制系統(tǒng)模型，使用槳距角控制仿真進行風(fēng)電機組功率的尋優(yōu)，尋求在給定風(fēng)速下使風(fēng)電機組輸出功率的最大值；模擬風(fēng)速超出額定風(fēng)速時槳距控制系統(tǒng)的過載保護功能；S400)根據(jù)雙饋感應(yīng)電機的方程和磁鏈方程構(gòu)建雙饋異步感應(yīng)電機的T型等效電路， 建立DFIG電氣仿真模型；S500)根據(jù)DFIG電氣仿真模型雙饋感應(yīng)發(fā)電機定子的瞬時電磁功率方程、轉(zhuǎn)子電流與定子電流的關(guān)系和轉(zhuǎn)子電壓方程，建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；S600)使用以上步驟建立的風(fēng)電機組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型； S700 )設(shè)置風(fēng)電機組仿真模型的初始運行工況，設(shè)置微秒級別的仿真步長，進入風(fēng)電機組系統(tǒng)的電磁暫態(tài)仿真運行狀態(tài)；S720)對所述的風(fēng)力機模型分別施加風(fēng)速負階躍和風(fēng)速正階躍信號，進行風(fēng)速階躍的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的有功出力、轉(zhuǎn)速、風(fēng)功率、風(fēng)能利用效率以及槳距角的響應(yīng)， 建立的雙饋風(fēng)機詳細模型面對風(fēng)速變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗證最大風(fēng)能追蹤的有效性； S740)對所述的雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型施加無功階躍信號，進行無功階躍的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的機端電壓、有功出力、無功出力以及轉(zhuǎn)速的變化，建立的雙饋風(fēng)機詳細模型面對外部電網(wǎng)無功負荷變化的動態(tài)響應(yīng)特性，驗證雙饋風(fēng)機矢量控制中無功控制環(huán)節(jié)的動態(tài)特性；S760)對所述的雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型分別模擬外部電網(wǎng)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(fēng)機進行故障狀態(tài)的電磁暫態(tài)仿真，分析風(fēng)電機組的機端電壓、有功、無功、定子電流、轉(zhuǎn)子電流波形，比較有、無低電壓穿越功能的雙饋異步風(fēng)機在電網(wǎng)故障下的動態(tài)響應(yīng)，驗證雙饋風(fēng)機故障保護的動態(tài)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，其特征在于所述的DFIG模塊使用可投切Crowbar裝置實現(xiàn)低電壓穿越功能,當(dāng)外界故障使轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器檢測到轉(zhuǎn)子過電流，或者變頻器直流母線過電壓時，Crowbar裝置中的開關(guān)元件IGBT導(dǎo)通，Crowbar投入工作旁路轉(zhuǎn)子過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器觸發(fā)信號閉鎖，雙饋機轉(zhuǎn)子繞組直接經(jīng)串聯(lián)電阻Re短路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，其特征在于所述的電磁暫態(tài)仿真方法還包括以下步驟S762)仿真分析Crowbar裝置投切過程的轉(zhuǎn)子電流的衰減過程,分析不同Crowbar切除時間整定值下低電壓穿越功能的動態(tài)響應(yīng)，驗證Crowbar切除時間整定值的合理性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，其特征在于所述的電磁暫態(tài)仿真方法還包括以下步驟S76 4)仿真分析外界電網(wǎng)發(fā)生三相不對稱故障時轉(zhuǎn)子三相電流的瞬時值和幅值的變化，驗證三相不對稱故障時變頻器保護的設(shè)置參數(shù)。
全文摘要
一種雙饋變速恒頻風(fēng)電機組系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真方法，涉及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種使用計算機程序進行雙饋風(fēng)電機組系統(tǒng)的建模分析的方法，包括以下步驟建立風(fēng)功率模型模擬風(fēng)力機吸收的風(fēng)功率；建立風(fēng)機軸系模型；建立槳距控制系統(tǒng)模型；建立雙饋異步感應(yīng)電機電氣仿真模型；建立電網(wǎng)側(cè)變頻器和轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制器模型；使用風(fēng)電機組仿真模型，建立雙饋風(fēng)機單機無窮大系統(tǒng)模型；設(shè)置風(fēng)電機組系統(tǒng)的仿真運行工況和故障狀態(tài)，進行電磁暫態(tài)仿真，驗證保護裝置整定值的合理性。本發(fā)明建立符合雙饋變速恒頻風(fēng)電機組物理特性的詳細模型，進行電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真，可以考察風(fēng)機在各種故障和工況下的動態(tài)特性，使風(fēng)機在大規(guī)模電網(wǎng)中的仿真成為可能。
文檔編號G06F17/50GK102999675SQ201210533449
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者馮煜堯, 楊增輝, 郭強 申請人:上海市電力公司, 華東電力試驗研究院有限公司, 國家電網(wǎng)公司