[发明专利]考虑风速波动的双馈风机柔直并网强迫振荡的分析方法

权利要求书

1.一种考虑风速波动的双馈风机柔直并网强迫振荡的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立风速波动模型；采用平均风速分量与湍流分量相叠加的风速模型，平均风速保持不变，风速的波动体现在湍流分量中，湍流分量为一个平稳随机过程，风速序列和平均风速的偏差服从零均值高斯分布；

设一段时间内风速信号由平均风速持续周期性波动分量V_p和高斯白噪声V_n组成，建立如下风速模型：

其中，V_wind为风速，A为风速波动幅值，f_p为风速波动频率；

步骤2、根据原双馈风机柔直并网系统的DAE方程，将风速设为输入变量，双馈风机电磁功率设为输出变量，得到新的DAE方程组并将其线性化，建立输入变量到输出变量之间的传递函数；步骤2.1、根据原双馈风机柔直并网系统的DAE方程，将风速设为输入变量，双馈风机电磁功率设为输出变量，得到新的DAE方程组并将其线性化，系统的原DAE方程组为：

其中，x表示微分方程组中描述系统动态特性的状态变量，y表示代数方程组中系统的运行变量，在平衡点(x₀,y₀)处线性化，得到线性化表达式：

其中，

消去运行变量Δy得到：

其中，矩阵A即为系统特征矩阵；

将风速V_wind这个强迫扰动源作为输入变量u，双馈风机电磁功率P_e作为输出变量z，得到新的DAE方程组：

线性化后的表达式为：

步骤2.2、建立输入变量到输出变量之间的传递函数，输入变量到输出变量之间的传递函数定义为：

根据步骤2.1中线性化后的表达式即可得到所需传递函数的表达式为：

H(s)＝C(sI-A)^-1B；

步骤3、求解目标传递函数；根据步骤2得到的传递函数表达式为：

H(s)＝C(sI-A)^-1B

其中，矩阵A为系统特征矩阵，矩阵B为输入参数u，即矩阵B为风速ΔV_wind相关的系数矩阵，矩阵C为输出参数z即双馈风机电磁功率ΔP_e相关的系数矩阵；

步骤3.1、求取系统特征矩阵A，具体如下：

建立双馈风机柔直并网系统的各部分模型，并将各部分模型进行线性化，得到各状态变量的线性化模型；双馈风机部分包括桨距角控制系统模型、风电机组轴系模型、感应电机模型、转子侧变流器控制系统模型、网侧变流器控制系统模型、直流母线电压模型以及网侧线路电抗模型，共19阶；柔性直流部分采用准稳态模型，共7阶；故双馈风机柔直并网系统模型共26阶，各部分状态变量为：

双馈风机部分状态变量为：

Δx_DFIG＝[Δβ,Δθ_s,Δω_t,Δs,ΔE_d,ΔE_q,Δx₁,Δx₂,Δx₃,Δx₄,ΔU_dc,Δx₅,Δx₆,Δx₇,Δi_sd,Δi_sq,Δi_gd,Δi_gq,Δx₈]

柔直部分状态变量为：

Δx_VSC-HVDC＝[Δi_sd1,Δi_sq1,Δi_sd2,Δi_sq2,Δu_sd1,Δu_sd2,Δi_d]

根据系统26阶线性化DAE方程组，由式得到系统的特征矩阵A；

步骤3.2、求取系数矩阵B，考虑与输入参数u即风速ΔV_wind相关的量，具体如下：

双馈风机机械输入功率P_m为：

其中，P_{m_base}为机械功率基准值，S_base为额定容量，C_p为风能利用系数，λ为叶尖速比，β为叶桨距角，C_{p_base}为风能利用系数基准值，V_{wind_base}为额定风速；

风能利用系数C_p(λ,β)是λ和β的函数，λ与转速ω_t和风速V_wind有关，不考虑风速V_wind的波动时风速V_wind不作为变量，其微增量表达式为：

其中，K₁、K₂、K₃、K₄、K₅为风能利用系数模型线性化后的参数；

考虑风速V_wind的波动时，其微增量的表达式中应增加相应的ΔV_wind相关项，得到如下表达式：

其中，

风力机的机械转矩为：

不考虑风速波动，其微增量表达式为：

ΔT_m＝K_βΔβ+K_ωΔω_t

其中，

考虑风速V_wind的波动时，T_m的微增量表达式中也应考虑风速的变化增加相应的ΔV_wind相关项，得到：

ΔT_m＝K_βΔβ+K_ωΔω_t+K_wΔV_wind

其中，

由整个双馈风机柔直并网系统的状态方程可知，只有风电机组轴系方程中有式与ΔT_m有关，即：

式中，H_t为风力机惯性时间常数，Δθ_s为轴系扭转角微增量，Δs为转差率微增量；

故其应考虑风速的变化增加相应的ΔV_wind相关项，改写为：

其中，式中，分别为系统特征矩阵A中的元素，K_wind则为所求参数矩阵B中的元素；

当双馈风机在额定风速以上运行时，需考虑桨距角控制系统的动态特性，参数矩阵B为26×1阶矩阵：

B＝[0,0,K_wind,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]^T

当双馈风机在额定风速以下运行时，不需要考虑桨距角控制系统的动态特征，此时不考虑系统中的状态变量β和x₈，系统状态矩阵A变为24阶，参数矩阵B为24×1阶矩阵：

B＝{0,K_wind,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]^T

步骤3.3、求取系数矩阵C，考虑与输出参数z即双馈风机电磁功率ΔP_e相关的量，具体如下：

双馈风机的输出电磁功率为：

P＝-(P_s+P_g)

式中，P_s为双馈风机定子侧输出功率，P_g为网侧输出功率；

其微增量的表达式为：

ΔP＝P₁Δi_sd+P₂Δi_sq+P₃Δi_gd+P₄Δi_gq

式中，P₁、P₂、P₃、P₄则为所求参数矩阵C中的元素，Δi_sd、Δi_sq、Δi_gd、Δi_gq分别为转子侧、网侧电流dq轴分量的微增量；

按照各状态变量的排列顺序，当双馈风机在额定风速以上运行时，参数矩阵C为1×26阶矩阵：

C＝[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,P₁,P₂,P₃,P₄,0,0,0,0,0,0,0,0]

当双馈风机在额定风速以下运行时，参数矩阵C为1×24阶矩阵：

C＝[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,P₁,P₂,P₃,P₄,0,0,0,0,0,0,0]；

步骤4、以平均风速为x轴、风速模型中的周期性扰动分量为y轴、目标传递函数的幅频特性为z轴，绘制传递函数的幅频特性曲线族，利用传递函数的幅频特性对双馈风机柔直并网系统强迫振荡进行分析。

2.根据权利要求1所述的考虑风速波动的双馈风机柔直并网强迫振荡的分析方法，其特征在于，步骤4所述的以平均风速为x轴、风速模型中的周期性扰动分量为y轴、目标传递函数的幅频特性为z绘制传递函数的幅频特性曲线族，利用传递函数的幅频特性对系统强迫振荡进行分析，具体如下：

根据步骤3求得的参数矩阵A、B、C得到所建立的目标传递函数H(s)在全风况条件下的幅频特性曲线；以平均风速为x轴、风速模型中的周期性扰动分量f_p为y轴、目标传递函数的幅频特性|H(s)|为z轴，利用MATLAB软件分别绘制双馈风机在额定风速以下即低风速区间内和额定风速以上即高风速区间内的幅频特性曲线族；根据低风速区和高风速区的幅频特性曲线分别对双馈风机柔直并网系统进行振荡特性分析；

在低风速区间内H(s)呈现低通滤波器特性，风速V_wind中的高频背景噪声被过滤，周期性波动分量频率越低，目标传递函数的幅频特性|H(s)|的值越大，双馈风机的输出功率产生幅值的振荡越大；在幅频特性曲线的中间频率段出现高于阈值的幅值波动，此处对应周期性扰动分量f_p的值与双馈风机轴系固有振荡频率一致，说明风速中的周期性波动分量与双馈风机轴系固有振荡频率相同时会引发系统的强迫振荡；ω_s为系统角频率，K为刚度系数，H_t为风力机惯性时间常数，H_g为发电机惯性时间常数；

在高风速区间内H(s)呈现带通滤波器特性，风速V_wind中的高频和极小的低频背景噪声均被过滤，周期性波动分量频率在一段低频区间内，目标传递函数的幅频特性|H(s)|的值较阈值大，使双馈风机的输出功率产生幅值较阈值大的振荡；此处对应周期性扰动分量f_p的值与双馈风机轴系固有振荡频率f_t一致，亦说明风速中的周期性波动分量与双馈风机轴系固有振荡频率相同时会引发系统的强迫振荡。