[发明专利]一种全阶双馈风力发电系统的时域矩阵建模方法

摘要

本发明公开了一种全阶双馈风力发电系统的时域矩阵建模方法，包括步骤S1、建立风力机模型，相位角测量器模型，双馈异步感应电机模型，背靠背变流器以及直流母线矩阵数学模型；S2、建立计及故障穿越的背靠背变流器的控制策略模型，设计正常/故障电流控制逻辑以及改进定子磁链控制策略；S3、搭建全阶双馈风力发电系统的状态空间方程，并建立时域矩阵模型。该全阶双馈风力发电系统模型的有益效果在于将风力机，双馈电机，变流器通过数学模型表示，在不影响系统精确度的条件下极大的简化运算量，为建立大规模风电场的简化模型和聚合模型奠定了基础。

主权项

1.一种全阶双馈风力发电系统的时域矩阵建模方法，其特征在于，综合考虑风力机、相位测量器、双馈异步感应电机、背靠背变流器和直流母线模型，并考虑正常/故障电流控制逻辑和定子磁链改进控制策略，建立整个风电系统的时域矩阵模型，此模型是高阶的、详细的，包括如下步骤：S₁、建立风力机数学模型：将风力机简化为一质量模型，则：式中：J为风力机转动惯量，Ω_tur为风力机旋转角速度，T_tur为风力机机械转矩，T_e为DFIG电磁转矩，T_tur通过最大功率计算模块与风力机旋转角速度Ω_tur相除得到，T_e通过DFIG定、转子电流计算得到；S₂、建立相位角测量器数学模型：相位角测量器模型主要用于计算系统坐标变换所需相位角以及相关角速度：DFIG转子旋转电角速度ω_r＝pω′_r＝pN_gΩ_tur，N_g为齿轮箱变比，p为DFIG极对数，转子电角度θ_r＝∫ω_r，定子磁场旋转角速度以及相位角由锁相环测得，其传递函数表示为：式中：τ₁、τ₂为传递函数G_ol(s)中超前滞后环节的参数，k_p为传递函数G_ol(s)中的积分系数；设测得定子电压相位角以及角速度分别为θ_s、ω_s，得到转差角度与转差角速度分别为：θ_slip＝θ_s‑θ_r，ω_slip＝ω_s‑ω_r               (3)同时，将该锁相环d轴输出通过滑动平均滤波器(Moving Average Filter，MAF)，可以得到定子电压幅值U_s，用于进行电网正常/故障判断，实现变流器正常/故障电流控制逻辑，其中MAF传递函数为：式中：T_ω为MAF滤波窗口长度，为了保证锁相环有效滤除输入谐波与快速动态响应，令T_ω＝0.01；S₃、建立双馈异步感应电机数学模型：由双馈感应电机的定、转子电压方程以及磁链方程，可以化简得到以定、转子电流作为转态变量的数学矩阵方程：式中：R_s、R_r分别为定、转子绕组电阻；u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分别为定、转子电压d、q分量，i_sd、i_sq、i_rd、i_rq分别为定、转子电流d、q分量，ψ_sd、ψ_sq、ψ_rd、ψ_rq分别为定、转子磁链d、q分量，L_s为定子自感，L_r为转子自感，L_m为互感，为发电机的漏磁系数；S₄、背靠背变流器以及直流母线数学模型：在双馈风力发电系统中，转子侧变流器输出接DFIG转子，转子电流模型在双馈异步感应电机建模时已考虑，这里不再涉及；因此，电网侧变流器电流模型：直流母线电压模型：式中：L_g、R_g分别为进线电抗器的电感与电阻，i_gd、i_gq分别为电网侧变流器输出电流的d、q分量，S_ra、S_rb、S_rc和S_ga、S_gb、S_gc分别为转子侧和电网侧三相PWM变流器中各桥臂的开关函数，定义上桥臂功率元件导通时为1，下桥臂功率元件导通时为0；T_dq2×3为dq变换矩阵；为dq逆变换矩阵；S₅、设计正常/故障电流控制逻辑以及改进定子磁链控制策略；S₆、转子侧变流器内环电流控制器设计：已知基于电网电压定向的传统电流矢量控制器：式中：u_rd、u_rq分别为转子电压d、q分量，R_r为转子绕组电阻，L_s为定子自感，L_r为转子自感，L_m为互感，i_rd、i_rq分别为转子电流d、q分量，ω₁为电网频率，ω_slip为转差角速度，U_s为定子电压幅值，σ为发电机的漏磁系数；通过引入电流交叉耦合项以及电压前馈补偿，从而实现了d、q轴电流的解耦控制，有效提高了系统的动态控制性能；当电网发生故障时，考虑定子磁链动态响应，设计基于电网电压定向的定子磁链前馈补偿控制器，其内环电流控制器模型为：式中：u_sd为定子电压d轴分量，R_s为定子绕组电阻，ψ_sd、ψ_sq分别为定子磁链d、q分量；通过引入电流交叉耦合项以及改进定子磁链前馈补偿，实现d、q轴电流解耦控制，有效提高了系统的电网电压故障穿越运行能力；S₇、转子侧变流器外环功率环设计：转子变流器外环采用正常/故障电流控制逻辑，首先判断电网电压幅值动态变化，根据德国E.ON公司输电电网规范，当检测的电压幅值0.9<U_s<1.1成立时，判定电网电压处于正常波动范围内，采用传统外环控制方法，即d轴控制系统输出有功或实现最大功率追踪，q轴控制系统输出无功，电流控制逻辑优先保证d轴电流参考值不超过变流器最大值，q轴电流参考值有变流器的剩余容量决定；当检测的电压幅值不满足0.9<U_s<1.1，即判定电网电压发生故障，电流控制逻辑首先根据故障电网无功支持原则，设计额外无功无偿电流，保证系统输出足够的无功电流，支持电网电压恢复，并根据变流器容量限制，优先设计无功电流上限值；然后根据变流器剩余容量，设计有功电流参考值的上限值；S₈、电网侧变流器控制设计：由于电网侧变流器的无功电流参考值设为0，电网故障时，只需要保证d轴电流不超过变流器最大值；S₉、搭建全阶双馈风力发电系统的状态空间方程，建立整个风力发电系统时域矩阵模型；S₁₀、建立机械子系统(风力机)模型：将风力机机械转矩T_ur与电磁转矩T_e数学表达式代入式(1)得到机械系统数学模型：式中：p为DFIG极对数，v_w为风速，R为风力机叶片半径，C_p为风能利用系数，J为风力机转动惯量，Ω_tur为风力机旋转角速度，i_sd、i_sq、i_rd、i_rq分别为定、转子电流d、q分量；S₁₁、建立转子侧变流器以及电网侧变流器控制系统模型：转子侧变流器外环采用正常/故障电流控制逻辑，内环采用改进定子磁链前馈控制，得到转子侧变流器控制系统简化模型：式中：S_rabc＝[S_ra,S_rb,S_rc]^T，S_ra,S_rb,S_rc分别为转子侧三相PWM变流器各桥臂的开关函数，SVM表示空间矢量脉冲宽度调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，FRT(P)表示包含正常/故障电流控制逻辑的外环功率控制器，Y_ψ表示改进定子磁链前馈策略的内环电流控制器，为dq拟变换矩阵；电网侧变流器控制系统简化模型：式中，S_gabc＝[S_ga,S_gb,S_gc]^T，S_ga,S_gb,S_gc分别为电网侧三相PWM变流器各桥臂的开关函数，X(U_dc)表示直流母线电压控制器，Y(I_g)表示内环电流控制器；S₁₂、电气子系统(双馈感应电机、背靠背变流器以及直流母线)模型：式中：O_m×n为m×n的零矩阵，矩阵A‑G分别对应式(5)至式(7)中矩阵，具体如下：S₁₃、建立全阶风力发电系统建模：首先根据式(10)建立机械系统模型，输入矢量为风速v_w以及电磁转矩P_e，输出矢量为旋转角速度Ω_tur；然后根据式(11)和式(12)建立控制系统模型：式中，S_abc＝[S_rabc S_gabc]^T；令分别表示状态矢量和输入矢量，可以得到双馈风力发电系统全阶矩阵方程：式中，