[发明专利]直驱型风力发电机组的机电暂态建模方法

摘要

一种直驱型风力发电机组的机电暂态仿真建模方法，该模型包括8个模块，各个模块间相对独立，便于模块化编程。对各个模块间的反馈量均采用上一时刻的值，使各个模块可以按顺序结构进行编程。在仿真时序流程上，对两个换流器模块采用了dq轴完全解耦的假设，使d轴和q轴可以独立建模。此外，为了正确反映风机的故障特性，在相应模块中增加了低压穿越(LVRT)控制策略。在仿真时序流程上，采用了大、小步长混合的仿真技术，使得风机内部快速动态得以准确反映。本发明有效解决了现有风机的机电暂态模型不能完整地、准确地反映风机暂态过程的问题。

主权项

1.一种直驱型风力发电机组的机电暂态仿真建模方法，其特征在于该方法综合运用合理的模型分割、反馈环节近似处理、换流器dq轴完全解耦假设、低压穿越控制策略和大小步长混合仿真，在保证仿真效率的前提下尽可能完整地、准确地反映直驱型风力发电机组在正常运行和电网故障状态下的机械动态和电磁暂态特性，具体包含以下步骤：步骤一：列写直驱型风力发电机组各个部分的机电暂态过程的代数微分方程组和相关控制系统的框图，共同构成直驱型风力发电机组的完整数学模型；步骤二：将整个风机模型分割为八个模块：风速模块、最大功率追踪模块、机侧电压源型换流器及其控制模块、桨距角控制模块、风功率模块、风机转子动态模块、网侧电压源型换流器及其控制模块和直流环节动态模块；步骤三：将各个模块所对应的代数微分方程或控制框图表示成差分方程的形式，在已知初始值的情况下，即0时刻的状态变量的情况下，根据差分方程求得h时刻的状态变量，h为步长，再由h时刻的状态变量，依次求得2h，3h，……时刻的状态变量，从而完成对风电机组模型的数值求解；所述步骤三中数值求解过程中采用下列处理方法：1)按顺序依次求解各个模块的状态变量时，在t时刻，为了求解某一模块的状态变量x(t),差分方程中可能含有后面模块的状态变量u(t)，而此时还没有计算到后面模块，u(t)是未知的，则u(t)采用上一时刻的值u(t‑h)来近似；2)对于机侧VSC及其控制模块和网侧VSC及其控制模块，其换流器物理模型的d轴、q轴之间存在耦合，在换流器的控制中引入了补偿项ωLi_d,ωLi_q；3)分别在机侧VSC及其控制模块、网侧VSC及其控制模块、桨距角控制模块和直流环节动态模块中，增加了相应的低电压穿越控制策略：当风电场出口电压跌落时，一方面，通过切换为定交流电压控制提供无功支持，另一方面，降低了机侧VSC的有功功率参考值，将不平衡功率转化为转子动能；如果此时直流电压仍越限，剩余的不平衡能量将通过直流环节的卸荷电路释放；步骤四：在完成各个模块差分方程编程的基础上，完善模型的仿真时序流程：一方面，增加判断仿真时间ts＝0，进入初始化程序，先建立用于最大功率追踪的风速‑最优功率表，再根据从主程序读取的风电场出口电压和功率，计算并保存风机模型内部各个模块的状态变量为X0，作为后续数值计算的初始值；另一方面，当仿真时间ts＝0时，进入数值求解阶段，即依次求解步骤二中的八个模块的差分方程，采用大、小步长混合的仿真技术，即主仿真程序仍用正常的机电暂态仿真步长h进行计算，在风机模型内部采用更小的步长hs进行数值求解，具体时序流程如下：在某个正常机电暂态仿真步上，主程序将电压数据传递给风机模型，风机模型完成多个小步长计算后，将功率数据返回主程序，主程序完成一个正常的机电暂态仿真步长后，将新的电压数据传递给风机模型，重复上述过程，实现大、小步长的混合仿真。