一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域中一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)及方法，該降階仿真系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、特征根分析模塊、時(shí)域仿真驗(yàn)證模塊以及結(jié)果輸出模塊順序連接組成。仿真方法首先計(jì)算雙饋風(fēng)電機(jī)組各狀態(tài)變量的衰減時(shí)間常數(shù)，并根據(jù)各狀態(tài)變量的衰減快慢關(guān)系，從時(shí)間尺度探究雙饋風(fēng)電機(jī)組各組成部分的動(dòng)態(tài)特性；然后計(jì)及機(jī)組機(jī)電耦合特性，推導(dǎo)保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型；最后構(gòu)建出降階模型接入多機(jī)互聯(lián)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。本發(fā)明能正確且有效地分析含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組接入對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，解決了含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組階數(shù)較高、不便分析計(jì)算的難題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī) 組降階仿真系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組控制部分研究的逐步深入，風(fēng)機(jī)模型日趨完善。但考慮到雙 饋風(fēng)電機(jī)組包含眾多的控制器，其詳細(xì)模型階數(shù)過(guò)高，當(dāng)其接入互聯(lián)電力系統(tǒng)時(shí)，更易引發(fā) "維數(shù)災(zāi)"，給計(jì)算分析帶來(lái)極大困難。因此，亟需對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組的降階模型進(jìn)行深入研 究。
[0003] 目前，風(fēng)電機(jī)組模型降階已逐漸成為國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家和學(xué)者研究的熱點(diǎn)。然而，現(xiàn) 有模型均未考慮雙饋風(fēng)電機(jī)組附加控制器的影響，隨著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng) 電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定KGB/T19963-2011)與能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)技 術(shù)規(guī)范》均要求雙饋風(fēng)電機(jī)組具備響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化的能力，但現(xiàn)有降階模型均無(wú)法反應(yīng) 具備慣量支持能力的雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真 系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、特征根分析模塊、時(shí)域仿真驗(yàn)證模塊W及 結(jié)果輸出模塊依次連接。
[0005] 所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將其傳遞給特征根分析模塊；
[0006] 所述特征根分析模塊用于接收數(shù)據(jù)采集模塊傳遞的數(shù)據(jù)，在控制器參數(shù)不同的情 況下分析簡(jiǎn)化模型是否合理；
[0007] 所述時(shí)域仿真驗(yàn)證模塊用于驗(yàn)證特征根分析模塊結(jié)果的正確性和有效性；
[000引所述結(jié)果輸出模塊用于輸出簡(jiǎn)化模型能否正確反應(yīng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性的 信息。
[0009] -種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真方法，其特征在于，包括
[0010] 步驟1、建立考慮轉(zhuǎn)子電壓、鎖相環(huán)、虛擬慣量控制、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器W及風(fēng)電機(jī)組機(jī) 械部分的暫態(tài)特性的雙饋風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型；
[0011] 步驟2、計(jì)算模型中各狀態(tài)變量的衰減時(shí)間常數(shù)，根據(jù)各狀態(tài)變量的衰減快慢關(guān) 系，從時(shí)間尺度描述雙饋風(fēng)電機(jī)組各組成部分的動(dòng)態(tài)特性；
[0012] 步驟3、構(gòu)建保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)多機(jī)互聯(lián)系統(tǒng) 的狀態(tài)方程。
[0013] 所述步驟1中雙饋風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型包括鎖相環(huán)模型和虛擬慣量控制模型；
[0014] 鎖相環(huán)模型動(dòng)態(tài)方程表示為
[001 7] ω s_PLL = Kl_PLL祉ix-Kp_PLLUsd;
[001引式中：XPLL為跟蹤定子d軸電壓的誤差積累，Usd為雙饋風(fēng)機(jī)定子d軸電壓,δριχ表示觀 巧蝴的定子電壓矢量領(lǐng)先xy坐標(biāo)中X軸的角度，Ws_PLL為鎖相環(huán)測(cè)得的dq標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度， ω η為電網(wǎng)頻率，Kp_PLL和Kl_PLL為鎖相環(huán)PI控制器參數(shù);攝U為變量XPLL沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，與U為變 量SpLL沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；
[0019]虛規(guī)肢量控制模型表示為
[0020]
[002。 式中：X。為引入的中間變量;fmeas為系統(tǒng)頻率測(cè)量值，由鎖相環(huán)測(cè)得，即4。,，=%^; 2：π Τ。為微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù);私為變量X。沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；
[002^ C分二戶(hù)口內(nèi)-A = Κ"文0 ;
[0023] 式中：Pref為實(shí)際有功輸出，Popt為最大功率跟蹤模塊輸出的有功參考值，Pj為虛擬 慣量控制的功率輸出信號(hào);K。為虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的比例系數(shù)，用于模仿虛擬慣量，Ku〉0。
[0024] 所述步驟2中從時(shí)間尺度描述雙饋風(fēng)電機(jī)組各組成部分的動(dòng)態(tài)特性包括
[0025] 步驟201、構(gòu)建含雙饋風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)模型；
[0026] 步驟202、分析計(jì)算當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)；
[0027] 步驟203、改變虛擬慣量的大小，分析計(jì)算此時(shí)各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)；
[0028] 步驟204、改變鎖相環(huán)PI參數(shù)，分析計(jì)算此時(shí)各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)。
[0029] 步驟3中保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型為
[0030]
[0031] 其中：Δ C〇s_PLL = Kl_PLLAxpLL-Kp_PLLAUsd，Us為風(fēng)機(jī)出口電壓，δυ為實(shí)際的風(fēng)機(jī)定子 電壓矢量相位，A c〇s_PLL為鎖相環(huán)測(cè)得的dq標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度的變化量，Δ Usd為雙饋風(fēng)機(jī)定 子d軸電壓的變化量，ASpll為觀測(cè)到的定子電壓矢量領(lǐng)先xy坐標(biāo)中X軸的角度的變化量， Δ皂α為Δ SpLL沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Δ δυ為實(shí)際的風(fēng)機(jī)定子電壓矢量相位的變化量，為跟蹤 定子d軸電壓的誤差積累變化量的沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Δχ。為X。的變化量，心為Δχ。沿時(shí)間的 導(dǎo)數(shù)。
[0032]所述多機(jī)互聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
[0033]
[0043]式中：δ表示發(fā)電機(jī)功角列向量，Δ δ表示δ的變化量，表示A δ沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，ω 表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速列向量，A ω表示ω的變化量，Δ&表示Δ ω沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Aj為線(xiàn)性化的狀 態(tài)矩陣，I為適維單位矩陣，D為發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù)列向量，化為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)列向量； A表示對(duì)該變量求變化量，上標(biāo)?表示該變量沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù);η表示互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)； amn為狀態(tài)矩陣相應(yīng)位置的矩陣，m = 2,…，5，η = 1，3,4,5，amMj則表示矩陣amn中i行j列位置 的元素，i，j = l，2，···，n-l，無(wú) j時(shí)默認(rèn)j = l; Ji、k為中間變量，化、Kk均為中間變量，k=l，2， 3;Us表示風(fēng)機(jī)出口電壓，E/康示第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)，厶,康示第i臺(tái)發(fā)電機(jī)與風(fēng)機(jī) 之間等效聯(lián)系電抗，Si表示第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角，δυ表示實(shí)際風(fēng)機(jī)定子電壓矢量相位，也,1表 示第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。
[0044] 有益效果
[0045] 本發(fā)明根據(jù)各狀態(tài)變量的衰減快慢關(guān)系及機(jī)電禪合特性，提出了保留虛擬慣量控 制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型。與詳細(xì)模型相比，利用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行小干擾穩(wěn)定性分析極 大地降低了計(jì)算量，解決了含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組階數(shù)較高，不便分析計(jì)算的難 題。
【附圖說(shuō)明】
[0046] 圖1 一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0047] 圖2鎖相環(huán)模型；
[004引圖3典型虛擬慣量控制框圖；
[0049] 圖4單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)；
[0050] 圖5新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)；
[0051] 圖6各狀態(tài)變量的參與因子隨虛擬慣量變化的情況；
[0052] 圖7各狀態(tài)變量的參與因子隨風(fēng)機(jī)出力變化的情況；
[0化3] 圖8風(fēng)電場(chǎng)出力1050MW時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；
[0化4] 圖9風(fēng)電場(chǎng)出力910MW時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 本發(fā)明提出了一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)及方法，用于分 析其對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響，解決針對(duì)含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型 階數(shù)過(guò)高不便分析的難題。
[0056] 如圖1所示，一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)，包括順序連接的 W下模塊:數(shù)據(jù)采集模塊、特征根分析模塊、時(shí)域仿真驗(yàn)證模塊、結(jié)果輸出模塊。
[0057] 所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將其傳遞給特征根分析模塊。
[0058] 所述特征根分析模塊接收數(shù)據(jù)采集模塊傳遞的數(shù)據(jù)，在控制器參數(shù)不同的情況下 分析簡(jiǎn)化模型是否合理。
[0059] 所述時(shí)域仿真驗(yàn)證模塊用于驗(yàn)證特征根分析模塊結(jié)果的正確性和有效性。
[0060] 所述結(jié)果輸出模塊用于輸出簡(jiǎn)化模型能否正確反應(yīng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性的 信息。
[0061] -種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真方法，其特征是具體包括W下步 驟：
[0062] 步驟1、建立考慮轉(zhuǎn)子電壓、鎖相環(huán)、虛擬慣量控制、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器、風(fēng)電機(jī)組機(jī)械 部分等暫態(tài)特性的雙饋風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型。主要包括:鎖相環(huán)模型、虛擬慣量控制模型。
[0063] 所述鎖相環(huán)模型動(dòng)態(tài)方程表示為：
[0064] 丈眠=-%
[00化]=",_/·￡￡-妨"：
[0066] ω s_PLL = Kl_PLL祉LL_Kp_PLLUsd
[0067] 式中：XPLL為跟蹤定子d軸電壓的誤差積累，Usd為雙饋風(fēng)機(jī)定子d軸電壓,δριχ表示觀 巧蝴的定子電壓矢量領(lǐng)先xy坐標(biāo)中X軸的角度，Ws_PLL為鎖相環(huán)測(cè)得的dq標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度， ω η為電網(wǎng)頻率，Kp_PLL和Kl_PLL為鎖相環(huán)PI控制器參數(shù)，如圖2所示。
[0068] 所述虛擬慣量控制模型表示為：
[0069]
[0070] 式中：X。為引入的中間變量;fmeas為系統(tǒng)頻率測(cè)量值，由鎖相環(huán)測(cè)得，即 T。為微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，如圖3所示。
[0071]
[0072] 式中：Pcpt為最大功率跟蹤模塊輸出的有功參考值，Pj為虛擬慣量控制的功率輸出 信號(hào);K。為虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的比例系數(shù)，用于模仿虛擬慣量，Ku〉0。
[0073] 步驟2、計(jì)算模型中各狀態(tài)變量的衰減時(shí)間常數(shù)，根據(jù)各狀態(tài)變量的衰減快慢關(guān) 系，從時(shí)間尺度描述雙饋風(fēng)電機(jī)組各組成部分的動(dòng)態(tài)特性。
[0074] 所述步驟2的子步驟包括：
[00巧]子步驟201:構(gòu)建含雙饋風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)模型。
[0076] 對(duì)于高階系統(tǒng)，通常采用Lyapunov第一法（間接法），求取系統(tǒng)的特征根及參與因 子，再根據(jù)參與因子發(fā)現(xiàn)物理量與特征根的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而由特征根獲取各狀態(tài)變量的時(shí) 間常數(shù)。本發(fā)明采用如圖4所示的單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)計(jì)算含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組各 狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)。
[0077] 為便于分析，本發(fā)明為雙饋風(fēng)電機(jī)組設(shè)置參數(shù)如下:額定功率Pbase=1.5MW，額定 頻率fbase = 50Hz，定子額定電壓Us = 690V，定子電阻Rs =化U，轉(zhuǎn)子電阻虹=0.05631口11，定子 漏感Ls = 0.1pu，轉(zhuǎn)子漏感心=0.03129口11，互感為L(zhǎng)m=〇.13129pu，發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)出= 5.29s，虛擬慣量Κω = lOpu。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制參數(shù)如下：Κρι = 0.3pu，Kii = 8s-l ;Κρ2 = 0.55pu，Ki2 = 100s-l;Kp3 = 0.3pu，Ki3 = 8s-l;Kp4=1.25pu，Ki4 = 300s-l。鎖相環(huán) PI 控制器參 數(shù)如下：Kp_PLL=lpU，Kl_PLL = 330s-l。
[0078] 雙饋發(fā)電機(jī)組與無(wú)窮大母線(xiàn)相連的傳輸線(xiàn)路電抗抽=0.018pu。
[0079] 子步驟202:分析計(jì)算當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，各狀態(tài)變量的時(shí)間常 數(shù)。
[0080] 當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。 [0081 ] 表化P_PLL= 1、Ki_pll = 330時(shí)各狀態(tài)變量時(shí)間常數(shù)
[0082]
[0083]由表1知，虛擬慣量控制與機(jī)械部分時(shí)間常數(shù)相近，數(shù)量級(jí)均為秒級(jí)。鎖相環(huán)時(shí)間 常數(shù)略小于虛擬慣量控制，為百毫秒級(jí)。轉(zhuǎn)子電壓與轉(zhuǎn)子變頻器部分的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于虛 擬慣量控制的時(shí)間常數(shù)，為十毫秒級(jí)。上述計(jì)算結(jié)果與含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組的 物理特性及設(shè)計(jì)原理一致，即：為使風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有良好的控制性能，轉(zhuǎn)子電流的響應(yīng)時(shí)間 一般設(shè)計(jì)為10-20ms，運(yùn)與表1中轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器對(duì)應(yīng)狀態(tài)變量XI、X2、X3、X4的時(shí)間常數(shù)一致。 但由于變頻器的快速響應(yīng)特性，傳統(tǒng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械動(dòng)態(tài)特性與系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性解 禪，不受系統(tǒng)頻率變化的影響，為此，需加入與機(jī)械部分響應(yīng)時(shí)間相近的虛擬慣量控制，W 實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的慣量響應(yīng)。對(duì)于鎖相環(huán)，通常將其時(shí)間常數(shù)設(shè)置在定子磁鏈的時(shí)間常數(shù)上 下，即百毫秒級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確觀測(cè)基波電壓信息的功能。
[0084]子步驟203:改變虛擬慣量的大小，分析計(jì)算此時(shí)各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)。
[00化]結(jié)果如表2所示。
[0086] 表2狀態(tài)變量時(shí)間常數(shù)隨虛擬慣量變化的情況
[0087]
[0088] 由表2知，機(jī)械部分、鎖相環(huán)及虛擬慣量控制對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)，隨虛擬 慣量的變化會(huì)發(fā)生微小改變，但各時(shí)間常數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)量級(jí)并未發(fā)生變化，其余狀態(tài)變量的 時(shí)間常數(shù)幾乎不變。
[0089] 子步驟204:改變鎖相環(huán)PI參數(shù)，分析計(jì)算此時(shí)各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)。
[0090] 結(jié)果如表3所示。
[0091] 表3ΚΡ_Ρ^ = 2、ΚΙ_Ρ化= 333時(shí)各狀態(tài)變量時(shí)間常數(shù)
[0092]
[0093] 對(duì)比表1與表3知，改變鎖相環(huán)ΡΙ參數(shù)，僅影響與鎖相環(huán)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變量的時(shí)間常 數(shù)，其他狀態(tài)變量時(shí)間常數(shù)保持不變。
[0094] 步驟3、構(gòu)建保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)多機(jī)互聯(lián)系統(tǒng) 的狀態(tài)方程。
[00Μ]雙饋風(fēng)電機(jī)組對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響主要通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)中潮流分布實(shí)現(xiàn)，對(duì) 于運(yùn)行在最大功率跟蹤條件下的雙饋風(fēng)電機(jī)組，其功率波動(dòng)主要來(lái)源于虛擬慣量控制，而 鎖相環(huán)的測(cè)量結(jié)果將直接影響虛擬慣量控制的輸出。因此，綜合上述分析，本發(fā)明提出僅保 留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型，用于研究含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組 接入對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。
[0096] 所述僅保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型為：
[0097]
[009引其中；Δ ω s_PLL = Kl_PLL Δ 祉ix-Kp_PLL Δ Usd
[0099] 所述多機(jī)互聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：
[0100]
[0109]
[0110] W如圖5所示的新英格蘭10機(jī)39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組分別運(yùn)行在不同 控制器參數(shù)、不同工況下，分析其詳細(xì)模型和降階模型分別接入系統(tǒng)后，對(duì)區(qū)間振蕩模態(tài)的 影響，并通過(guò)時(shí)域仿真驗(yàn)證結(jié)果的正確性。
[0111] 新英格蘭該系統(tǒng)分為4大區(qū)域，其中，區(qū)域1由G1組成，區(qū)域2由G2、G3組成，區(qū)域3由 G4-G7組成，區(qū)域4由G8-G10組成。將區(qū)域1中同步發(fā)電機(jī)G1W等容量的含虛擬慣量控制的雙 饋風(fēng)電機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)代替，即BUS39處接入由700臺(tái)額定容量為1.5MW的雙饋風(fēng)電機(jī)組 構(gòu)成的風(fēng)電場(chǎng)。
[0112] 運(yùn)行特征根分析模塊，在控制器參數(shù)不同時(shí)的運(yùn)行結(jié)果為：
[0113] 保持時(shí)FK= 1050MW不變，虛擬慣量K。W步長(zhǎng)2由4增加到12,此時(shí)，降階前后系統(tǒng)區(qū) 間振蕩模態(tài)的頻率和阻尼比如表4所示。對(duì)比降階前后區(qū)間振蕩模態(tài)的阻尼比知，采用3階 模型分析系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，結(jié)果偏樂(lè)觀。同時(shí)，由表4知，W詳細(xì)模型接入的互聯(lián)系統(tǒng)區(qū) 間振蕩模態(tài)為基準(zhǔn)，計(jì)算3階模型接入系統(tǒng)時(shí)的誤差，降階后區(qū)間振蕩模態(tài)的最大頻率誤差 為1.623%，最大阻尼比誤差為1.789%，二者均在可接受的誤差范圍之內(nèi)。因此，在不對(duì)精 度嚴(yán)格要求的情況下，采用保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型，研究含虛擬慣 量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組接入對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響。
[0114] 表4虛擬慣量不同時(shí)區(qū)間振蕩模態(tài)的頻率和阻尼比
[0115]
[0117] 圖6給出了不同虛擬慣量下，風(fēng)電機(jī)組各狀態(tài)變量對(duì)系統(tǒng)區(qū)間振蕩模態(tài)的參與因 子。不論虛擬慣量取值如何，虛擬慣量控制狀態(tài)變量X。和鎖相環(huán)狀態(tài)變量SPLL，二者對(duì)系統(tǒng) 區(qū)間振蕩模態(tài)的參與程度均遠(yuǎn)大于其他狀態(tài)變量，由此也驗(yàn)證了 3階簡(jiǎn)化模型的合理性。
[0118] 運(yùn)行特征根分析模塊，在工況不同時(shí)的運(yùn)行結(jié)果為：
[0119] 保持Κω = 10不變，風(fēng)電場(chǎng)出力W步長(zhǎng)70從700MW增加到1050MW，此時(shí)，降階前后系 統(tǒng)區(qū)間振蕩模態(tài)的頻率和阻尼比如表5所示。
[0120] 表5風(fēng)機(jī)出力不同時(shí)區(qū)間振蕩模態(tài)的頻率和阻尼比
[0121]
[0122] 由表5知，降階后區(qū)間振蕩模態(tài)的最大頻率誤差為1.733%，最大阻尼比誤差為 1.922%，二者均在可接受的誤差范圍之內(nèi)。同時(shí)，對(duì)比降階前后區(qū)間振蕩模態(tài)的阻尼比知， 采用3階模型分析系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性，結(jié)果偏樂(lè)觀。
[0123] 進(jìn)一步分析降階前雙饋風(fēng)電機(jī)組各狀態(tài)變量對(duì)系統(tǒng)區(qū)間振蕩模態(tài)的參與因子，如 圖7所示。虛擬慣量控制狀態(tài)變量X。和鎖相環(huán)狀態(tài)變量SpLL，二者對(duì)系統(tǒng)區(qū)間振蕩模態(tài)的參 與程度均遠(yuǎn)大于其他狀態(tài)變量，且運(yùn)種大小關(guān)系不受風(fēng)機(jī)出力不同的影響。
[0124] 綜上得到與仿真方法中相同的結(jié)論，即在對(duì)精度要求不嚴(yán)格的情況下，采用保留 虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型，研究系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定性。再者，通過(guò)計(jì)算知， 采用詳細(xì)模型獲取機(jī)電振蕩模態(tài)所需時(shí)間為0.0813s，而采用簡(jiǎn)化模型獲取機(jī)電振蕩模態(tài) 的時(shí)間僅需0.0027s(聯(lián)想-M490,4G內(nèi)存，64位操作系統(tǒng)），由此知，降階過(guò)程極大的降低了 計(jì)算量。
[0125] 運(yùn)行時(shí)域仿真模塊，驗(yàn)證上述結(jié)果的正確性和有效性。
[0126] 分別在虛擬慣量和風(fēng)機(jī)出力不同的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域仿真。假設(shè)t = ls時(shí)， 區(qū)域2與區(qū)域4間的聯(lián)絡(luò)線(xiàn)3-4的母線(xiàn)3側(cè)發(fā)生Ξ相短路故障，接地電阻800Ω，故障持續(xù)時(shí)間 30ms。圖8為風(fēng)機(jī)出力為額定功率時(shí)，系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)相對(duì)功角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)，圖9為風(fēng) 機(jī)出力小于額定功率時(shí)，系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)相對(duì)功角的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)。其中，黑線(xiàn)代表降階 模型，紅色代表詳細(xì)模型。
[0127] 由此知，采用詳細(xì)模型和降階模型得到的不同區(qū)域間同步發(fā)電機(jī)相對(duì)功角的振蕩 曲線(xiàn)幾乎一致，且運(yùn)種關(guān)系不受系統(tǒng)運(yùn)行工況影響，因此，在研究含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng) 電機(jī)組接入對(duì)系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定性的影響時(shí)，采用保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn) 化模型代替雙饋風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括數(shù) 據(jù)采集模塊、特征根分析模塊、時(shí)域仿真驗(yàn)證模塊以及結(jié)果輸出模塊依次連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真系統(tǒng)，其特征 在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并將其傳遞給特征根分析模塊； 所述特征根分析模塊用于接收數(shù)據(jù)采集模塊傳遞的數(shù)據(jù)，在控制器參數(shù)不同的情況下 分析簡(jiǎn)化模型是否合理； 所述時(shí)域仿真驗(yàn)證模塊用于驗(yàn)證特征根分析模塊結(jié)果的正確性和有效性； 所述結(jié)果輸出模塊用于輸出簡(jiǎn)化模型能否正確反應(yīng)雙饋風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性的信息。3. -種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真方法，其特征在于，包括 步驟1、建立考慮轉(zhuǎn)子電壓、鎖相環(huán)、虛擬慣量控制、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器以及風(fēng)電機(jī)組機(jī)械部 分的暫態(tài)特性的雙饋風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型； 步驟2、計(jì)算模型中各狀態(tài)變量的衰減時(shí)間常數(shù)，根據(jù)各狀態(tài)變量的衰減快慢關(guān)系，從 時(shí)間尺度描述雙饋風(fēng)電機(jī)組各組成部分的動(dòng)態(tài)特性； 步驟3、構(gòu)建保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型，推導(dǎo)多機(jī)互聯(lián)系統(tǒng)的狀 態(tài)方程。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真方法，其特征 在于，所述步驟1中雙饋風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)模型包括鎖相環(huán)模型和虛擬慣量控制模型； 鎖相環(huán)模型動(dòng)態(tài)方程表示為 女PLL = = <^s__PU ~^n ? ω s_PLL = Kl_PLLXPLL-Kp_PLLUsd ； 式中：XM為跟蹤定子d軸電壓的誤差積累，Usd為雙饋風(fēng)機(jī)定子d軸電壓，δΡ^表示觀測(cè)到 的定子電壓矢量領(lǐng)先xy坐標(biāo)中X軸的角度，為鎖相環(huán)測(cè)得的dq標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度，ωη* 電網(wǎng)頻率，K P_PLL和Ku^為鎖相環(huán)PI控制器參數(shù);為變量XPLL沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，t為變量 δΡα沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)； 虛擬慣量控制模型表示為式中：Χω為引入的中間變量;fme3as為系統(tǒng)頻率測(cè)量值，由鎖相環(huán)測(cè)得Τω 為微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù);4為變量Χω沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)； Ρ,，Ρ?ρ「Ρ，υωΚ ' 式中：Pref為實(shí)際有功輸出，PoPt為最大功率跟蹤模塊輸出的有功參考值，Pj為虛擬慣量 控制的功率輸出信號(hào);κω為虛擬慣量控制環(huán)節(jié)的比例系數(shù)，用于模仿虛擬慣量，κω>0。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真方法，其特征 在于，所述步驟2中從時(shí)間尺度描述雙饋風(fēng)電機(jī)組各組成部分的動(dòng)態(tài)特性包括 步驟201、構(gòu)建含雙饋風(fēng)電機(jī)組的電力系統(tǒng)模型； 步驟202、分析計(jì)算當(dāng)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)； 步驟203、改變虛擬慣量的大小，分析計(jì)算此時(shí)各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)； 步驟204、改變鎖相環(huán)PI參數(shù)，分析計(jì)算此時(shí)各狀態(tài)變量的時(shí)間常數(shù)。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真方法，其特征 在于，步驟3中保留虛擬慣量控制和鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)的3階簡(jiǎn)化模型為其中：Δ COs_pLL = Kl_PLLAxpLL-Kp_PLLAusd，Us為風(fēng)機(jī)出口電壓，實(shí)際的風(fēng)機(jī)定子電壓 矢量相位，A 為鎖相環(huán)測(cè)得的dq標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度的變化量，△ usd為雙饋風(fēng)機(jī)定子d軸 電壓的變化量，△ Spu為觀測(cè)到的定子電壓矢量領(lǐng)先xy坐標(biāo)中X軸的角度的變化量， Α δΡ^沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，△ 實(shí)際的風(fēng)機(jī)定子電壓矢量相位的變化量，為跟蹤定子d軸 電壓的誤差積累變化量的沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Α Χω*Χω的變化量，Ak為△ ^沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種含虛擬慣量控制的雙饋風(fēng)電機(jī)組降階仿真方法，其特征 在于，多機(jī)互聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：式中：δ表示發(fā)電機(jī)功角列向量，△ δ表示δ的變化量，表示△ δ沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，ω表示 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速列向量，△ ω表示ω的變化量，△由表示△ ω沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù)，Aj為線(xiàn)性化的狀態(tài)矩 陣，I為適維單位矩陣，D為發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù)列向量，He為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)列向量；△表 示對(duì)該變量求變化量，上標(biāo)?表示該變量沿時(shí)間的導(dǎo)數(shù);η表示互聯(lián)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù);amn為 狀態(tài)矩陣相應(yīng)位置的矩陣，m = 2,…，5，n = l，3,4,5，amn,ij則表示矩陣amn中i行j列位置的元 素，丨，]_ = 1，2，"_，11-1，無(wú)邱寸默認(rèn)]_ = 1;土上為中間變量，1^、&均為中間變量汰=1，2,3;仏 表示風(fēng)機(jī)出口電壓，表示第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)，表示第i臺(tái)發(fā)電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間 等效聯(lián)系電抗表示第i臺(tái)發(fā)電機(jī)的功角，表示實(shí)際風(fēng)機(jī)定子電壓矢量相位，H C>1表示第i 臺(tái)發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02J3/38GK106058922SQ201610423554
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日
【發(fā)明人】馬靜, 邱揚(yáng), 郭鵬
【申請(qǐng)人】華北電力大學(xué)