[发明专利]一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种建模方法，具体讲涉及一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法。

背景技术

应用最广泛的两种类型的风电机组为双馈式风电机组和直驱式风电机组。现在市场上有一种误解，即直驱技术是一种新兴的技术，而双馈技术是传统的技术。其实，从诞生时间看，双馈和直驱两种技术几乎是同时出现的，甚至直驱技术的出现要比双馈技术更早些。但是发展至今，双馈技术因其运行稳定的特性，占据了大片的市场份额。双馈发电机在结构上变流器容量仅为其容量大的1/3，降低了变流器的造价。同时，网侧和直流侧的滤波电感和支撑电容都相应缩小，电磁干扰也大大降低，也可方便地实现无功功率控制。双馈、直驱两种技术路线的本质区别在于双馈型是带“齿轮箱”的，而直驱型是不带“齿轮箱”的。现在世界上风电机组中85％以上是带齿轮箱的机型。尤其在技术、稳定性及可靠性要求更高的海上机组中，无一例外的全部采用了技术成熟且可靠性好的带齿轮箱技术方案。

与绕线式异步电机相似，即定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由花环导入，发电机的定子接入电网；而电网通过四象限交直变流器向发电机转子供电，提供交流励磁电流。通过变流器的功率仅为电机的转差功率，功率变流器将转差功率回馈到转子或者电网，

目前大量文献研究了双馈式风力发电机组的数学模型，对空气动力学模型、轴系模型、异步电机模型、变频器及控制模型等分别进行了建模，并仿真研究了整个系统的运行特性。上述模型均是基于电磁暂态模型进行建模仿真，当用于大规模风电场接入系统影响分析计算时，其较为复杂，计算速度慢，数值收敛性差。而大电网稳定仿真计算对双馈式风电机组的模型提出了更高的要求，仿真计算的步长大，计算速度快，同时还要求具有很好的数值稳定性和收敛性。因此，需要深入研究风电机组的电磁暂态模型，在不影响风电机组外特性的前提下，简化风电机组及控制器电磁暂态模型快动态的过程，研究剔除影响收敛性的风电机组电耦合过程。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，从实际的物理装置出发，通过合理的假设，对双馈式风力发电机组的电磁暂态模型进行了简化，同时考虑了变频器直流电压的动态过程和低电压穿越特性。仿真结果表明，该模型仿真曲线和双馈式风电机组低电压穿越实测曲线一致，结果准确、可靠，用于分析大规模双馈式风电机组风电场接入电网对电力系统暂态稳定性的影响。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种双馈式风力发电机组机电暂态模型的建模方法，所述建模方法包括以下步骤：

步骤1：构建风力发电机组风力机模型；

步骤2：构建风力发电机组转子模型；

步骤3：构建风力发电机组机侧变流器控制模型；

步骤4：构建风力发电机组网侧变流器控制模型；

步骤5：构建风力发电机组低电压穿越控制模型。

所述步骤1中的风力发电机组风力机模型包括风速模型、风能-功率模型、轴系模型和桨距角模型。

所述风速模型中的风速包括基本风、阵风、渐变风和噪声风；所述基本风为常量，数值保持不变。

所述阵风用以描述风速的突变特性，阵风风速用V_G表示，其表达式如下：

其中，T_s′、T_e′和V_Gmax分别表示阵风的开始时间、结束时间和阵风风速最大值。

所述渐变风用以描述风速的渐变特性，渐变风风速用V_R表示，其表达式如下：

其中，V_Rmax、T_s′′、T_e′′、T₁和T₂分别为渐变风风速最大值、开始时间、结束时间、上升时间和下降时间。

所述噪声风用以描述风速的随机特性，噪声风风速用V_WN表示，其表达式如下：

其中，φ_n是0～2π之间均匀分布的随机变量；N为频谱取样点数；ω_n为第n个随机分量的角频率，Δω为随机分量的离散间距，在0.5～2.0rad/s之间取值；S_V(ω_n)为第n个随机分量的振幅，且有K_N为平面扩张系数；F为紊乱尺度因子；μ为相对高度的平均风速。