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【发明公布】双馈型风力发电虚拟同步发电机建模方法_国网冀北电力有限公司电力科学研究院;合肥工业大学_201911179628.1 

申请/专利权人:国网冀北电力有限公司电力科学研究院;合肥工业大学

申请日:2019-11-27

公开(公告)日:2020-03-24

公开(公告)号:CN110912186A

主分类号:H02J3/38(20060101)

分类号:H02J3/38(20060101);H02J3/32(20060101)

优先权:

专利状态码:有效-授权

法律状态:2021.04.06#授权;2020.04.17#实质审查的生效;2020.03.24#公开

摘要:本发明公开了一种基于戴维南‑诺顿等效的双馈型风力发电虚拟同步发电机建模方法,包括:采样;通过改变传统的双馈风机建模方法,利用戴维南‑诺顿等效定理,建立起基于戴维南与诺顿等效的双馈电机模型,主要包括建立双馈电机定子侧的戴维南等效数学模型以及转子侧的诺顿等效数学模型。这种建模方法大大简化了电网与双馈电机定子、网侧变流器公共连接处的代数方程计算,使之与系统数学模型更加匹配,物理意义更加清晰。

主权项:1.一种双馈型风力发电虚拟同步发电机建模方法,包括:建立传统双馈型风力发电虚拟同步发电机模型、基于戴维南-诺顿等效的双馈型风力发电虚拟同步发电机模型、双馈型风力发电虚拟同步发电机的转子侧变流器控制模型、双馈型风力发电虚拟同步发电机的网侧变流器控制模型、双馈型风力发电虚拟同步发电机的转子网侧变流器间直流环节模型和双馈型风力发电虚拟同步发电机的电网接口模型,其特征在于,所述建模方法的步骤如下:步骤1,建立双馈型风力发电虚拟同步发电机的传统模型,包括:建立dq坐标系中双馈型风力发电虚拟同步发电机的定转子磁链方程、定转子电压方程、电磁转矩方程和转子运动方程;dq坐标系中双馈型风力发电虚拟同步发电机的定转子磁链方程为: 式中:ψsd、ψsq为定子磁链dq分量;ψrd、ψrq为转子磁链dq分量;isd、isq为定子电流dq分量;ird、irq为转子电流dq分量;Ls为定子绕组自感;Lr为转子绕组自感;Lm为定转子绕组间的互感;且Ls=Lm+Lls、Lr=Lm+Llr;Lls为定子绕组的漏电感;Llr转子绕组的漏电感;dq坐标系中双馈型风力发电虚拟同步发电机的定转子电压方程为: 式中:usd、usq为定子端电压dq分量;urd、urq为转子端电压dq分量;Rs为定子绕组电阻;Rr转子绕组电阻;ω为锁相环输出的同步角频率;ωr为转子电角频率;双馈型风力发电虚拟同步发电机的电磁转矩方程和转子运动方程为: 式中:Te为双馈型风力发电虚拟同步发电机的电磁转矩;TL为双馈型风力发电虚拟同步发电机转轴上的力矩;np为电机极对数;J为电机转子转动惯量;所述dq坐标系采用d轴定向、q轴超前于d轴90°;步骤2,根据步骤1中建立的双馈型风力发电虚拟同步发电机的传统模型进一步推算可得到基于戴维南-诺顿等效的双馈型风力发电虚拟同步发电机模型,包括:双馈型风力发电虚拟同步发电机定子侧的戴维宁等效数学模型以及其转子侧的诺顿等效数学模型;双馈型风力发电虚拟同步发电机转子侧的诺顿等效模型为: 双馈型风力发电虚拟同步发电机定子侧的戴维南等效模型为: 其中,由电机内电路计算的等效电动势、定子绕组等效电阻和定子绕组等效自感值如下所示: 式中:Esd、Esq为定子戴维南等效电动势dq分量;R0为定子绕组的等效电阻;L0为定子绕组的等效自感;步骤3,建立双馈型风力发电虚拟同步发电机转子侧变流器控制模型,包括:采样,建立其转子侧变流器有功控制方程和无功控制方程,建立其转子侧电压控制方程和电流控制方程,具体过程及表达式如下:步骤3.1,采样,即通过采集得到虚拟同步发电机的以下参数:虚拟同步发电控制算法输出角频率ωv、经过低通滤波器后双馈型风力发电虚拟同步发电机定子侧输出有功功率Pf、经过低通滤波器后双馈型风力发电虚拟同步发电机定子侧输出无功功率Qf、VSG坐标系下的定子电压dq分量usd_VSG、usq_VSG和VSG坐标系下的定子电流dq分量ird_VSG、irq_VSG;步骤3.2,建立双馈型风力发电虚拟同步发电机转子侧变流器有功控制方程和无功控制方程,其表达式分别为: 其中: 式中:Sbase为功率基准值;Pf为经过低通滤波器后双馈型风力发电虚拟同步发电机定子侧输出有功功率;Qf为经过低通滤波器后双馈型风力发电虚拟同步发电机定子侧输出无功功率;P0为有功功率给定值;Q0为无功功率给定值;U0为定子输出电压幅值给定值;ω0为额定角频率;ωv为虚拟同步发电控制算法输出角频率;θv为虚拟同步发电控制算法输出角度;mp为有功-频率下垂系数;nq为无功-电压下垂系数;Jv为虚拟同步发电控制算法虚拟惯量;D为阻尼系数;Pref为有功功率指令值;Uref为经过下垂控制后的电压指令值;τ为功率滤波时间常数;步骤3.3,建立双馈型风力发电虚拟同步发电机的转子侧电压控制方程和转子侧电流控制方程;双馈型风力发电虚拟同步发电机的转子侧电压控制方程为: 式中:τu为定子电压滤波时间常数;Kpu为电压环比例系数;Kiu电压环积分系数;intusderr、intusqerr为定子电压环控制的积分项输出dq分量;usd_VSG、usq_VSG为VSG坐标系下的定子电压dq分量;Ubase为电压基准值;usdf、usqf为经过低通滤波器后定子端电压dq分量;irdref、irqref为转子电流给定值dq分量;双馈型风力发电虚拟同步发电机的转子侧电流控制方程为: 式中:Ibase为电流基准值;Kpr为电流环比例系数;Kir为电流环积分系数;intirderr、intirqerr为转子电流环控制的积分项输出dq分量;ird_VSG、irq_VSG为VSG坐标系下的转子电流dq分量;Udc为直流侧电压;urd_VSG、urq_VSG为VSG坐标系下的转子电压dq分量;步骤4,建立双馈型风力发电虚拟同步发电机网侧变流器控制模型;包括:采样,建立锁相环等效模型,再建立dq坐标系中双馈型风力发电虚拟同步发电机的网侧变流器控制模型和网侧变流器LCL滤波器环节的数学模型,具体过程及表达式如下:步骤4.1,采样,即通过采集得到虚拟同步发电机的网侧变流器桥臂侧电感电流值iLd、iLq和直流侧电压值Udc;步骤4.2,建立锁相环的等效模型如下所示: 式中:Kppll为锁相环比例系数;Kipll为锁相环积分系数;intusq为锁相环控制的积分项输出;θ为锁相环得到的电网角度;步骤4.3,建立dq坐标系中双馈型风力发电虚拟同步发电机网侧变流器控制模型和网侧变流器LCL滤波器环节的数学模型;双馈型风力发电虚拟同步发电机网侧变流器的控制方程为: 式中:KPUdc直流电压环比例系数;KiUdc直流电压环积分系数;intUdcerr为直流电压环控制的积分项输出;Kpi为并网电流环比例系数;Kii为并网电流环积分系数;intiderr、intiqerr为并网电流环控制的积分项输出dq分量;Udcref为直流侧电压给定值;iLdref、iLqref为网侧变流器桥臂侧电感电流给定值的dq分量;双馈型风力发电虚拟同步发电机网侧变流器LCL滤波器环节的数学模型为: 式中:ud、uq为网侧变流器桥臂侧输出电压的dq分量;ucd、ucq为网侧变流器电容电压的dq分量;L1为网侧变流器LCL滤波器中的桥臂侧电感;L2为网侧变流器LCL滤波器中的网侧电感;C为网侧变流器LCL滤波器中的滤波电容;iLd、iLq为网侧变流器桥臂侧电感电流的dq分量;iod、ioq为网侧变流器网侧电感电流的dq分量;R1为桥臂侧电感的寄生电阻;R2为网侧电感中的寄生电阻;步骤5,建立双馈型风力发电虚拟同步发电机的转子网侧变流器间直流环节模型,包括:通过对直流滤波电容的存储能量和流过直流侧电容的功率分析,从而得到网侧变流器和转子侧变流器的直流功率表达式以及它们之间的关系;通过直流侧电容的功率Pcf为: 式中:Cdc为直流滤波电容;Wcf为直流滤波电容存储的能量;Pcf为直流侧电容流过的功率;网侧变流器交流侧和直流侧功率平衡关系如下所示: 式中:Pdc2为网侧变流器直流侧功率;转子侧变流器交流侧和直流侧功率平衡关系如下所示: 式中:Pdc1为转子侧变流器直流侧功率;Pdc1和Pdc2两者的功率关系如下所示: 步骤6,建立双馈型风力发电虚拟同步发电机的电网接口模型,包括:先计算出网侧变流器、理想电网经电网阻抗、双馈电机定子三者的公共连接点处真正的频率和角度,再根据得到的频率和角度建立双馈型风力发电虚拟同步发电机的电网接口变量在PLL坐标系中的数学模型;网侧变流器、理想电网经电网阻抗、双馈电机定子三者公共连接点真正的角度和频率关系为: 式中:θg为网侧变流器、理想电网经电网阻抗、双馈电机定子三者公共连接点真正的角度;ωg为网侧变流器、理想电网经电网阻抗、双馈电机定子三者公共连接点真正的角频率;建立双馈型风力发电虚拟同步发电机的电网接口变量在PLL坐标系中的数学模型,其表达式为: 式中:Um为电网电压相电压峰值;ed、eq为电网电压的dq分量;igd、igq为电网电流的dq分量;Lg为电网阻抗中的电感分量;Rg为电网阻抗中的电阻分量;所述转子侧变流器控制模型、网侧变流器控制模型通过变压器接入电网。

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