用于電磁暫態分析的雙饋異步發電機雙工況模型建模方法
【專利摘要】本發明涉及一種適用于電磁暫態分析的雙饋異步發電機空載、并網雙工況模型建模方法，采用隱式梯形法對轉子運動方程、電壓和磁鏈方程的連續模型進行離散化并基于Simulink建立雙饋異步發電機機械部分仿真模型、空載和并網發電兩種工況下電氣部分的仿真模型；基于SimPowerSystem建立了雙饋異步發電機的雙工況接口電路模型；在此基礎上，通過對雙饋異步發電機空載和并網發電兩種工況下電氣部分仿真模型的切換機制進行設計，建立了能夠用于雙饋異步發電機空載并網過程電磁暫態特性分析的雙工況仿真模型。本方法建立的雙饋異步發電機的雙工況仿真模型，能夠作為基礎模塊用于雙饋風電機組空載并網控制策略及雙饋風電機組空載并網對微網穩定運行影響等領域的研究，具有較高的運行效率。
【專利說明】
用于電磁暫態分析的雙饋異步發電機雙工況模型建模方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電力系統仿真領域，具體地說，是涉及一種適用于電磁暫態分析的雙 饋異步發電機空載、并網雙工況模型建模方法。
【背景技術】
[0002] 變速恒頻雙饋風電機組是目前應用最為廣泛的風電機組類型，能夠通過對其雙饋 異步發電機轉子勵磁電流的控制進行最大風能追蹤，具有較高的風能利用效率。近年來，通 過將雙饋風電機組與其它分布式電源組成微網，成為進一步提高風電利用率的有效措施。 但微網內的電源大都以逆變器作為接口，缺乏慣性，雙饋風電機組空載并網瞬間將會對微 網產成沖擊，影響其穩定運行。
[0003] 仿真是研究和分析電力系統穩定性的有效手段。Simul ink/SimPowerSystem(SPS) 是國內外通用的電磁暫態仿真工具，提供了風力機、變頻器、雙饋異步電機等豐富的內置模 塊。國內外已利用SPS建立了雙饋風電機組并網發電工況下的仿真模型，并已將其應用于微 網控制策略研究等方面。由于SPS內置的雙饋異步發電機模塊無法對發電機的空載工況進 行仿真，國內外在對雙饋風電機組的空載并網過程進行仿真時，通常忽略機組變頻器和外 部電網的特性，直接利用S函數編程建立雙饋異步發電機空載和并網工況下的仿真模型，并 利用使能模塊使兩種模型在并網瞬間實現切換。但利用上述方法所建立的雙饋異步發電機 模型沒有與變頻器和外部電氣模塊的接口，只適用于研究理想情況下雙饋風電機組的空載 并網控制策略，無法將其與SPS內置的風力機、變頻器等模塊進行連接，以用于雙饋風電機 組空載并網的電磁暫態過程分析及其對微網穩定運行影響的研究。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提出了一種適用于電磁暫態分析的 雙饋異步發電機空載、并網雙工況模型建模方法，利用所提方法建立的模型主要包括雙饋 異步發電機機械部分的仿真模型、空載和并網發電兩種工況下電氣部分的仿真模型、雙工 況接口電路模型以及兩種工況下電氣部分仿真模型在發電機并網瞬間的切換機制。
[0005] 本發明解決技術問題所采用的技術方案是：
[0006] -種用于電磁暫態分析的雙饋異步發電機雙工況模型建模方法，分別建立雙饋異 步發電機機械部分的仿真模型、雙饋異步發電機空載及并網發電兩種工況下電氣部分的仿 真模型、雙饋異步發電機空載及并網發電兩種工況下接口電路模型，以及兩種工況下電氣 部分仿真模型在發電機并網瞬間的切換機制，將上述所建模型進行連接得到雙饋異步發電 機的雙工況仿真模型。
[0007] 而且，所述雙饋異步發電機機械部分的仿真模型是采用隱式梯形法對轉子運動方 程的連續模型進行離散化而得的，該模型的數學公式為：
[0008]
[0009] 雙饋異步發電機機械部分的仿真模型基于Simulink建立，以ThTm作為輸入，以 ω r、0^乍為狀態變量和輸出。
[0010] 而且，所述的雙饋異步發電機空載及并網發電兩種工況下電氣部分的仿真模型是 采用隱式梯形法對相應工況下發電機電壓與磁鏈方程的連續模型進行離散化而得的，其 中：
[0011]雙饋異步發電機空載工況下電氣部分的仿真模型的數學公式為：
[0012]
[0013] 雙饋異步電機空載工況下電氣部分的仿真模型基于Simulink建立，以砝作為輸 入，以紀和if作為輸出，以#作為狀態變量；
[0014] 雙饋異步發電機并網發電工況下電氣部分的仿真模型的數學公式為：
[0015]
123456 雙饋異步發電機并網工況下電氣部分的仿真模型基于Simulink建立，以垃作為輸 入，以4作為輸出，以作為狀態變量。 2 而且，所述的雙饋異步發電機空載及并網發電兩種工況下接口電路模型是采用 SimPowerSystem內置的受控源模塊建立的，通過將接口電路端口的測量電壓作為發電機電 氣部分仿真模型的輸入，并將電氣部分仿真模型的輸出作為接口電路中受控源模塊的控制 信號，建立發電機電氣部分仿真模型與外部電源和變頻器電氣模塊的連接。 3 而且，雙饋異步發電機的定子接口電路模型在空載工況下表現為電壓源，在并網 發電工況下表現為電流源;雙饋異步發電機的轉子接口電路模型在空載和并網發電兩種工 況下均表現為電流源。 4 而且，所述的兩種工況下電氣部分仿真模型在發電機并網瞬間的切換機制是在并 網瞬間直接對發電機雙工況接口電路模型中受控源模塊的控制信號進行切換。 5 而且，所述的切換機制須將兩種工況下電氣部分仿真模型的初始狀態均設為0,并 以空載工況下電氣部分仿真模型的輸入與輸出作為并網發電工況下電氣部分仿真模型的 輸入，同時對兩種工況下電氣部分的仿真模型進行計算。 6 本發明利用隱式梯形法對雙饋異步發電機的轉子運動方程進行離散化，根據所得 離散模型并基于Simul ink建立雙饋異步發電機機械部分的模塊化仿真模型;利用隱式梯形 法對雙饋異步發電機空載和并網發電工況下的電壓與磁鏈方程進行離散化，根據所得離散 模型并基于Simulink分別建立雙饋異步發電機空載和并網發電兩種工況下電氣部分的模 塊化仿真模型;基于SPS內置的受控電流源模塊和受控電壓源模塊建立雙饋異步發電機的 雙工況接口電路模型;對所建雙饋異步發電機空載和并網發電兩種工況下電氣部分仿真模 型的切換機制進行設計，在此基礎上，將所建雙饋異步發電機的機械部分仿真模型、空載和 并網發電兩種工況下電氣部分的仿真模型以及雙工況接口電路模型進行連接，從而建立起 雙饋異步發電機的雙工況仿真模型。
[0022] 本發明的優點和積極效果是：
[0023] 1、本發明利用隱式梯形法對雙饋異步發電機空載和并網發電兩種工況下的數學 模型進行離散化，并根據所得離散數學模型建立了雙饋異步發電機空載和并網發電工況下 的模塊化仿真模型，所建模型能夠對雙饋異步發電機空載和并網發電工況下的運行特性進 行準確模擬。
[0024] 2、本發明建立了雙饋異步發電機的雙工況接口電路模型，并對所建雙饋異步發電 機空載和并網發電兩種工況下電氣部分仿真模型在并網瞬間的切換機制進行了設計，使所 建模型能夠對雙饋異步發電機空載并網的電磁暫態過程進行仿真。
[0025] 3、本發明所建立的雙饋異步發電機的雙工況仿真模型，能夠作為基礎模塊用于雙 饋風電機組空載并網控制策略及雙饋風電機組空載并網對微網穩定運行影響等領域的研 究，并具有較高的運行效率。
[0026] 4、本發明所建立的雙饋異步發電機的雙工況仿真模型，能夠作為基礎模塊用于任 何含有雙饋異步發電機的系統的空載并網電磁暫態過程的仿真。
【附圖說明】
[0027]圖1為雙饋異步發電機機械部分的模塊化仿真模型。
[0028] 圖2為雙饋異步發電機空載工況下電氣部分的模塊化仿真模型。
[0029] 圖3為雙饋異步發電機并網發電工況下電氣部分的模塊化仿真模型。
[0030] 圖4為雙饋異步發電機的雙工況接口電路模型。
[0031] 圖5為雙饋異步發電機的雙工況仿真模型。
【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖并通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性 的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。
[0033]以一臺額定容量為1.55MVA的雙饋異步發電機為例，其額定電壓為690V，根據雙饋 異步發電機的空載并網運行原理建立其雙工況仿真模型，步驟如下：
[0034] 1.建立雙饋異步發電機的數學模型
[0035] 雙饋異步發電機的數學模型主要由運動方程、電壓與磁鏈方程構成。在空載和并 網發電工況下，雙饋異步發電機的運動方程保持不變，可表示為：
[0036]
(1)
[0037] 式中:H為雙饋異步發電機的慣性時間常數；cor、0r*別為雙饋異步發電機轉子的 轉速和位置角;I、T m分別為雙饋異步發電機的電磁轉矩和機械轉矩;F為阻尼系數。
[0039] (2)
[0038] 雙饋異步發電機并網發電運行時，其在dq軸同步旋轉坐標系下的電壓與磁鏈方程 可分別表示為：
[0040] (3)
[0041 ] 式中：11；^、11；^、111^、111^分別為雙饋異步發電機定子和轉子電壓的(19分量;11^、11^、 ltrq、lfcd分別為雙饋異步發電機定子和轉子磁鏈的dq分量;isq、isd、irq、ird分別為雙饋異步發 電機定子和轉子電流的dq分量;r s、rr分別為雙饋異步發電機定子和轉子的電阻；:U、Ir、Im分 別為雙饋異步發電機的定子電感、轉子電感及定轉子互感；《b為轉速基準值;s為雙饋異步 發電機的轉差率。
[0042] 雙饋異步發電機空載運行時，其定子電流為0,即iSq=isd = 0,其在dq軸同步旋轉 坐標系下的電壓與磁鏈方程可分別表示為：
[0043] 123 2 3
[0047]
(7)
[0048] 式中：上標"b"和"k"分別表示雙饋異步發電機運行于并網發電和空載工況;IlW =
[0049] 2.建立雙饋異步發電機空載和并網發電工況下機械和電氣部分的仿真模型
[0050] (1)雙饋異步發電機機械部分的仿真模型
[0051] 由于雙饋異步發電機的轉子運動方程在空載和并網發電兩種工況下保持不變，因 此，雙饋異步發電機兩種工況下的機械部分仿真模型也是相同的。利用隱式梯形法對式（1) 進行離散# M但.
[0052]
[0053] 式中：TS為仿真步長。通過對式(8)進行分析，雙饋異步發電機機械部分的仿真模 型可以!^、!^作為輸入，以co r、0r作為狀態變量和輸出。因此，根據式(8)并基于Simulink可 建立起雙饋異步發電機機械部分的模塊化仿真模型，如圖1所示。
[0054] (2)雙饋異步發電機空載工況下電氣部分的仿真模型
[0055] 利用隱式梯形法對式(7)進行離散化可得：
[0056]
通過對式(9)進行分析，雙饋異步電機空載工況下電氣部分的仿真模型可以巧作 為輸入，以<和4作為輸出，以W作為狀態變量。因此，根據式(9)并基于Simulink可建立 起雙饋異步發電機空載工況下電氣部分的模塊化仿真模型，如圖2所示。
[0058] (3)雙饋異步發電機并網發電工況下電氣部分的仿真模型
[0059]利用隱式梯形法對式(6)進行離散化可得：
[0060]
(10)
[0061]通過對式(?ο)進行分析，雙饋異步發電機并網工況下電氣部分的仿真模型可以ε? 作為輸入，以4作為輸出，以臧作為狀態變量。因此，根據式（10)并基于Simulink可建立起 雙饋異步發電機并網工況下電氣部分的模塊化仿真模型，如圖3所示。
[0062] 3.建立雙饋異步發電機的雙工況接口電路模型
[0063] 空載工況下，雙饋異步發電機的定子電流為0,其轉子電壓由外部變頻器給定、定 子電壓則通過控制轉子磁鏈進行調整;并網發電工況下，雙饋異步發電機的定子和轉子電 壓分別由外部電網和變頻器給定。根據雙饋異步發電機的空載并網運行原理，利用SPS內置 的受控電流源模塊和受控電壓源模塊建立了雙饋異步發電機的雙工況接口電路模型，如圖 4所示。通過將接口電路端口的測量電壓作為發電機電氣部分仿真模型的輸入，并將電氣部 分仿真模型的輸出作為接口電路中受控源模塊的控制信號，就建立了發電機電氣部分仿真 模型與外部電源和變頻器等電氣模塊的連接。
[0064] 圖4中，雙饋異步發電機轉子的接口電路在空載和并網發電兩種工況下保持不變， 由受控電流源模塊并聯而成;雙饋異步發電機定子的接口電路由空載支路經斷路器模塊與 并網支路并聯而成，其空載和并網發電支路分別由受控電壓源模塊串聯和受控電流源模塊 并聯而成。對于雙饋異步發電機的定子接口電路:空載工況下并網信號Connect ion為0,斷 路器模塊閉合，并將并網支路上受控電流源模塊的電流信號設為〇,并網支路就相當于斷 路，定子接口電路就表現為電壓源;并網發電工況下并網信號Connection變為1，斷路器模 塊斷開，空載支路就相當于斷路，定子接口電路就表現為電流源。
[0065] 4.建立雙饋異步發電機的雙工況仿真模型
[0066] 雙饋異步發電機空載并網瞬間，其定子和轉子的電流不會發生突變。因此，為建立 雙饋異步發電機的雙工況仿真模型，在上述建模基礎上，還須對雙饋異步發電機空載和并 網發電兩種工況下電氣部分仿真模型的切換機制進行設計，使雙饋異步發電機的雙工況接 口電路在并網瞬間無電流突變產生，從而實現對雙饋異步發電機空載并網電磁暫態過程的 仿真。
[0067] 穩定狀態下，式(6)和(7)中磁鏈的動態過程可以忽略，于是可得：
[0068]
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 若令]=[付;的]，則將式(11)和(12)代入式(15)可得：
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]通過上述分析可知，若在仿真的初始時刻，將雙饋異步發電機空載和并網發電兩 種工況下電氣部分仿真模型的初始狀態均設為〇,即令[4;耐]=[0:4] = 〇,并以空載工況下 電氣部分仿真模型的輸入與輸出作為并網發電工況下電氣部分仿真模型的輸入，同時對兩 種模型進行仿真計算，將使兩種模型在每一仿真步長內具有相同的電流輸出，即 的尤卜祀;灼週此，在雙饋異步發電機空載并網瞬間，本發明直接對雙工況接□電路模型 中受控電流源模塊的控制信號進行切換，即由空載工況下電氣部分仿真模型控制切換為由 并網發電工況下電氣部分仿真模型進行控制，就能實現對雙饋異步發電機空載并網電磁暫 態過程的仿真，雙饋異步發電機的雙工況仿真模型如圖5所示。
【主權項】
1. 一種用于電磁暫態分析的雙饋異步發電機雙工況模型建模方法，其特征在于:分別 建立雙饋異步發電機機械部分的仿真模型、雙饋異步發電機空載及并網發電兩種工況下電 氣部分的仿真模型、雙饋異步發電機空載及并網發電兩種工況下接口電路模型，以及兩種 工況下電氣部分仿真模型在發電機并網瞬間的切換機制，將上述所建模型進行連接得到雙 饋異步發電機的雙工況仿真模型。2. 根據權利要求1所述的建模方法，其特征在于:所述雙饋異步發電機機械部分的仿真 模型是采用隱式梯形法對轉子運動方程的連續模型進行離散化而得的，該模型的數學公式 為：雙饋異步發電機機械部分的仿真模型基于Simulink建立，以Te、Tm作為輸入，以wr、0Jt 為狀態變量和輸出。3. 根據權利要求1所述的建模方法，其特征在于:所述的雙饋異步發電機空載及并網發 電兩種工況下電氣部分的仿真模型是采用隱式梯形法對相應工況下發電機電壓與磁鏈方 程的連續模型進行離散化而得的，其中： 雙饋異步發電機空載工況下電氣部分的仿真模型的數學公式為：雙饋異步電機空載工況下電氣部分的仿真模型基于Simul ink建立，以紀作為輸入，以 時和疔作為輸出，以r?作為狀態變量； 雙饋異步發電機并網發電工況下電氣部分的仿真模型的數學公式為：雙饋異步發電機并網工況下電氣部分的仿真模型基于Simulink建立，以拉作為輸入， 以^作為輸出，以<作為狀態變量。4. 根據權利要求1所述的建模方法，其特征在于:所述的雙饋異步發電機空載及并網發 電兩種工況下接口電路模型是采用SimPowerSystem內置的受控源模塊建立的，通過將接口 電路端口的測量電壓作為發電機電氣部分仿真模型的輸入，并將電氣部分仿真模型的輸出 作為接口電路中受控源模塊的控制信號，建立發電機電氣部分仿真模型與外部電源和變頻 器電氣模塊的連接。5. 根據權利要求4所述的建模方法，其特征在于:雙饋異步發電機的定子接口電路模型 在空載工況下表現為電壓源，在并網發電工況下表現為電流源;雙饋異步發電機的轉子接 口電路模型在空載和并網發電兩種工況下均表現為電流源。6. 根據權利要求1所述的建模方法，其特征在于:所述的兩種工況下電氣部分仿真模型 在發電機并網瞬間的切換機制是在并網瞬間直接對發電機雙工況接口電路模型中受控源 模塊的控制信號進行切換。7. 根據權利要求6所述的建模方法，其特征在于:所述的切換機制須將兩種工況下電氣 部分仿真模型的初始狀態均設為〇,并以空載工況下電氣部分仿真模型的輸入與輸出作為 并網發電工況下電氣部分仿真模型的輸入，同時對兩種工況下電氣部分的仿真模型進行計 算。
【文檔編號】G06F17/50GK106055817SQ201610405803
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】萬玉良, 范衛東, 杜平, 楊再敏, 吳堅, 項頌, 劉鑫, 陳璐, 米增強, 劉力卿
【申請人】國網內蒙古東部電力有限公司, 華北電力大學（保定）