技术领域
[0001] 本
申请涉及电
力系统仿真技术，具体涉及一种双馈风电机组电磁暂态等值建模方法，同时涉及一种双馈风电机组电磁暂态等值建模装置。
背景技术
[0002] 详细建模的双馈风电机组电磁暂态仿真模型结构完整，可以全面反映风电机组的响应特性。其包括
气动、机械、电气、电力
电子设备和控制及保护系统等多个环节，若与大
电网联合仿真时采用详细电磁暂态仿真模型，则存在模型复杂、仿真步长受限、仿真速度慢等问题，若多个机组接入电网进行仿真该问题将更加突出。因此，有必要研究双馈风电机组接入电网时的电磁暂态仿真等值简化模型，对仿真分析中关注度不高的模
块进行适当的等效替代，同时降低仿真计算阶数和电气计算
节点。目前，在双馈风电机组的动态简化建模方面，机电暂态模型中对双馈风机本体进行了简化，无法对Crowbar保护
电路动作进行正确判断，直接影响了其外特性；电磁暂态模型简化已有方法是将换流器及相连电容部分等效为受控
电压源，忽略了直流电容部分，无法对直流
母线的暂态特性及Chopper保护电路控制、Crowbar保护投切过程进行仿真；同时，未对双馈风电机组电磁暂态等值建模进行相关研究。
发明内容
[0003] 本申请提供一种双馈风电机组电磁暂态等值建模方法，解决了与大电网联合仿真时模型复杂、仿真步长受限、仿真速度慢的问题。
[0004] 本申请提供一种双馈风电机组电磁暂态等值建模方法，其特征在于，包括：
[0005] 根据双馈风电机组仿真系统的拓扑结构，建立双馈风电机组电磁暂态仿真模型，所述双馈风电机组电磁暂态仿真模型包括双馈异步发电机电磁暂态模型、换流器等效电磁暂态模型、直流电容电磁暂态模型、
滤波器电磁暂态模型及非电气量模型；
[0006] 根据所述仿真系统各模块的电气连接关系，获取所述仿真系统的导纳阵元素和节点注入
电流源；
[0007] 采用阻抗等值法求取接入电网端口的系统等值
电阻抗获得三端口阻抗阵，将阻抗阵求逆获得等值系统的伴随导纳阵；
[0008] 根据仿真系统的导纳阵和节点注入电流源建立节点电压方程并求取双馈风电机组电气系统的开路电压；根据所述等值导纳阵求取所述等值模型的历史注入电流，获得系统等值模型；
[0009] 将系统等值模型与外部电网联立求解，获取双馈风电机组内部各电气节点的节点电压和各模型的支路电流；同时根据本时步的节点电压和支路电流计算下一仿真时步各模块的历史注入电流源；根据支路电流和节点电压，对非电气部分求解；判断下一仿真时步是否更新导纳阵元素。
[0010] 优选的，所述双馈风电机组电磁暂态仿真模型包括双馈异步发电机电磁暂态模型和换流器等效电磁暂态模型，双馈异步发电机电磁暂态模型和换流器等效电磁暂态模型的建立过程具体包括:
[0011] 根据定、
转子电压方程和磁链方程，建立双馈异步发电机恒导纳阵等效电磁暂态模型；
[0012] 根据
开关函数等效电路，建立Crowbar保护电路投切、换流器闭
锁暂态过程的受控源型换流器等效模型，根据所述换流器等效模型推导换流器等效电磁暂态模型。
[0013] 优选的，所述双馈异步发电机、换流器的等效电磁暂态模型，在正常工作时伴随导纳元素固定不变。
[0014] 优选的，所述将系统等值模型与外部电网联立求解，获取双馈风电机组内部各电气节点的节点电压和各模型的支路电流，包括：
[0015] 将系统等值模型与外部电网联立求解，获得端口节点电压；
[0016] 将端口节点电压等效为理想电压源，代入双馈风电机组电磁暂态模型，利用节点电压方程求取双馈风电机组内部各电气节点的节点电压；
[0017] 根据内部各电气模块的电磁暂态模型，求取各模型的支路电流。
[0018] 优选的，根据本时步的节点电压和支路电流计算下一仿真时步各模块的历史注入电流源；计算各模型支路电流和节点电压步骤后，对非电气部分求解，非电气部分包括动力部分、换流器控制和保护三部分。
[0019] 优选的，所述动力部分包含风速、风功率、桨距
角控制、轴系模型，该部分为电气模型提供机械转矩，同时要取输入系统有功功率作为控制输入量；
[0020] 所述换流器控制部分包括
锁相环、网侧换流器控制和机侧换流器控制，该部分为换流器等效模型提供调制量，同时取电网电压、
定子电压、电流和转子电压、电流给网侧换流器控制和机侧换流器控制；
[0021] 所述保护部分包括Chopper保护和Crowbar保护，该部分将直流电压和转子电流作为保护控制判断参考，该部分的投切转换直接影响电气拓扑结构的变化。
[0022] 优选的，还包括；
[0023] 根据保护部分动作情况，判断双馈风电机组的内部的导纳阵各元素是否更新，若更新则求取新的内部节点各导纳阵元素；若内部各模型导纳阵未更新，则进入到等值系统与外部电网联立求解步骤。
[0024] 本申请同时提供一种双馈风电机组电磁暂态等值建模装置，其特征在于，包括：
[0025] 模型建立单元，用于根据双馈风电机组仿真系统的拓扑结构，建立双馈风电机组电磁暂态仿真模型，所述双馈风电机组电磁暂态仿真模型包括双馈异步发电机电磁暂态模型、换流器等效电磁暂态模型、直流电容电磁暂态模型、滤波器电磁暂态模型及非电气量模型；
[0026] 导纳阵元素和节点注入电流源获取单元，用于根据所述仿真系统各模块的电气连接关系，获取所述仿真系统的导纳阵元素和节点注入电流源；
[0027] 伴随导纳阵获取单元，用于采用阻抗等值法求取接入电网端口的系统等值电阻抗获得三端口阻抗阵，将阻抗阵求逆获得等值系统的伴随导纳阵；
[0028] 系统等值模型获取单元，用于根据仿真系统的导纳阵和节点注入电流源建立节点方程并求取双馈风电机组电气系统的开路电压；根据所述等值导纳阵求取所述等值模型的历史注入电流，获得系统等值模型；
[0029] 求解单元，用于将系统等值模型与外部电网联立求解，获取双馈风电机组内部各电气节点的节点电压和各模型的支路电流；同时根据本时步的节点电压和支路电流计算下一仿真时步各模块的历史注入电流源；根据支路电流和节点电压，对非电气部分求解；判断下一仿真时步是否更新导纳阵元素。
[0030] 本申请提供一种双馈风电机组电磁暂态等值建模方法，提出一种基于双馈异步发电机恒导纳阵等效电磁暂态模型与换流器开关函数平均值等效模型的双馈风电机组电磁暂态等值建模方法。该等值模型不受仿真步长制约，
接口电路只有3个计算节点，在无保护投切转换时无需
修改计算导纳阵元素，提高了仿真速度；同时不仅能够模拟机组外特性，也能够模拟考虑Chopper保护、Crowbar保护电路投切的内部各环节的电气及机械特性。
附图说明
[0031] 图1是本申请
实施例提供的一种双馈风电机组电磁暂态等值建模方法示意图；
[0032] 图2是本申请实施例涉及的双馈异步发电机电磁暂态模型示意图；
[0033] 图3是本申请实施例涉及的换流器等效模型的电磁暂态模型示意图；
[0034] 图4是本申请实施例涉及的双馈风电机组等值模型示意图；
[0035] 图5是本申请实施例涉及的双馈风电机组等值建模仿真流程示意图；
[0036] 图6是本申请实施例提供的一种双馈风电机组电磁暂态等值建模装置示意图。
具体实施方式
[0037] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
[0038] 请参看图1，图1是本申请实施例提供的一种双馈风电机组电磁暂态等值建模方法，下面结合图1对本申请实施例提供的方法进行详细说明。
[0039] 步骤S101，根据双馈风电机组仿真系统的拓扑结构，建立双馈风电机组电磁暂态仿真模型，所述双馈风电机组电磁暂态仿真模型包括双馈异步发电机电磁暂态模型、换流器等效电磁暂态模型、直流电容电磁暂态模型、滤波器电磁暂态模型及非电气量模型。
[0040] 本发明提出一种基于双馈异步发电机恒导纳阵等效电磁暂态模型与换流器开关函数平均值等效模型的双馈风电机组电磁暂态等值建模方法。具体实施步骤如下(具体流程见图5)：
[0041] S1，根据三相定、转子电压方程和磁链方程，建立双馈异步发电机恒导纳阵电磁暂态模型，按照
电动机惯例，q轴超前d轴90°，定子侧恒导纳阵等效电磁暂态模型：
[0042] Gsus(n)＝Js＝-(kjussus(n-1)+kjissis(n-1)+kjisrir(n-1)-GsGsr_invir(n)) (1)[0043] 其中，us是定子端电压，is是流向定子的电流，ur是转子端电压，ir是流向转子的电流，
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] Lls为定子漏电感；rs为定子电阻，θr为转子a相轴线与定子a相轴线间的空间
位置夹角。Lms为与定子一相绕组交链的最大互感磁通所对应的定子互感值；ωr是转子转速，dq坐标轴下的励磁电感Lm＝1.5Lms。h是仿真步长，α是阻尼系数，与数值积分
算法相关(取0～1，梯形法为0，欧拉法为1)。
[0050] 转子侧的恒导纳阵等效电磁暂态模型：
[0051] Grur(n)＝Jr-(kjurrur(n-1)+kjirrir(n-1)+kjirsis(n-1)-GrGrs_invis(n)) (2)[0052] 其中，
[0053]
[0054] rr转子电阻，Llr为转子漏电感，Lmr＝Lms。对式(1)和式(2)推导双馈异步发电机电磁暂态模型(图2)，正常工作时伴随导纳元素固定不变。
[0055] 其中，Gas、Gbs、Gcs是定子侧伴随导纳元素，Jas、Jbs、Jcs是定子侧伴随注入历史电流源；Gar、Gbr、Gcr是转子侧伴随导纳元素，Jar、Jbr、Jcr是转子侧伴随注入历史电流源。
[0056] S2，根据开关函数等效电路，利用开关函数平均化的思想，建立了考虑Crowbar保护电路投切、换流器闭锁暂态过程的受控源型换流器等效模型。
[0057] 不考虑换流器闭锁时，将损耗等效为RL支路移至交流侧，等效为受控压源和受控流源形式，其中等效模型中受控电压源可表示为：
[0058]
[0059] 其中，Ma、Mb、Mc是换流器控制系统输出的调制电压A、B、C相，udc为直流侧电压。
[0060] 受控电流源可表示为：
[0061]
[0062] 其中，ua、ub、uc是受控源相电压，ia、ib、ic是交流侧相电流。
[0063] 换流器闭锁时，等效为
二极管不可控整流电路。
[0064] 基于以上情况推导换流器等效电磁暂态模型(图3)，正常工作时伴随导纳元素固定不变。Ga、Gb、Gc是由RL支路对应的伴随导纳，Ja、Jb、Jc是RL对应的伴随注入历史电流源。闭锁时，每个二极管由可变电阻Ron/Roff模型并联RC缓冲电路等效，根据其导通断开条件更改可变电阻。
[0065] 步骤S102，根据所述仿真系统各模块的电气连接关系，获取所述仿真系统的导纳阵元素和节点注入电流源。
[0066] S3,按照双馈风电机组仿真系统(以下简称“系统”)拓扑结构，建立完整的双馈风电机组电气部分电磁暂态仿真模型,根据所述仿真系统各模块的电气连接关系，求取系统的导纳阵元素Gij和节点注入电流源Ji(i，j分别为电气部分的节点编号)。
[0067] 步骤S103，采用阻抗等值法求取接入电网端口的系统等值电阻抗获得三端口阻抗阵，将阻抗阵求逆获得等值系统的伴随导纳阵。
[0068] S4.采用阻抗等值法求取接入电网端口的系统等值阻抗得到三端口阻抗阵将阻抗阵求逆可得系统的等值伴随导纳阵Gsw。
[0069] 步骤S104，根据仿真系统的导纳阵和节点注入电流源建立节点方程并求取双馈风电机组电气系统的开路电压；根据所述等值导纳阵求取所述等值模型的历史注入电流，获得系统等值模型。
[0070] S5.不包括外部电网，利用系统导纳阵和节点注入电流建立节点电压方程求取双馈风电机组电气系统的开路电压Uoc，利用S4中的等值导纳阵Gsw求取该等值模型的历史注入电流Jsw＝Gsw*Uoc，得到系统等值模型(图4)。
[0071] 步骤S105，将系统等值模型与外部电网联立求解，获取双馈风电机组内部各电气节点的节点电压和各模型的支路电流；同时根据本时步的节点电压和支路电流计算下一仿真时步各模块的历史注入电流源；根据支路电流和节点电压，对非电气部分求解；判断下一仿真时步是否更新导纳阵元素。
[0072] S6.将等值系统与外部电网联立求解，得到端口节点电压Usw。将端口电压等效为理想电压源，代入S3中的双馈风电机组电磁暂态模型，利用节点电压方程求取双馈风电机组内部各电气节点的节点电压，根据内部各电气模块的电磁暂态模型，求取各模型的支路电流。同时根据本时步的节点电压和支路电流计算下一仿真时步各模块的历史注入电流源。
[0073] S7.非电气部分求解，包括动力部分、换流器控制和保护三部分。动力部分包含风速、风功率、桨距角控制、轴系模型，该部分为电气模型提供机械转矩，同时要取输入系统有功功率作为控制输入量；换流器控制部分包括锁相环、网侧换流器控制和机侧换流器控制，该部分为换流器等效模型提供调制量，同时取电网电压、定子电压、电流和转子电压、电流给网侧换流器控制和机侧换流器控制。保护部分包括Chopper保护和Crowbar保护，该部分将直流电压和转子电流作为保护控制判断参考，该部分的投切转换直接影响电气拓扑结构的变化。
[0074] S8.根据保护部分动作情况，判断双馈风电机组的内部的导纳阵各元素是否更新？若更新则求取新的内部节点各导纳阵元素，再转到步骤S4。若内部各模型导纳阵未更新，则跳过步骤S4，直接转到步骤S5，依次循环进入下一仿真时步。
[0075] 本申请同时提供一种双馈风电机组电磁暂态等值建模装置600，其特征在于，包括：
[0076] 模型建立单元610，用于根据双馈风电机组仿真系统的拓扑结构，建立双馈风电机组电磁暂态仿真模型，所述双馈风电机组电磁暂态仿真模型包括双馈异步发电机电磁暂态模型、换流器等效电磁暂态模型、直流电容电磁暂态模型、滤波器电磁暂态模型及非电气量模型；
[0077] 导纳阵元素和节点注入电流源获取单元620，用于根据所述仿真系统各模块的电气连接关系，获取所述仿真系统的导纳阵元素和节点注入电流源；
[0078] 伴随导纳阵获取单元630，用于采用阻抗等值法求取接入电网端口的系统等值电阻抗获得三端口阻抗阵，将阻抗阵求逆获得等值系统的伴随导纳阵；
[0079] 系统等值模型获取单元640，用于根据仿真系统的导纳阵和节点注入电流源建立节点方程并求取双馈风电机组电气系统的开路电压；根据所述等值导纳阵求取所述等值模型的历史注入电流，获得系统等值模型；
[0080] 求解单元650，用于将系统等值模型与外部电网联立求解，获取双馈风电机组内部各电气节点的节点电压和各模型的支路电流；同时根据本时步的节点电压和支路电流计算下一仿真时步各模块的历史注入电流源；根据支路电流和节点电压，对非电气部分求解；判断下一仿真时步是否更新导纳阵元素。
[0081] 本申请提供一种双馈风电机组电磁暂态等值建模方法，提出一种基于双馈异步发电机恒导纳阵电磁暂态模型与换流器开关函数平均值等效模型的双馈风电机组电磁暂态等值建模方法。该等值模型不受仿真步长制约，接口电路只有3个计算节点，在无保护投切转换时无需修改计算导纳阵元素，提高了仿真速度；同时不仅能够模拟机组外特性，也能够模拟考虑Chopper保护、Crowbar保护电路投切的内部各环节的电气及机械特性。
[0082] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的
权利要求保护范围之内。
