技术领域
[0001] 本
发明属于风电系统技术领域，尤其涉及一种基于PWM的直驱式风机的简化方法及系统。
背景技术
[0002] 目前直驱式
风力发
电机在新
能源发电领域中获得了十分广泛的应用，研究其电磁暂态特性对保障电力系统稳定有着重要意义。而电磁暂态仿真
软件的仿真速度主要取决于以下两个因素：模型
节点数与仿真计算步长。其中模型节点数取决于主回路中元器件和控制回路
控制器件的数量，仿真计算步长取决于模型仿真
精度要求。
[0003] 现有集中式接入的风
电场一般由上百台风机组成，如果对每台风机都采用详细模型建模，虽然可以比较精确的反应风电场接入对
电网动、静态特性的影响，但是由于现有的新能源机组都大量的采用了采用PWM调制技术的全控型变流器与系统相连，为了准确模拟全控期间开断过程对交流和直流侧暂态过程的影响，仿真步长通常小于10μs，对于大型并网的新能源场站，会导致仿真中出现维数灾的问题，计算量将随着仿真机组台数的增长成几何倍数增长，不光计算量非常大，并且也很难得到准确的解。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种基于PWM的直驱式风机系统的简化方法，以解决
现有技术中仿真效率较低的问题。
[0005] 在一些说明性
实施例中，所述基于PWM的直驱式风机系统的简化方法，包括：识别直驱式风机系统的原始模型中的组成部件；以机侧受控
电压源和机侧受控
电流源替换模拟所述原始模型中的机侧变流器、以网侧受控电压源和网侧受控电流源替换模拟所述原始模型中的网侧变流器、以及为所述原始模型中的直流
母线增设直流卸荷保护
电路，形成简化系统模型；所述简化系统模型中包括：风机模型、发电机模型、含直流卸荷保护电路的
直流母线模型、机侧平波阻抗模型、网侧平波阻抗模型、无穷大电网、以及机侧受控源和网侧受控源；
[0006] 其中，所述风机模型与所述发电机模型相连、所述发电机模型通过机侧平波阻抗模型和机侧受控源与直流母线模型相连、所述直流母线模型通过所述网侧受控源和网侧平波阻抗模型与无穷大电网相连；
[0007] 所述简化系统模型中替换模拟机侧变流器的机侧受控电压源满足如下数学模型：
[0008]
[0009] 其中，usa、usb、usc分别表示发电机机端的
三相电压，Lsa、Lsb、Lsc分别表示三相电感，Rsa、Rsb、Rsc分别表示三相阻抗，isa、isb、isc分别表示
三相电流，Ssa、Ssb、Ssc分别变流器三个桥臂的开断
信号，1表示上桥臂通，Udc表示直流母线电压，C表示直流电容值，iload表示网侧变流器直流侧电流；
[0010] 所述简化系统模型中机侧受控电压源模拟机侧变流器交流侧电压，应满足如下数学模型：
[0011]
[0012] 其中，vsa、vsb、vsc分别表示变流器交流侧电压；
[0013] 所述机侧受控电压源的
控制信号满足如下数学模型，是基于零d轴电流控制的矢量控制方法，q轴电流参考值经PI调节器得到受控电压源的控制信号：
[0014] Te＝1.5p[ψfisq+isdisq(Lsd-Lsq)]＝1.5pψfisq
[0015] 其中，Te表示电磁转矩，isd、isq分别表示为发电机
定子d、q轴电流，ψf表示为永磁
铁磁链，Lsd、Lsq分别表示为发电机d、q轴励磁电感，p表示
转子极对数；
[0016] 所述网侧受控电压源的控制信号满足如下数学模型：
[0017]
[0018] 其中，usd、usq是网侧变流器交流侧电压dq轴分量，ω1是同步转速，R/L是网侧进线
电阻/电感，id、iq是网侧电流dq轴分量，ed是电网电压矢量；
[0019] 所述简化系统模型具有以下设定：
[0020]
[0021] 其中，vsa.ref、vsb.ref、vsc.ref分别表示机侧受控电压源；
[0022] P′ac＝vsa.refisa+vsb.refisb+vsc.refisc；
[0023] P′dc＝P′ac＝udci′dc；
[0024] i′dc＝P′dc/udc
[0025] 其中，P′ac表示机侧变流器交流侧功率，P′dc表示直流侧功率，i′dc表示机侧变流器直流侧电流。
[0026] 在一些可选地实施例中，当所述直流卸荷保护电路未启动时，所述直流母线的电容充电电流满足如下公式：
[0027]
[0028] iload＝i′dc-ic
[0029] 其中，式中ic表示直流母线充电电流、C表示直流母线电容值、d表示微分符号、t表示时间、Udc表示直流母线电压、Udc*表示直流母线电压参考值、kvp表示PI调节器比例常数、kvi表示PI调节器积分常数、iload表示网侧变流器直流侧电流、i′dc表示机侧变流器直流侧电流。
[0030] 在一些可选地实施例中，在所述识别直驱式风机系统的原始模型中的组成部件之前，还包括：创建所述直驱式风机系统的原始模型。
[0031] 本发明的另一个目的在于提出一种由上述任一项所述的简化方法搭建简化的基于PWM的直驱式风机简化系统，包括：发电机、机侧受控电压源、机侧受控电流源、网侧受控电压源、网侧受控电流源、电网和直流卸荷保护电路；其中，机侧受控电压源和发电机通过机侧平波阻抗相连，机侧受控电流源和机侧直流母线直接相连；网侧受控电流源和网侧直流母线直接相连，网侧受控电压源和电网通过网侧平波阻抗相连；直流卸荷保护电路并联在直流母线的电容两端。
[0032] 在一些可选地实施例中，所述机侧受控电压源、机侧受控电流源、网侧受控电压源、网侧受控电流源的控制信号分别来源于风机控制系统。
[0033] 与现有技术相比，本发明具有如下优势：
[0034] 本发明通过利用机侧受控源和网侧受控源模拟机侧变流器和网侧变流器，极大的简化了风机系统，提升了系统仿真验证效率，并且在系统模型中保留了直流母线，有效还原了风机系统在实际运行过程中的可能产生的过压、过流等瞬时状态，保障了系统模型的有效性，再有通过设置直流卸荷保护电路提高了系统模型的可靠性和
稳定性。
附图说明
[0035] 图1是现有技术中机侧变流器的结构示意图；
[0036] 图2是本发明实施例中的简化方法的
流程图；
[0037] 图3是本发明实施例中的简化方法的流程图；
[0038] 图4是现有技术中原始模型中的局部图；
[0039] 图5是本发明实施例中的机侧简化示意图；
[0040] 图6是本发明实施例中的直流卸荷保护电路的结构示意图；
[0041] 图7是本发明实施例中的机侧受控源的控制系统的结构示意图；
[0042] 图8是本发明实施例中网侧简化示意图；
[0043] 图9是本发明实施例中网侧受控源的控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0044] 以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括
权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
[0045] 为了研究风机系统在实际环境中可能出现的各种状况，人们普遍通过使用软件搭建风机系统的仿真模型，通过改变模型中的相应参数，分析相应状态下的风机系统，从而有利于避免各种突发状态的发生、分析出应采取的必要手段、提高风机系统的高效性和可靠性等等指标。
[0046] 由于现有的仿真软件中的变流器的模型部分的数学计算过于复杂，因此本发明通过以机侧受控源、网侧受控源替换模拟这些变流器，从而可有效的简化风机系统的系统模型和数学模型，并且保障简化后的系统模型和数学模型的可靠性。
[0047] 参照图1，图1示出了现有技术中的直驱式风机系统的原始模型中的机侧变流器的拓扑结构，可以发现的变流器由大量的IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，计算时会涉及大量的计算，占据了计算设备大量计算资源，使得仿真模型的仿真效率下降，对于目前较高配置的计算设备而言，严重时都可能发生宕机等现象导致仿真模型的仿真失败/崩溃。网侧变流器与机侧变流器的结构类似，在此不再赘述。
[0048] 现在参照图2，图2示出了本发明实施例中基于PWM的直驱式风机系统的简化方法的流程图，该方法中主要利用机侧/网侧受控源替换模拟相应的变流器，从而避免出现维数计算。方法，包括：
[0049] 步骤S11、建立风机模型、发电机模型、含直流卸荷保护电路的直流母线模型、机侧平波阻抗模型、网侧平波阻抗模型、无穷大电网、以及机侧受控源、网侧受控源；
[0050] 步骤S12、按照如下顺序搭接风机系统简化模型，风机模型→发电机模型→机侧平波阻抗模型→机侧受控源→直流母线模型→网侧受控源→网侧平波阻抗模型→无穷大电网；
[0051] 步骤S13、在直流母线模型上搭接直流卸荷保护电路。
[0052] 该实施例适用于初次构建风机系统的仿真模型，其中机侧受控源和网侧受控源的控制信号可来源于风机控制系统，其
输出电压、电流无延时的
跟踪电压电流指令。
[0053] 在另一些实施例中风机系统中的初始模型已被构建，可通过如下方法进行简化，最终得到与上述实施例中相同的简化系统，如图3所示，
[0054] 步骤S21、识别直驱式风机系统的原始模型中的组成部件；
[0055] 步骤S22、替换模拟原始模型中的以下部分：
[0056] ①以机侧受控电压源和机侧受控电流源替换模拟所述原始模型中的机侧变流器，机侧受控电压源和发电机通过机侧平波阻抗相连；
[0057] ②以网侧受控电压源和网侧受控电流源替换模拟所述原始模型中的网侧变流器，网侧受控电流源和网侧直流母线直接相连，网侧受控电压源和电网通过网侧平波阻抗相连；
[0058] 步骤S23、在原始模型中添加以下部分：
[0059] 为所述原始模型中的直流母线增设直流卸荷保护电路，直流卸荷保护电路并联在直流母线的电容两端。
[0060] 步骤S24、形成简化模型。
[0061] 该实施例中的可自动完成对原始模型的简化，无需人为对系统模型进行搭接操作，大大节省了简化时间，提高了简化效率。
[0062] 本发明通过利用机侧受控源和网侧受控源模拟机侧变流器和网侧变流器，极大的简化了风机系统，提升了系统仿真验证效率，并且在系统模型中保留了直流母线，有效还原了风机系统在实际运行过程中的可能产生的过压、过流等瞬时状态，保障了系统模型的有效性，再有通过设置直流卸荷保护电路提高了系统模型的可靠性和稳定性。
[0063] 为了便于本领域技术人员可以更快的理解本发明的各实施例，在此对本发明中的简化推到过程进行简单阐述。
[0064] 如图4，图4示出了风机系统的原始模型中的局部，包含机侧变流器和网侧变流器，以及连接两者的直流母线；本方案中为了简化如图1所示的两电平IGBT全控电压型变流，从而分别采用机侧受控电流CIS1、机侧受控电压源CVS1替代机侧变流器，采用网侧受控电流源CIS2、网侧受控电压源CVS2替代网侧变流器。
[0065] 由于图1中的PWM调制变流器引入的高频特征信号并不关注，仅关注新能源(风电机)接入后的低频(0～100Hz)特征。因此本发明中研究的PWM变流器简化仿真模型，目的就是为了在保证低频特征一致的前提下，大幅度缩短仿真时间，以实现对大规模风电场接入的详细模拟。等值模型主要关注以下两点：
[0066] a)在稳态和故障情况下，简化模型与详细模型输出的功率特性一致；
[0067] b)在故障暂态期间，简化模型与详细模型输出的电压电流特征一致。
[0068] 机侧变流器的的数学模型目前主要采用：
[0069]
[0070] 其中，usa、usb、usc分别表示发电机机端的三相电压，Lsa、Lsb、Lsc分别表示三相电感，Rsa、Rsb、Rsc分别表示三相阻抗，isa、isb、isc分别表示三相电流，Ssa、Ssb、Ssc分别表示图1中变流器三个桥臂的开断信号，1表示上桥臂通，Udc表示直流母线电压，C表示直流电容值，iload表示网侧变流器直流侧电流，d/t表示微分符号。
[0071] 根据上述机侧变流器的数学模型，由于Y型接线，电流之和为0，因此可得到：
[0072]
[0073] 又由于变流器交流侧电压为：
[0074]
[0075] 其中，vsa、vsb、vsc分别表示变流器交流侧电压。
[0076] 基于上述推导数学模型，为了简化模型，做出以下两点假设：
[0077] (1)机侧变流器交流侧电压无差跟踪电压指令信号，则 其中，vsa.ref、vsb.ref、vsc.ref分别表示机侧受控电压源。
[0078] (2)不计机侧变流器功率损耗，则P′ac＝vsa.refisa+vsb.refisb+vsc.refisc，P′dc＝P′ac＝udci′dc，i′dc＝P′dc/udc。其中，P′ac表示机侧变流器交流侧功率，P′dc表示直流侧功率，i′dc表示机侧变流器直流侧电流。
[0079] 基于上述推导，可得到如图5所示的机侧变流器的简化模型，其中虚线部位表示机侧受控源。图5中，usa、usb、usc代表发电机机端电压，vsa.ref，vsb.ref，vsc.ref代表机侧受控电压源，i′dc代表机侧受控电流源。
[0080] 值得强调的是，如上述实施例中所述，本
专利对直流母线不进行简化。原因如下：
[0081] 1)在实际的直驱式风机中，直流母线电压不是恒定值，因此直母电容(直流母线电容)不断存在充放电的过程。因此机侧变流器输出到直流母线的电流不一定等于直流母线流入网侧变流器的电流，显然不满足功率特性一致的要求。
[0082] 2)在电网故障下，直流母线过压和网侧变流器过流是威胁直驱式风机组安全的两大问题。因此，直流母线一般会配有直流卸荷CHOPPER保护电路。在电磁暂态仿真中，电网故障发生后的数十个毫秒内，直流母线电容的充放电以及保护电路对
故障电流电压特性有很大的影响。风机建模中忽略这一点，必然会导致电流电压特性模拟不准确。
[0083] 现在参照图6，图6中示出了直流卸荷保护电路接入系统模型的结构，
[0084] 当所述直流卸荷保护电路未启动时，所述直流母线的电容充电电流满足如下公式：
[0085]
[0086] 当CHOPPER启动后，此电流不再简单的仅流过电容，而是流过图6所示的电容和CHOPPER旁路电阻的卸荷电路。
[0087] 流向网侧变流器的电流
[0088] iload＝i′dc-ic
[0089] 式中ic表示电容充电电流(CHOPPER未启动时，启动后为流过图6所示的电容及旁路电阻并联电路的电流)、C表示直流母线电容值、Udc表示直流母线电压、Udc*表示直流母线电压参考值、kvp表示PI调节器比例常数、kvi表示PI调节器积分常数、iload表示网侧变流器直流侧电流、i′dc表示机侧变流器直流侧电流，d表示微分符号、t表示时间，d/dt代表对时间的微分。
[0090] 此时，电流iload可为网侧变流器简化模型中受控电流源提供控制信号。
[0091] 进一步的，在此还对如何对机侧受控源和网侧受控源进行控制进行阐述说明：
[0092] 1)机侧受控源控制
[0093] 机侧变流器的控制目的是根据实际风速的变化来调节发电机的转速，调节发电机的转速随风速变化而变化，实现最大功率跟踪；在机组恒速运行阶段，要维持电机额定转速不变。根据前面的分析知，发电机的转速由机械转矩Tm和电磁转矩Te决定，故转速的调节要通过调节电机的电磁转矩实现。
[0094] 零d轴电流控制旨在将永磁同步电机d轴电流控制为零，是永磁同步电机最常用的控制策略。将isd＝0代入电磁转矩方程，变为如下形式
[0095] Te＝1.5p[ψfisq+isdisq(Lsd-Lsq)]＝1.5pψfisq
[0096] Te表示电磁转矩，p表示转子极对数，isd、isq分别表示为发电机定子d、q轴电流，ψf表示为永
磁铁磁链，Lsd、Lsq分别表示为发电机d、q轴励磁电感。
[0097] 认为转子
磁场恒定，则电磁转矩与q轴电流isq成正比。在己知转矩指令 时，电机dq轴电流指令分别如下：
[0098]
[0099]
[0100] 采用零d轴电流矢量控制方案，机侧变流器控制系统结构图如7所示：
[0101] 根据上面机侧变流器矢量控制原理，将电机有功功率(或电磁转矩)的参考值与实际值取其偏差后，通过一PI环节，得到参考值 而 补偿解耦计算得到d，q
坐标系下电压参考值usd、usq，通过坐标变换得到a，b，c坐标系下的电压参考值usa、usb、usc。
[0102] 对于电机有功功率(或电磁转矩)的参考值，由于直驱式风机为变速恒频方式，其电磁转矩参考值需要由一转速控制系统实时给定。
[0103] 2)网侧受控源控制
[0104] 网侧变流器同样的也用受控电源组建模，类似地受控电压源控制信号来自于网侧变流器控制系统，具体如下。
[0105] 如图8的网侧变流器的控制采用基于电网侧电压定向的向量控制方案，实现网侧
变频器与电网之间传输的有功功率和
无功功率的解耦控制。其控制目标为：保持直流电压为恒定值；控制电网侧变频器与电网交换的无功功率为设定值。
[0106] 网侧变流器通过阻抗为R+jω1L的线路并入电网，则可写出dq坐标系统下电压方程转化为：
[0107] usd＝(R+jω1L)id-ω1Liq+ud1
[0108] usq＝(R+jω1L)iq+ω1Lid+uq1
[0109] usd、usq是网侧变流器交流侧电压dq轴分量，ud1、iq1是电网电压dq轴分量，ω1是同步转速，R/L是网侧进线电阻/电感，id、iq是网侧电流dq轴分量，j为微分符号。
[0110] 电网和网侧变流器间交换的功率为：
[0111] Pg＝udlid+uqliq
[0112] Qg＝uqlid-udliq
[0113] 其中，Pg表示为有功功率，Qg表示为无功功率。
[0114] 将同步旋转坐标系下的d轴定向于电网电压空间矢量方向上，有
[0115] udl＝ed
[0116] uql＝0
[0117] ed是电网电压矢量。
[0118] 进而电网和网侧变流器交换的功率可表达为
[0119] Pg＝edid
[0120] Qg＝-ediq
[0121] 由上式可见，在定子电压保持恒定时，转子有功功率与id成正比，而转子无功功率则与iq成正比。网侧变流器矢量控制实现了电网和网侧变流器间交换的有功功率和无功功率控制的解耦。实际上，id与直流母线Vd相关，其参考值由直流母线电压的偏差决定。
[0122] 矢量定向后可得定子电压方程：
[0123]
[0124] 由此可以设计网侧变流器的控制系统如下图9所示。根据网侧变流器矢量控制原理，可以分别控制网侧变流器电流id，iq来控制电网和网侧变流器间交换的有功功率和无功功率。其中，id与直流母线Vd相关，其参考值由直流母线电压的偏差决定，iq的参考值由无功功率的参考值与实际值的偏差决定。得到d，q坐标系下电流参考值id、iq后，通过补偿解耦，得到d，q坐标系下电压参考值ud、uq，进而得到a，b，c坐标系下的电压参考值ua、ub、uc。这个参考值最终给到网侧受控电压源控制信号，网侧受控电流源类似地可以由此参考值计算得到。
[0125] 本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模
块、电路和
算法步骤均可以实现成
电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
