基于malabrds的雙饋感應(yīng)風電機組的動態(tài)響應(yīng)特性研究

基于malabrds的雙饋感應(yīng)風電機組的動態(tài)響應(yīng)特性研究

0實時數(shù)字仿真器隨著電動汽車應(yīng)用頻率的增加，電動汽車動態(tài)功能對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行的影響越來越明顯。另一方面,伴隨著風電裝機容量的快速攀升,風機制造企業(yè)越來越多(僅中國就有80余家整機制造企業(yè)),其后果就是風電機組種類繁多。但是公開其風電機組模型及參數(shù)的僅有GE和VESTAS的部分機組類型,這給風電機組的建模以及并網(wǎng)仿真分析工作帶來難度。因此,真實再現(xiàn)并通過仿真改善風電機組動態(tài)特性以滿足系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的需要,顯得尤為迫切和必要。目前,大部分電力系統(tǒng)離線仿真軟件(如BPA、PSASP、PSS/E、FASTEST等),都是基于GE或VESTAS公布的簡化模型對風電機組模塊進行集成。另外一部分仿真工具(如MATLAB/Simulink、DIgSILENTPowerFactory、PSCAD/EMTDC等)提供了豐富的模型庫,用戶可以方便地進行模型搭建,這相比于前述仿真軟件是一大進步。但所有這些工具均存在兩方面的缺陷:一是計算速度慢,不能滿足實時計算的要求;二是不具備與實際裝置交互的能力,而這種交互能力非常適合開展模型未知設(shè)備的仿真研究。實時數(shù)字仿真器RTDS(RealTimeDigitalSimulator)依托其強大的硬件和軟件設(shè)計,克服了上述仿真工具的缺點,在繼電保護裝置閉環(huán)測試、控制系統(tǒng)閉環(huán)測試、大規(guī)模交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為仿真和分析等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于RTDS/RSCAD中僅包含風力渦輪機的模塊,而風電機組中最復(fù)雜的控制系統(tǒng)模型還未包含在其模型庫中,這直接導(dǎo)致基于RTDS的風電相關(guān)研究極少。目前,國外少量應(yīng)用RTDS研究風電機組建模的報道集中在韓國和美國。文獻在RTDS上搭建了風力渦輪機模型,并通過模擬量端口輸入實時氣象數(shù)據(jù),對實際風速下的風機切入、切出和風速擾動進行了仿真。在此基礎(chǔ)上,文獻對槳距角控制系統(tǒng)進行了建模,并提出了改善故障期間穩(wěn)定性的槳距角控制策略。文獻對含風電場的實際系統(tǒng)進行了仿真,但是其研究重點是HVDC等值電路的校驗。文獻基于RTDS搭建了進行風電系統(tǒng)閉環(huán)測試的研究平臺。文獻[10-12]基于RTDS對DFIG矢量定向的有功無功解耦控制進行了建模仿真。在國內(nèi),清華大學(xué)學(xué)者基于RTDS搭建算例模型,對風電功率波動對節(jié)點頻率的影響進行了評估,但是其搭建的風電模型并未包含變速恒頻機組的動態(tài)模型,而是將風電的波動等效為節(jié)點上負的負荷;華北電力大學(xué)和金風科技分別實現(xiàn)了基于RTDS的雙饋風電機組與直驅(qū)永磁風電機組的數(shù)?；旌戏抡嫜芯俊Ｉ鲜龈魑墨I只對RTDS建模的正確性進行了定性的推理或是經(jīng)驗判斷,或者直接應(yīng)用在電力系統(tǒng)分析領(lǐng)域,并未將RTDS仿真結(jié)果與其他仿真分析軟件結(jié)論進行比較驗證。將RTDS與其他仿真軟件進行比較,不僅可以相互校驗以提供建模正確性的量化依據(jù),更有助于區(qū)分各仿真平臺的優(yōu)缺點和適用場合。本文基于主流機型DFIG的平均值模型,在RTDS/RSCAD中進行相應(yīng)建模;然后在含有DFIG的單機無窮大系統(tǒng)中進行了仿真,對MATLAB和RTDS的仿真方法、仿真過程、結(jié)果進行了分析比較;驗證了在RTDS/RSCAD上搭建模型的正確性,并指出了RTDS仿真的優(yōu)勢,為進一步研究提供了基礎(chǔ)。1控制方案設(shè)計DFIG由風力渦輪機、機械傳動系統(tǒng)(即軸系)、雙饋感應(yīng)發(fā)電機、變流器及其控制系統(tǒng)、槳距角控制系統(tǒng)等構(gòu)成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示(1),圖中,Ur、Ugc分別為控制模塊輸出的轉(zhuǎn)子控制電壓和電網(wǎng)側(cè)變流器控制電壓。其中,雙饋感應(yīng)電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標下的電壓與磁鏈方程見文獻,下文主要介紹傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)模型。1.1軸系數(shù)學(xué)模型風力渦輪機的低速軸相對于感應(yīng)發(fā)電機的高速軸有很大的柔性,通過軸的彈性系數(shù)和阻尼系數(shù)來建模表示。本文采用風力渦輪機和感應(yīng)發(fā)電機的兩質(zhì)塊模型來表示風電機組的軸系,其數(shù)學(xué)模型如式(1)所示。其中,τtur、τgen分別為風力渦輪機和感應(yīng)發(fā)電機的慣性時間常數(shù)(s),Ttur、Tele、Tsha分別為風力渦輪機輸出機械轉(zhuǎn)矩、感應(yīng)發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和傳動軸輸出機械轉(zhuǎn)矩(p.u.),ωtur、ωgen分別為風力渦輪機和感應(yīng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速(p.u.),θsha為兩質(zhì)塊之間的相對角位移(p.u.),Ksha為軸的彈性系數(shù)(p.u.),Dsha為軸的互阻尼系數(shù)(p.u.)。文中以風力渦輪機額定功率、雙饋感應(yīng)電機的同步速為基準值。1.2感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過參考轉(zhuǎn)速變速風電機組中槳距角控制系統(tǒng)的作用有兩方面:一方面,在風速超過額定風速時,控制槳距角相應(yīng)增大,以限制風力渦輪機的機械功率輸出,從而控制風力發(fā)電機組有功輸出不超過其額定功率;另一方面,在感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過參考轉(zhuǎn)速時,控制槳距角相應(yīng)增大,以使得發(fā)電機轉(zhuǎn)速跟蹤參考轉(zhuǎn)速。圖2是槳距角控制系統(tǒng)原理圖,圖中β為槳距角。本文按照如下方法求取感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子參考轉(zhuǎn)速(2):當風電機組輸出的有功功率不小于0.75p.u.時,感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子參考轉(zhuǎn)速設(shè)為1.2p.u.;當輸出有功功率小于0.75p.u.時,感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子參考轉(zhuǎn)速按式(2)求取,且參考轉(zhuǎn)速不小于0.7p.u.。圖3是感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子參考轉(zhuǎn)速與風電機組輸出有功功率之間的關(guān)系圖。其中,ωref為感應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子參考轉(zhuǎn)速(p.u.),Pmea為測量到的風電機組輸出有功功率(p.u.)。1.3轉(zhuǎn)子側(cè)無功解耦控制結(jié)果轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制系統(tǒng)通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)電壓dq軸分量,進而控制轉(zhuǎn)子側(cè)電流的dq軸分量,從而實現(xiàn)風電機組輸出的有功功率及無功功率的解耦控制。對于PWM變流器,轉(zhuǎn)子側(cè)的參考控制電壓的dq軸分量urd_ref與urq_ref滿足式(3)。圖4、圖5分別是轉(zhuǎn)子側(cè)有功、無功解耦控制框圖,圖4中Tele_ref為電磁轉(zhuǎn)矩參考值?？梢?轉(zhuǎn)子側(cè)變流器由2級閉環(huán)PI控制組成,分別是功率控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)。功率控制閉環(huán)產(chǎn)生電流分量參考值ird_ref和irq_ref,電流控制閉環(huán)依據(jù)轉(zhuǎn)子電流分量比較結(jié)果產(chǎn)生解耦的脈沖調(diào)制系數(shù)u′rd_crl和u′rq_crl,再將耦合量以補償電壓urd_com與urq_com的形式作為前饋量輸入,得到最終的脈沖調(diào)制系數(shù)。其中,補償電壓可按式(4)求得。其中,urd_crl、urq_crl為變流器控制變量脈沖調(diào)制系數(shù),uDC為變流器直流側(cè)電壓,isd、isq、ird、irq分別為定、轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量,Lr、Lm分別為轉(zhuǎn)子自感和定轉(zhuǎn)子互感,Rr為轉(zhuǎn)子電阻,ωs為同步速,s為轉(zhuǎn)差率。1.4脈沖調(diào)制系數(shù)電網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)有兩方面作用:一是控制變流器直流側(cè)電壓維持在額定值;二是控制轉(zhuǎn)子側(cè)并網(wǎng)無功功率的大小和方向。電網(wǎng)側(cè)變流器控制原理與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器基本一致,也由解耦的2級閉環(huán)控制組成,如圖6、圖7所示。外環(huán)用于控制直流電壓及變流器發(fā)出的無功功率,產(chǎn)生電網(wǎng)側(cè)變流器的參考控制電流igcd_ref和igcq_ref。一般控制電網(wǎng)側(cè)變流器與主網(wǎng)的無功功率交換為零,故圖7中省略了外環(huán)的無功控制,而直接設(shè)置igcq_ref=0。同式(3)、式(4)類似,脈沖調(diào)制系數(shù)ugcd_crl與ugcq_crl、參考控制電壓的dq軸分量ugcd_ref與ugcq_ref、補償電壓ugcd_com與ugcq_com可分別按圖6、圖7、式(5)、式(6)求得。其中,Rci、Lci分別為轉(zhuǎn)子側(cè)耦合電感器的電阻值和電感值,usd、usq為定子電壓的d、q軸分量。1.5受力電壓分析電壓源型AC/DC/AC變流器可以用受控源的形式近似描述,稱為變流器的平均值模型,如圖8所示。其中受控電壓源uab_rc、ubc_rc與uab_gc、ubc_gc分別為轉(zhuǎn)子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)變流器輸出的線電壓。受控電壓源的控制量是變流器控制系統(tǒng)輸出的參考控制電壓。直流側(cè)以受控電流源形式表示。根據(jù)功率守恒原則,受控電流源的電流值可按式(7)進行控制。2比較模擬方法2.1高頻電力電子裝置模型由于計算資源有限,為了均衡精度與速度的矛盾,MATLAB提供了3種不同仿真精度的仿真方法(1)。依據(jù)其描述的頻率范圍由大到小順序依次是:詳細模型(detailedmodel)、平均值模型(averagemodel)和相量模型(phasormodel)。詳細模型可對具有高頻開關(guān)特性的電力電子裝置進行詳細建模,該模型要求仿真步長足夠小(一般為5μs),它適用于諧波及控制系統(tǒng)動態(tài)特性研究,其仿真時間宜控制在幾百微秒至1s。平均值模型在每一開關(guān)周期內(nèi)以平均值形式表示,該模型的仿真步長一般為50μs,其仿真時間宜控制在幾秒。雖然它不再適合研究諧波問題,但是該模型保留了控制系統(tǒng)與電力系統(tǒng)交互的動態(tài)特性。相量模型將時域內(nèi)的電壓、電流簡化成額定頻率(50Hz或60Hz)下的復(fù)數(shù),適合于進行十幾秒至幾分鐘的暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定仿真。2.2rtds的硬件仿真RTDS/RSCAD提供的模型庫可以劃分為電力系統(tǒng)元件庫PSC(PowerSystemComponents)、控制系統(tǒng)元件庫CSC(ControlSystemComponents)、電壓源換流器小步長模型(VSCsmalltime-stepmodeling)(2)。其中,含PSC和CSC的主電路一般以50μs的步長仿真,而含VSC的電路以小步長(1.4~2.5μs)仿真。RTDS硬件基于數(shù)字信號處理器(DSP)并應(yīng)用了先進的并行處理技術(shù),可以維持連續(xù)的實時處理。因此,RTDS在對模型進行詳盡建模的同時,仍能保持實時輸出的計算速度。另外,RTDS具備連接外部硬件系統(tǒng)進行閉環(huán)測試(hardware-in-loop)的能力。2.3模型的簡化處理及計算方法可見,基于MATLAB仿真時,需要根據(jù)仿真要求,先對模型進行簡化處理,然后進行計算,以提高速度;而基于RTDS的仿真,是先對模型進行計算,再根據(jù)需要對仿真結(jié)果進行輸出處理和分析,其計算速度對模型的詳盡程度不敏感。3測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)3.1均值模型的建立在RTDS/RSCAD中搭建DFIG平均值模型時,必須從小步長模型庫中進行模型選擇,并在電壓源型變流器橋式箱(VSCBridgeBox)中進行建模。3.2控制系統(tǒng)參數(shù)本文的仿真比較基于圖9所示的單機無窮大母線(OMIB)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1.5MW的DFIG、并聯(lián)電容器、0.4kV/35kV升壓變壓器、分布式參數(shù)輸電線路、理想電壓源組成。其中,并聯(lián)電容器按照風電機組額定功率時功率因數(shù)為1.0配置為每相0.024F,其他各元件在RSCAD中的參數(shù)如下:35kV輸電線路,串聯(lián)電阻正序0.01273Ω/km、零序0.3864Ω/km,串聯(lián)感抗正序0.29318Ω/km、零序1.29569Ω/km,并聯(lián)容抗正序0.24998×106Ω·km、零序0.41088×106Ω·km;0.231kV/20.21kV單相變壓器,額定容量0.5556MV·A,正序電抗0.05p.u.,正序電阻0.001p.u.;DFIG,定子額定電壓0.4kV,額定容量1.667MV·A,定子電阻0.023p.u.,定子電抗0.18p.u.,勵磁電抗2.9p.u.,轉(zhuǎn)子電阻0.016p.u.,轉(zhuǎn)子電抗0.16p.u.,慣性時間常數(shù)0.685s;風力渦輪機及傳動鏈,慣性時間常數(shù)4.32s,額定風速11m/s,額定轉(zhuǎn)速1.2p.u.,額定容量1.5MW,傳動鏈彈性系數(shù)80.27p.u.,傳動鏈阻尼系數(shù)1.5p.u.。由于MATLAB/Simulink與RTDS/RSCAD中各模塊的參數(shù)配置不盡相同,故Simulink中各參數(shù)需要根據(jù)RSCAD的值做相應(yīng)轉(zhuǎn)換而得到。DFIG的控制系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。在上述邊界條件下,將風速設(shè)為10m/s,穩(wěn)態(tài)時DFIG各狀態(tài)量如表2所示,表中除槳距角β外均為標幺值,P、Q、Tm、Te、ωg分別為風電機組輸出的有功功率、無功功率、機械轉(zhuǎn)矩、電磁轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。由表2中列出的誤差項可見,槳距角仿真系統(tǒng)在RTDS與MATLAB平臺上具有相同的初值,在此基礎(chǔ)上對比研究動態(tài)響應(yīng)是有效的。4計算與分析本節(jié)對圖9所示的OMIB系統(tǒng)分別在RTDS和MATLAB平臺上仿真,并進行比較。4.1rtds與matlab的輸出效率在穩(wěn)態(tài)運行的風電機組基礎(chǔ)上施加陣風擾動,風速從10m/s增加到15m/s,陣風持續(xù)1s,研究15s內(nèi)DFIG的動態(tài)響應(yīng)情況。陣風擾動波形見圖10。圖11是該工況下RTDS與MATLAB輸出的風電機組輸出的有功功率(標幺值)、定子電流(標幺值)、轉(zhuǎn)子電流(標幺值)、網(wǎng)側(cè)變流器電流(標幺值)、變流器直流側(cè)電壓、渦輪機及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(標幺值)和槳距角波形,左圖為RTDS輸出量,右圖為MATLAB輸出量。由圖11可見,該工況下RTDS與MATLAB輸出的各物理量動態(tài)響應(yīng)過程基本一致。但該工況下兩者的仿真耗時差別比較大,如表3所示。將仿真耗時tS與被仿真的物理系統(tǒng)的實際時間tR之比定義為“仿真-實際時間比”tS-R%,如式(8)所示。由表3可見,RTDS依靠其強大的并行計算能力,可實現(xiàn)實時計算的功能,即仿真N秒的系統(tǒng)運行特性僅需N秒的耗時,仿真時間與系統(tǒng)規(guī)模及建模方法無關(guān),其仿真-實際時間比始終為1.0。然而,MATLAB作為離線軟件,其仿真時間對系統(tǒng)規(guī)模及建模仿真方法比較敏感,因此其仿真-實際時間比在一個較大的范圍內(nèi)變化,如平均值模型仿真為獲得比較詳細時域仿真波形,與MATLAB相量模型及RTDS相比需要耗費更長的仿真時間。如果用變流器詳細模型代替圖8所示的平均值模型進行DFIG的仿真,那么MATLAB的仿真耗時將很長,而RTDS則可以通過合理分配GPC,使得其仿真-實際時間比保持為1.0。4.2動態(tài)響應(yīng)特性分析風速保持10m/s不變,變壓器高壓側(cè)某一輸電線路送端發(fā)生三相永久性對地短路故障,經(jīng)過0.1s后,該線路兩側(cè)開關(guān)跳開不重合。圖12是該工況下RTDS(左側(cè))與MATLAB(右側(cè))輸出的各狀態(tài)量的動態(tài)響應(yīng)過程,圖中(a)、(b)、(d)縱軸為標幺值。由圖12可見