一种双馈风电机组的暂态同步动态特征建模方法与流程

1.本发明属于风力发电控制技术领域，具体涉及一种双馈风电机组的暂态同步动态特征建模方法。


背景技术：

2.随着风电、光伏数量和功率等级的增加，为了防止新能源大规模脱网事故和保障电网安全可靠性，相关国家标准要求风电、光伏变换器具备更长的电网故障耐受时间以维持输出功率的连续性，在故障穿越期间不能随意闭锁变流器。然而依赖电力电子装置的新能源并网系统过载能力远小于传统同步机，并且相比于同步机的转子运动方程，新能源装备的暂态特性会受到并网同步控制参数和切换保护策略的影响；因此，新能源装置在电网故障后能否保持暂态稳定成为了国内外学者关注的重点。
3.近年来出现了一些在受到电压跌落等大扰动影响后，新能源装备与电网失去同步导致的暂态故障；例如2016年和2017年，美国南加州900mw光伏电站出现脱网事故，北美电力可靠性委员会nerc(north american electric reliability council)在2018年的一份报告中指出，本次事故与故障期间锁相环无法保持同步相关。欧洲电网在2021年发生了“1.8”解列事故，相关报告指出本次事故是由功角失稳导致的，新能源渗透率的持续增大会降低电力系统的大扰动稳定性，从而带来连锁故障和非计划脱网。
4.在实际工程中，双馈风电并网系统的暂态失步问题还没有被充分报道，主要有以下两点原因：
①
曾经的双馈风机故障穿越能力弱，在电网电压深度跌落时为了限制转子过电流会触发撬棒电路和闭锁变流器，此时并网同步环节获取的电网相位、频率信息不会直接作用于双馈风机的控制系统；
②
电力电子装置控制时间尺度快，即使发生了暂态失步故障，也会在很短时间内发散，继而触发过压或过流保护等非线性控制，难以辨识判断。
5.通过检索调研，发现相关现有技术中公开号为cn116070403a的中国专利申请提出了一种适用于暂态同步稳定分析的多变流器系统等值建模方法，通过将多变流器系统等效为星型结构，提取每个变流器端电压q轴分量暂态响应曲线的关键特征量，确定所述多变流器系统的同调判据，最终将每个同调变流器群分别简化为单机等值聚合模型。公开号为cn115954927a的中国专利申请提出了一种锁相同步并网换流器暂态同步稳定系数的确定方法，通过获取并网换流器故障时对应的等效电路，根据所述等效电路确定并网变流器输出电流经过线路阻抗产生的压降幅值及电网电压通过故障时的等效电路产生的电压幅值，最终确定并网换流器故障时对应的锁相同步并网换流器暂态同步稳定系数。
6.综上可见，现有技术主要集中于传统逆变器的暂态同步稳定性，而很少聚焦双馈风电机组的暂态同步稳定性分析与建模。双馈风电机组在暂态故障期间呈现出更为复杂的非线性特征，由于变换器的多时间尺度耦合和控制方式切换，难以建立一个完整的模型来分析故障期间双馈风电机组的暂态特性，国内外至今还没有形成完整的体系。


技术实现要素：

7.鉴于上述，本发明提供了一种双馈风电机组的暂态同步动态特征建模方法，其在暂态同步时间尺度下将双馈风电等效为跟网型变流器以简化分析，完善了暂态同步时间尺度下双馈风电失稳边界的分析方法，为提升双馈风电大扰动下的暂态同步稳定性提供参考。
8.一种双馈风电机组的暂态同步动态特征建模方法，包括如下步骤：
9.(1)在暂态同步时间尺度下将双馈风电机组等效为基于跟网型变流器的简化模型；
10.(2)基于简化模型采用相角动态表达式定性描述双馈风电机组的暂态同步特征；
11.(3)基于暂态同步特征采用暂态微分方程准确表征跟网型变流器相角和锁相环输出频率的动态响应波形。
12.进一步地，所述步骤(1)中的简化模型即将双馈风电机组中的转子侧变流器等效为跟网型变流器，双馈异步风力发电机等效为滤波电感，电流控制器等效为单位增益。
13.进一步地，所述跟网型变流器忽略了电流控制器的内部结构，即认为电流控制器的输入电流i
dq
在暂态同步时间尺度下始终能够跟随上参考值，i
dq
为dq坐标系下公共耦合点处的电流矢量。
14.进一步地，所述简化模型的模型参数包括电网参数和变流器参数两部分，电网参数包括公共耦合点处的三相电压u
pcc
和三相电流i
pcc
、远端交流电网的三相电压u
gcp
以及电网阻抗zg，变流器参数包括直流母线电压v
dc
、滤波电感lf、锁相环的比例增益k
pp
和积分增益k
ip
以及锁相环的输出角度θ
pll
和输出角频率ω
pll
。
15.进一步地，所述步骤(2)中的相角动态表达式如下：
16.δ＝∫[k
pp
(-u
gcp
sinδ+rgiq+ω
pll
lgid+lgiq′
)+k
ip
∫(-u
gcp
sinδ+rgiq+ω
pll
lgid+lgiq′
)]其中：u
gcp
为远端交流电网的电压幅值，k
pp
和k
ip
分别为锁相环中pi环节的比例系数和积分系数，δ为锁相环输出角度θ
pll
与远端交流电网电压相角θ
gcp
的相角差即δ＝θ
pll-θ
gcp
，rg为电网电阻，lg为电网电感，id和iq分别为公共耦合点处的d轴电流分量和q轴电流分量，iq'为q轴电流分量iq的微分结果，ω
pll
为锁相环的输出角频率。
[0017]
进一步地，所述步骤(2)中双馈风电机组的暂态同步特征即为锁相环输出角度θ
pll
与远端交流电网电压相角θ
gcp
的相角差δ，稳态时锁相环输出角度θ
pll
与公共耦合点电压相角θ
pcc
相等，但在发生电网电压跌落故障时，远端交流电网电压瞬间下降，电网阻抗上的压降会导致θ
pll
≠θ
pcc
，当这两个角度之间的相角差超过180
°
则会出现失步现象；因此，根据相角动态表达式进行迭代求解，若相角差δ收敛为一个常数，则表示此时双馈风电机组已经实现暂态同步稳定；若相角差δ无法收敛，则表示双馈风电机组发生失步故障。
[0018]
进一步地，所述步骤(3)中的暂态微分方程如下：
[0019][0020]
其中：x1和x2是暂态微分方程的两个状态变量分别对应为跟网型变流器相角和锁
相环输出角频率，上标'表示微分算符，δ为锁相环输出角度与远端交流电网电压相角的相角差，u
fault
为故障下远端交流电网的电压幅值，k
pp
和k
ip
分别为锁相环中pi环节的比例系数和积分系数，lg为电网电感，ωg为电网角频率，为公共耦合点处的d轴电流参考值。
[0021]
进一步地，所述相角差δ及其微分结果δ'的初值表达式如下：
[0022][0023]
其中：δ0和δ0'分别对应为δ和δ'的初值，i
max
为故障前转子侧变流器输出的最大电流幅值，u
nom
为故障前远端交流电网的电压幅值。
[0024]
本发明在暂态同步时间尺度下将双馈风机机组等效为跟网型变流器以简化分析，根据简化前后的模型验证暂态磁链影响，从而验证了简化模型的合理性，进一步基于相角动态表达式定性描述了暂态同步特征，并基于暂态微分方程准确表征动态响应波形，完善了暂态同步时间尺度下双馈风电失稳边界的分析方法，为提升双馈风电大扰动下的暂态同步稳定性提供参考。
附图说明
[0025]
图1为双馈风电机组接入弱电网的示意图。
[0026]
图2为双馈风电机组在暂态同步时间尺度下的简化模型示意图。
[0027]
图3(a)为低阻抗比电网电压跌落故障下双馈风电系统相角和频率的动态波形示意图。
[0028]
图3(b)为低阻抗比电网电压跌落故障下跟网型变流器相角和频率的动态波形示意图。
[0029]
图4(a)为高阻抗比电网电压跌落故障下双馈风电系统相角和频率的动态波形示意图。
[0030]
图4(b)为高阻抗比电网电压跌落故障下跟网型变流器相角和频率的动态波形示意图。
[0031]
图5为电压跌落至414v情况下跟网型变流器相角和频率的动态波形示意图。
[0032]
图6为电压跌落至345v情况下跟网型变流器相角和频率的动态波形示意图。
具体实施方式
[0033]
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0034]
本发明双馈风电暂态同步动态特征建模方法包括如下步骤：
[0035]
(1)在暂态同步时间尺度下将双馈风电等效为跟网型变流器简化模型。
[0036]
为了建立一个完整的数学模型来描述双馈风机的暂态特性，首先认为双馈风电的卸荷电路可以在故障期间维持双馈风机直流母线电压恒定，因此在暂态同步时间尺度下忽略网侧变流器的影响；忽略网侧变流器后的双馈风电机组接入电网如图1所示。
[0037]
双馈风机受到电压跌落等大扰动影响后，会在定子侧产生暂态磁链，如下式所示：
[0038][0039]
其中：us和is表示定子电压和定子电流，rs为定子电阻，ψs为定子磁链，ωg＝100πrad/s是电网基波角频率，下标d、q表示两相旋转坐标系分量，上标'代表对时间t求导。
[0040]
暂态过程中的q轴定子暂态磁链ψ'
sq
会影响锁相环的输入电压，从而影响锁相环的输出角度，对暂态过程中的相角和锁相环输出频率波形产生影响，但暂态磁链的响应速度较快，可以在暂态同步时间尺度下将双馈风机简化为一个跟网型变流器，只保留定、转子电流之间的折算关系。
[0041]
图2给出了跟网型变流器接入弱电网的简化模型及控制框图，其中u
pcc
和i
pcc
表示公共耦合点处的三相电压和电流，u
gcp
表示远端交流电网的三相电压。直流母线电压v
dc
假设为恒定值，zg＝rg+jωglg代表电网阻抗，其中rg是电网电阻，lg是电网电感。lf代表滤波电感，k
pp
和k
ip
为锁相环比例和积分增益，θ
pll
和ω
pll
为锁相环输出角度和输出角频率。稳态时，θ
pll
与公共耦合点电压相角θ
pcc
相等，但在发生电网电压跌落等故障时，例如u
gcp
瞬间下降，电网阻抗上的压降会导致θ
pll
≠θ
pcc
，当两个角度之间的相角差超过180
°
则会出现失步现象，可以用锁相环输出与远端交流电网电压之间相差的相角δ＝θ
pll-θ
gcp
来衡量这个暂态同步过程；由于失步故障的动态特性处于低频范围，而电流控制器的带宽通常很高，因此失步故障主要与锁相环动态有关。图2省略了电流控制器的内部结构，其认为控制器电流i
dq
在暂态同步时间尺度下始终能够跟随上参考值
[0042]
(2)基于简化前后的模型验证暂态磁链影响。
[0043]
为了分析暂态磁链对同步稳定性的影响，我们分别在matlab/simulink里建立了双馈风电和简化后的跟网型变流器emt仿真模型，以对比远端交流电网电压幅值u
gcp
从690v跌落至345v的暂态同步波形，两者都采用了45hz的锁相环带宽，并运行于满发额定有功功率的工况下。
[0044]
由图3(a)可以发现，在低阻抗比电网(rg》lg)下发生电压跌落故障时，双馈风电系统同步环节的暂态波形存在50hz的暂态磁链扰动，但相比于图3(b)跟网型变流器的暂态波形，两者相角和频率的变化趋势是类似的。例如双馈风电机组相角δ在0.023s为0.48rad、输出频率f
pll
在故障瞬间为54.4hz；跟网型变流器相角δ在0.023s为0.47rad、输出频率f
pll
在故障瞬间为54.1hz。根据图4(a)和图4(b)可以发现，高阻抗比电网(lg》rg)下两者的暂态波形也类似，且均发生失步故障，例如输出频率f
pll
在故障瞬间分别为63.1hz和63.4hz，随后f
pll
先减小再增大，最终发散。
[0045]
综上所述，确实可以在暂态同步稳定性分析的时间尺度下将双馈风电系统简化为一个跟网型变流器。
[0046]
(3)基于相角动态表达式定性描述暂态同步特征。
[0047]
两相旋转坐标系下的远端交流电网电压u
gcp
如下式所示：
[0048]
[0049][0050]
两相旋转坐标系下的电网阻抗压降如下式所示：
[0051][0052]
结合上式，可以得到两相旋转坐标系下的并网点电压如下：
[0053][0054]
锁相环的输出角度如下式所示：
[0055]
θ
pll
＝∫[(k
pp
+k
ip
∫)u
pccq
+ωg]
[0056]
在双馈风电受到大扰动时，暂态过程中θ
pll
与θ
pcc
并不相等；如果θ
pll
始终不能跟上θ
pcc
，则双馈风电无法与电网完成同步并导致失步故障，可以用相角δ＝θ
pll-θ
gcp
来衡量这个暂态同步过程，其中θ
gcp
＝∫ωgdt，可得下式：
[0057]
δ＝∫[(k
pp
+k
ip
∫)(-u
gcp
sinδ+rgiq+ω
pll
lgid+lgiq′
)]
[0058]
如果δ最终能收敛为一个常数，表示此时已经实现暂态同步稳定；如果δ无法收敛，表示系统发生失步故障。
[0059]
(4)基于暂态微分方程准确表征动态响应波形。
[0060]
在电网短路比相对较高的情况下，电网电感lg并不大，电流暂态时间短并且很快会达到稳态，此时在暂态同步稳定性分析的时间尺度下可以忽略lgiq'，因此可得下式：
[0061]
δ
′
＝(k
pp
+k
ip
∫)[-u
gcp
sinδ+(ωg+δ
′
)lgid]
[0062]
其中：ω
pll
在暂态过程需要用ωg+δ'代替，再进行一次微分可得：
[0063]
δ
″
＝k
pp
(-u
gcp
cosδδ
′
+δ
″
lgid)+k
ip
[-u
gcp
sinδ+(ωg+δ
′
)lgid]
[0064]
因此可以获得电压跌落故障时u
gcp
从u
nom
＝1p.u.下降至u
fault
的二阶微分方程，如下式所示：
[0065][0066]
微分方程的初值计算如下式所示：
[0067][0068]
我们在matlab/simulink中建立了电网电感lg＝0.51mh(0.5p.u.)的跟网型变流器emt仿真模型，不同电压跌落深度下的相角动态和锁相环输出频率动态如图5和图6所示；
图5和图6同样给出了二阶暂态同步模型解析波形，其中锁相环输出频率f
pll
＝(δ'/2π+50)hz，可以发现二阶暂态同步模型与emt仿真模型相匹配，并且准确的预测出了在电压从690v跌落至414v后系统会最终处于稳定，预测出了电压从690v跌落至345v时会出现失步现象。
[0069]
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双馈风电机组的暂态同步动态特征建模方法，包括如下步骤：(1)在暂态同步时间尺度下将双馈风电机组等效为基于跟网型变流器的简化模型；(2)基于简化模型采用相角动态表达式定性描述双馈风电机组的暂态同步特征；(3)基于暂态同步特征采用暂态微分方程准确表征跟网型变流器相角和锁相环输出频率的动态响应波形。2.根据权利要求1所述的暂态同步动态特征建模方法，其特征在于：所述步骤(1)中的简化模型即将双馈风电机组中的转子侧变流器等效为跟网型变流器，双馈异步风力发电机等效为滤波电感，电流控制器等效为单位增益。3.根据权利要求2所述的暂态同步动态特征建模方法，其特征在于：所述跟网型变流器忽略了电流控制器的内部结构，即认为电流控制器的输入电流i
dq
在暂态同步时间尺度下始终能够跟随上参考值，i
dq
为dq坐标系下公共耦合点处的电流矢量。4.根据权利要求1所述的暂态同步动态特征建模方法，其特征在于：所述简化模型的模型参数包括电网参数和变流器参数两部分，电网参数包括公共耦合点处的三相电压u
pcc
和三相电流i
pcc
、远端交流电网的三相电压u
gcp
以及电网阻抗z
g
，变流器参数包括直流母线电压v
dc
、滤波电感l
f
、锁相环的比例增益k
pp
和积分增益k
ip
以及锁相环的输出角度θ
pll
和输出角频率ω
pll
。5.根据权利要求1所述的暂态同步动态特征建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中的相角动态表达式如下：δ＝∫[k
pp
(-u
gcp
sinδ+r
g
i
q
+ω
pll
l
g
i
d
+l
g
i
q
′
)+k
ip
∫(-u
gcp
sinδ+r
g
i
q
+ω
pll
l
g
i
d
+l
g
i
q
′
)]其中：u
gcp
为远端交流电网的电压幅值，k
pp
和k
ip
分别为锁相环中pi环节的比例系数和积分系数，δ为锁相环输出角度θ
pll
与远端交流电网电压相角θ
gcp
的相角差即δ＝θ
pll-θ
gcp
，r
g
为电网电阻，l
g
为电网电感，i
d
和i
q
分别为公共耦合点处的d轴电流分量和q轴电流分量，i
q
'为q轴电流分量i
q
的微分结果，ω
pll
为锁相环的输出角频率。6.根据权利要求5所述的暂态同步动态特征建模方法，其特征在于：所述步骤(2)中双馈风电机组的暂态同步特征即为锁相环输出角度θ
pll
与远端交流电网电压相角θ
gcp
的相角差δ，稳态时锁相环输出角度θ
pll
与公共耦合点电压相角θ
pcc
相等，但在发生电网电压跌落故障时，远端交流电网电压瞬间下降，电网阻抗上的压降会导致θ
pll
≠θ
pcc
，当这两个角度之间的相角差超过180
°
则会出现失步现象；因此，根据相角动态表达式进行迭代求解，若相角差δ收敛为一个常数，则表示此时双馈风电机组已经实现暂态同步稳定；若相角差δ无法收敛，则表示双馈风电机组发生失步故障。7.根据权利要求1所述的暂态同步动态特征建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中的暂态微分方程如下：其中：x1和x2是暂态微分方程的两个状态变量分别对应为跟网型变流器相角和锁相环输出角频率，上标'表示微分算符，δ为锁相环输出角度与远端交流电网电压相角的相角差，
u
fault
为故障下远端交流电网的电压幅值，k
pp
和k
ip
分别为锁相环中pi环节的比例系数和积分系数，l
g
为电网电感，ω
g
为电网角频率，为公共耦合点处的d轴电流参考值。8.根据权利要求7所述的暂态同步动态特征建模方法，其特征在于：所述相角差δ及其微分结果δ'的初值表达式如下：其中：δ0和δ0'分别对应为δ和δ'的初值，i
max
为故障前转子侧变流器输出的最大电流幅值，u
nom
为故障前远端交流电网的电压幅值。

技术总结
本发明公开了一种双馈风电机组的暂态同步动态特征建模方法，该方法在暂态同步时间尺度下将双馈风机机组等效为跟网型变流器以简化分析，根据简化前后的模型验证暂态磁链影响，从而验证了简化模型的合理性，进一步基于相角动态表达式定性描述了暂态同步特征，并基于暂态微分方程准确表征动态响应波形，完善了暂态同步时间尺度下双馈风电失稳边界的分析方法，为提升双馈风电大扰动下的暂态同步稳定性提供参考。性提供参考。性提供参考。


技术研发人员：胡彬 许国东 占领 年珩 杨靖 张书涵
受保护的技术使用者：浙江运达风电股份有限公司
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/12