基于malabrds的双馈感应风电机组的动态响应特性研究

基于malabrds的双馈感应风电机组的动态响应特性研究

0实时数字仿真器随着电动汽车应用频率的增加，电动汽车动态功能对电网的安全稳定运行的影响越来越明显。另一方面,伴随着风电装机容量的快速攀升,风机制造企业越来越多(仅中国就有80余家整机制造企业),其后果就是风电机组种类繁多。但是公开其风电机组模型及参数的仅有GE和VESTAS的部分机组类型,这给风电机组的建模以及并网仿真分析工作带来难度。因此,真实再现并通过仿真改善风电机组动态特性以满足系统安全稳定运行的需要,显得尤为迫切和必要。目前,大部分电力系统离线仿真软件(如BPA、PSASP、PSS/E、FASTEST等),都是基于GE或VESTAS公布的简化模型对风电机组模块进行集成。另外一部分仿真工具(如MATLAB/Simulink、DIgSILENTPowerFactory、PSCAD/EMTDC等)提供了丰富的模型库,用户可以方便地进行模型搭建,这相比于前述仿真软件是一大进步。但所有这些工具均存在两方面的缺陷:一是计算速度慢,不能满足实时计算的要求;二是不具备与实际装置交互的能力,而这种交互能力非常适合开展模型未知设备的仿真研究。实时数字仿真器RTDS(RealTimeDigitalSimulator)依托其强大的硬件和软件设计,克服了上述仿真工具的缺点,在继电保护装置闭环测试、控制系统闭环测试、大规模交直流电力系统动态行为仿真和分析等领域得到了广泛应用。由于RTDS/RSCAD中仅包含风力涡轮机的模块,而风电机组中最复杂的控制系统模型还未包含在其模型库中,这直接导致基于RTDS的风电相关研究极少。目前,国外少量应用RTDS研究风电机组建模的报道集中在韩国和美国。文献在RTDS上搭建了风力涡轮机模型,并通过模拟量端口输入实时气象数据,对实际风速下的风机切入、切出和风速扰动进行了仿真。在此基础上,文献对桨距角控制系统进行了建模,并提出了改善故障期间稳定性的桨距角控制策略。文献对含风电场的实际系统进行了仿真,但是其研究重点是HVDC等值电路的校验。文献基于RTDS搭建了进行风电系统闭环测试的研究平台。文献[10-12]基于RTDS对DFIG矢量定向的有功无功解耦控制进行了建模仿真。在国内,清华大学学者基于RTDS搭建算例模型,对风电功率波动对节点频率的影响进行了评估,但是其搭建的风电模型并未包含变速恒频机组的动态模型,而是将风电的波动等效为节点上负的负荷;华北电力大学和金风科技分别实现了基于RTDS的双馈风电机组与直驱永磁风电机组的数模混合仿真研究。上述各文献只对RTDS建模的正确性进行了定性的推理或是经验判断,或者直接应用在电力系统分析领域,并未将RTDS仿真结果与其他仿真分析软件结论进行比较验证。将RTDS与其他仿真软件进行比较,不仅可以相互校验以提供建模正确性的量化依据,更有助于区分各仿真平台的优缺点和适用场合。本文基于主流机型DFIG的平均值模型,在RTDS/RSCAD中进行相应建模;然后在含有DFIG的单机无穷大系统中进行了仿真,对MATLAB和RTDS的仿真方法、仿真过程、结果进行了分析比较;验证了在RTDS/RSCAD上搭建模型的正确性,并指出了RTDS仿真的优势,为进一步研究提供了基础。1控制方案设计DFIG由风力涡轮机、机械传动系统(即轴系)、双馈感应发电机、变流器及其控制系统、桨距角控制系统等构成,其基本结构如图1所示(1),图中,Ur、Ugc分别为控制模块输出的转子控制电压和电网侧变流器控制电压。其中,双馈感应电机在同步旋转坐标下的电压与磁链方程见文献,下文主要介绍传动系统及控制系统模型。1.1轴系数学模型风力涡轮机的低速轴相对于感应发电机的高速轴有很大的柔性,通过轴的弹性系数和阻尼系数来建模表示。本文采用风力涡轮机和感应发电机的两质块模型来表示风电机组的轴系,其数学模型如式(1)所示。其中,τtur、τgen分别为风力涡轮机和感应发电机的惯性时间常数(s),Ttur、Tele、Tsha分别为风力涡轮机输出机械转矩、感应发电机电磁转矩和传动轴输出机械转矩(p.u.),ωtur、ωgen分别为风力涡轮机和感应发电机的转速(p.u.),θsha为两质块之间的相对角位移(p.u.),Ksha为轴的弹性系数(p.u.),Dsha为轴的互阻尼系数(p.u.)。文中以风力涡轮机额定功率、双馈感应电机的同步速为基准值。1.2感应发电机转子转速超过参考转速变速风电机组中桨距角控制系统的作用有两方面:一方面,在风速超过额定风速时,控制桨距角相应增大,以限制风力涡轮机的机械功率输出,从而控制风力发电机组有功输出不超过其额定功率;另一方面,在感应发电机转子转速超过参考转速时,控制桨距角相应增大,以使得发电机转速跟踪参考转速。图2是桨距角控制系统原理图,图中β为桨距角。本文按照如下方法求取感应发电机转子参考转速(2):当风电机组输出的有功功率不小于0.75p.u.时,感应发电机转子参考转速设为1.2p.u.;当输出有功功率小于0.75p.u.时,感应发电机转子参考转速按式(2)求取,且参考转速不小于0.7p.u.。图3是感应发电机转子参考转速与风电机组输出有功功率之间的关系图。其中,ωref为感应发电机转子参考转速(p.u.),Pmea为测量到的风电机组输出有功功率(p.u.)。1.3转子侧无功解耦控制结果转子侧变流器控制系统通过控制转子侧电压dq轴分量,进而控制转子侧电流的dq轴分量,从而实现风电机组输出的有功功率及无功功率的解耦控制。对于PWM变流器,转子侧的参考控制电压的dq轴分量urd_ref与urq_ref满足式(3)。图4、图5分别是转子侧有功、无功解耦控制框图,图4中Tele_ref为电磁转矩参考值。可见,转子侧变流器由2级闭环PI控制组成,分别是功率控制外环和电流控制内环。功率控制闭环产生电流分量参考值ird_ref和irq_ref,电流控制闭环依据转子电流分量比较结果产生解耦的脉冲调制系数u′rd_crl和u′rq_crl,再将耦合量以补偿电压urd_com与urq_com的形式作为前馈量输入,得到最终的脉冲调制系数。其中,补偿电压可按式(4)求得。其中,urd_crl、urq_crl为变流器控制变量脉冲调制系数,uDC为变流器直流侧电压,isd、isq、ird、irq分别为定、转子电流的d、q轴分量,Lr、Lm分别为转子自感和定转子互感,Rr为转子电阻,ωs为同步速,s为转差率。1.4脉冲调制系数电网侧变流器控制系统有两方面作用:一是控制变流器直流侧电压维持在额定值;二是控制转子侧并网无功功率的大小和方向。电网侧变流器控制原理与转子侧变流器基本一致,也由解耦的2级闭环控制组成,如图6、图7所示。外环用于控制直流电压及变流器发出的无功功率,产生电网侧变流器的参考控制电流igcd_ref和igcq_ref。一般控制电网侧变流器与主网的无功功率交换为零,故图7中省略了外环的无功控制,而直接设置igcq_ref=0。同式(3)、式(4)类似,脉冲调制系数ugcd_crl与ugcq_crl、参考控制电压的dq轴分量ugcd_ref与ugcq_ref、补偿电压ugcd_com与ugcq_com可分别按图6、图7、式(5)、式(6)求得。其中,Rci、Lci分别为转子侧耦合电感器的电阻值和电感值,usd、usq为定子电压的d、q轴分量。1.5受力电压分析电压源型AC/DC/AC变流器可以用受控源的形式近似描述,称为变流器的平均值模型,如图8所示。其中受控电压源uab_rc、ubc_rc与uab_gc、ubc_gc分别为转子侧和电网侧变流器输出的线电压。受控电压源的控制量是变流器控制系统输出的参考控制电压。直流侧以受控电流源形式表示。根据功率守恒原则,受控电流源的电流值可按式(7)进行控制。2比较模拟方法2.1高频电力电子装置模型由于计算资源有限,为了均衡精度与速度的矛盾,MATLAB提供了3种不同仿真精度的仿真方法(1)。依据其描述的频率范围由大到小顺序依次是:详细模型(detailedmodel)、平均值模型(averagemodel)和相量模型(phasormodel)。详细模型可对具有高频开关特性的电力电子装置进行详细建模,该模型要求仿真步长足够小(一般为5μs),它适用于谐波及控制系统动态特性研究,其仿真时间宜控制在几百微秒至1s。平均值模型在每一开关周期内以平均值形式表示,该模型的仿真步长一般为50μs,其仿真时间宜控制在几秒。虽然它不再适合研究谐波问题,但是该模型保留了控制系统与电力系统交互的动态特性。相量模型将时域内的电压、电流简化成额定频率(50Hz或60Hz)下的复数,适合于进行十几秒至几分钟的暂态稳定和动态稳定仿真。2.2rtds的硬件仿真RTDS/RSCAD提供的模型库可以划分为电力系统元件库PSC(PowerSystemComponents)、控制系统元件库CSC(ControlSystemComponents)、电压源换流器小步长模型(VSCsmalltime-stepmodeling)(2)。其中,含PSC和CSC的主电路一般以50μs的步长仿真,而含VSC的电路以小步长(1.4~2.5μs)仿真。RTDS硬件基于数字信号处理器(DSP)并应用了先进的并行处理技术,可以维持连续的实时处理。因此,RTDS在对模型进行详尽建模的同时,仍能保持实时输出的计算速度。另外,RTDS具备连接外部硬件系统进行闭环测试(hardware-in-loop)的能力。2.3模型的简化处理及计算方法可见,基于MATLAB仿真时,需要根据仿真要求,先对模型进行简化处理,然后进行计算,以提高速度;而基于RTDS的仿真,是先对模型进行计算,再根据需要对仿真结果进行输出处理和分析,其计算速度对模型的详尽程度不敏感。3测试系统的结构3.1均值模型的建立在RTDS/RSCAD中搭建DFIG平均值模型时,必须从小步长模型库中进行模型选择,并在电压源型变流器桥式箱(VSCBridgeBox)中进行建模。3.2控制系统参数本文的仿真比较基于图9所示的单机无穷大母线(OMIB)系统。该系统由1.5MW的DFIG、并联电容器、0.4kV/35kV升压变压器、分布式参数输电线路、理想电压源组成。其中,并联电容器按照风电机组额定功率时功率因数为1.0配置为每相0.024F,其他各元件在RSCAD中的参数如下:35kV输电线路,串联电阻正序0.01273Ω/km、零序0.3864Ω/km,串联感抗正序0.29318Ω/km、零序1.29569Ω/km,并联容抗正序0.24998×106Ω·km、零序0.41088×106Ω·km;0.231kV/20.21kV单相变压器,额定容量0.5556MV·A,正序电抗0.05p.u.,正序电阻0.001p.u.;DFIG,定子额定电压0.4kV,额定容量1.667MV·A,定子电阻0.023p.u.,定子电抗0.18p.u.,励磁电抗2.9p.u.,转子电阻0.016p.u.,转子电抗0.16p.u.,惯性时间常数0.685s;风力涡轮机及传动链,惯性时间常数4.32s,额定风速11m/s,额定转速1.2p.u.,额定容量1.5MW,传动链弹性系数80.27p.u.,传动链阻尼系数1.5p.u.。由于MATLAB/Simulink与RTDS/RSCAD中各模块的参数配置不尽相同,故Simulink中各参数需要根据RSCAD的值做相应转换而得到。DFIG的控制系统参数如表1所示。在上述边界条件下,将风速设为10m/s,稳态时DFIG各状态量如表2所示,表中除桨距角β外均为标幺值,P、Q、Tm、Te、ωg分别为风电机组输出的有功功率、无功功率、机械转矩、电磁转矩、发电机转子转速。由表2中列出的误差项可见,桨距角仿真系统在RTDS与MATLAB平台上具有相同的初值,在此基础上对比研究动态响应是有效的。4计算与分析本节对图9所示的OMIB系统分别在RTDS和MATLAB平台上仿真,并进行比较。4.1rtds与matlab的输出效率在稳态运行的风电机组基础上施加阵风扰动,风速从10m/s增加到15m/s,阵风持续1s,研究15s内DFIG的动态响应情况。阵风扰动波形见图10。图11是该工况下RTDS与MATLAB输出的风电机组输出的有功功率(标幺值)、定子电流(标幺值)、转子电流(标幺值)、网侧变流器电流(标幺值)、变流器直流侧电压、涡轮机及转子转速(标幺值)和桨距角波形,左图为RTDS输出量,右图为MATLAB输出量。由图11可见,该工况下RTDS与MATLAB输出的各物理量动态响应过程基本一致。但该工况下两者的仿真耗时差别比较大,如表3所示。将仿真耗时tS与被仿真的物理系统的实际时间tR之比定义为“仿真-实际时间比”tS-R%,如式(8)所示。由表3可见,RTDS依靠其强大的并行计算能力,可实现实时计算的功能,即仿真N秒的系统运行特性仅需N秒的耗时,仿真时间与系统规模及建模方法无关,其仿真-实际时间比始终为1.0。然而,MATLAB作为离线软件,其仿真时间对系统规模及建模仿真方法比较敏感,因此其仿真-实际时间比在一个较大的范围内变化,如平均值模型仿真为获得比较详细时域仿真波形,与MATLAB相量模型及RTDS相比需要耗费更长的仿真时间。如果用变流器详细模型代替图8所示的平均值模型进行DFIG的仿真,那么MATLAB的仿真耗时将很长,而RTDS则可以通过合理分配GPC,使得其仿真-实际时间比保持为1.0。4.2动态响应特性分析风速保持10m/s不变,变压器高压侧某一输电线路送端发生三相永久性对地短路故障,经过0.1s后,该线路两侧开关跳开不重合。图12是该工况下RTDS(左侧)与MATLAB(右侧)输出的各状态量的动态响应过程,图中(a)、(b)、(d)纵轴为标幺值。由图12可见