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直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v2

案例介绍

在直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v1的基础上进行修改和完善,将简单电压穿越控制替换为标准电压穿越状态判断模块、电压穿越控制模块,形成了直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v2典型案例。

使用方法说明

适用场景

支持多短路比下的单机并网测试,适用于以下分析场景:

  • 风速变化响应测试
  • 高低电压穿越测试
  • 风机控制策略验证
  • 不同电网强度下的风机运行特性分析

适用范围

  • 可稳定运行的风速范围:8-25m/s
  • 建议步长范围:1-10μs
  • 高低压穿越成功的短路比≥1.5

功能概述

  • 电压穿越控制详细参数、变流器PI控制参数、初始风速等参数均开放可调
  • 支持网侧、机侧变流器控制中dq轴电流优先模式的切换
  • 支持并网方式的切换
  • 高低电压穿越判断、脱网保护控制可切换启用/禁用状态

算例介绍

直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v2由电气主拓扑、风轮机及桨距角控制、机侧变流器控制、网侧变流器控制、电压穿越状态判断、电压穿越控制以及电压穿越故障阻抗等模块组成。

电气主拓扑由永磁同步发电机、交流滤波器、Chopper斩波电路、IGBT开关详细建模的变流器、升压变压器及单元测试组成。
与直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v1相比有以下不同:

  • 将并网方式中的经线路阻抗后与理想电压源相连,替换为与戴维南等值电压源相连,等值阻抗由短路比、阻抗比计算得到
  • 在升压变压器处设置由Dblk解锁信号与电压保护切机信号控制的断路器,实现电压保护脱网控制
  • 将高低压穿越故障模块替换为封装的电压穿越故障阻抗模块,适用于与戴维南等值电压源相连,不限制短路比的大小;目前暂不支持高电压穿越的工况
电气主拓扑
电气主拓扑

风轮机及桨距角控制由风力机模块、桨距角控制模块、转矩控制模块等机械部分组成,这些模块的功能为捕获风功率、调节桨距角、实现最大功率追踪。

风轮机及桨距角控制
风轮机及桨距角控制

机侧变流器控制由锁相环、Park变换、机侧dq轴内外环控制、机侧dq轴电流限幅值计算、机侧电压控制信号逆Park变换与输出机侧变流器PWM控制信号等部分组成,实现对机侧交流电压、并网点处输出有功功率的控制。
与直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v1相比有以下不同:

  • 设置dq轴外环PI控制在电压穿越期间冻结,避免故障切除后输出功率出现较大超调。
机侧变流器控制
机侧变流器控制

网侧变流器控制与机侧变流器控制的组成类似,用来实现对直流电压、并网点处输出无功功率的控制。
与直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v1相比有以下不同:

  • 设置dq轴外环PI控制在电压穿越期间冻结
  • 加入电压穿越状态判断模块、电压穿越控制模块
  • 电压穿越期间,将参与dq轴内环PI控制的变流器控制电流指令值替换为电压穿越控制电流指令值
网侧变流器控制
网侧变流器控制

算例仿真测试

高低压穿越测试

按照《GB/T 36995-2018, 风力发电机组 故障电压穿越能力测试规程》国标要求进行高低压穿越测试,测试结果如下列各表所示(✓代表穿越成功,×代表穿越失败)。

SCR=2SCR=1.5SCR=1
穿越情况×

由上表测试结果可以看到,直驱风机标准模型可在短路比≥1.5时,在高低压穿越测试中穿越成功。
以下为SCR=2时,直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v2在三相20%Un跌落、三相130%Un抬升工况下的仿真结果。其中,蓝色曲线Vrms_HV为并网点电压、黄色曲线P_HV为并网点处有功功率、红色曲线Q_HV为并网点处无功功率。

电压穿越相关参数设置如下:

符号参数名参数值
VLin_LV进入低穿状态电压值0.90 p.u.
VLout_LV退出低穿状态电压值0.93 p.u.
TdlyVLin_LV进入低穿延时0 s
TdlyVLout_LV退出低穿延时0 s
LVRT_IN_PFLAG低穿期间有功功率控制标志位指定电流
K1_Ip_LV有功电流系数 10
K2_Ip_LV有功电流系数 20.5
Ipset_LV有功电流设定值0 p.u.
LVRT_IN_QFLAG低穿期间无功功率控制标志位指定电流
K1_Iq_LV无功电流系数 11.5
K2_Iq_LV无功电流系数 21
Iqset_LV无功电流设定值0 p.u.
Ip_LVREC0_FLAG有功电流穿越恢复起始点标志位按穿越期间有功电流
TLVRT_RECOVER0_LV电流维持时间0 s
Iq_LVREC0_FLAG无功电流穿越恢复起始点标志位无附加控制
VHin_HV进入高穿状态电压值1.10 p.u.
VHout_HV退出高穿状态电压值1.08 p.u.
TdlyVHin_HV进入高穿延时0 s
TdlyVHout_HV退出高穿延时0 s
HVRT_IN_PFLAG高穿期间有功功率控制标志位指定功率
KP_HV高电压穿越期间有功系数1
Pset_HV高电压穿越期间有功设定值0 p.u.
HVRT_IN_QFLAG高穿期间无功功率控制标志位指定电流
K1_Iq_HV无功电流系数 11.5
K2_Iq_HV无功电流系数 21
Iqset_HV无功电流设定值0 p.u.
Ip_HVREC0_FLAG有功电流穿越恢复起始点标志位按穿越期间有功电流
THVRT_RECOVER0_HV电流维持时间0 s
Iq_HVREC0_FLAG无功电流穿越恢复起始点标志位无附加控制
VRT_RECOVER_PFLAG电压穿越恢复有功电流指令计算方式定斜率
dIp_RECOVER_max_VRT定斜率3 p.u./s
VRT_RECOVER_QFLAG电压穿越恢复无功电流指令计算方式无附加控制

以下为SCR=2时,直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v2在三相20%Un跌落、三相130%Un抬升工况下的仿真结果。其中,蓝色曲线Vrms_HV为并网点电压、黄色曲线P_HV为并网点处有功功率、红色曲线Q_HV为并网点处无功功率。

三相20%Un跌落仿真结果
三相20%Un跌落仿真结果
三相130%Un抬升仿真结果
三相130%Un抬升仿真结果

由仿真结果可以看到,电压穿越状态判断模块与电压穿越控制模块正常工作,直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v2穿越成功。

模型地址

点击打开模型地址:直驱风机01型-快速详细模型-标准模型-v2

附录

参数

永磁同步电机参数组

永磁同步电机PMSG相关参数

参数名键名类型 [单位]描述
额定容量Sbase_PM实数 [MVA]单台风机额定容量
额定线电压有效值Vbase_PM实数 [kV]风机额定线电压有效值
额定频率Freq_PM实数 [Hz]PMSG额定电气频率
定子绕组电阻Rs_PM实数 [p.u.]定子绕组电阻
定子绕组漏电抗Xlr_PM实数 [p.u.]定子绕组漏电抗
定子d轴电抗Xld_PM实数 [p.u.]定子d轴电抗
定子q轴电抗Xlq_PM实数 [p.u.]定子q轴电抗
d轴阻尼绕组电阻Rldd_PM实数 [p.u.]d轴阻尼绕组电阻
d轴阻尼绕组漏电抗Xldd_PM实数 [p.u.]d轴阻尼绕组漏电抗
q轴阻尼绕组电阻Rlqd_PM实数 [p.u.]q轴阻尼绕组电阻
q轴阻尼绕组漏电抗Xlqd_PM实数 [p.u.]q轴阻尼绕组漏电抗
磁场强度Ms_PM实数 [p.u.]磁场强度
转子惯性时间常数Tj_PM实数 [s]转子惯性时间常数
机械阻尼时间常数Dm_PM实数 [p.u.]机械阻尼时间常数

风力机参数组

风力机WindTurbine相关参数

参数名键名类型 [单位]描述
基准有功功率Pbase_WT实数 [MW]基准有功功率
风轮机叶片半径Radturb_WT实数 [m]风轮机叶片半径
风轮机额定转速下的涡轮转速Vrotnom_WT实数 [rpm]风轮机额定转速下的涡轮转速
最大桨距角Pitchmax_WT实数 [deg]最大桨距角
最小桨距角Pitchmin_WT实数 [deg]最小桨距角
参考机械速度Wref_WT实数 [p.u.]参考机械速度
切入风速VwCutIn_WT实数 [m/s]切入风速
切出风速VwCutOut_WT实数 [m/s]切出风速
Pitch比例增益系数KpPitch_WT实数 [p.u.]Pitch比例增益系数
Pitch积分时间常数TiPitch_WT实数 [s]Pitch积分时间常数
风速Vwind_WT实数 [m/s]风速
空气密度Rho_WT实数 [kg/m3]空气密度

变流器及其控制参数组

变流器及其控制Converter_and_converter_controller相关参数

参数名键名类型 [单位]描述
直流电压基准值Vdcbase_DC实数 [kV]直流电压基准值
直流母线电容Cap_DC实数 [F]直流母线电容
网侧额定频率Freq_GSC实数 [Hz]网侧额定频率
并网点电压滤波器时间常数Tv_GSC实数 [s]并网点电压滤波器时间常数(0~1可调)
机侧滤波电感L_MSC实数 [H]机侧滤波电感
网侧滤波电感L_GSC实数 [H]网侧滤波电感
机侧PWM控制载波倍频Cfreq_MSC实数机侧PWM控制载波倍频
网侧PWM控制载波倍频Cfreq_GSC实数网侧PWM控制载波倍频
机侧滤波器截止频率FreqCutOff_MSC实数 [Hz]机侧滤波器截止频率
网侧滤波器截止频率FreqCutOff_GSC实数 [Hz]网侧滤波器截止频率
机侧最大电流标幺值Imaxpu_MSC实数 [p.u.]机侧最大电流标幺值
网侧最大电流标幺值Imaxpu_GSC实数 [p.u.]网侧最大电流标幺值
机侧d轴或q轴优先级IlimPriority_MSC选择机侧d轴或q轴优先级(0:Iq,1:Id)
网侧d轴或q轴优先级IlimPriority_GSC选择网侧d轴或q轴优先级(0:Iq,1:Id)
机侧锁相环比例增益系数KpPll_MSC实数 [p.u.]机侧锁相环比例增益系数
机侧锁相环积分增益系数KiPll_MSC实数 [p.u.]机侧锁相环积分增益系数
机侧Id控制PI比例增益系数KpId_MSC实数 [p.u.]机侧Id控制PI比例增益系数
机侧Id控制PI积分时间常数TiId_MSC实数 [s]机侧Id控制PI积分时间常数
机侧Iq控制PI比例增益系数KpIq_MSC实数 [p.u.]机侧Iq控制PI比例增益系数
机侧Iq控制PI积分时间常数TiIq_MSC实数 [s]机侧Iq控制PI积分时间常数
机侧Vd控制PI比例增益系数KpVd_MSC实数 [p.u.]机侧Vd控制PI比例增益系数
机侧Vd控制PI积分时间常数TiVd_MSC实数 [s]机侧Vd控制PI积分时间常数
机侧Vq控制PI比例增益系数KpVq_MSC实数 [p.u.]机侧Vq控制PI比例增益系数
机侧Vq控制PI积分时间常数TiVq_MSC实数 [s]机侧Vq控制PI积分时间常数
网侧锁相环比例增益系数KpPll_GSC实数 [p.u.]网侧锁相环比例增益系数
网侧锁相环积分增益系数KiPll_GSC实数 [p.u.]网侧锁相环积分增益系数
网侧Id控制PI比例增益系数KpId_GSC实数 [p.u.]网侧Id控制PI比例增益系数
网侧Id控制PI积分时间常数TiId_GSC实数 [s]网侧Id控制PI积分时间常数
网侧Q控制PI比例增益系数KpQ_GSC实数 [p.u.]网侧Q控制PI比例增益系数
网侧Q控制PI积分时间常数TiQ_GSC实数 [s]网侧Q控制PI积分时间常数
网侧Iq控制PI比例增益系数KpIq_GSC实数 [p.u.]网侧Iq控制PI比例增益系数
网侧Iq控制PI积分时间常数TiIq_GSC实数 [s]网侧Iq控制PI积分时间常数
网侧Vd控制PI比例增益系数KpVd_GSC实数 [p.u.]网侧Vd控制PI比例增益系数
网侧Vd控制PI积分时间常数TiVd_GSC实数 [s]网侧Vd控制PI积分时间常数
网侧Vq控制PI比例增益系数KpVq_GSC实数 [p.u.]网侧Vq控制PI比例增益系数
网侧Vq控制PI积分时间常数TiVq_GSC实数 [s]网侧Vq控制PI积分时间常数

启动时序参数组

启动时序参数组Start_sequence相关参数

参数名键名类型 [单位]描述
网侧低压母线并网延时DBlk实数 [s]网侧低压母线并网延时
网侧变流器启动延时DBlk_GSC实数 [s]网侧变流器启动延时
转子侧变流器启动延时DBlk_MSC实数 [s]转子侧变流器启动延时
电机转速控制切换至转矩延时S2TMode_PM实数 [s]电机转速控制切换至转矩延时

直流斩波器参数组

直流斩波器Chopper_DC相关参数

参数名键名类型 [单位]描述
chopper电路导通电压VdcChopOn_DC实数 [p.u.]chopper电路导通电压
chopper电路断开电压VdcChopOff_DC实数 [p.u.]chopper电路断开电压

低电压穿越判断

低电压穿越判断

参数名键名类型 [单位]描述
启用低电压穿越判断Enable_LV布尔是否启用低电压穿越判断?
进入低穿状态电压值VLin_LV实数 [p.u.]进入低电压穿越状态电压值
退出低穿状态电压值VLout_LV实数 [p.u.]退出低电压穿越状态电压值
进入低穿延时TdlyVLin_LV实数 [s]进入低电压穿越延时
退出低穿延时TdlyVLout_LV实数 [s]退出低电压穿越延时

高电压穿越判断

高电压穿越判断

参数名键名类型 [单位]描述
启用高电压穿越判断Enable_HV布尔是否启用高电压穿越判断?
进入高穿状态电压值VHin_HV实数 [p.u.]进入高电压穿越状态电压值
退出高穿状态电压值VHout_HV实数 [p.u.]退出高电压穿越状态电压值
进入高穿延时TdlyVHin_HV实数 [s]进入高电压穿越延时
退出高穿延时TdlyVHout_HV实数 [s]退出高电压穿越延时

脱网保护控制

脱网保护控制

参数名键名类型 [单位]描述
是否启用电压保护切机控制Trip_Enable_VRT布尔是否启用电压保护切机控制
脱网后是否再次并网Reflag_VRT选择脱网后是否再次并网
低压保护拐点1时刻TL1_LV实数 [s]低电压穿越保护曲线拐点1时刻
低压保护拐点1电压值VL1_LV实数 [p.u.]低电压穿越保护曲线拐点1电压值
低压保护拐点2时刻TL2_LV实数 [s]低电压穿越保护曲线拐点2时刻
低压保护拐点2电压值VL2_LV实数 [p.u.]低电压穿越保护曲线拐点2电压值
高压保护拐点1时刻TH1_HV实数 [s]高电压穿越保护曲线拐点1时刻
高压保护拐点1电压值VH1_HV实数 [p.u.]高电压穿越保护曲线拐点1电压值
高压保护2时刻TH2_HV实数 [s]高电压穿越保护曲线拐点2时刻
高压保护2电压值VH2_HV实数 [p.u.]高电压穿越保护曲线拐点2电压值

低压穿越期间控制参数

低压穿越期间控制参数

参数名键名类型 [单位]描述
低穿期间有功功率控制标志位LVRT_IN_PFLAG选择0-无附加控制;1-指定功率;2-指定电流;3-按穿越前电流;4-低压限有功电流
有功系数KP_LV实数有功系数
有功设定值Pset_LV实数 [p.u.]有功设定值
有功电流系数1K1_Ip_LV实数有功电流系数1
有功电流系数2K2_Ip_LV实数有功电流系数2
有功电流设定值Ipset_LV实数 [p.u.]有功电流设定值
低压限有功电流电压下阀值VZEROX_LV实数 [p.u.]低压限有功电流电压下阀值
低压限有功电流电压上阀值VBRKPT_LV实数 [p.u.]低压限有功电流电压上阀值
低压限有功电流上阀值IpBRKPT_LV实数 [p.u.]低压限有功电流上阀值
低穿期间无功功率控制标志位LVRT_IN_QFLAG选择0-无附加控制;1-指定功率;2-指定电流
低电压穿越期间无功系数KQ_LV实数低电压穿越期间无功系数
低电压穿越期间无功设定值Qset_LV实数 [p.u.]低电压穿越期间无功设定值
无功电流系数1K1_Iq_LV实数无功电流系数1
无功电流系数2K2_Iq_LV实数无功电流系数2
无功电流设定值Iqset_LV实数 [p.u.]无功电流设定值

低压穿越结束初始时刻

低压穿越结束初始时刻

参数名键名类型 [单位]描述
有功电流穿越恢复起始点标志位Ip_LVREC0_FLAG选择0-无附加控制;1-按初始有功电流百分比; 2-按穿越期间有功电流; 3-按穿越期间功率
初始有功电流百分比系数KIp_LVREC0_LV实数初始有功电流百分比系数
有功电流设定值Ipset_LVREC0_LV实数 [p.u.]有功电流设定值
电流维持时间TLVRT_RECOVER0_LV实数 [s]电流维持时间
无功电流穿越恢复起始点标志位Iq_LVREC0_FLAG选择0-无附加控制;1-按初始无功电流百分比; 2-按穿越期间无功电流百分比; 3-按穿越期间功率
穿越期间无功电流百分比系数KIq_LVREC0_LV实数穿越期间无功电流百分比系数
无功电流设定值Iqset_LVREC0_LV实数 [p.u.]无功电流设定值

高压穿越期间控制参数

高压穿越期间控制参数

参数名键名类型 [单位]描述
高穿期间有功功率控制标志位HVRT_IN_PFLAG选择0,无附加控制;1,指定功率;2,指定电流;3,按穿越前电流
高电压穿越期间有功系数KP_HV实数高电压穿越期间有功系数
高电压穿越期间有功设定值Pset_HV实数 [p.u.]高电压穿越期间有功设定值
有功电流系数 1K1_Ip_HV实数有功电流系数 1
有功电流系数 2K2_Ip_HV实数有功电流系数 2
有功电流设定值Ipset_HV实数 [p.u.]有功电流设定值
高穿期间无功功率控制标志位HVRT_IN_QFLAG选择0,无附加控制;1,指定功率;2,指定电流
无功功率系数KQ_HV实数无功功率系数
无功功率设定值Qset_HV实数 [p.u.]无功功率设定值
无功电流系数 1K1_Iq_HV实数无功电流系数 1
无功电流系数 2K2_Iq_HV实数无功电流系数 2
无功电流设定值Iqset_HV实数 [p.u.]无功电流设定值

高压穿越结束初始时刻

高压穿越结束初始时刻

参数名键名类型 [单位]描述
有功电流穿越恢复起始点标志位Ip_HVREC0_FLAG选择0-无附加控制 1-按初始功率百分比 2-按穿越期间有功电流 3-按穿越期间功率
初始有功电流百分比系数KIp_HVREC0_HV实数初始有功电流百分比系数
有功电流设定值Ipset_HVREC0_HV实数 [p.u.]有功电流设定值
电流维持时间THVRT_RECOVER0_HV实数 [s]电流维持时间
无功电流穿越恢复起始点标志位Iq_HVREC0_FLAG选择0 无附加控制;1 按初始无功电流;2 按穿越期间无功电流百分比;3 按穿越期间功率
故障期间无功电流百分比系数KIq_HVREC0_HV实数故障期间无功电流百分比系数
无功电流设定值Iqset_HVREC0_HV实数 [p.u.]无功电流设定值

穿越恢复控制

穿越恢复控制

参数名键名类型 [单位]描述
电压穿越恢复有功电流指令计算方式VRT_RECOVER_PFLAG选择0,无附加控制; 1,定斜率;2,按惯性曲线
定斜率dIp_RECOVER_max_VRT实数 [p.u./s]定斜率
惯性曲线Tcons_Precover_VRT实数 [s]惯性曲线
电压穿越恢复无功电流指令计算方式VRT_RECOVER_QFLAG选择0,无附加控制; 1,定斜率;2,按惯性曲线
定斜率dIq_RECOVER_max_VRT实数 [p.u./s]定斜率
惯性曲线Tcons_Qrecover_VRT实数 [s]惯性曲线

单元测试

单元测试

参数名键名类型 [单位]描述
并网点线电压有效值Vbase_HV实数 [kV]并网点线电压有效值
风机并网方式GridType选择风机并网方式
系统短路比SCR实数系统短路比
系统阻抗比XR实数系统阻抗比
电压穿越类型Fault_VRT选择电压穿越类型
理想电压源是否为故障电压源FaultSet选择理想电压源是否为故障电压源
理想电压源故障开始时间FaultStartTime实数 [s]理想电压源故障开始时间
理想电压源故障结束时间FaultEndTime实数 [s]理想电压源故障结束时间
理想电压源故障电压降FaultDropRatio实数 [p.u.]理想电压源故障电压降