[發(fā)明專利]基于雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的全功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011056354.X
• 申請(qǐng)日: 2020-09-28
• 公開（公告）號(hào): CN112350364B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉芳;劉世權(quán);李研;徐韞鈺;王佳寧;劉威
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02J3/38
• 分類號(hào): H02J3/38
• 代理公司: 合肥和瑞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 34118
• 代理人: 王挺

1.一種基于雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的全功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模方法，所述全功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為變流器模組輸入輸出并聯(lián)的直驅(qū)型全功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；所述變流器模組輸入輸出并聯(lián)的直驅(qū)型全功率風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括永磁同步電機(jī)M、機(jī)側(cè)濾波電容C₁、直流側(cè)電容C_dc、機(jī)側(cè)變流器K1、網(wǎng)側(cè)變流器K₂、網(wǎng)側(cè)濾波電容C、網(wǎng)側(cè)電感L_g和電網(wǎng)；所述機(jī)側(cè)變流器K1包括模組K11、模組K12、模組K11的橋臂側(cè)電感L₃、模組K12的橋臂側(cè)電感L₄；所述網(wǎng)側(cè)變流器K₂包括模組K21、模組K22、模組K21的橋臂側(cè)電感L₁、模組K22的橋臂側(cè)電感L₂；所述橋臂側(cè)電感L₃與永磁同步電機(jī)定子側(cè)相連，橋臂側(cè)電感L₄并接在橋臂側(cè)電感L₃與永磁同步電機(jī)M之間，機(jī)側(cè)濾波電容C₁也并接在橋臂側(cè)電感L₃與永磁同步電機(jī)M之間；橋臂側(cè)電感L₁串聯(lián)網(wǎng)側(cè)電感L_g后接入電網(wǎng)，橋臂側(cè)電感L₂并接在橋臂側(cè)電感L₁與網(wǎng)側(cè)電感L_g之間，濾波電容C也并接在橋臂側(cè)電感L₁與網(wǎng)側(cè)電感L_g之間；所述直流側(cè)電容C_dc并聯(lián)在機(jī)側(cè)變流器K1和網(wǎng)側(cè)變流器K₂之間；

所述網(wǎng)側(cè)濾波電容C與橋臂側(cè)電感L₁、橋臂側(cè)電感L₂構(gòu)成了網(wǎng)側(cè)濾波器；

將變流器模組K11向直流側(cè)輸出的電流記為模組K11機(jī)側(cè)輸出電流、變流器模組K12向直流側(cè)輸出的電流記為模組K12機(jī)側(cè)輸出電流、模組K21向電網(wǎng)側(cè)輸出的電流記為模組K21橋臂側(cè)電感電流、模組K22向電網(wǎng)側(cè)輸出的電流記為模組K22橋臂側(cè)電感電流；

其特征在于，所述建模方法包括建立以下7個(gè)模型：雙dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)變流器控制模型、雙dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器及電網(wǎng)阻抗模型、雙dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型、雙dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)接口模型、雙dq坐標(biāo)系下鎖相環(huán)模型、雙dq坐標(biāo)系下各模組中間直流側(cè)模型、雙dq坐標(biāo)系下機(jī)側(cè)變流器控制模型；所述dq坐標(biāo)系采用d軸定向、q軸超前于d軸90°；

所述建模方法的具體步驟如下：

步驟1，建立雙dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)變流器控制模型，包括：建立正序dq坐標(biāo)系下電壓外環(huán)方程、負(fù)序dq坐標(biāo)系下電壓外環(huán)方程、正序dq坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)方程和負(fù)序dq坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)方程，具體過程及表達(dá)式如下：

步驟1.1，采樣，即通過采集得到雙dq坐標(biāo)系下與網(wǎng)側(cè)變流器控制相關(guān)的如下參數(shù)：直流側(cè)電容C_dc兩側(cè)的直流側(cè)電壓U_dc、模組K21橋臂側(cè)正序電流d軸分量i_Ld1^p、模組K21橋臂側(cè)正序電流q軸分量i_Lq1^p、模組K21橋臂側(cè)負(fù)序電流d軸分量i_Ld1ⁿ、模組K21橋臂側(cè)負(fù)序電流q軸分量i_Lq1ⁿ、模組K22橋臂側(cè)正序電流d軸分量i_Ld2^p、模組K22橋臂側(cè)正序電流q軸分量i_Lq2^p、模組K22橋臂側(cè)負(fù)序電流d軸分量i_Ld2ⁿ、模組K22橋臂側(cè)負(fù)序電流q軸分量i_Lq2ⁿ；

步驟1.2，建立正序dq坐標(biāo)系下電壓外環(huán)方程，其表達(dá)式為：

式中：i_dref^p為正序電流內(nèi)環(huán)d軸參考值、K_vp為網(wǎng)側(cè)變流器電壓外環(huán)比例系數(shù)、U_dcref為直流側(cè)電壓參考值、U_dc為直流側(cè)電壓采樣值、U_base為電壓基準(zhǔn)值、intU_dcerr為電壓環(huán)積分項(xiàng)、K_vi為網(wǎng)側(cè)變流器電壓外環(huán)積分系數(shù)、i_qref^p為正序電流內(nèi)環(huán)q軸參考值；

步驟1.3，建立負(fù)序dq坐標(biāo)系下電壓外環(huán)方程，其表達(dá)式為：

式中：i_drefⁿ為負(fù)序電流內(nèi)環(huán)d軸參考值、i_qrefⁿ為負(fù)序電流內(nèi)環(huán)q軸參考值；

步驟1.4，建立正序dq坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)方程，其表達(dá)式為：

其中：

式中：i_od^p為橋臂側(cè)輸出電流正序d軸分量、i_oq^p為橋臂側(cè)輸出電流正序q軸分量、i_Ld1^p為模組K21橋臂側(cè)輸出電流正序d軸分量、i_Ld2^p為模組K22橋臂側(cè)輸出電流正序d軸分量、i_Lq1^p為模組K21橋臂側(cè)輸出電流正序q軸分量、i_Lq2^p為模組K22橋臂側(cè)輸出電流正序q軸分量、u_d^p為電流內(nèi)環(huán)輸出正序電壓d軸分量、u_q^p為電流內(nèi)環(huán)輸出正序電壓q軸分量、K_pip為正序坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、I_base為電流基準(zhǔn)值、inti_derr^p為網(wǎng)側(cè)變流器電流環(huán)控制的積分項(xiàng)輸出d軸正序分量、inti_qerr^p為網(wǎng)側(cè)變流器電流環(huán)控制的積分項(xiàng)輸出q軸正序分量、K_iip為正序坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)；

步驟1.5，建立負(fù)序dq坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)方程，其表達(dá)式為：

其中：

式中：i_odⁿ為橋臂側(cè)輸出電流負(fù)序d軸分量、i_oqⁿ為橋臂側(cè)輸出電流負(fù)序q軸分量、u_dⁿ為電流內(nèi)環(huán)輸出負(fù)序電壓d軸分量、u_qⁿ為電流內(nèi)環(huán)輸出負(fù)序電壓q軸分量、K_pin為負(fù)序坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、inti_derrⁿ為網(wǎng)側(cè)變流器電流環(huán)控制的積分項(xiàng)輸出d軸負(fù)序分量、inti_qerrⁿ為網(wǎng)側(cè)變流器電流環(huán)控制的積分項(xiàng)輸出q軸負(fù)序分量、K_iin為負(fù)序坐標(biāo)系下電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；

步驟2，建立雙dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器及電網(wǎng)阻抗模型，包括：建立正序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器及電網(wǎng)阻抗模型、負(fù)序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器及電網(wǎng)阻抗模型，具體過程及表達(dá)式：

步驟2.1，采樣，即通過采集獲得雙dq坐標(biāo)系下與網(wǎng)側(cè)濾波器及電網(wǎng)阻抗相關(guān)的如下參數(shù)：模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K21橋臂側(cè)正序電流d軸分量i_Ld1^p_L、模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K21橋臂側(cè)正序電流q軸分量i_Lq1^p_L、模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K21橋臂側(cè)負(fù)序電流d軸分量i_Ld1^n_L、模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K21橋臂側(cè)負(fù)序電流q軸分量i_Lq1^n_L、模組K22橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K22橋臂側(cè)正序電流d軸分量i_Ld2^p_L、模組K22橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K22橋臂側(cè)正序電流q軸分量i_Lq2^p_L、模組K22橋臂電感側(cè)電流經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K22橋臂側(cè)負(fù)序電流d軸分量i_Ld2^n_L、模組K22橋臂側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的模組K22橋臂側(cè)負(fù)序電流q軸分量i_Lq2^n_L、網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序電容電壓d軸分量u_cd^p_L、網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序電容電壓q軸分量u_cq^p_L、網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序電容電壓d軸分量u_cd^n_L、網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序電容電壓q軸分量u_cq^n_L、網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序網(wǎng)側(cè)電感電流d軸分量i_gd^p_L、網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序網(wǎng)側(cè)電感電流q軸分量i_gq^p_L、網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序網(wǎng)側(cè)電感電流d軸分量i_gd^n_L、網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序網(wǎng)側(cè)電感電流q軸分量i_gq^n_L、電網(wǎng)電壓經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序電網(wǎng)電壓d軸分量e_d^p_L、電網(wǎng)電壓經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序電網(wǎng)電壓q軸分量e_q^p_L、電網(wǎng)電壓經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序電網(wǎng)電壓d軸分量e_d^n_L、電網(wǎng)電壓經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序電網(wǎng)電壓q軸分量e_q^n_L；

步驟2.2，建立正序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器及電網(wǎng)阻抗模型，其表達(dá)式為：

其中，

式中：ω為鎖相環(huán)輸出的角頻率、u_d1^p為模組K21正序輸出電壓d軸分量、u_q1^p為模組K21正序輸出電壓q軸分量、u_d2^p為模組K22正序輸出電壓d軸分量、u_q2^p為模組K22正序輸出電壓q軸分量、i_od^p_L為模組K21與模組K22橋臂側(cè)電感電流之和經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序電流d軸分量、i_oq^p_L為模組K21與模組K22橋臂側(cè)電感電流之和經(jīng)正序解耦運(yùn)算單元后獲得的正序電流q軸分量、R₁為橋臂電側(cè)感L₁的寄生電阻、R₂為橋臂側(cè)電感L₂的寄生電阻、R_g為網(wǎng)側(cè)電感L_g的寄生電阻；

步驟2.3，建立負(fù)序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器及電網(wǎng)阻抗模型，其表達(dá)式為：

其中：

式中：u_d1ⁿ為模組K21負(fù)序輸出電壓d軸分量、u_q1ⁿ為模組K21負(fù)序輸出電壓q軸分量、u_d2ⁿ為模組K22負(fù)序輸出電壓d軸分量、u_q2ⁿ為模組K22負(fù)序輸出電壓q軸分量、i_od^n_L為模組K21與模組K22橋臂側(cè)電流之和經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序電流d軸分量、i_oq^n_L為模組K21與模組K22橋臂側(cè)電流之和經(jīng)負(fù)序解耦運(yùn)算單元后獲得的負(fù)序電流q軸分量；

步驟3，建立雙dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波器雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型，包括：建立正負(fù)序dq坐標(biāo)系下的橋臂側(cè)電感電流雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型、建立正負(fù)序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型、建立正負(fù)序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)電感電流雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型，具體過程及表達(dá)式：

步驟3.1，建立正負(fù)序dq坐標(biāo)系下的橋臂側(cè)電感電流雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型，其表達(dá)式為：

模組K21：

式中：i_Ld1^p_1為模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序dq分解后的d軸分量、i_Lq1^p_1為模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序dq分解后的q軸分量、i_Ld1^n_1為模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序dq分解后的d軸分量、i_Lq1^n_1為模組K21橋臂側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序dq分解后的q軸分量、θ^PLL為鎖相環(huán)輸出的相角、w_f為低通濾波器LPF截止頻率；

模組K22：

式中：i_Ld2^p_1為模組K22橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序dq分解后的d軸分量、i_Lq2^p_1為模組K22橋臂側(cè)電感電流經(jīng)正序dq分解后的q軸分量、i_Ld2^n_1為模組K22橋臂側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序dq分解后的d軸分量、i_Lq2^n_1為模組K22橋臂側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序dq分解后的q軸分量；

步驟3.2，建立正負(fù)序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型，其表達(dá)式為：

式中：u_cd^p_1為網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)正序dq分解后的d軸分量、u_cq^p_1為網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)正序dq分解后的q軸分量、u_cd^n_1為網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)負(fù)序dq分解后的d軸分量、u_cq^n_1為網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓經(jīng)負(fù)序dq分解后的q軸分量、u_cd^p為網(wǎng)側(cè)濾波電容正序電容電壓d軸分量、u_cq^p為網(wǎng)側(cè)濾波電容正序電容電壓q軸分量、u_cdⁿ為網(wǎng)側(cè)濾波電容負(fù)序電容電壓d軸分量、u_cqⁿ為網(wǎng)側(cè)濾波電容負(fù)序電容電壓q軸分量；

步驟3.3，建立正負(fù)序dq坐標(biāo)系下的網(wǎng)側(cè)電感電流雙dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型，其表達(dá)式為：

式中：i_gd^p_1為網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)正序dq分解后的d軸分量、i_gq^p_1為網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)正序dq分解后的q軸分量、i_gd^n_1為網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序dq分解后的d軸分量、i_gq^n_1為網(wǎng)側(cè)電感電流經(jīng)負(fù)序dq分解后的q軸分量、i_gd^p為網(wǎng)側(cè)電感的正序電感電流d軸分量、i_gq^p為網(wǎng)側(cè)電感的正序電感電流q軸分量、i_gdⁿ為網(wǎng)側(cè)電感的負(fù)序電感電流d軸分量、i_gqⁿ為網(wǎng)側(cè)電感的負(fù)序電感電流q軸分量；

步驟4，建立雙dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)接口模型，包括：建立正序dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)接口模型、負(fù)序dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)接口模型、雙dq坐標(biāo)系下電網(wǎng)接口正序和負(fù)序dq變換時(shí)的解耦運(yùn)算及濾波器模型，具體過程及表達(dá)式如下：

步驟4.1，建立正序dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)接口模型，其表達(dá)式為：

e_d^p_1＝U_pmcos(θ+θ^p)+U_nmcos(θ+2θ^PLL+θⁿ)；

e_q^p_1＝U_pmsin(θ+θ^p)-U_nmsin(θ+2θ^PLL+θⁿ)；

式中：e_d^p_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)正序dq變換得到的d軸分量、e_q^p_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)正序dq變換得到的q軸分量、U_pm為正序電壓幅值、U_nm為負(fù)序電壓幅值、θ為通過鎖相環(huán)得到的角度與電網(wǎng)角度的偏差角度、θ^p為正序電網(wǎng)的初始角度、θⁿ為負(fù)序電網(wǎng)的初始角度；

步驟4.2，建立負(fù)序dq坐標(biāo)系下的電網(wǎng)接口模型，其表達(dá)式為：

e_d^n_1＝U_nmcos(θ+θⁿ)+U_pmcos(θ+2θ^PLL+θ^p)；

e_q^n_1＝U_nmsin(θ-θⁿ)+U_pmsin(θ+2θ^PLL+θ^p)；

式中：e_d^n_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)負(fù)序dq變換得到的d軸分量、e_q^n_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)負(fù)序dq變換得到的q軸分量；

步驟4.3，建立雙dq坐標(biāo)系下電網(wǎng)接口解耦運(yùn)算及濾波器模型，其表達(dá)式為：

其中：

式中：e_d^p_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)正序dq變換得到的d軸分量、e_q^p_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)正序dq變換得到的q軸分量、e_d^n_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)負(fù)序dq變換得到的d軸分量、e_q^n_1為電網(wǎng)電壓經(jīng)負(fù)序dq變換得到的q軸分量、e_d^p為電網(wǎng)電壓正序電壓d軸分量、e_q^p為電網(wǎng)電壓正序電壓q軸分量、e_dⁿ為電網(wǎng)電壓負(fù)序電壓d軸分量、e_qⁿ為電網(wǎng)電壓負(fù)序電壓q軸分量；

步驟5，建立雙dq坐標(biāo)系下鎖相環(huán)模型，包括：

式中：ω為鎖相環(huán)輸出的同步角頻率、ω₀為額定角頻率、K_ppll為鎖相環(huán)比例系數(shù)、K_ipll為鎖相環(huán)積分系數(shù)、int u_cq^p_L為鎖相環(huán)控制的積分項(xiàng)輸出；

步驟6，建立雙dq坐標(biāo)系下各模組中間直流側(cè)模型，包括建立雙dq坐標(biāo)系下中間直流側(cè)模型方程、網(wǎng)側(cè)輸出功率方程，具體過程及表達(dá)式如下：

步驟6.1，建立雙dq坐標(biāo)系下中間直流側(cè)模型方程，其表達(dá)式為：

式中：P_dc11為模組K21向網(wǎng)側(cè)輸出的功率、P_dc12為模組K11向中間直流側(cè)輸入的功率、i_dc1d為模組K11向直流側(cè)輸入的電流d軸分量、P_dc21為模組K22向網(wǎng)側(cè)輸出的功率、P_dc22為模組K12向中間直流側(cè)輸入的功率、i_dc2d為模組K12向中間直流側(cè)輸入電流d軸分量；

步驟6.2，建立網(wǎng)側(cè)輸出功率方程，其表達(dá)式為：

模組K21：

其中：

式中：P_dc11o為模組K21輸出功率的平均值、P_dc11c2為模組K21輸出功率余弦量2次脈動(dòng)的幅值、P_dc11s2為模組K21輸出功率正弦量2次脈動(dòng)的幅值；

模組K22：

其中：

式中：P_dc21o為模組K22輸出功率的平均值、P_dc21c2為模組K22輸出功率余弦量2次脈動(dòng)的幅值、P_dc21s2為模組K22輸出功率正弦量2次脈動(dòng)的幅值；

步驟7，建立單dq坐標(biāo)系下機(jī)側(cè)變流器、永磁同步電機(jī)及風(fēng)力機(jī)等效模型：

將單dq坐標(biāo)系下的機(jī)側(cè)變流器、永磁同步電機(jī)及風(fēng)力機(jī)等效成一個(gè)已知電流源模型，則：

式中：i_dc1d為模組K11機(jī)側(cè)輸出電流的d軸分量，i_dc1q為模組K11機(jī)側(cè)輸出電流的q軸分量,i_dc2d為模組K12機(jī)側(cè)輸出電流的d軸分量，i_dc2q為模組K12機(jī)側(cè)輸出電流的q軸分量。