[發明專利]計及頻率耦合效應的無刷雙饋風機建模及穩定性分析方法

在審

• 申請號: 202210665024.3
• 申請日: 2022-06-13
• 公開（公告）號: CN115021245A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 徐海亮;王中行;王遠卓;王艷松;趙仁德
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: H02J3/00
• 分類號: H02J3/00;H02J3/38
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種計及頻率耦合效應的并網無刷雙饋風機建模及穩定性分析方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)建立并網無刷雙饋風機系統的頻域解析模型；

(2)基于步驟(1)建立的計及頻率耦合效應的無刷雙饋風機導納模型和弱電網阻抗的頻域阻抗模型，分析頻率耦合效應強弱及系統穩定性。

2.根據權利要求1所述計及頻率耦合效應的并網無刷雙饋風機建模及穩定性分析方法，其特征在于，步驟(1)包括：

(1.1)計及無刷雙饋風機機側變流器的頻率耦合特征，用功率繞組電壓擾動和功率繞組電流響應之間的關系獲得無刷雙饋風機的頻率耦合解析模型，即

其中，導納矩陣Y(s)的主對角線元素Y₁₁(s)和Y₂₂(s)反映的是功率繞組電壓擾動對相同頻率電流分量的影響，s表示復頻率，s＝j2πf；而非對角線元素Y₁₂(s)和Y₂₁(s)反映的是功率繞組電壓擾動對耦合頻率電流分量的影響；

(1.2)建立dq坐標系下無刷雙饋風機的電壓方程和磁鏈方程，即

其中，u_w、u_c和u_r分別表示功率繞組電壓、控制繞組電壓和轉子電壓，i_w、i_c和i_r分別表示功率繞組電流、控制繞組電流和轉子電流，ψ_w、ψ_c和ψ_r分別表示功率繞組磁鏈、控制繞組磁鏈和轉子磁鏈；R_w、R_c和R_r分別表示功率繞組電阻、控制繞組電阻和轉子繞組電阻，L_w、L_c和L_r分別表示功率繞組電感、控制繞組電感和轉子繞組電感，M_wr代表功率繞組和轉子之間的互感，M_cr表示控制繞組和轉子之間的互感；ω_w、ω_c和ω_r分別表示功率繞組電角頻率、控制繞組電角頻率和轉子繞組電角頻率，其中ω_r＝ω_w-P_wω_m，P_w表示功率繞組極對數，ω_m表示電機的機械角速度；p代表微分運算；

(1.3)采用諧波線性化的方法，分別定義無刷雙饋風機功率繞組、轉子繞組和控制繞組的電壓電流計及頻率耦合特征的頻率分量，即

其中，V_wa、V_ca和V_ra分別表示功率繞組a相電壓、控制繞組a相電壓和轉子a相電壓，I_wa、I_ca和V_ra分別表示功率繞組a相電流、控制繞組a相電流和轉子a相電流；V_w1、V_wp、V_wp2分別為功率繞組電壓量及其擾動頻率分量和耦合頻率分量，I_w1、I_wp、I_wp2分別為功率繞組電流量及其擾動頻率分量和耦合頻率分量；V_c1、V_cp、V_cp2分別為控制繞組電壓量及其擾動頻率分量和耦合頻率分量，I_c1、I_cp、I_cp2分別為控制繞組電流量及其擾動頻率分量和耦合頻率分量；V_r1、V_rp、V_rp2分別為轉子電壓量及其擾動頻率分量和耦合頻率分量，I_r1、I_rp、I_rp2分別為轉子電流擾動頻率分量和耦合頻率分量；f₁、f_c和f_r分別表示基頻頻率、控制繞組電角頻率和轉子電角頻率；P_c為控制繞組極對數；上述公式均為頻域下函數，f為函數自變量，表示頻率；

(1.4)建立鎖相環的頻域模型，即

其中，K_{p_PLL}和K_{i_PLL}分別表示鎖相環的比例和積分系數，V_w0表示電網電壓幅值，s表示復頻率，s＝j2πf；

(1.5)建立電流環的頻域模型，即

其中，

K_{p_cdi}和K_{p_cqi}分別是dq軸電流環控制器的比例系數，K_{i_cdi}和K_{i_cqi}分別是dq軸電流環控制器的積分系數，M_cd和M_cq分別為電流環輸出調制信號中的dq軸諧波分量，K_cd為解耦系數，K_fw為反饋系數；

(1.6)分別定義轉子變量到功率繞組變量、控制繞組變量到功率繞組變量的頻率變換關系，即

其中，σ_rp(s)和σ_rp2(s)分別表示轉子擾動頻率分量和耦合頻率分量的頻率變換公式，σ_cp(s)和σ_cp2(s)分別表示控制繞組擾動頻率分量和耦合頻率分量的頻率變換公式；s表示復頻率，s＝j2πf；

(1.7)引入矩陣C(s)和矩陣F(s)，定義為：

其中，矩陣C(s)表示無刷雙饋電機機側變流器的電流環控制器對于控制繞組電流的作用，矩陣F(s)表示鎖相環和電流環中的電壓前饋環節對于功率繞組電壓的控制作用，s表示復頻率，s＝j2πf；

求解得：

其中，V_dc表示直流母線電壓；M_c1＝M_cd1+jM_cq1，為調制信號的靜態工作點，為其共軛；I_c1＝I_cd1+jI_cq1，為控制繞組電流dq軸指令值，I*_c1為其共軛；s表示復頻率，s＝j2πf；

機側變流器的調制增益和控制延時：

L_{c_p}和L_{c_p2}為頻率變換導致的控制繞組等效自感，且有

和為電流環的不對稱控制效應，且有

(1.8)計及頻率耦合效應的無刷雙饋風機導納模型Y_BDFIG，即

其中，L_{w_p}和L_{w_p2}為頻率變換導致的功率繞組等效自感，且有

M_p和M_p2為頻率變換導致的等效互感，且有

(9)建立弱電網阻抗的頻域阻抗模型Z_g，即

其中，R_g為弱電網電阻，L_g為弱電網電感，ω₁為電網角頻率，s表示復頻率，s＝j2πf。

3.根據權利要求2所述計及頻率耦合效應的并網無刷雙饋風機建模及穩定性分析方法，其特征在于，步驟(2)包括：

(2.1)采用Y₁₂(s)與Y₁₁(s)的幅值之比描述各頻段的頻率耦合效應，該比值越大，則該頻段下的頻率耦合程度越強；類似地，對于功率繞組鏡像頻率分量，可以用Y₂₁(s)與Y₂₂(s)的幅值之比描述各頻段的頻率耦合效應，該比值越大，則該頻段下的頻率耦合程度越強；

(2.2)運用廣義奈奎斯特判據判斷并網系統的穩定性，當無刷雙饋風機導納模型Y_BDFIG與弱電網阻抗Z_g的阻抗比矩陣滿足廣義奈奎斯特判據時，并網系統處于小信號穩定狀態，否則為小信號不穩定狀態。