[发明专利]一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法

权利要求书

1.一种适用于动态全过程仿真的DFIG简化建模方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：DFIG控制的局部简化模型：

根据多时间尺度模型简化原理对DFIG各个控制进行局部简化建模，对于带宽在秒级以上的控制，动态响应较慢，其微分方程降阶为常量；对于带宽在秒级以下的控制，动态响应较快，其微分方程降阶为代数方程，具体如下：

(1)原动机模型：

1)气动、轴系模型

采用稳定性问题研究常用的基于Cp曲线近似的气动模型；采用等效两质量块模型作为轴系模型；

2)桨距角控制的动态和简化模型：

桨距角控制包含转速误差控制和功率误差补偿控制；桨距角控制的动态模型采用PI控制动态环节，如式(1)、式(2)所示；由于其控制带宽在秒级以上，动态响应较慢，根据多时间尺度模型简化原理，微分方程降阶为常量，认为维持恒定，简化模型用恒定值表示：

式(1)、式(2)中，K_pa、K_pj分别为转速误差控制和功率误差补偿控制PI控制器的比例系数；K_ia、K_ij分别为转速误差控制和功率误差补偿控制PI控制器的积分系数；

(2)转子侧变换器控制环节动态和简化模型：

转子侧变换器通过两级PI控制来控制DFIG功率输出，包括外环功率控制和内环电流控制，外环和内环均包括有功和无功，两者动态模型均保留PI控制动态环节：

式(3)、式(4)中，K_rp、K_rq分别为有功功率和无功功率PI控制器的比例系数；T_rp、T_rq分别为有功功率和无功功率PI控制器的时间常数；

式(5)、式(6)中，K_rcq、K_rcd分别为有功电流和无功电流PI控制器的比例系数；T_rcq、T_rcd分别为有功电流和无功电流PI控制器的时间常数；

由于转子侧变换器控制带宽在秒级以下，动态响应较快，根据多时间尺度模型简化原理，微分方程降阶为代数方程，其简化模型建立过程如下：

在定子磁链定向控制下，有约束方程：

式中，ψ_ds、ψ_qs为定子磁链的dq轴分量；

由于在一般工况下，定子绕组电阻比电抗小得多，故忽略定子绕组电阻，此时感应电动势近似等于定子侧电压，且其相位滞后定子磁链90°，则又有约束方程：

式中，u_ds、u_qs为定子电压的dq轴分量；

将式(7)代入定子输出功率方程，可得：

式中，i_ds、i_qs为定子电流的dq轴分量；

将式(8)代入定子磁链方程，整理可得转子电流和定子电流的关系如下：

式中，i_dr、i_qr为转子电流的dq轴分量；L_m、L_s分别为定转子绕组互感、定子绕组自感；

将式(10)代入转子磁链方程，整理得：

式中，σ₁＝L_m/L_s，L_r转子绕组自感；

将式(11)代入转子电压方程，整理得：

式中，u_dr、u_qr为转子电压的dq轴分量；R_r为转子绕组电阻；p为微分算子；

根据式(9)-(10)建立转子侧功率控制的简化模型，根据式(12)建立转子侧电流控制的简化模型；

(3)网侧变换器控制动态和简化模型：

网侧变换器控制通过两级PI控制实现单位功率因数控制和直流母线电压恒定，包括外环直流母线电压控制和内环dq轴电流控制，两者动态模型均保留PI控制动态环节；

式(13)中，K_udc、T_udc分别为直流母线电压PI控制器的比例系数和时间常数；

式(14)、式(15)中，K_gd、K_gq分别为网侧电流PI控制器的比例系数；T_gd、T_gq分别为网侧电流PI控制器的时间常数；

由于网侧变换器控制带宽在秒级以下，动态响应较快，根据多时间尺度模型简化原理，微分方程降阶为代数方程，其简化模型建立过程如下：

网侧变换器控制采用电网电压定向，于是有：

式中，u_dg、u_qg为电网电压dq轴分量；

稳态时，忽略进线电抗器和线路电阻的功率损耗、开关损耗，有：

式中，P_g为网侧变换器输出有功功率，i_dg为网侧变换器d轴电流；u_dc、i_dc为直流母线电压和直流侧电流；

由式(17)，可得：

PWM变换器在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型如式(19)所示：

式中，u_dGSC、u_qGSC为网侧变换器控制量；R_g为网侧电阻；L_g为滤波电感；i_dg、i_qg为网侧电流的dq轴分量；u_dg、u_qg为网侧电压的dq轴分量；

由式(18)建立直流母线电压控制简化模型，由式(19)建立网侧dq轴电流控制简化模型；

S2：两级轨迹灵敏度分析方法：

根据目标量对DFIG控制进行第一级轨迹灵敏度分析得到关键参数；设置暂态扰动和中长期扰动，对关键参数进行第二级轨迹灵敏度分析；

S3：模型切换控制策略：

根据两级轨迹灵敏度分析结果，通过设置阈值A和阈值B建立局部模型切换判据；

判据一：设置阈值A为当前时刻，各关键参数轨迹灵敏度最大绝对值的α倍；若该关键参数当前时刻轨迹灵敏度绝对值大于阈值A，则满足判据一，即该控制的影响程度大于当前时刻影响最大控制的α倍；

判据二：设置阈值B为整个仿真过程中，各关键参数轨迹灵敏度最大绝对值的β倍；若该关键参数当前时刻轨迹灵敏度绝对值大于阈值B，则满足判据二，即该控制的影响程度大于仿真全过程中影响最大的的β倍；

能够同时满足上述两判据，则该控制采用动态模型，否则采用简化模型；

α、β取值依据：采用兼顾数值差异和变化趋势差异的综合指标来衡量简化模型与详细模型仿真曲线一致性，根据对仿真精度的要求设置综合指标，对α、β进行取值；

在仿真全过程中，根据是否满足模型切换判据判断模型切换时刻，从而分时调用DFIG控制的动态模型和简化模型。