面向海上风电仿真的永磁同步发电机电磁暂态等效建模方法

海上风电的建模与仿真是构建新能源为主体的新型电力系统的关键支撑技术。永磁同步发电机（PMSG）作为直驱或半直驱机型的核心元件,现有模型存在一定的局限性：商业软件提供的灰箱模型无法得知建模原理,开放程度不够,限制了风电机组应用高效电磁暂态建模算法与并行加速算法;目前常用的PMSG建模方法无法生成接口与外电路连接;PMSG是同步发电机的一种,而同步发电机有不同阶数的数学模型,现有模型不便更改。针对上述问题,该文提出阶数可选的PMSG电磁暂态等效建模方法。首先对发电机电压、磁链方程进行离散化;然后通过单步长延时消除代数环,重构PMSG模型,推导得到其诺顿等效电路并构建模型整体仿真框架;最后,在RTDS仿真平台中进行仿真分析。结果表明四阶、二阶模型在场站级仿真具有适用性,而六阶模型实现了对基准模型的多工况高度拟合,平均相对误差小于4%,能够同时满足场站级与机组内部各仿真需求。     

永磁同步发电机电磁暂态等效建模方法及稳定性分析

嵌套同时快速求解(nested fast and simultaneous solution, NFSS)算法通过消去电路节点可以显著提高仿真速度。然而,商业仿真软件提供的永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator, PMSG)模型无法获取等效电路,限制了该算法在海上风电中的应用。针对上述问题,提出了PMSG电磁暂态(electro-magnetic transient, EMT)等效建模方法,并分析了建模方法的稳定性。首先,将PMSG数学模型离散化,得到用三相受控电流源表示的等效电路及接口方法,给出PMSG的控制模式和等效模型求解流程。并结合实际PMSG参数取值,分析了等效建模方法的稳定性。最后,在PSCAD/EMTDC中搭建了PMSG详细模型和等效模型进行仿真精度对比及稳定性验证,结果表明,所提模型及稳定性分析具有较好的正确性,为NFSS算法在海上风电中的应用提供了模型基础,也为发电机参数的选取提供了约束条件。     

基于数字孪生的航空永磁发电稳压系统降阶模型分析研究

为适应下一代航空飞行器数字化研发的技术趋势，提高航空供电系统可靠性，降低生产周期和制造成本。本文以某型无人机用永磁发电稳压系统为例，基于ECE降阶算法提出了永磁同步发电机的一阶等效数字模型，利用器件级建模法建立了PWM稳压芯片SG1525模型，搭建了从引擎机械功率输入到永磁同步发电机AC-DC整流+BUCK稳压供电系统数字孪生仿真模型，其仿真速度较常规有限元算法具有跨数量级的提升，并可通过计算机采集试验台数据形成数据反馈，具有敏捷的“数字孪生”效果。同时将仿真值与试验值进行了对比，验证了数字孪生模型的有效性。本文的设计思想符合军用武器系统数字化设计技术发展趋势，其结论对新一代航空发电机及其稳压供电系统数字化研发具有一定的参考价值。     

永磁同步风电机组的主动支撑控制及其在弱电网下的适应性分析

为了提升风电机组在弱电网下电压与频率支撑能力,介绍了一种适用于永磁同步发电机（PMSG）的主动支撑控制策略。该控制策略将永磁同步发电机网侧变流器等效成1个电压源型的虚拟同步发电机（VSG）,不仅使PMSG直接与电网同步,而且在电力系统功率发生波动时可通过利用风机的转子动能为系统提供惯量支撑。详细分析了弱电网下主动支撑控制的小信号模型,并基于PSCAD/EMTDC仿真验证了所提控制策略的有效性和在弱电网下的适应性。     

同步耦合双馈风机的虚拟惯量优化控制技术

双馈风电机组在同步并网时虚拟出的可控惯性将显著影响电网的动态特性,仍须通过优化控制减少其附加运行风险,充分发挥其控制潜力。该文首先建立引入虚拟同步控制后的双馈风电机组的动态模型,并分析双馈风机与同步发电机之间建立的虚拟同步耦合关系。在此基础上,构建双馈风机同步并网系统的能量函数,基于同步并网耦合关系提出双馈风电机组的变惯量优化控制策略,并借助控制参数对系统稳定性的影响分析,设置虚拟惯量参数范围。最后,搭建双馈风机同步并网系统进行仿真验证,双馈风机的虚拟惯量需要在合理范围内通过变惯量优化才能为并网系统提供可靠的动态稳定支撑。     

风速不确定性对PMSG机组并网电流质量影响的研究

近年来风电发展势头迅猛,直驱永磁同步风力发电系统优势渐显,针对永磁同步发电机、全功率变流技术的研究也较为成熟,但对其并网问题的研究却颇显不足。基于直驱永磁同步风力发电系统探讨风速不确定性给风电并网带来的电流质量问题,通过搭建PMSG机组并网实验平台,针对3种不同风况进行并网实验,实验结果表明,风速大小及其湍流强度是影响PMSG机组并网电流质量的重要因素。     

基于混合势函数的永磁同步风力 发电机暂态稳定性分析

永磁同步发电机(permanent magnetic synchronous generator, PMSG)作为海上风力发电的主要设备,是风电技术的重要发展方向。然而,PMSG在运行过程中,受到大扰动干扰会导致其暂态稳定性下降。因此,针对PMSG风机大扰动下的暂态稳定性阈值难以判定的问题,本文基于混合势函数理论,建立了PMSG风机系统简化后的混合势函数模型,并推导出PMSG风机在大扰动后的暂态稳定判据。通过仿真后的网侧电流波形和网侧功率波形验证了暂态稳定判据的准确性,并调整各参数数值以分析PMSG风机暂态稳定性与风机参数、故障深度、故障时间和风速的关联性。     

基于改进粒子群算法的永磁同步风力发电机优化设计

根据离网型小功率永磁同步风力发电机的运行特性,结合场路耦合的方法,设计一台小功率永磁同步风力发电机。为了有效减小发电机起动阻力矩,以发电机齿槽转矩为目标,运用回归型支持向量机实现电机电磁模型的非线性回归建模;基于该非参数模型,利用带压缩因子粒子群算法进行寻优,获取电机的最优结构参数,仿真结果表明了优化设计的正确性。     

具备内部故障仿真能力的永磁同步发电机电磁暂态建模与仿真方法

对永磁同步发电机(PMSG)内部定子绕组故障的精确建模与仿真有助于设计有效的状态检测系统和控制保护策略。首先对PMSG内部故障特征进行分析和详细的数学推导,给出了适合电磁暂态(EMT)建模的状态空间形式的动态方程。进而提出了一种PMSG内部故障EMT建模与仿真方法,并推导出其等效电路。利用MATLAB对推导出的方程进行了数值计算迭代求解,并在PSCAD/EMTDC中搭建了PMSG测试模型,与数值计算结果进行分析和对比验证。分析结果表明,PMSG内部故障会在短路路径中产生较大的循环故障电流,但是从发电机外部特性很难判断是否发生内部故障。对比验证结果表明,所建立PMSG内部故障EMT模型可准确反映内部故障特征,验证了所提建模方法的正确性。     

基于数字孪生的GIS智能变电站健康评估及故障诊断模型

在现有GIS智能变电站中电力变压器、组合电器、开关柜三类主设备故障诊断技术研究的基础上,结合数字孪生技术,提出一种GIS智能变电站数字孪生模型建模方法.分析认为该模型可以同步显示实体变电站各仪表的数值,能基于变电站实时数据和历史数据进行健康评估及故障诊断,并在三维模型中对应空间位置显示,各设备运行状态一目了然,故障类型...     

基于功率耦合的双馈风机并网系统同步控制技术

双馈风机处于虚拟同步运行时与同步发电机的功率耦合关系是合理设计控制参数、降低附加运行风险的关键。建立双馈风机并网系统的动态模型,分析处于虚拟同步运行时的双馈风机与同步发电机之间的功率耦合关系。分析风机同步并网耦合关系及控制参数对稳定性的影响,并引入耦合系数。基于此,提出基于功率耦合的双馈风机同步并网优化控制策略,通过动态调整风机虚拟惯量使双馈风机同步并网系统处于稳定运行区域,从而降低运行风险。最后,通过搭建双馈风机同步并网仿真系统验证了风电机组能够根据系统运行状态的动态变化提供虚拟惯量响应,从而为并网系统提供可靠的动态稳定支撑。     

基于无速度传感器矢量控制的电机工程参数辨识

风力发电系统中发电机控制是比较重要的环节,各种风力发电机的控制算法在一定程度上依赖于准确的电机参数。首先分析了永磁同步发电机的数学模型及其控制策略,在分析一种基于锁相环模型和模型参考自适应原理的PMSG无速度传感器矢量控制方法的基础上,提出一种具有较强工程应用价值的永磁同步发电机的参数辨识方法。最后给出了各参数辨识的仿真模型和仿真结果。仿真研究结果验证了该控制方法的正确性和可行性。     

虚拟惯量控制对直驱风电机组载荷影响的分析及评估

针对虚拟惯量控制诱发风电机组机械载荷的问题,开展虚拟惯量控制对采用直驱永磁同步发电机（D-PMSG）的风电机组载荷影响的理论分析和仿真评估研究。从叶片、塔筒等机械结构低阶模态出发,建立虚拟惯量控制下D-PMSG线性化多体动力学模型,并通过线性化多体动力学模型分析虚拟惯量控制对机组载荷的影响机理。采用软件联合建模方法,构建涵盖永磁同步电机及其控制、电网、机械和气动特性等的D-PMSG非线性机电耦合模型。依据冲击载荷最大值、最大变化幅度百分比及等值疲劳载荷等指标,通过所建立的非线性机电耦合模型仿真分析并量化评估虚拟惯量控制对机组冲击载荷和动态疲劳载荷的影响。结果表明,D-PMSG附加虚拟惯量控制后,电网侧频率突变会使得传动轴和塔底侧向出现显著冲击载荷,且其随虚拟惯量时间常数增大而增大,在湍流风运行工况下机组传动轴和塔底侧向等值疲劳载荷较无附加虚拟惯量控制均有所减小。     

碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建及仿真

基于传感技术、物联网技术、仿真建模技术的数字孪生技术通过物理模型与数据驱动模型的融合,已成为一种实现物理实体的真实状态仿真比对与推演评估的先进且可行的新技术。碱性电解水制氢槽是电解水制氢系统中的关键设备,基于数字孪生技术构建碱性电解槽运行特性模型,实现其特性仿真与状态评估中的应用,对电解槽的信息化、数字化及对可再生能源发电制氢系统的整体优化具有重要意义。该文首先基于碱性电解槽相关试验及制氢机理,建立了碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型;然后选择电解槽总电压、总电流及槽体温度等特性表征参数作为观测变量,融合数学驱动模型和电化学机理模型,构建碱性电解槽运行特性数字孪生体系统;最后基于Matlab/Simulink实现碱性电解槽数字孪生模型的仿真,主要包括温升特性仿真模型、功率调节仿真模型、产氢效率仿真模型和分离罐特性仿真模型。     

基于永磁直驱同步风电机组的分频海上风电系统控制策略

海上风电经分频输电线路传输的研究近年来引起国内外的关注。由去除机端换流器的多台基于永磁直驱同步发电机(PMSG)的风电机组、海底电缆和交交变频器组成的分频海上风电系统,可通过线路末端的交交变频器控制PMSG的转速捕获风能,可节省初始投资和运行维护费用。考虑变压器和输电线路的影响后,推导出分频海上风电系统的准稳态模型,基于转子平均磁链定向给出多机矢量控制器的设计原理;从曲线拟合的角度,给出多机组运行频率的求解方法;以4台PMSG为例,搭建了分频海上风电系统仿真模型。结果表明采用多机矢量控制方法,在不同风速条件下,风电机组的转速均能够跟随指令值,并实现风能的最优捕获。     

并网永磁直驱式风电系统的模态分析

为研究永磁直驱风电系统（PMSG）并网后自身的稳定性问题,进行了并网风电系统的模态分析。建立了适用于系统小扰动稳定分析的PMSG风电系统模型,研究了并网风机无穷大系统的模式特性。采用特征值法分析了轴系模型、轴系刚性参数、运行点、并网距离对并网风电系统模式的影响。并在PSCAD/EMTDC上建立了相应的非线性模型,利用Prony方法对输出功率曲线进行模式识别,验证了模态分析结论。研究从模态分析的角度说明了轴系双质块建模的重要性,以及上述参数对并网PMSG稳定性影响的相关结论,结果有助于了解并网PMSG风电系统稳定性问题的本质。     

使用无速度传感器的PMSG单位功率因数控制

使用永磁同步发电机(PMSG)的直驱风电系统目前发展很快,PMSG的控制对系统性能非常重要,其中无速度传感器控制也受到了广泛关注。为推进此一技术,采用单位功率因数控制方法控制永磁同步发电机以降低永磁直驱风电系统变流器的功率等级;采用基于锁相环的无速度传感器控制策略对电机转速和相位进行观测。实验结果表明在永磁直驱风电系统中,单位因数控制可以有效降低变流器容量,无速度传感器控制可以替代常规编码器参与控制并获得良好效果,从而证实了所采用的单位因数控制和无速度传感器控制策略的有效性。     

数字孪生虚拟电厂系统框架设计及其实践展望EI北大核心CSCD

随着国家“双碳”及“构建以新能源为主体的新型电力系统”等目标的提出,清洁化、数字化越来越成为电力系统面临的迫切需求。虚拟电厂基于先进的控制、计量、通信等技术聚合需求侧海量多元分布式资源,可以通过多样化的调节手段为电力系统提供必要的灵活性支撑,并同时助力可再生能源消纳。而数字孪生技术利用大数据、云计算、人工智能等数字技术对分布式资源物理实体的特征、行为、过程和性能等进行虚拟建模,是实现虚拟电厂运行优化的理想途径。该文展望虚拟电厂未来技术发展方向,基于数字孪生的概念、架构和特征,提出数字孪生虚拟电厂系统,深入阐述数字孪生虚拟电厂的内涵,构建基于物理实体、数字孪生体、孪生数据、连接以及智能应用等的数字孪生虚拟电厂总体架构,分析相关关键技术,并对其未来应用实践进行总结与展望。     

考虑电转气-碳捕集-氢燃料电池的“以气定热”整体建模与优化

提出一种考虑电转气(P2G)、碳捕集系统(CCS)和氢燃料电池(HFC)的“以气定热”整体建模方式。考虑P2G的碳-氢耦合过程，构建P2G-CCS-HFC(PCH)联合运行框架；提出“以气定热”建模方式，建立PCH整体模型，同步分析其电、热、气和碳能量耦合特性；基于PCH、热电联产机组、燃气锅炉和储能设备，构建考虑碳交易机制的综合能源系统(IES)低碳经济调度模型；设置多个运行场景，验证PCH对碳减排的贡献度。仿真结果表明，采用在“以气定热”建模方式下的PCH模型可以较大程度降低IES整体碳排放量和IES运行成本。     

基于氢储能的主动型永磁直驱风电机组建模与并网控制

针对风电并网功率波动性及高渗透弃风现象,采用共直流母线主动型永磁直驱风电机组结构,建立基于氢储能的永磁直驱风电机组模型,并提出变流器与功率管理协调控制策略。永磁同步发电机与电解槽、燃料电池、蓄电池组汇集直流母线,考虑电解槽需电制氢、燃料电池需氢发电等特性,利用变流器协调控制及功率管理策略,实现风电功率波动抑制、降低风电弃风比例、风电绿色并网。通过PMCAD/EMTDC仿真平台,证明了模型及其控制策略的有效性,有利于风电高渗透并网运行。