CN103558768B - 一种基于风电场内风速分布特性的等值建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,包括以下步骤:采集目标风电场的拓扑结构;根据地形状况对场内的风机进行分组,每个组内包含多个机群;对每个机群建立简化的机械模型;建立整个风场的等效单机电气模型,包括绕线转子异步发电机状态空间模型,定子侧直接连接等效的单元变压器,转子侧接等效的背靠背变流器;以及设定直流母线电压的设定值与单台机相同,电网侧与转子侧的脉冲宽度调制控制策略以等效的受控电压源代替,建立等效变流器模型。所述建模方法能够更好的满足实际应用的要求。
Description
技术领域
本发明属于电力系统仿真领域。尤其涉及一种基于风电场内风速分布特性的等值建模方法。
背景技术
近年来,风力发电技术取得了许多重要进展,国内许多大型风力发电厂纷纷并网发电。在建立风电场以及投入运行后,需要利用数值仿真软件计算风电并网后的潮流分布特性以及系统稳定性变化等,因此风电场的准确、有效建模显得尤为重要。
在大型风电并网的仿真中,若对每台双馈风电机组及其控制系统进行详细建模,将极大增加仿真的复杂度,从而限制了仿真的有效性和快速性。另一方面,在实际的生产中又规定风电场应及时提供双馈风电机组、各变压器以及输电线路的模型和参数,以作为发电领域中并网规划设计与电力系统分析的重要基础。因此需要建立充分考虑风电机械特性、风力机惯量特征以及控制器性能,同时又兼顾模型复杂度的等值模型。
中国专利文献CN101661530A为本发明最接近的现有技术,然而,对于大型风电场,由于尾流效应以及风电场内双馈风电机组的位置不同,各机组的风速分布基本上是不均匀的,各发电机组的运行点可能相差较大,现有建模方法一般很难精确考虑上述各因素,因而使得现有的风电场等值建模方法中风电场等值精度差、等值难度高,在精度上和规范化标准上仍然没有达到实用的要求。
发明内容
综上所述,确有必要提供一种能够提高风电场精度、降低等值难度的风电场的等值建模方法。
一种基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,包括以下步骤:采集目标风电场的拓扑结构;根据地形状况对场内的风机进行分组,每个组内包含多个机群;对每个机群建立简化的机械模型;建立整个风场的等效单机电气模型,包括绕线转子异步发电机状态空间模型,定子侧直接连接等效的单元变压器,转子侧接等效的背靠背变流器;以及设定直流母线电压的设定值与单台机相同,电网侧与转子侧的脉冲宽度调制控制策略以等效的受控电压源代替,建立等效变流器模型。
本发明所提供的风电场内风速分布特性的等值建模方法,根据地形状况首先对风机进行分组,同时将直流母线电压的设定值设定为与单台机相同,从而简化了电气模型,能够同时兼顾计算精度和计算规模的要求,能够更好的满足实际应用的要求。
附图说明
图1为本发明提供的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法的流程图。
图2为本发明提供的仿真风电场外部连接形式与内部单元布局。
图3为本发明提供的机群机械模型仿真原理图。
图4为本发明提供的各控制器框图(a:有功功率控制b:无功功率控制c:桨距角控制)。
图5为本发明提供的单台机详细模型仿真框图。
图6为本发明提供的多机群机械模型与风场单机电气模型接口示意图。
图7为本发明提供的简化变流器仿真原理图。
图8为本发明提供的单台机、机群、单台机等值模型与等值集电线路关系示意图。
图9为本发明实施例提供的2台机静态仿真结果(a:风速-有功功率b:等值模型与详细模型的误差)。
图10为本发明实施例提供的的恒功率因数无功控制静态仿真结果(a:风速-有功功率b:575V母线电压c:25kV母线电压)。
图11为本发明实施例提供的恒电压无功控制静态仿真结果(a:风速-有功功率b:575V母线电压c:25kV母线电压)。
图12为本发明实施例提供的恒功率因数无功控制时对实际风速序列的时域响应(a:实际采集的风速序列b:有功功率c:无功功率)。
图13为本发明实施例提供的恒电压无功控制时对实际风速序列的时域响应(a:有功功率b:无功功率)。
图14为本发明实施例提供的风场对电网侧电压闪变的动态响应波形(a:有功功率b:无功功率c:575V与25kV母线电压)。
具体实施方式
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
本申请中,所述“机群”指的是经过同调等值后的一群风电机组,每一个机群对外只呈现该群机组的机械特性;“单台机”指的是实际中每一个独立的发电单元,即一台风力机与一台发电机;“风场的单机电气等值模型”或“单机等值模型”指的是整个风场与电网之间用一个单台机的等效电路与控制参数进行耦合后的接口;假定每个风电场内的机组为同一型号的风机,且控制方式、控制参数完全相同。
请参阅图1,图1为本发明提供的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法的流程图,包括以下步骤:
步骤S10,采集目标风电场的拓扑结构;
步骤S20,根据地形状况对场内的风机进行分组,每个组内包含多个机群;
步骤S30,对每个机群建立简化的多机模型;
步骤S40,建立整个风场的等效单机电气模型;以及
步骤S50,建立等效变流器模型。
在步骤S10中,所述风电场的拓扑结构包括集电线路长度、集电线路分布参数、联络变压器参数、单元变压器参数、转子机械参数、发电机电气参数、控制参数、风力气动模型参数、变流器参数等。
在步骤S20中,对于平原地区或者海上风电场,可以简单地按照下风口方向的顺序进行编组;对于山地风电场,可以按照风速分布、地理位置和海拔高度的不同进行编组,如相同的风速编为一组,或相同的地理位置可编为一组,或相同的海拔编为一组。由于每个组内的机群都忽略了电气部分的建模,因此分组数目可以较多,从而较为精确体现风场的外特性。作为具体的实施例,请一并参阅图2所述风电场,所述风电场可包括两种分类方法。第一种分类方法:按照每台机组划分为9个机群;第二种分类方法:按照下风口方向划分为3个机群,即每一列组成一个机群,每个机群包含1个发电机模型。
需要注意,对于第二种分类方法,需要按照能量等值的方法得到该机群内的等效风速,具体方法为:在机群内的风机风速差别不大的前提下,假定该机群内各台风机(n台)的风速为u1,u2…un,则风能中包含的最大可利用能量Ptotal为:
式中Pwind表示最大风功率-风速关系,ρ为空气密度,A为风机桨叶平面的迎风面积,Cp_max为最大风能利用率,可以按照上式中的方法计算,或者按照风场的实测数据进行差值处理。此时平均可利用风能为:
Pavg=Ptotal/n
则该机群内的等效风速为:
Uavg=Pwind -1(Pavg)。
在步骤S30中,请一并参阅图3,所述机械模型中主要包含单质块转子模型、MPPT控制模型、桨距角控制模型,每一个机群的输入电磁转矩由整场单机模型和转矩分配单元提供。其中,单质块的机械转动惯量为风机转子与发电机转子惯量之和,MPPT采用最优转矩控制,根据瞬时测量的转速与转速-功率曲线确定电磁转矩参考值Tcmd并输出到矢量控制模块。请一并参阅图4,另外,每一个机群设置一个桨距角控制器,从而避免转子在瞬态过程中过速,其控制器可以采用比例控制器,这样可以减少计算时的内存需求,同时带来的动态误差可以忽略。
在步骤S40中,请一并参阅图5,建立整个风场的等效单机电气模型,即绕线转子异步发电机状态空间模型,定子侧直接连接等效的单元变压器,转子侧接等效的背靠背变流器。该等效单机电气参数标幺值与单台机参数相同,容量进行等比例放大。风场等值模型与电网之间通过等效单元变压器连接,该单元变压器也进行同样的容量放大,参见图6。所述转矩与转速等值模块是简化的机械模型与整场发电机模型之间的接口,具体处理方法为:采集各机械模型输出的电磁转矩指令值Tcmd_i(i=1…n);求和后得到整场的转矩指令值Tcmd_eq并输出到等效的转子侧变流器控制单元;变流器在矢量控制的作用下调节转子电流,进而使得输出的电磁转矩与指令值吻合;等效转速ωr_eq根据电磁功率相等的原则计算,即:
式中ωri为第i台风机的转速。另外,实时计算的电磁转矩实际值需要按比例分配给各机群单元:
式中Tg_i为第i台风机的电磁转矩,Te为单机等值模型输出的电磁转矩。
在步骤S50中,直流母线电压设定值与单台机相同,并对开关器件特性进行简化,只考虑基波电流效应,电网侧与转子侧的脉冲宽度调制(Pulse width Modulation,PWM)控制策略用等效的受控电压源代替。所述简化的变流器模型原理请参阅图7,变流器网侧为耦合阻抗,阻抗标幺值与单台机相同,两侧的受控电压源电压值(uab_grid、ubc_grid、uab_rot与ubc_rot)由矢量控制单元中的调节器产生,其需要根据直流母线电压实时调整阈值。直流母线电容值为n倍单机的电容值,其瞬时电压由网侧的输入功率Pgrid和转子侧的输出功率Prot共同决定,各功率表达式分别为:
Pgrid=uab_grid·ia_grid-ubc_grid·ic_grid,
Prot=uab_rot·ia_rot-ubc_rot·ic_rot,
式中ia_grid与ic_grid分别为变流器网侧支路的A相、C相电流,ia_rot与ic_rot分别为变流器转子侧支路的A相、C相电流。直流母线电容C上的能量Edc为:
式中udc为直流母线电容电压值。对上式求导得到:
进而可以得到udc的迭代计算流程:
进一步的,若集电线路过长,应当考虑该因素对风电场外特性的影响,根据风电场内部线路拓扑提取等值集电线路参数,并串联到步骤S40中的等值单机电路的定子侧。这里的集电线路模型为π形等值电路,具体参数含义见图8。所述等效单机电气模型的等效包括如下部分:
1)单元变压器等效。由于同一机群内的单元变压器参数相同,因此变压器等值电路参数处理方法与发电机一致,即标幺值不变而容量扩大n倍(n为集群内的发电机台数)。
2)链式结构等效。对于安装在一条馈线上由多台风力发电机组成的链式结构,可作如下处理。变压器阻抗等效合并入发电机的定子端,另外通常发电机变压器到馈线的距离很短,其阻抗也可忽略。由于待等值的机群内,各风机处于相近的工作点,可以假定各发电机输出的电流相同:
式中下标表示该机群内的风力发电机编号,n表示发电机台数,I表示定子电流相量的幅值,θ表示电流相位,此时总电流为
各阻抗两端的电压降为:
各阻抗上的视在功率损耗为:
总的视在功率损耗S为:
假设等值阻抗为Zs,根据视在功率损耗等效的原则:
S=Is 2Zs
得到简化的等效电路中集电线路的等值阻抗为:
3)并联结构等效。并联结构即若干台风机通过各自线路并联到同一母线上的情况。此时,可以做类似的处理,假定各发电机的输出电流相同,并联支路总的输出电流为:
其中ni为第i各并联支路上的串联风机台数。假定各并联支路的阻抗为Zi,则各分支的视在功率损耗为:
SZ1=I1 2Z1
SZ2=I2 2Z2
SZn=In 2Zn
总的视在功率损耗Sp为:
Sp=SZ1+SZ2+...SZn=I2(n1 2Z1+n2 2Z2+...nn 2Zn)
因此串联等值阻抗Zp应为:
4)并联电纳等效。并联电纳主要指的是线路的对地等效电容。由于电容器产生的无功功率正比于电压幅值,而正常情况下电压幅值在1p.u.附近,所以并联电纳可以等效为网络中所有并联电纳之和,即风电场内总的并联电纳B表达式为:
式中Bi为第i条集电线路的对地并联电纳。
在Matlab/Simulink软件中搭建了风电场的详细模型与等值模型,并将上述步骤得到的各动态、静态等值参数输入各模块。
在一具体的实施例中,在风电场的拓扑结构中各参数参下表1-8所示:
表1传输线电气参数
单位长度传输线电阻(Ω/km) | 0.0221 |
单位长度传输线电感(μH/km) | 359.69 |
单位长度传输线电容(pF/km) | 27.0 |
表2电网侧滤波电抗器
额定容量(MVA) | 2500 |
额定电压(kV) | 120 |
正序电阻(p.u.) | 0.10 |
正序电感(p.u.) | 1.0 |
零序电阻(p.u.) | 0.30 |
零序电感(p.u.) | 3.0 |
表3 PCC点主变压器参数
绕组连接形式 | Yg/△ |
额定容量(MVA) | 20 |
额定电压(kV) | 120/25 |
高压侧电阻(p.u.) | 2.67e-3 |
高压侧漏感(p.u.) | 0.08 |
低压侧电阻(p.u.) | 2.67e-3 |
低压侧漏感(p.u.) | 0.08 |
励磁电感(p.u.) | 500 |
励磁电阻(p.u.) | 500 |
表4风机单元变压器参数
绕组连接形式 | △/Yg |
额定容量(MVA) | 1.75 |
额定电压(kV) | 25/0.575 |
高压侧电阻(p.u.) | 8.33e-4 |
高压侧漏感(p.u.) | 0.025 |
低压侧电阻(p.u.) | 8.33e-4 |
低压侧漏感(p.u.) | 0.025 |
励磁电感(p.u.) | 500 |
励磁电阻(p.u.) | 500 |
表5风力发电机电气与机械参数
额定功率(MW) | 1.5 |
额定电压(kV) | 0.575/1.975 |
定子电阻(p.u.) | 0.023 |
定子漏感(p.u.) | 0.18 |
转子电阻(p.u.) | 0.016 |
转子漏感(p.u.) | 0.16 |
励磁电感(p.u.) | 2.9 |
机械惯量(s) | 0.685 |
机械阻尼系数(p.u.) | 0.01 |
极对数 | 3 |
表6转子侧交直交变流器参数
网侧最大电流(p.u.) | 0.80 |
网侧耦合电阻(p.u.) | 0.003 |
网侧耦合电感(p.u.) | 0.3 |
直流母线电压参考值(kV) | 1.15 |
直流母线电容(F) | 0.01 |
定子滤波电容额定容量(kvar) | 50.0 |
表7风力机与风功率参数
额定功率(MW) | 1.5 |
空气密度(kg/m3) | 1.12 |
桨叶直径(m) | 66.10 |
额定风速(m/s) | 12.0 |
切出风速(m/s) | 16.0 |
切入风速(m/s) | 5.0 |
机械惯量(s) | 4.32 |
传动轴弹性系数(p.u./rad) | 1.11 |
传动轴阻尼系数 | 1.5 |
表8控制器参数
作为具体的实施例,下面为各种动静态、仿真的验证过程。
静态仿真效果。为了说明问题,首先采用两台发电机组成的简单风场进行仿真。两台风机的额定功率为1.5MW,两台机的轮毂处风速分别在7-13m/s之间变化,得到各种风速分布下的风场出口处静态有功功率,参见图9(a)。可以看到,两台风机都处于额定风速以下时,随着风速增加输出有功迅速增大,且增长速度快于风速的提高。当有一台风机风速达到额定风速以上时,输出有功增长明显减慢。当两台风机风速都达到额定风速时,输出有功基本不变,被限制在2.909MW(0.97p.u.)附近,接近额定功率3MW,此时输出功率的效率为96.97%。仿真效果与MPPT的目标控制效果吻合,可以反映风机的控制特点及风能的机械特性。
为了检验影响建模误差的因素,使用上面等值模型的计算结果与详细模型进行了对比,误差见图9(b)。可以看到,当两台机的风速接近时,有功输出的误差最小;而当风速相差较大时,仿真误差也迅速增大(由图中的等高线密度可以看出)。因此在做机群分类时,风速分布的对最终的静态等值效果影响将会非常显著,建议同一个机群内的风速差别不要超过2m/s。
稳态计算中还需要验证建模方式对系统电压稳定性的影响,包含风场在两种无功控制模式(恒定电压、恒定功率因数)下的P-V曲线特性。仿真中的系统如图1,外部电网为中性点接地的无穷大电源,PCC点额定电压为120kV,通过滤波电抗器、主变压器和架空线接入风场,其中架空线长度为30km,主变低压侧额定电压为25kV,在该节点处还需设置一个恒功率源(P=5MW,Q=8Mvar)用以模拟本地负荷。风电场详细模型由9台1.5MW风机组成,风电场几何尺寸为:行间距0.5km,列间距0.4km,25kV母线到风机WT1的架空线长度为0.3km。为了说明问题,仿真中的机群都只由一台风机组成,即有9个机群。等值建模时,需要对场内的集电线路进行等值,根据上面的方法,得到风场对外的等效串联阻抗为:
R=0.0511Ω
L=831.24μH
C=291.6pF
应该将分布参数满足上式的π形网络(长度可以设为1km)置于风场出口从而计及内部网络的影响。图10为风机WT1处风速在8-15m/s之间时的风场有功出力特性以及各母线稳态电压标幺值(PV特性)。其中为了体现风速差异性,设置同一行风速沿行方向依次递减1m/s,沿列方向一次递减0.3m/s和0.5m/s,即:
风机编号 | 风速(m/s) | 风机编号 | 风速(m/s) | 风机编号 | 风速(m/s) |
WT1 | u | WT4 | u-1 | WT7 | u-2 |
WT2 | u-0.3 | WT5 | u-1.3 | WT8 | u-2.3 |
WT3 | u-0.5 | WT6 | u-1.5 | WT9 | u-2.5 |
由仿真结果可以看出,该发明提出的等值方法可以有效的模拟风电场有功出力特性和电压稳定特性。另外,该部分还验证了在恒定电压无功控制策略下的计算结果,见图11,可以看到,该控制策略使得风机在不同出力的情况下主动调整发出无功,从而使得机端电压维持恒定,并使主变低压侧25kV母线处的电压也得到一定的支撑。
相对于详细模型,等值模型在计算时间与内存需求方面得到了较大的改善。例如,对于9台风机组成的风电场,仿真100s的动态过程,详细模型需要576s,而等值模型只需要92秒;前者储存的状态变量为534个(其中风机部分为9*58=522个),后者仅为93个(其中风机部分为81个)。
实测风速序列的响应。为了检测等值模型在风速波动的动态过程中的响应精度,仿真中将实际风场采集的风速序列输入到详细模型与等值模型中,并比较了该过程(100s)内的有功、无功响应曲线,见图12和图13。为了消除仿真初始阶段的过渡过程对整个波形的影响,首先用风速序列中第一个时间点上的风速值作为输入,当曲线进入稳态20s后再输入实际的风速序列。图13为恒定电压控制时(Uref=1.0p.u.)风场出口处的有功功率和无功功率波形,可以看到等值模型的有功功率仿真精度高于无功功率,无功功率的波形有较为显著的直流误差(误差率在3%左右),然而575V母线与25kV母线上的电压精度一致,可以保证风场的外特性等效。从图中还可以看到,在恒定电压无功控制策略的作用下,当有功输出增大时,无功变化趋势基本与有功相同,从而能够补偿有功增大带来的电压降落。最后根据图12恒定功率因数控制下的有功与无功曲线,可以看到由于有功的变化决定于风速的波动规律,因此曲线与恒定电压控制时吻合,无功受制于机端电压和输出有功的变化也出现小幅度的波动,但平均值基本在0附近。
电压闪变暂态响应。为了检验等值模型在低电压闪变时的响应精度,在高压母线侧设置了三相短路故障,10s前各风机处风速恒定,10s时120kV母线电压突然降为0.1p.u.,故障于0.1s后切除,仿真结果见图14。需注意,虽然图中的无功补偿策略为恒定功率因数控制,理想情况下应该不发出无功,但是该策略中的无功闭环实际上是发出无功与端电压的双闭环,当网侧发生突然的故障而端电压低于0.9p.u.时,风电机组仍将发出一定的无功以维持端电压水平。
通过上述仿真研究,验证了本方案提出的风电场等值模型的合理性。此处已经根据特定的示例对本发明的应用情况进行了说明和分析,表明该方法可以有效地减少仿真计算量与计算时间,并可以用于风速分布特性明显或波动较快的过程,以及其他电力系统暂态稳定性计算或短路计算。
另外,本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化,当然这些依据本发明精神所作的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,包括以下步骤:
步骤S10,采集目标风电场的拓扑结构;
步骤S20,根据地形状况对场内的风机进行分组,每个组内包含多个机群;
步骤S30,对每个机群建立简化的机械模型;
步骤S40,建立整个风场的等效单机电气模型,包括绕线转子异步发电机状态空间模型,定子侧直接连接等效的单元变压器,转子侧接等效的背靠背变流器;以及
步骤S50,设定直流母线电压的设定值与单台机相同,电网侧与转子侧的脉冲宽度调制控制策略以等效的受控电压源代替,建立等效变流器模型。
2.如权利要求1所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,所述风电场的拓扑结构包括集电线路长度、集电线路分布参数、联络变压器参数、单元变压器参数、转子机械参数、发电机电气参数、控制参数、风力气动模型参数、变流器参数。
3.如权利要求1所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,对于平原地区或者海上风电场,按照下风口方向的顺序进行编组。
4.如权利要求1所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,对于山地风电场,按照风速分布、地理位置和海拔高度的不同进行编组。
5.如权利要求4所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,按照能量等值的方法得到该机群内的等效风速,包括以下步骤:
假定每个机群内n台风机的风速为u1,u2…un,则风能中包含的最大可利用能量Ptotal为:
式中Pwind表示最大风功率-风速关系,ρ为空气密度,A为风机桨叶平面的迎风面积,Cp_max为最大风能利用率;
此时平均可利用风能为:
Pavg=Ptotal/n;
则每个机群内的等效风速为:
Uavg=Pwind -1(Pavg)。
6.如权利要求1所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,所述机械模型中包含单质块转子模型、MPPT控制模型、桨距角控制模型,每一个机群的输入电磁转矩由整场单机模型和转矩分配单元提供。
7.如权利要求6所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,所述每一个机群的输入电磁转矩通过以下方式提供:
采集各机械模型输出的电磁转矩指令值Tcmd_i,i=1…n;
求和后得到整场的转矩指令值Tcmd_eq并输出到等效的转子侧变流器控制单元;
变流器在矢量控制的作用下调节转子电流,使得输出的电磁转矩与指令值吻合;
根据电磁功率相等的原则计算等效转速ωr_eq,即:
式中ωri为第i台风机的转速;
实时计算的电磁转矩实际值按比例分配给各机群单元:
式中Tg_i为第i台风机的电磁转矩,Te为单机等值模型输出的电磁转矩。
8.如权利要求1所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,所述直流母线电容值为n倍单机的电容值,其瞬时电压由网侧的输入功率Pgrid和转子侧的输出功率Prot共同决定,各功率表达式分别为:
Pgrid=uab_grid·ia_grid-ubc_grid·ic_grid,
Prot=uab_rot·ia_rot-ubc_rot·ic_rot,
式中ia_grid与ic_grid分别为变流器网侧支路的A相、C相电流,ia_rot与ic_rot分别为变流器转子侧支路的A相、C相电流,uab_grid、ubc_grid为电网侧的受控电压源电压值,uab_rot、ubc_rot为转子侧的受控电压源电压值。
9.如权利要求1所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,所述等效单机电气模型的等效包括单元变压器等效、链式结构等效、并联结构等效以及并联电纳等效。
10.如权利要求9所述的基于风电场内风速分布特性的等值建模方法,其特征在于,所述单元变压器等效中所述单元变压器的标幺值不变而容量扩大n倍,其中,n为机群内的风机台数。
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