CN103793563A - 一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，包括：风速模拟模块、风能收集以及传动系统模拟模块、以双馈风力发电机为主体的风电场等效模拟模块、控制系统模拟模块、牵引变电站模拟模块、牵引供电线路模拟模块、交直型电力机车主电路模拟模块以及交直型电力机车转速、电流双闭环直流调速控制系统。因此，本发明具有如下优点：满足了对于交直机车负荷特性研究的模型需求，克服了传统软件对风电场在复杂负荷条件下的动态响应模拟不足的缺点，为解决电铁负荷相关电能质量问题与风电场在复杂负荷条件下的相应问题提供了有效工具。通过仿真，为解决在复杂负荷条件下如何提高电网供电可靠性这一问题提供了参考依据。

Description

一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统
 
技术领域
本发明涉及一种等效模拟模块与交直机车及其供电系统，尤其是涉及一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统。
背景技术
电气化铁路的高速发展与风力发电等新能源的大规模接入，为电网引入了大量含以整流器与逆变器为代表的电力电子装置的具有复杂随机性的负荷与电源，给传统电网带来众多干扰源。相比于其它器件如发电机、电动机等，电力电子装置如整流器、逆变器等对电能质量的要求较高，能够承受的电压范围较小，过载能力较低。传统仿真软件基于常规电器元件建立的模型不足以精细模拟处于复杂负荷环境下风电机组的动态行为，并且缺少研究电气化铁路的模型。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种满足了对于交直机车负荷特性研究的模型需求，克服了传统软件对风电场在复杂负荷条件下的动态响应模拟不足的缺点，为解决电铁负荷相关电能质量问题与风电场在复杂负荷条件下的相应问题提供了有效工具。通过仿真，为解决在复杂负荷条件下如何提高电网供电可靠性这一问题提供了参考依据的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，包括：
一风速模拟模块：根据组合风速的模拟模块原理，建立包括基本风、阵风、渐变风、噪声风；
一风能收集以及传动系统模拟模块：根据输入的风速、偏航角、桨距角、发电机转速输出轴端机械出力；
一个以双馈风力发电机为主体的风电场等效模拟模块，将风力机输入的机械功率转换为电能；
一控制系统模拟模块：能够调整偏航系统、风力机桨距角和发电机转子电流；
一牵引变电站模拟模块：采用交直型电铁负荷常用的V/v结线与Scott结线，将三相交流电变为单相交流电并降压；
一牵引供电线路模拟模块：采用常用的AT供电方式，将牵引变电站输出的电能传输到电力机车；
一交直型电力机车主电路模拟模块：选用SS9型，并且做适当简化，由受电弓从牵引供电网取电；
一交直型电力机车转速、电流双闭环直流调速控制系统：对机车速度进行控制。
其中，风速模拟模块、风能收集以及传动系统模拟模块、风电场等效模拟模块依次连接；所述控制系统模拟模块同时与风能收集以及传动系统模拟模块和风电场等效模拟模块连接；所述牵引变电站模拟模块、牵引供电线路模拟模块、交直型电力机车主电路模拟模块以及转速、电流双闭环直流调速控制系统依次连接；所述牵引变电站模拟模块和风电场等效模拟模块同时与电网连接。
在上述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，所述风速模拟模块的具体工作步骤如下：利用模式识别辨识现场记录的历史时间风速数据库,匹配最佳的曲线组合,多组数据聚类分析出多种风特征类型模型,建立基本风、阵风、渐变风、噪声风数据库,根据需要调用不同类型风速输出。
在上述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，所述风能收集以及传动系统模拟模块的具体工作步骤如下：利用相似原理根据实验测量的模型风机的转速、风速、桨叶角和轴功率模型特性曲线，换算成实际风机的运行特性曲线，通过查表插值由风速、转速、桨叶角输入数据获取实际风机轴功率输出。
在上述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，所述风电场等效模拟模块的具体工作步骤如下：利用概率统计平均原理，将多台风机的随机功率输出平均等效为单台等值风机，以统计均值功率输出作为集合等效风机的功率输出，单机波动的1/N，作为等效风机波动，其中N为总风机台数；根据不同风速、转速、桨叶角输入数据下的转换效率系数和发电机效率计算等效的电网有功功率输出，并根据电网运行节点处的电压调整无功功率输出，满足系统稳定运行的要求。
在上述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，所述控制系统模拟模块的具体工作步骤如下：利用现代控制理论建立多输入多输出状态方程控制系统模型，实现偏航系统控制、风力机桨距角控制、转子侧逆变器的开关状态控制、发电机输出的有功和无功功率以及机械转速的控制，运行状态检测和撬杠保护信号输出。
在上述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，所述牵引变电站模拟模块的具体工作步骤如下：按照实际V/v与Scott牵引变压器接线构造模型，简化变电站中的测量以及保护元件，将由电网取得的三相交流电变为单相交流电输入牵引供电系统。
在上述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，所述牵引供电线路模拟模块的具体工作步骤如下：采用AT供电方式，模拟在牵引变电站引出的单相交流电经过的输电线路上每隔一段距离添加自耦变压器吸流的原理构成供电回路，为电流流向负荷以及流回牵引变电站提供通道。
在上述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，交直型电力机车主电路模拟模块的具体工作步骤如下：模拟交直机车负荷，从牵引供电系统取得27.5kV单相交流电，通过车载变压器降压至1.5kV，再通过整流器得到直流电，之后输入直流电机，以模拟交直型机车的实际工作情况。
因此，本发明具有如下优点：满足了对于交直机车负荷特性研究的模型需求，克服了传统软件对风电场在复杂负荷条件下的动态响应模拟不足的缺点，为解决电铁负荷相关电能质量问题与风电场在复杂负荷条件下的相应问题提供了有效工具。通过仿真，为解决在复杂负荷条件下如何提高电网供电可靠性这一问题提供了参考依据。
附图说明
附图1是本发明的系统结构原理示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
首先，介绍一下本发明的具体系统结构：
本发明在于填补传统模型中关于电铁负荷模型的空白，并且克服传统软件对风电机组在随机波动扰动时对动态过程模拟时存在的问题，由物理特性的角度在PSCAD上建模。具体包括：
（1）根据组合风速的模型原理，建立包括基本风、阵风、渐变风、噪声风的风速模型；
（2）建立风能收集以及传动系统模型，根据输入的风速、偏航角、桨距角、发电机转速输出轴端机械出力；
（3）建立以双馈风力发电机为主体的风电场等效模型，将风力机输入的机械功率转换为电能；
（4）建立能够调整偏航系统、风力机桨距角和发电机转子电流的控制系统模型；
（5）建立牵引变电站模型，选用交直型电铁负荷常用的V/v结线与Scott结线，将三相交流电变为单相交流电并降压；
（6）建立牵引供电线路模型，选用常用的AT供电方式，将牵引变电站输出的电能传输到电力机车；
（7）建立交直型电力机车主电路模型，选用SS9型，并且做适当简化，由受电弓从牵引供电网取电；
（8）建立交直型电力机车转速、电流双闭环直流调速控制系统，对机车速度进行控制。
模型建立于国际运用广泛的电磁暂态软件PSCAD/EMTDC平台上，采用了分模块搭建的方式，使用方便，可用于研究大规模风电场与电铁负荷接入电力系统后对电网的影响及其相互作用，为改善电网运行状态提供设计与研究的工具。
以下是结合上述系统结构的一个具体实施例：
结合图1说明模型的结构和功能：1.2风速模型基于组合风即基本风、阵风、渐变风、噪声风的原理实现风速模拟，输出风速给1.3风力机与传动系统模型，而1.3风力机与传动系统模型参考了国内广泛使用的FD-77机组建立了多质量块模型，实现对偏航信号、桨距角调节和风速的动态响应，进而输出机械功率到1.4发电机和逆变器模型。1.5风力机系统控制模型对偏航系统、风力机桨距角、转子侧逆变器的开关状态进行控制，进而调整发电机输出的有功功率、无功功率以及机械转速。1.2风速模型、1.3风力机与传动系统模型、1.4发电机和逆变器模型与1.5风力机系统控制模型共同构成风力发电机组模型，在此基础上调整参数，得到风电场等效模型。
另一方面，1.6牵引变电站有电网获取三相交流电，由于其结线方式（V/v结线或Scott结线），输出降压后的单相交流电进入1.7牵引供电网，其采用AT供电方式，具体来说，就是每10km左右在接触网与正馈线之间并入一台自耦变压器，并且使其中点与钢轨相接。AT供电方式有以下优点——供电能力大、电压损失小、供电距离长、工程造价低等。1.7牵引供电网将电能输送至1.8(SS9交直型电力机车主电路)，通过车载变压器再次降压接入三段桥整流器得到直流电为直流电机提供能量。
SS9交直型机车采用晶闸管无极弱磁调速。简化起见，模型不考虑弱磁控制。对于串励直流牵引电机，控制对象是转速，控制变量为电枢电压与励磁电流，由于不考虑弱磁，励磁电流与电枢电流相同，而电机输出电磁转矩由电枢电流大小决定，为得到速度及转矩的共同平衡，需要采用1.9转速电流双闭环控制系统。
1.6牵引变电站、1.7牵引供电网、1.8(SS9交直型电力机车主电路)、1.9转速电流双闭环控制系统共同构成SS9交直型电力机车模型。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，包括：
一风速模拟模块：根据组合风速的模拟模块原理，建立包括基本风、阵风、渐变风、噪声风；
一风能收集以及传动系统模拟模块：根据输入的风速、偏航角、桨距角、发电机转速输出轴端机械出力；
一个以双馈风力发电机为主体的风电场等效模拟模块，将风力机输入的机械功率转换为电能；
一控制系统模拟模块：能够调整偏航系统、风力机桨距角和发电机转子电流；
一牵引变电站模拟模块：采用交直型电铁负荷常用的V/v结线与Scott结线，将三相交流电变为单相交流电并降压；
一牵引供电线路模拟模块：采用常用的AT供电方式，将牵引变电站输出的电能传输到电力机车；
一交直型电力机车主电路模拟模块：选用SS9型，并且做适当简化，由受电弓从牵引供电网取电；
一交直型电力机车转速、电流双闭环直流调速控制系统：对机车速度进行控制；
其中，风速模拟模块、风能收集以及传动系统模拟模块、风电场等效模拟模块依次连接；所述控制系统模拟模块同时与风能收集以及传动系统模拟模块和风电场等效模拟模块连接；所述牵引变电站模拟模块、牵引供电线路模拟模块、交直型电力机车主电路模拟模块以及转速、电流双闭环直流调速控制系统依次连接；所述牵引变电站模拟模块和风电场等效模拟模块同时与电网连接。
2.根据权利要求1所述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，所述风速模拟模块的具体工作步骤如下：利用模式识别辨识现场记录的历史时间风速数据库,匹配最佳的曲线组合,多组数据聚类分析出多种风特征类型模型,建立基本风、阵风、渐变风、噪声风数据库,根据需要调用不同类型风速输出。
3.根据权利要求1所述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，所述风能收集以及传动系统模拟模块的具体工作步骤如下：利用相似原理根据实验测量的模型风机的转速、风速、桨叶角和轴功率模型特性曲线，换算成实际风机的运行特性曲线，通过查表插值由风速、转速、桨叶角输入数据获取实际风机轴功率输出。
4.根据权利要求1所述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，所述风电场等效模拟模块的具体工作步骤如下：利用概率统计平均原理，将多台风机的随机功率输出平均等效为单台等值风机，以统计均值功率输出作为集合等效风机的功率输出，单机波动的1/N，作为等效风机波动，其中N为总风机台数；根据不同风速、转速、桨叶角输入数据下的转换效率系数和发电机效率计算等效的电网有功功率输出，并根据电网运行节点处的电压调整无功功率输出，满足系统稳定运行的要求。
5.根据权利要求1所述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，所述控制系统模拟模块的具体工作步骤如下：利用现代控制理论建立多输入多输出状态方程控制系统模型，实现偏航系统控制、风力机桨距角控制、转子侧逆变器的开关状态控制、发电机输出的有功和无功功率以及机械转速的控制，运行状态检测和撬杠保护信号输出。
6.根据权利要求1所述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，所述牵引变电站模拟模块的具体工作步骤如下：按照实际V/v与Scott牵引变压器接线构造模型，简化变电站中的测量以及保护元件，将由电网取得的三相交流电变为单相交流电输入牵引供电系统。
7.根据权利要求1所述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，所述牵引供电线路模拟模块的具体工作步骤如下：采用AT供电方式，模拟在牵引变电站引出的单相交流电经过的输电线路上每隔一段距离添加自耦变压器吸流的原理构成供电回路，为电流流向负荷以及流回牵引变电站提供通道。
8.根据权利要求1所述的一种风电场等效模拟模块与交直机车及其供电系统，其特征在于，交直型电力机车主电路模拟模块的具体工作步骤如下：模拟交直机车负荷，从牵引供电系统取得27.5kV单相交流电，通过车载变压器降压至1.5kV，再通过整流器得到直流电，之后输入直流电机，以模拟交直型机车的实际工作情况。
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