CN103886178A - 一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，主要包括：分别对永磁直驱机组进行等值处理和对风电场内集电线路进行等值处理，然后整合各环节聚合参数，得到该永磁直驱机组风电场的聚合模型。本发明所述永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，可以克服现有技术中电网波动大、安全性差和适用范围小等缺陷，以实现电网稳定性好、安全性好和适用范围大的优点。

Description

一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法

技术领域

本发明涉及风力发电及其并网控制的风电场等值建模技术领域，具体地，涉及一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法。

背景技术

我国风电进入规模化发展阶段以后所产生的大型风电基地多数位于“三北地区”（西北、东北、华北），大型风电基地一般远离负荷中心，其电力需要经过长距离、高电压输送到负荷中心进行消纳。由于风资源的间歇性、随机性和波动性，导致大规模风电基地的风电出力会随之发生较大范围的波动，进一步导致输电网络充电功率的波动，给电网运行安全带来一系列问题。

截至2013年11月，甘肃电网并网风电装机容量已达到668万千瓦，约占甘肃电网总装机容量的21%，成为仅次于火电的第二大主力电源。随着风电并网规模的不断提高，风力发电的不确定性和不可控性给电网的安全稳定经济运行带来诸多问题。因此需要对大规模风力发电的相关问题进行深入分析研究，尤其需要研究大规模风电集中并网情况下的风电场聚合模型问题，用于含大规模风电的电力系统分析计算。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在电网波动大、安全性差和适用范围小等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，以实现电网稳定性好、安全性好和适用范围大的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，主要包括：分别对永磁直驱机组进行等值处理和对风电场内集电线路进行等值处理，然后整合各环节聚合参数，得到该永磁直驱机组风电场的聚合模型。

进一步地，所述对永磁直驱机组进行等值处理的操作，至少包括：

a、对永磁直驱机组的发电机模型参数进行等值处理；

b、对永磁直驱机组的轴系参数进行等值处理；

c、对永磁直驱机组的变压器参数进行等值处理；

d、对永磁直驱机组的风速进行等值处理。

进一步地，所述步骤a，具体包括：

假定n台同型号的风力发电机中有m台等值成为1台机组，则等值计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i=\mathrm{mS}\\ P_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=\mathrm{mP}\\ Q_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\mathrm{mQ}\\ X_{s-\mathrm{eq}}=\frac{x_s}{m}\\ r_{s-\mathrm{eq}}=\frac{r_s}{m}\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式（1）中，Seq表示等效发电机容量，Si表示第i台发电机容量；m为风电机组台数；Peq表示等效后的有功功率；P_i表示第i台机组的有功功率；P表示各机组的平均有功功率；Q_eq表示等效后的无功功率；Q_i表示第i台机组的无功功率；Q表示各机组的平均无功功率；X_s-eq为等效后的发电机定子电抗；x_s为发电机定子电抗；r_s-eq为等效后的发电机定子电阻；r_s为发电机定子电阻。

进一步地，所述步骤b，具体包括：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{g-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{gi}}={\mathrm{mH}}_g\\ H_{t-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{ti}}={\mathrm{mH}}_t\\ K_{s-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{si}}={\mathrm{mK}}_s\end{array}\right.---\left(2\right);$

在公式（2）中，H_{g_eq}为等效后的发电机转子惯性时间常数；H_g为发电机转子惯性时间常数；H_{t_eq}为等效后的风力机转子惯性时间常数；H_t为风力机转子惯性时间常数；K_{s_eq}为等效后的轴系刚度系数；K_s为轴系刚度系数；m为风电机组台数。

进一步地，所述步骤c，具体包括：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{T-\mathrm{eq}}={\mathrm{mS}}_T\\ Z_{T-\mathrm{eq}}=\frac{Z_T}{m}\end{array}\right.---\left(3\right);$

在公式（3）中，S_{T_eq}为等效后的变压器容量；ST为变压器容量；Z_{T_eq}为等效后的变压器阻抗；ZT为变压器阻抗；m为风电机组台数。

进一步地，所述步骤d，具体包括：

如采用基于桨距角动作情况的分群法时，等效风速为：

$v_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i---\left(4\right);$

在公式（4）中，v_i为第i台机组俘获的风速；则聚合模型捕获的机械功率为：

$P_m=m\left(\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_{p\max }{v}_{\mathrm{eq}}^3\right)---\left(5\right);$

在公式（5）中，m为机组台数，ρ为风功率密度，A为机组扫风面积，C_pmax为最大风能利用系数，v_eq为等效风速。

进一步地，所述对风电场内集电线路进行等值处理的操作，具体包括：

根据风电场集电线路接线方式的不同，对风电场内集电线路进行等值处理的操作不同，具体如下：

⑴干线式接线结构部分，等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{eq}\_n}=\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2{Z}_i\right]/n^2---\left(6\right);$

在公式（6）中，Z_{eq_n}为电缆的等效阻抗，n为线路上机组台数，Z_i为第i条电缆的阻抗；

⑵多条分支线路连接到同一节点上，如图2所示。则等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{eq}\_n}=\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2{Z}_i\right]/{\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\right]}^{2}n---\left(7\right);$

在公式（7）中，Z_{eq_n}为电缆的等效阻抗，n_m为每条线路上机组的台数，n为总的风机台数。

进一步地，对于电缆线路的对地导纳支路，可以忽略风电场内的电压差异，等值对地导纳Y_eq等于等值前所有导纳支路的和，即：

$Y_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i---\left(8\right).$

本发明各实施例的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，由于主要包括：分别对永磁直驱机组进行等值处理和对风电场内集电线路进行等值处理，然后整合各环节聚合参数，得到该永磁直驱机组风电场的聚合模型；该模型仿真计算结果与实际运行情况的误差在可以接受的范围内，能够可靠反映风电场实际运行特性，可以用于对大规模风力发电的相关问题进行深入分析，在大规模风电集中并网情况下，对含大规模风电的电力系统分析计算；该模型可以克服现有技术中电网波动大、安全性差和适用范围小的缺陷，以实现电网稳定性好、安全性好和适用范围大的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法中风电机组干线式接线部分的结构示意图；

图2为本发明永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法中多个风电机组并行连接的结构示意图；

图3为本发明永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1、图2和图3所示，提供了一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法。

本实施例的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，主要包括以下步骤：

步骤1：对永磁直驱机组发电机模型参数进行等值。

假定n台同型号的风力发电机中有m台等值成为1台机组，则等值计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i=\mathrm{mS}\\ P_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=\mathrm{mP}\\ Q_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\mathrm{mQ}\\ X_{s-\mathrm{eq}}=\frac{x_s}{m}\\ r_{s-\mathrm{eq}}=\frac{r_s}{m}\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式（1）中，Seq表示等效发电机容量，Si表示第i台发电机容量；m为风电机组台数；Peq表示等效后的有功功率；P_i表示第i台机组的有功功率；P表示各机组的平均有功功率；Q_eq表示等效后的无功功率；Q_i表示第i台机组的无功功率；Q表示各机组的平均无功功率；X_s-eq为等效后的发电机定子电抗；x_s为发电机定子电抗；r_s-eq为等效后的发电机定子电阻；r_s为发电机定子电阻。

步骤2：对轴系参数进行等值。

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{g-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{gi}}={\mathrm{mH}}_g\\ H_{t-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{ti}}={\mathrm{mH}}_t\\ K_{s-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{si}}={\mathrm{mK}}_s\end{array}\right.---\left(2\right);$

在公式（2）中，H_{g_eq}为等效后的发电机转子惯性时间常数；H_g为发电机转子惯性时间常数；H_{t_eq}为等效后的风力机转子惯性时间常数；H_t为风力机转子惯性时间常数；K_{s_eq}为等效后的轴系刚度系数；K_s为轴系刚度系数；m为风电机组台数。

步骤3：对变压器参数进行等值。

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{T-\mathrm{eq}}={\mathrm{mS}}_T\\ Z_{T-\mathrm{eq}}=\frac{Z_T}{m}\end{array}\right.---\left(3\right);$

在公式（3）中，S_{T_eq}为等效后的变压器容量；ST为变压器容量；Z_{T_eq}为等效后的变压器阻抗；ZT为变压器阻抗；m为风电机组台数。

步骤4：对风速进行等值。

如采用基于桨距角动作情况的分群法时，等效风速为：

$v_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i---\left(4\right);$

在公式（4）中，v_i为第i台机组俘获的风速；则聚合模型捕获的机械功率为：

$P_m=m\left(\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_{p\max }{v}_{\mathrm{eq}}^3\right)---\left(5\right);$

在公式（5）中，m为机组台数，ρ为风功率密度，A为机组扫风面积，C_pmax为最大风能利用系数，v_eq为等效风速。

步骤5：对风电场内集电线路进行等值。由于风场接线方式不同，需要分情况讨论。

⑴干线式接线结构部分，如图1所示。等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{eq}\_n}=\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2{Z}_i\right]/n^2---\left(6\right);$

在公式（6）中，Z_{eq_n}为电缆的等效阻抗，n为线路上机组台数，Z_i为第i条电缆的阻抗。

⑵多条分支线路连接到同一节点上，如图2所示。则等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{eq}\_n}=\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2{Z}_i\right]/{\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\right]}^{2}n---\left(7\right);$

在公式（7）中，Z_{eq_n}为电缆的等效阻抗，n_m为每条线路上机组的台数，n为总的风机台数。

对于电缆线路的对地导纳支路，可以忽略风电场内的电压差异，等值对地导纳Y_eq等于等值前所有导纳支路的和，即：

$Y_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i---\left(8\right).$

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，主要包括：

分别对永磁直驱机组进行等值处理和对风电场内集电线路进行等值处理，然后整合各环节聚合参数，得到该永磁直驱机组风电场的聚合模型。

2.根据权利要求1所述的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，所述对永磁直驱机组进行等值处理的操作，至少包括：

a、对永磁直驱机组的发电机模型参数进行等值处理；

b、对永磁直驱机组的轴系参数进行等值处理；

c、对永磁直驱机组的变压器参数进行等值处理；

d、对永磁直驱机组的风速进行等值处理。

3.根据权利要求2所述的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，所述步骤a，具体包括：

假定n台同型号的风力发电机中有m台等值成为1台机组，则等值计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{s}_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i=\mathrm{mS}\\ P_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{P}_i=\mathrm{mP}\\ Q_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i=\mathrm{mQ}\\ X_{s-\mathrm{eq}}=\frac{x_s}{m}\\ r_{s-\mathrm{eq}}=\frac{r_s}{m}\end{array}\right.---\left(1\right);$

公式（1）中，Seq表示等效发电机容量，Si表示第i台发电机容量；m为风电机组台数；Peq表示等效后的有功功率；P_i表示第i台机组的有功功率；P表示各机组的平均有功功率；Q_eq表示等效后的无功功率；Q_i表示第i台机组的无功功率；Q表示各机组的平均无功功率；X_s-eq为等效后的发电机定子电抗；x_s为发电机定子电抗；r_s-eq为等效后的发电机定子电阻；r_s为发电机定子电阻。

4.根据权利要求2所述的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，所述步骤b，具体包括：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_{g-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{gi}}={\mathrm{mH}}_g\\ H_{t-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{H}_{\mathrm{ti}}={\mathrm{mH}}_t\\ K_{s-\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{K}_{\mathrm{si}}={\mathrm{mK}}_s\end{array}\right.---\left(2\right);$

在公式（2）中，H_{g_eq}为等效后的发电机转子惯性时间常数；H_g为发电机转子惯性时间常数；H_{t_eq}为等效后的风力机转子惯性时间常数；H_t为风力机转子惯性时间常数；K_{s_eq}为等效后的轴系刚度系数；K_s为轴系刚度系数；m为风电机组台数。

5.根据权利要求2所述的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，所述步骤c，具体包括：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_{T-\mathrm{eq}}={\mathrm{mS}}_T\\ Z_{T-\mathrm{eq}}=\frac{Z_T}{m}\end{array}\right.---\left(3\right);$

在公式（3）中，S_{T_eq}为等效后的变压器容量；ST为变压器容量；Z_{T_eq}为等效后的变压器阻抗；ZT为变压器阻抗；m为风电机组台数。

6.根据权利要求2所述的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，所述步骤d，具体包括：

如采用基于桨距角动作情况的分群法时，等效风速为：

$v_{\mathrm{eq}}=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{v}_i---\left(4\right);$

在公式（4）中，v_i为第i台机组俘获的风速；则聚合模型捕获的机械功率为：

$P_m=m\left(\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{AC}}_{p\max }{v}_{\mathrm{eq}}^3\right)---\left(5\right);$

在公式（5）中，m为机组台数，ρ为风功率密度，A为机组扫风面积，_pmax为最大风能利用系数，v_eq为等效风速。

7.根据权利要求1所述的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，所述对风电场内集电线路进行等值处理的操作，具体包括：

根据风电场集电线路接线方式的不同，对风电场内集电线路进行等值处理的操作不同，具体如下：

⑴干线式接线结构部分，等值阻抗为：

$Z_{\mathrm{eq}\_n}=\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2{Z}_i\right]/n^2---\left(6\right);$

在公式（6）中，Z_{eq_n}为电缆的等效阻抗，n为线路上机组台数，Z_i为第i条电缆的阻抗；

⑵多条分支线路连接到同一节点上，如图2所示。则等效阻抗为：

$Z_{\mathrm{eq}\_n}=\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}^2{Z}_i\right]/{\left[\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{n}_i\right]}^{2}n---\left(7\right);$

在公式（7）中，Z_{eq_n}为电缆的等效阻抗，n_m为每条线路上机组的台数，n为总的风机台数。

8.根据权利要求7所述的永磁直驱机组风电场聚合模型参数等值方法，其特征在于，对于电缆线路的对地导纳支路，可以忽略风电场内的电压差异，等值对地导纳Y_eq等于等值前所有导纳支路的和，即：

$Y_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_i---\left(8\right).$

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