CN103986189A - 一种储能型双馈风电场简化模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储能型双馈风电场简化模型建模方法，将双馈风电机组和蓄电池储能系统均等值为由理想受控电流源和电抗并联而成的等效电路，根据矢量定向控制技术原理分别建立双馈风电机组模型和蓄电池储能系统模型，将双馈风电机组模型与蓄电池储能系统模型连接，建成储能型双馈风电场简化模型，并用相量法对该模型求解。本发明所提储能型风电场简化模型的建模和求解方法，适用于对风电场中所有风电机组与储能系统在较长时间尺度下的仿真，能够应用于风电场等值建模、风电场以及储能型风电场功率协调控制策略研究等领域，具有重要应用价值。

Description

一种储能型双馈风电场简化模型建模方法

技术领域

本发明属于风力发电领域，涉及风力发电的储能技术，尤其是一种储能型双馈风电场简化模型建模方法。

背景技术

由于风力发电具有间歇性、波动性和随机性等特点，大型风电场接入对电网的影响引起高度重视。蓄电池储能系统具有独立调控有功功率和无功功率的能力，在风电场端配置储能装置，能够提高风电场并网能力。而蓄电池储能系统的使用寿命受充放电次数、深度的影响较大，因此，需要对风电场中风电机组和储能系统的功率协调控制策略进行研究。储能系统和风电机组的协调控制策略的成功应用必须经过验证，而建立各部分的仿真模型是最通用的验证方法。

目前风电场主要以双馈风电机组为主，双馈风电机组主要由风力机、齿轮箱、发电机以及变频器等构成。蓄电池储能系统主要由蓄电池组、能量转化系统(PowerConversionSystem，PCS)等构成。根据建模详细程度不同，双馈风电机组的模型可分为8阶、5阶和3阶等类型；蓄电池储能系统的模型可分为电化学模型、电路模型等类型。但以上模型仍然比较复杂，仿真时间尺度小、耗用计算量大，难以直接对利用这些模型建立的包含所有风电机组和蓄电池储能系统的储能型风电场的详细仿真模型进行计算。因此，这些模型无法用于储能型风电场功率协调控制策略的仿真验证，需要进一步对其进行简化。

通过检索，发现如下两篇公开的专利文献：

1、一种大规模风电集中接入电网的风电场等值建模方法(CN101882167A)，基于接入电网的各风电场并网点之间的电气距离、场内风电机组拓扑分布、机型和控制模式，采用同调机群识别聚类方法来确定同调风电机群，将一个同调风电机群等值为一个风电机组，采用加权等效参数聚合方法求出等值风电机组各项动态电气参数，根据静态等值理论近似等效为等值机串接等值阻抗形式，并求出相关的静态参数，基于得到的风电场等值形式在PSD-BPA仿真平台中开发实现风电场等值模型。该方案解决了现有技术中风电场等值建模问题，为电网运行方式分析以及调度控制提供了风电并网仿真工具。

2、一种基于转速分群的双馈机组风电场等值建模系统及方法(CN102760191A)，该系统包括依次连接的风机运行信息提取单元、机组分群单元以及等值机参数计算单元；其方法为：首先风机运行信息提取单元从风场控制中心提取所有待等值风机故障初始时刻的转速、机械功率信息，用于后续计算；然后又机组分群单元将故障初始时刻机组的转速相近的机组划分到同一机群；最后由等值机参数计算单元采用基于容量加权的参数聚合方法，计算每一群等值为一台双馈机组的参数，从而得到风电场的被等值的多机电磁暂态等值模型。

3、基于桨距角动作情况的双馈机组风电场动态等值建模方法(CN101937483A)，它解决了现有等值建模方法中所存在的精度低和难以实现的问题。首先，采集待建立模型的风电场中的所有双馈风电机组故障前的有功功率、机端电压和风速；其次根据上述参量提取反映桨距角动作的特征向量输入支持向量机分类器，并将其分成三个机群；最后把三个机群分别等效成三台等值双馈风电机组，并计算每台机组的各参数以及等值电缆参数，从而得到一个风电场等值模型。

上述专利与本专利申请解决的技术问题不同，所以采取的技术方案有本质的区别。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种储能型双馈风电场简化模型建模方法，该方法所建模型能够模拟风电场中各台风电机组以及储能系统的运行特性，适用于长时间尺度的仿真，能够应用于风电场等值建模、风电场以及储能型风电场功率协调控制策略研究等领域，具有重要应用价值。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

一种储能型双馈风电场简化模型建模方法，包括双馈风电机组模型和蓄电池储能系统模型，将双馈风电机组和蓄电池储能系统均等值为由理想受控电流源和电抗并联而成的等效电路，根据矢量定向控制技术原理分别建立双馈风电机组模型和蓄电池储能系统模型，将双馈风电机组模型与蓄电池储能系统模型连接，建成储能型双馈风电场简化模型，并用相量法对该模型求解。

而且，所述的双馈风电机组模型包括风力机及其控制模型、双馈风电机组电气控制模型和双馈风电机组与电网的接口模型。

而且，所述的双馈风电机组电气控制模型根据矢量定向控制技术原理建立，利用电网电压定向矢量控制技术，分别控制输入电网电流的d、q轴分量，实现对机组有功和无功输出的解耦控制；根据机组的运行状态，实时计算无功输出极限，并对机组的无功功率指令进行修正；利用机组最大允许输出容量对输入电网的电流进行限制，并优先满足无功输出要求。

而且，所述的蓄电池储能系统模型包括储能系统电气控制模型和储能系统与电网的接口模型。

而且，所述的储能系统电气控制模型根据矢量定向控制技术原理建立，利用电网电压定向矢量控制技术，分别控制输入电网电流的d、q轴分量，实现对储能系统有功和无功输出的解耦控制；根据储能系统的运行状态，实时计算无功输出极限，并对系统的无功功率指令进行修改；利用系统最大允许输出容量对输入电网的电流进行限制，并优先满足无功输出要求；建立储能系统剩余容量计算模块，实时计算系统剩余容量SOC；建立充放电逻辑控制模块，根据系统SOC值，控制系统的充放电状态。

本发明的优点和积极效果是：

1、本建模方法根据矢量定向控制技术原理建立双馈风电机组模型和蓄电池储能系统模型，所建模型物理意义明确、直观易懂、易于实现，能够详细模拟储能型风电场中每台风电机组和储能系统的运行特性，仿真时间尺度较大，适用于风电场等值建模、储能型风电场功率协调控制策略验证等研究领域，具有较高的应用价值。

2、本建模方法的双馈风电机组的电气控制模型能够实时计算无功极限、限制功率输出；蓄电池储能系统简化模型能够实时计算剩余容量，对系统的充放电状态进行控制。

3、本建模方法根据储能型风电场实际结构，将双馈风电机组模型与蓄电池储能系统模型连接，建成储能型双馈风电场简化模型，并用相量法对该模型求解。利用相量法作为储能型风电场仿真模型的求解方法，既能加大模型的仿真时间尺度，又能保留储能型风电场中储能设备和风电机组的主要运行特性，能够满足储能型风电场功率控制策略研究等方面对模型仿真时间和准确度的要求。

附图说明

图1为本发明风力机及其控制模型；

图2为本发明风电机组电气控制及与电网接口模型；

图3为本发明蓄电池储能系统简化模型；

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

以某实际储能型风电场为例，该风电场包含33台1.5MW双馈风电机组，分为A、B两组，两组机组通过汇集母线馈入升压站，升压站低压侧配有5MW储能设备，建立该储能型风电场的简化模型，步骤如下：

1.基于矢量定向控制技术原理建立双馈风力发电机组简化模型

针对双馈风电机组，本发明保留风力机的机械特性，忽略发电机磁链变化以及变流器高频开断等影响，将双馈风电机组等值为由理想受控电流源和等效电抗并联而成的等效电路。本发明所建双馈风电机组简化模型包括：风力机及其控制模型、双馈风电机组电气控制模型和双馈风电机组与电网的接口模型。

⑴建立风力机及其控制模型

本发明按照已有建模方法对风力机及其控制系统进行建模，主要包括风力机、传动轴、最大风能追踪以及变桨控制等模块，如图1所示。

在图1中，风力机模型以风速v、风力机转速ω_r和叶片桨距角θ作为输入，以风力机机械功率P_m作为输出。传动轴采用集中质量块模型表示，模型以风力机机械功率P_m和风电机组电磁功率P_e作为输入，以风力机转速ω_r作为输出。模块结构如公式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_m=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\mathrm{Av}}^3{C}_P(\mathrm{\λ},\mathrm{\β})\\ \mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{r}R}{v}\\ (P_m-P_e)/{\mathrm{\ω}}_r=2H\frac{d{\mathrm{\ω}}_r}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：ρ为空气密度；R为风力机风轮的半径；A为风轮的扫掠面积；v为风速；C_P(λ,β)为风力机的风能利用系数，是叶尖速比λ和桨距角β的函数，为统计学公式；ω_r为风力机转速；P_m为风力机输出的机械功率；P_e为向电网输出的电磁功率；H为风电机组等效惯性时间常数。

如图1所示，最大风能追踪模块根据风力机功率-转速曲线设定转速参考值ω_ref，功率控制器根据风力机实际转速ω_r和参考转速ω_ref的偏差，控制风电机组输入到电网的有功功率命令P_ref。桨距角控制器根据风力机转速ω_r及其参考值ω_ref的偏差调整风力机的桨距角。桨距角补偿控制器根据有功输出设定值P_set和有功命令P_ref的偏差对风力机桨距角进行补偿控制。

⑵建立双馈风电机组电气控制模型

本发明基于矢量定向控制技术原理，建立双馈风电机组的电气控制模型：利用电网电压定向矢量控制技术，分别控制输入电网电流的d、q轴分量，实现对机组有功和无功输出的解耦控制；根据机组的运行状态，实时计算无功输出极限，并对机组的无功功率指令进行修正；利用机组最大允许输出容量对输入电网的电流进行限制，并优先满足无功输出要求。

本发明利用电气控制模型模拟风电机组双馈异步电机和变流器的运行特性，电气控制模型如图2所示。

①根据矢量定向原理，建立电压矢量定向模型，计算在以电网电压矢量为d轴的同步旋转坐标系下的机端电压的dq轴分量U_d、U_q。

②根据矢量定向原理，建立风电机组有功和无功控制模型。模型根据有功指令P_ref与实际有功输出P_e、无功指令Q_ref与实际无功输出Q_e的偏差控制机组输出电流的dq轴分量。模型依据风电机组最大允许输出容量对输出电流的dq轴分量进行限制，并且优先考虑满足无功输出要求。

③根据公式(2)，建立风电机组无功功率极限计算模型。模型以风电机组的端口电压幅值U、有功输出P_e和转速ω_r作为输入，以风电机组无功极限Q_max、Q_min作为输出，并利用其对风电机组无功功率指令Q_ref进行修正。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_e^2+Q_e^2\≤S_{\max }^2\\ Q_{\max }=-1.5\frac{U^2}{{\mathrm{\ω}}_n{L}_s}+\sqrt{{(1.5L_m{\mathrm{UI}}_{r\max }/L_s)}^2-{[P_m/(1-s)]}^2}+\sqrt{P_{c\max }^2-{[s/(1-s)]}^2{P}_m^2}\\ Q_{\min }=-1.5\frac{U^2}{{\mathrm{\ω}}_n{L}_s}-\sqrt{{(1.5L_m{\mathrm{UI}}_{r\max }/L_s)}^2-{[P_m/(1-s)]}^2}-\sqrt{P_{c\max }^2-{[s/(1-s)]}^2{P}_m^2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式(2)中，Q_max、Q_min分别为机组发出和吸收的无功功率能力极限；P_m为风力机输出的机械功率；P_cmax为电网侧变流器的最大容量；L_s为双馈异步电机定子绕组电感；L_m为双馈异步电机定子绕组和转子绕组之间的互感；U为电网电压幅值；I_rmax为转子侧变频器最大电流值；s为异步电机的转差率；ω_n为同步转速；为风电机组最大允许输入容量。

⑶建立双馈风电机组与电网的接口模型

本发明根据功率与电压、电流的关系，建立双馈风电机组与电网的接口模型。

如图2所示，根据风电机组端口电压和电流，建立计算注入到电网中的有功功率和无功功率的模型，并通过根据公式(3)建立的接口模型接入电网。

$\stackrel{\·}{I}={\left(\frac{P_G+j{Q}_G}{\stackrel{\·}{U}}\right)}^{*}---\left(3\right)$

公式(3)中，为风电机组注入电网的电流；P_G、Q_G分别电气控制模型输入电网接口模型有功和无功命令；为风电机组端口电压。

2.基于矢量定向控制技术原理建立蓄电池储能系统简化模型

本发明将蓄电池储能系统等效为由理想受控电流源和等效电抗并联而成的等效电路，建立储能系统的电气控制模型，并通过接口模型接入电网。

本发明基于矢量定向控制技术原理，建立储能系统的电气控制模型：利用电网电压定向矢量控制技术，分别控制输入电网电流的d、q轴分量，实现对储能系统有功和无功输出的解耦控制；根据储能系统的运行状态，实时计算无功输出极限，并对系统的无功功率指令进行修改；利用系统最大允许输出容量对输入电网的电流进行限制，并优先满足无功输出要求；建立储能系统剩余容量计算模块，实时计算系统剩余容量(StateofCapacity，SOC)；建立充放电逻辑控制模块，根据系统SOC值，控制系统的充放电状态。

本发明采用与双馈风电机组相同的建模方法，建立储能系统电气控制模型和储能系统与电网的接口模型，如图3所示。

⑴建立储能系统电气控制模型

①根据矢量定向原理，建立电压矢量定向模型，计算在以储能系统逆变器交流侧电压矢量为d轴的同步旋转坐标系下的逆变器交流侧端电压的dq轴分量U_cd、U_cq和储能系统并网点电压的幅值U_s。

②根据矢量定向原理，建立储能系统有功和无功控制模型。模型根据有功指令P_ref与实际有功输出P_b、无功指令Q_ref与实际无功输出Q_b的偏差控制系统输出电流的dq轴分量。模型依据储能系统交流侧的最大允许输出容量对输出电流的dq轴分量进行限制，并且优先考虑满足无功输出要求。

③根据公式(4)，建立储能系统的无功功率极限计算模型。模型以储能系统端口电压幅值U_c、并网点电压幅值U_s和有功输出P_b作为输入，以储能系统无功极限Q_bmax、Q_bmin作为输出，并将其作为储能系统无功功率指令Q_ref的限值。

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_{b\max }=-U_s^2/X+\sqrt{{(U_s{U}_C/X)}^2-P_b^2}\\ Q_{b\min }=-U_s^2/X-\sqrt{{(U_s{U}_C/X)}^2-P_b^2}\\ P_{b\max }=U_{\mathrm{dnom}}{I}_{d\max }\\ P_{b\min }=-U_{\mathrm{dnom}}{I}_{d\min }\\ P_b^2+Q_b^2\≤{\left(\sqrt{3}{U}_{\mathrm{snom}}{I}_{s\max }\right)}^2\end{array}\right.---\left(4\right)$

公式(4)中，Q_bmax、Q_bmin分别为储能系统输出和吸收无功功率的极限；P_bmax、P_bmin分别为储能系统输出和吸收有功功率的极限；U_S为储能系统并网点电压幅值；U_C为储能系统逆变器交流侧端口电压幅值；X为储能系统逆变器与并网点之间的等效电抗；P_b、Q_b分别为储能系统与电网交换的有功功率和无功功率；U_dnom为储能系统逆变器直流侧额定直流电压；I_dmax、I_dmin分别为储能系统逆变器直流侧最大最小直流电流；U_snom为储能系统并网点额定电压；I_smax为储能系统并网点最大电流限值。

如图3所示，根据公式(5)，建立储能系统的SOC值计算模块。模型以储能系统的有功输出P_b作为输入，以系统SOC值为输出。并在此基础上，建立储能系统的充放电逻辑控制模块。逻辑控制模块依据系统的SOC值和有功输出指令P_bref控制系统的充放电状态：系统SOC值过高且系统有功指令仍为负时(充电)，系统停止充电；系统SOC值过低且系统有功指令仍为正时(放电)，系统停止放电；其它情况不做处理。

$\mathrm{SOC}=\frac{{\mathrm{SOC}}_{\mathrm{ini}}\·Q_z+\∫\mathrm{Pdt}}{Q_z}---\left(5\right)$

公式(5)中，SOC为系统的剩余容量；SOC_ini为系统的剩余容量初始值；Q_z为系统的总容量；P_b为系统的有功功率输出。

⑵建立储能系统与电网的接口模型

如图3所示，根据储能系统逆变器交流侧端口电压和电流，建立计算注入到电网中的有功功率和无功功率的模块，并通过根据公式(6)建立的接口模型接入电网。

${\stackrel{\·}{I}}_b={\left(\frac{P_{\mathrm{bG}}+{\mathrm{jQ}}_{\mathrm{bG}}}{{\stackrel{\·}{U}}_c}\right)}^{*}---\left(6\right)$

公式(6)中，为储能系统注入电网的电流；P_bG、Q_bG分别储能系统电气控制模型输入电网接口模型的有功和无功命令；为储能系统逆变器交流侧端口电压。

3.利用相量法对储能型风电场简化模型进行运算

根据储能型风电场实际结构，将双馈风电机组模型与储能系统模型连接，建成储能型风电场仿真模型，并选用相量法对储能型风电场简化模型进行求解。利用相量法作为储能型风电场仿真模型的求解方法，既能加大模型的仿真时间尺度，又能保留储能型风电场中储能设备和风电机组的主要运行特性，能够满足储能型风电场功率控制策略研究等方面对模型仿真时间和准确度的要求。

Claims (5)

1.一种储能型双馈风电场简化模型建模方法，包括双馈风电机组模型和蓄电池储能系统模型，其特征在于：将双馈风电机组和蓄电池储能系统均等值为由理想受控电流源和电抗并联而成的等效电路，根据矢量定向控制技术原理分别建立双馈风电机组模型和蓄电池储能系统模型，将双馈风电机组模型与蓄电池储能系统模型连接，建成储能型双馈风电场简化模型，并用相量法对该模型求解。

2.根据权利要求1所述的储能型双馈风电场简化模型建模方法，其特征在于：所述的双馈风电机组模型包括风力机及其控制模型、双馈风电机组电气控制模型和双馈风电机组与电网的接口模型。

3.根据权利要求2所述的储能型双馈风电场简化模型建模方法，其特征在于：所述的双馈风电机组电气控制模型根据矢量定向控制技术原理建立，利用电网电压定向矢量控制技术，分别控制输入电网电流的d、q轴分量，实现对机组有功和无功输出的解耦控制；根据机组的运行状态，实时计算无功输出极限，并对机组的无功功率指令进行修正；利用机组最大允许输出容量对输入电网的电流进行限制，并优先满足无功输出要求。

4.根据权利要求1所述的储能型双馈风电场简化模型建模方法，其特征在于：所述的蓄电池储能系统模型包括储能系统电气控制模型和储能系统与电网的接口模型。

5.根据权利要求4所述的储能型双馈风电场简化模型建模方法，其特征在于：所述的储能系统电气控制模型根据矢量定向控制技术原理建立，利用电网电压定向矢量控制技术，分别控制输入电网电流的d、q轴分量，实现对储能系统有功和无功输出的解耦控制；根据储能系统的运行状态，实时计算无功输出极限，并对系统的无功功率指令进行修改；利用系统最大允许输出容量对输入电网的电流进行限制，并优先满足无功输出要求；建立储能系统剩余容量计算模块，实时计算系统剩余容量SOC；建立充放电逻辑控制模块，根据系统SOC值，控制系统的充放电状态。