CN104200027B - 一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法,通过DFIG机组Crowbar的动作区域曲线和风电场内每台机组的运行状态来判断电压跌落期间各台DFIG机组Crowbar的动作情况,并根据Crowbar动作情况对机组进行分群,最后采用加权容量法合并同群机组,对同群机组的集电网络阻抗做并联处理,从而得到风电场的两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中Crowbar会发生动作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的一群机组,该两台等效机组的等效输入风速采用风速三次方加权聚合的方法求取。本发明还涉及一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模装置。

Description

一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法与装置
技术领域
[0001] 本发明涉及可再生能源发电技术领域,具体而言涉及一种考虑低电压穿越特性的 风电场等效建模方法与装置。
背景技术
[0002] 目前,作为清洁能源代表的风电在电网中所占的比例不断增加,风电与电网之间 的相互影响也日益凸显。对于风电与电网的交互影响,目前主要依靠数字仿真来研究。由于 风电场中风电机组的单机容量小、数量多,如果每台机组都采用详细模型,那么整个风电场 的模型阶数将会很高,严重影响仿真分析的效率和计算的收敛性。而且,在研究风电场对电 网的影响时,关注的是风电场的整体响应,因此通常将风电场等效成一台或者多台机组来 进行研究。关于风电场等效建模(也称为“风电场动态等值”)的研究已有较长的历史,研究 热点主要在机组的分群方法上,普遍采用对机组“先分群、后聚合”的方法来建立风电场的 等效模型。
[0003] 随着风电规模的日益增大,电网电压因故障发生跌落时,风电场脱网对电网安全 稳定的影响愈加突出。因此,电网运营商在其风电并网运行导则中已经明确要求风电机组 必须具备低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力。现有研究中提出的双馈感 应发电机(Doubly-fed Induction Generator,DFIG)的LVRT方式有:适用于非严重故障的 改进矢量控制或鲁棒控制、在定子侧加装串联变换器、在转子与转子侧变流器之间加装快 速短接保护装置(转子侧撓棒电路,Crowbar电路)、在变流器直流电容两端加装Chopper电 路或储能电路等等。其中加装Crowbar电路的方法,由于容易实现且成本不高,在工程上应 用较为普遍。
[0004] 在电网故障情况下DFIG的Crowbar是否投入不但与机组的初始运行状态有关,还 与其感受到的电压跌落幅度和故障持续时间有关。对于采用Crowbar的DFIG机组,Crowbar 投入后转子侧变流器被闭锁,机组会从DFIG状态进入感应发电机(IG)状态,Crowbar切除后 又恢复到DFIG状态,如果将Crowbar动作情况不一致的机组进行聚合则不可避免地造成显 著误差。但是,现有的各种风电机组分群方法无法计及DFIG机组Crowbar的动作情况,必然 会给风电场等效模型带来明显的动态误差。
发明内容
[0005] 根据本发明的公开,提出一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法,通过 DFIG机组Crowbar的动作区域曲线和风电场内每台机组的运行状态来判断电压跌落期间各 台DFIG机组Crowbar的动作情况,并根据Crowbar动作情况对机组进行分群,最后合并同群 机组获得风电场的动态等效模型,其具体步骤包括:
[0006] 步骤A:通过离线仿真获得单台DFIG机组在不同运行状态下Crowbar发生动作的临 界曲线,即Crowbar动作区域曲线,横坐标表示电压跌落时刻的输入风速大小,纵坐标表示 机端电压跌落幅度,曲线上的每一点表示不同运行状态下Crowbar发生动作的临界点;
[0007] 步骤B:以保持DFIG机组机端电压不变为原则,对集电网络进行并联化处理,以便 适应任意位置上DFIG机组的聚合;
[0008] 步骤C:根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机组的机端电 压跌落程度,并将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区域曲线进行 对比,判断其Crowbar是否动作,其中,当运行点在曲线上方时,判定Crowbar发生动作,然后 依据Crowbar的动作情况将所有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群;以及
[0009] 步骤D:采用加权容量法合并同群DFIG机组,对同群机组的集电网络阻抗做并联处 理,从而得到风电场的两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中Crowbar会发生动 作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的一群机组,该两台 等效机组的等效输入风速采用风速三次方加权聚合的方法求取。
[0010] 根据本发明的改进,还提出一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模装置,包 括:
[0011] 第一单元,用于通过离线仿真获得单台DFIG机组在不同运行状态下Crowbar发生 动作的临界曲线,即Crowbar动作区域曲线,其中,曲线的横坐标表示电压跌落时刻的输入 风速大小,纵坐标表示机端电压跌落幅度,曲线上的每一点表示不同运行状态下Crowbar发 生动作的临界点;
[0012] 第二单元,用于根据保持DFIG机组机端电压不变的原则对集电网络进行并联化处 理,以便适应任意位置上DFIG机组的聚合;
[0013] 第三单元,用于根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机组 的机端电压跌落程度,并将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区域 曲线进行对比,判断其Crowbar是否动作,其中,当运行点在曲线上方时,判定Crowbar发生 动作,然后依据Crowbar的动作情况将所有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群;
[0014] 第四单元,用于利用加权容量法合并同群DFIG机组,对同群机组的集电网络阻抗 做并联处理,从而得到风电场的两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中Crowbar 会发生动作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的一群机 组。
[0015] 由以上本发明的技术方案可知,本发明所提出的考虑低电压穿越特性的风电场等 效建模方法与装置,与现有技术相比,其显著的优点在于:克服了现有风电场等效建模时不 能准确考虑DFIG机组LVRT特性而导致风电场等效模型精度不佳的问题,能够为含大规模风 电电网的仿真分析提供能够真实反映DFIG风电场LVRT特性的动态等效模型,对维持含大规 丰吴风电电网的安全稳定运彳丁具有关键的意义。
附图说明
[0016] 图1是本发明一实施方式考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法的流程示意 图。
[0017] 图2是DFIG机组Crowbar动作区域曲线的示例性示意图。
[0018] 图3是集电网络进行并联化处理的效果示意图。
[0019] 图4是集电网络分解示意图。
[0020] 图5是仿真风电场的结构图。
[0021] 图6是IEEElO机39节点仿真系统结构图。
[0022] 图7是风电场两机等效模型的结构图。
[0023] 图8a_8b是风电场等效模型与详细模型动态响应的对比图,其中8a表示有功功率 的对比示例,8b表示无功功率的对比示例。
[0024] 图9为本发明一实施方式考虑低电压穿越特性的风电场等效建模装置的模块示意 图。
具体实施方式
[0025] 为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0026] 如图1所示,根据本发明的较优实施例,一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建 模方法,通过DFIG机组Crowbar的动作区域曲线和风电场内每台机组的运行状态来判断电 压跌落期间各台DFIG机组Crowbar的动作情况,并根据Crowbar动作情况对机组进行分群, 最后合并同群机组获得风电场的动态等效模型,其具体步骤包括:
[0027] 步骤A:通过离线仿真获得单台DFIG机组在不同运行状态下Crowbar发生动作的临 界曲线,即Crowbar动作区域曲线,横坐标表示电压跌落时刻的输入风速大小,纵坐标表示 机端电压跌落幅度,曲线上的每一点表示不同运行状态下Crowbar发生动作的临界点;
[0028] 步骤B:以保持DFIG机组机端电压不变为原则,对集电网络进行并联化处理,以便 适应任意位置上DFIG机组的聚合;
[0029] 步骤C:根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机组的机端电 压跌落程度,并将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区域曲线进行 对比,判断其Crowbar是否动作,其中,当运行点在曲线上方时,判定Crowbar发生动作,然后 依据Crowbar的动作情况将所有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群;以及
[0030] 步骤D:采用加权容量法合并同群DFIG机组,对同群机组的集电网络阻抗做并联处 理,从而得到风电场的两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中Crowbar会发生动 作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的一群机组,该两台 等效机组的等效输入风速采用风速三次方加权聚合的方法求取。
[0031] 采用本实施例的方案,可克服现有风电场等效建模时不能准确考虑DFIG机组LVRT 特性而导致风电场等效模型精度不佳的问题,为含大规模风电电网的仿真分析提供能够真 实反映DFIG风电场LVRT特性的动态等效模型。
[0032] 下面结合图1以及图2-图8所示,详细说明前述实施例的各步骤的实施。
[0033] 步骤A:通过离线仿真获得单台DFIG机组在不同运行状态下Crowbar发生动作的临 界曲线,即Crowbar动作区域曲线
[0034] 本实施例中,建立前述Crowbar动作区域曲线的具体方法是:建立单台DFIG机组的 并网仿真模型,给出DFIG机组输入不同风速,测试不同机端电压幅度下DFIG机组Crowbar的 动作情况,得到Cr owbar动作区域曲线。
[0035] 图2所示为DFIG机组Crowbar动作区域曲线的一个示例,该图横坐标表示电压跌落 时刻的输入风速大小,纵坐标表示机端电压跌落幅度,曲线上的每一点表示不同运行状态 下Crowbar发生动作的临界点,只有当运行点在曲线上方时,Crowbar才发生动作。
[0036] 步骤B:以保持DFIG机组机端电压不变为原则,对集电网络进行并联化处理,以便 适应任意位置上DFIG机组的聚合。
[0037] 本实施例中,前述并联化处理通过将电缆与风电机组之间的混联结构变换为纯并 联结构来实现。变换的结果就是将线路阻抗Zli分解成若干个Zli, η,在消去Zli的同时将Zli,n 串联到原来与Zn相连的各个风力发电机支路中,其中i是电缆阻抗的序号,η是风力发电机 的序号。
[0038] 如图3为集电网络进行并联化处理的效果示意,以该图中的Z12为例,结合图4所示 的集电网络分解示意图,其变换过程如下所示。
[0039] 在网络变换之前,ZjPZ2仏和22为原先与Zi2相连的DFIG机组的等效阻抗,其中Z1 还包含了与DFIG机组串联的Zn)的端电压为:
Figure CN104200027BD00071
[0041] 其中“//”表示并联。
[0042] 变换后,2!和22的端电压为:
Figure CN104200027BD00072
[0044] 为了保持变换前后端电压相同,则O21和£^:2应该和【、相等,可以求出:
Figure CN104200027BD00073
[0046] 然后根据求得的Zn,n修正风力发电机等值阻抗Zn。
[0047] 在前述的例子中,对ZjPZ2做如下修正:
Figure CN104200027BD00074
[0049] 再将修正后的等值阻抗2\带入下一个电缆阻抗Z1 (i+1)的变换。
[0050] 如此,确定用于计算Zn,n的通用公式为:
Figure CN104200027BD00075
[0052] 根据以上步骤,即可将整个风电场的内部网络变换为如图3下边所示的纯并联结 构。
[0053] 步骤C:根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机组的机端电 压跌落程度,并将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区域曲线进行 对比,判断其Crowbar是否动作,其中,当运行点在曲线上方时,判定Crowbar发生动作,然后 依据Crowbar的动作情况将所有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群。
[0054] 以图5所示的风电场(8行8列,共64台机组)为例,该风电场接入如图6所示的 IEEEl 0机39节点标准算例系统。为了结论的一般性,风向角设置为45度,风电场风速分布如 表1所列,其中以行向和列向〇. 2m/s风速衰减替代了具体的尾流效应计算。
[0055] 表1风电场风速分布表
Figure CN104200027BD00081
[0057] 故障设置为0.1s时刻在图6系统双回线linel9_33中一回线的50%处发生三相短 路故障,电压跌落幅度A U为47 %,0.1 s后(S卩0.2s时刻)切除故障。根据仿真结果,1至8行风 电机组机端电压跌落程度分别为46.2%、45.5%、44.9%、44.4%、44.0%、43.7%、43.5%、 43.4%,结合表1中的风速分布情况以及图2所示的Crowbar动作区域曲线,分析可得如表2 所示的Crowbar动作情况,将其中30台Crowbar发生动作的风电机组归为一群,剩余机组为 另一群。
[0058] 表2 Crowbar动作情况
Figure CN104200027BD00082
[0060] 步骤D:采用加权容量法合并同群DFIG机组,对同群机组的集电网络阻抗做并联处 理,从而得到风电场的等效模型,最终得到的风电场等效模型为单机等效模型或两机等效 模型:如果电网故障时风电场内所有风电机组Crowbar的动作情况一致,则得到风电场的单 机等效模型;如果各风电机组Crowbar的动作情况不一致,则得到风电场的两机等效模型, 其中1台等效机组代表电网故障中Crowbar会发生动作的一群机组,另1台等效机组代表电 网故障中Crowbar不会发生动作的一群机组。
[0061] 其中,两台等效机组的等效输入风速采用风速三次方加权聚合的方法求取。
[0062] 本步骤中所采用的加权容量法,其原理如下:
[0063] 设等值群内共有η台DFIG,等效风电机组的容量Seq等于同群中所有风电机组容量 之和,每台风电机组的权系数ai是其容量Si与等效风电机组容量Seq的比值。
Figure CN104200027BD00083
[0065] 等效机组的各个参数,包括转子阻抗、励磁电抗、定子电阻、惯性时间常数、阻尼系 数等电气参数以及各种控制器参数,均按下式进行,其中Para代表了需要聚合的各种参数。
Figure CN104200027BD00091
[0067] 等效输入风速的计算考虑到机械功率与风速三次方成正比,因此通过风速三次方 V3加权聚合法来求取等值风速Veq。设各台风电机组的风速为Vi,容量权系数为Qi,机组数量 为η,则等值风速Vf3q为:
Figure CN104200027BD00092
[0069] 经过以上步骤,就可以得到如图7所示的风电场两机等效模型,其中1台等效机组 代表电网故障中Crowbar会发生动作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar 不会发生动作的一群机组。
[0070] 图8a-8b给出了风电场等值模型以及详细模型的动态响应曲线对比图。由图可知, 利用本实施例的建模方法所得的风电场等值模型,在动态特性上能很好地拟合详细模型。
[0071] 根据本公开,如图9所示,一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模装置100,包 括:
[0072] 第一单元101,用于通过离线仿真获得单台DFIG机组在不同运行状态下Crowbar发 生动作的临界曲线,即Crowbar动作区域曲线,其中,曲线的横坐标表示电压跌落时刻的输 入风速大小,纵坐标表示机端电压跌落幅度,曲线上的每一点表示不同运行状态下Crowbar 发生动作的临界点;
[0073] 第二单元102,用于根据保持DFIG机组机端电压不变的原则对集电网络进行并联 化处理,以便适应任意位置上DFIG机组的聚合;
[0074] 第三单元103,用于根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机 组的机端电压跌落程度,并将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区 域曲线进行对比,判断其Crowbar是否动作,其中,当运行点在曲线上方时,判定Crowbar发 生动作,然后依据Crowbar的动作情况将所有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群;
[0075] 第四单元104,用于利用加权容量法合并同群DFIG机组,对同群机组的集电网络阻 抗做并联处理,从而得到风电场的两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中 Crowbar会发生动作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的 一群机组。
[0076] 进一步的的实施例中,前述第三单元103包括处理模块1031、判断模块1032以及机 组分群模块1033,结合图9所示,其中:
[0077] 处理模块1031,用于根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电 机组的机端电压跌落程度;
[0078] 判断模块1032,用于将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作 区域曲线进行对比以判断其Crowbar是否动作,并且基于运行点在曲线上方判定Crowbar发 生动作;
[0079] 机组分群模块1033,用于根据前述判断模块1032判断的Crowbar的动作情况将所 有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群。
[0080] 本实施例中,前述第一单元101、第二单元、102、第三单元103、第四单元104以及处 理模块1031、判断模块1032、机组分群模块1033,其功能、效果以及工作流程已经在前述实 施例的考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法中做了相应的说明,在此不再赘述。
[0081] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技 术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因 此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (4)

1. 一种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法,通过DFIG机组Crowbar的动作区 域曲线和风电场内每台机组的运行状态来判断电压跌落期间各台DFIG机组Crowbar的动作 情况,并根据Crowbar动作情况对机组进行分群,最后合并同群机组获得风电场的动态等效 模型,其特征在于,具体步骤包括: 步骤A:通过离线仿真获得单台DFIG机组在不同运行状态下Crowbar发生动作的临界曲 线,S卩Crowbar动作区域曲线,横坐标表示电压跌落时刻的输入风速大小,纵坐标表示机端 电压跌落幅度,曲线上的每一点表示不同运行状态下Crowbar发生动作的临界点; 步骤B:以保持DFIG机组机端电压不变为原则,对集电网络进行并联化处理,以便适应 任意位置上DFIG机组的聚合; 步骤C:根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机组的机端电压跌 落程度,并将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区域曲线进行对比, 判断其Crowbar是否动作,其中,当运行点在曲线上方时,判定Crowbar发生动作,然后依据 Crowbar的动作情况将所有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群;以及 步骤D:采用加权容量法合并同群DFIG机组,对同群机组的集电网络阻抗做并联处理, 从而得到风电场的两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中Crowbar会发生动作的 一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的一群机组,该两台等效 机组的等效输入风速采用风速三次方加权聚合的方法求取。
2. 根据权利要求1所述的考虑低电压穿越特性的风电场等效建模方法,其特征在于,前 述步骤D中,前述两机等效模型的获得过程如下: 设等值群内共有η台DFIG,等效风电机组的容量Seq等于同群中所有风电机组容量之和, 每台风电机组的权系数ai是其容量Si与等效风电机组容量Seq的比值: Seq=^S,^a: (6) ./二 I 等效机组的各个参数,包括转子阻抗、励磁电抗、定子电阻、惯性时间常数、阻尼系数电 气参数以及控制器参数,均按下式进行,其中Para代表需要聚合的各种参数: η Paraeq-^aiPami (7) 等效输入风速的计算考虑到机械功率与风速三次方成正比,因此通过输入风速三次方 V3加权聚合法来求取等值风速Veq,令各台风电机组的风速为Vi,容量权系数为Qi,机组数量 为η,则等值风速Vf3q为: (8) i 经过以上步骤处理,即可得到风电场两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中 Crowbar会发生动作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的 一群机组。
3. —种考虑低电压穿越特性的风电场等效建模装置,其特征在于,包括: 第一单元,用于通过离线仿真获得单台DFIG机组在不同运行状态下Crowbar发生动作 的临界曲线,即Crowbar动作区域曲线,其中,曲线的横坐标表示电压跌落时刻的输入风速 大小,纵坐标表示机端电压跌落幅度,曲线上的每一点表示不同运行状态下Crowbar发生动 作的临界点; 第二单元,用于根据保持DFIG机组机端电压不变的原则对集电网络进行并联化处理, 以便适应任意位置上DFIG机组的聚合; 第三单元,用于根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机组的机 端电压跌落程度,并将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区域曲线 进行对比,判断其Crowbar是否动作,其中,当运行点在曲线上方时,判定Crowbar发生动作, 然后依据Crowbar的动作情况将所有机组分为Crowbar动作与Crowbar不动作两群; 第四单元,用于利用加权容量法合并同群DFIG机组,对同群机组的集电网络阻抗做并 联处理,从而得到风电场的两机等效模型,其中1台等效机组代表电网故障中Crowbar会发 生动作的一群机组,另1台等效机组代表电网故障中Crowbar不会发生动作的一群机组。
4.根据权利要求3所述的考虑低电压穿越特性的风电场等效建模装置,其特征在于,所 述第三单元包括处理模块、判断模块及机组分群模块,其中: 处理模块,用于根据电网故障时风电场并网点电压跌落情况,计算每台风电机组的机 端电压跌落程度; 判断模块,用于将每台机组的输入风速和机端电压跌落程度与Crowbar动作区域曲线 进行对比以判断其Crowbar是否动作,并且基于运行点在曲线上方判定Crowbar发生动作; 机组分群模块,用于根据前述判断模块判断的Crowbar的动作情况将所有机组分为 Crowbar动作与Crowbar不动作两群。
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