CN105320825A - 基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电场等值建模技术领域，具体涉及一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法。和现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明简化了双馈风力发电系统中的变流器模型，大大缩短了计算耗时；本发明利用基于同调法的机组分布区域作为分群指标，在不同地形的风电场的等值建模均有适用性；本发明利用容量加权法计算等值机组的参数，是该等值方法适用于包含多种型号双馈机组的风电场等值；本发明基于捕获风能等值的原则对风力机等值，更具有可视性。

Description

基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法

技术领域

本发明涉及风电场等值建模技术领域，具体涉及一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法。

背景技术

随着风电技术的快速发展，大型风电场以及风电场群已经形成。与火力发电、水力发电等常规发电相比，风力发电的一次能源具有很大的随机波动性，而且其控制方式和动态响应也有很大区别。大规模风电接入电网时，对电网规划、电能质量及电网安全稳定运行可能产生不利影响。

因此，国内外越来越多的电网公司对于接入电网的大型风电场也提出更高的要求，例如：有功功率控制能力、无功电压调整能力及风电机组的故障穿越能力等。研究风电并网的稳定性以及电能质量等问题时，就需要建立风力发电系统的动态模型。由于耦合了空气动力系统、机械系统、电气系统、控制和保护系统等多种物理系统的动态过程，利用解析方法研究风电机组的动态特性十分困难，因此，目前大多采用仿真研究的方法，这也是最有效最容易实现的。

在风电场并网系统的仿真建模中，也有学者主要考虑其如输出功率、输出电流和并网点电压等输出特性的等效性，将风电场等值为一个节点，将整个风电场等值为一个节点，相当于一个黑匣子，如此不能反映风电场内部甚至机组内容的电气特性。但是，针对不同的研究目的，有时需要研究风电场内部或者机组内部的特性时，需要详细的建模。然而，若对每台风电机组进行详细建模将增加模型的复杂度，并且计算时间长、占用内存大，也是没有必要的。因此，风电场等值建模方法的研究已成为当前热点。

国内外学者提出了各种对风电并网系统动态等值的方法，但是至今还缺乏理想的等值方法。现有研究中，大都是针对风电场等值中的某一个方面进行研究，而对于风电场并入系统的整个等值建模各个环节的等值方法并没有给出详细具体的介绍，不易有针对性的进行系统建模研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明针对上述问题，研究了一种既能反映风电场内部机组之间的联系又能反映机组内部特性的风电机组建模简化方法，并在此基础上提出风电场等值的一般步骤和关键技术。针对传统的风电机组建模计算时间长、占用内存大的特点，本文提出了一种计算效率高且能全面正确反映机组运行特性的简化方法。传统的风电机组模型中，对变流器进行了详细建模，包括机侧变流器与网侧变流器。双馈机组最关键的控制环节是变流器的控制，分为机侧变流器控制和网侧变流器控制两部分。机侧变流器的控制对象是双馈异步发电机，目标是实现双馈风电机组最大风能追踪以及功率因数的控制。由最大风能追踪计算得到的有功指令P_s ^*以及功率因数要求得到的无功指令经过无功解耦控制得到机侧变流器在两相静止坐标下的调制电压指令，经过矢量控制技术得到机侧变流器各晶闸管的脉冲信号，经过电力电子开通关断得到三相调制电压。网侧变流器的主要控制目标是保证恒定的直流母线电压和实现功率因数的控制。网侧变流器的控制是机侧变流器正常工作的前提。本发明的一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法，为大规模风电并网动态仿真及其接入电力系统对电网影响问题的研究提供基础条件。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法，所述方法分为如下步骤：

步骤一：双馈风电机组全阶模型的简化；

步骤二：基于依据机组分布进行风电场机群的划分；

步骤三：对同群机组用一台等值机组替代，步骤二所述的等值机组模型包括等值风力机模型和等值发电机模型；等值机组的参数计算采用基于容量加权法的参数聚合方法，等值风力机采用捕获风能等效的原则进行等值，即将每个机群的等值风力机半径为单台风力机半径的倍，其他风能利用系数、空气密度等的选择与单机相等；

步骤四：计算每个机群等值机组的参数，以此实现利用若干台等值机组等值整个风场的目的。

优选地，所述步骤二具体分群方法如下：

机组分布规则的风电场按行或者按列进行分群；

将同一行或者同一列的风电机组群用一台机组等值；

机组分布受山区地形、交通条件以及农田等不可抗拒条件分布不规则的情况下按照在集电线上的集结情况进行机组分群；

将同一条集结线上的机组用一台机组等值。

优选地，所述步骤三具体计算方法包括等值发电机参数等值计算和等值风力机参数计算。

(三)有益效果

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明简化了双馈风力发电系统中的变流器模型，大大缩短了计算耗时。

本发明利用基于同调法的机组分布区域作为分群指标，在不同地形的风电场的等值建模均有适用性。

本发明利用容量加权法计算等值机组的参数，是该等值方法适用于包含多种型号双馈机组的风电场等值。

本发明基于捕获风能等值的原则对风力机等值，更具有可视性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法一个实施例的建模方法的实现步骤；

图2是根据本发明一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法一个实施例的双馈风电机组全阶模型控制框图；

图3是根据本发明一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法一个实施例的双馈风电机组简化模型控制框图；

图4是根据本发明一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法一个实施例的包含33台双馈风电机组风电机组的风电场详细模型；

图5是根据本发明一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法一个实施例的包含3台双馈风电机组等值风电机组的风电场等值模型。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

针对传统的风电机组建模计算时间长、占用内存大的特点，本文提出了一种计算效率高且能全面正确反映机组运行特性的简化方法。传统的风电机组模型中，对变流器进行了详细建模，包括机侧变流器与网侧变流器。双馈机组最关键的控制环节是变流器的控制，分为机侧变流器控制和网侧变流器控制两部分。机侧变流器的控制对象是双馈异步发电机，目标是实现双馈风电机组最大风能追踪以及功率因数的控制。由最大风能追踪计算得到的有功指令P_s ^*以及功率因数要求得到的无功指令经过无功解耦控制得到机侧变流器在两相静止坐标下的调制电压指令，经过矢量控制技术得到机侧变流器各晶闸管的脉冲信号，经过电力电子开通关断得到三相调制电压。网侧变流器的主要控制目标是保证恒定的直流母线电压和实现功率因数的控制。网侧变流器的控制是机侧变流器正常工作的前提。

一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模方法，包括以下几方面：

双馈风电机组全阶模型的简化；

基于同调等值法依据机组分布进行风电场机群的划分；

对同群机组用一台等值机组替代；

计算每个机群等值机组的参数，以此实现利用若干台等值机组等值整个风场的目的。

一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模方法，包括以下步骤：

步骤一：双馈风电机组全阶模型的简化。

具体简化方法如下：

双馈机组最关键的控制环节是变流器的控制，分为机侧变流器控制和网侧变流器控制两部分。机侧变流器的控制对象是双馈异步发电机，目标是实现双馈风电机组最大风能追踪以及功率因数的控制。由最大风能追踪计算得到的有功指令以及功率因数要求得到的无功指令经过无功解耦控制得到机侧变流器在两相静止坐标下的调制电压指令，经过矢量控制技术得到机侧变流器各晶闸管的脉冲信号，经过电力电子开通关断得到三相调制电压。网侧变流器的主要控制目标是保证恒定的直流母线电压和实现功率因数的控制。网侧变流器的控制是机侧变流器正常工作的前提。

所述全阶模型的简化即将转子三相电压指令值用可控电压源模拟，省去了控制变流器电力电子开关的过程，大大简化了模型的复杂程度。

步骤二：基于依据机组分布进行风电场机群的划分。

具体分群方法如下：

本发明是基于同调等值法中的一种经典简易的根据机组分布区域进行机组的分群。机组分布规则的风电场可以按行或者按列进行分群，将同一行或者同一列的风电机组群用一台机组等值；机组分布受山区地形、交通条件以及农田等不可抗拒条件分布不规则的情况下按照在集电线上的集结情况进行机组分群，将同一条集结线上的机组用一台机组等值。

步骤三：步骤二所述的等值机组模型包括等值风力机模型和等值发电机模型。等值机组的参数计算采用基于容量加权法的参数聚合方法，等值风力机采用捕获风能等效的原则进行等值，即将每个机群的等值风力机半径为单台风力机半径的倍，其他风能利用系数、空气密度等的选择与单机相等。具体计算方法如下：

(1)等值发电机参数等值计算：

以同调机群中各发电机额定容量与等值机额定容量的比值为权数，有

$K_{\mathrm{eq}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{K}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}---\left(1\right)$

其中，S_i为第i台电机容量，K_i为等值前群内各台电机的阻抗参数、惯性常数、原动功率、电磁功率和阻尼系数以各自容量为基准的标幺值，K_eq则为等值后等值机的响应参数以聚合后的等值机容量为基准的标幺值，等于等值前群内各台电机K_i的加权平均值。有名值化后，聚合后总惯性常数、总机械功率和总电磁功率的有名值并未改变。则得到等值发电机等值参数计算如下：

A.等值发电机的容 $S_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i---\left(2\right)$

B.等值阻抗(标幺值) $Z_{\mathrm{eq}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i{S}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}---\left(3\right)$

C.转子转动惯量 $J_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{J}_i---\left(4\right)$

(2)等值风力机参数计算：

单台风力机吸收的风能

等值风力机采用捕获风能等效的原则进行等值。等值风力机吸收的风能

$P_{m\_\mathrm{eq}}=\frac{1}{2}\mathrm{\π\ρ}{R}_{\mathrm{eq}}^2{C}_{p\max }{v}^3---\left(6\right)$

式中：

P_{m_eq}为等值风力机吸收的风能；

ρ为空气密度；

R_eq为风力机半径；

C_pmax为最大风能转化效率；

v为有效风速；

v_w为吹入风速；

v_in切入风速；

v_out切出风速；

v_N分别为额定风速。

等值风力机的v_in、v_out、v_N和λ_opt与单机参数相同，根据捕获风能的等值的原则，相当于一个大风力机为等值发电机提供驱动转矩，其等值半径R为单机风力机半径。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统，包括机组分布情况信息提取单元、机组分群单元、全阶模型简化单元以及等值机组参数计算单元；所示机组分布情况信息提取单元实现从风电场机组整体分布图提取风电场建址地势条件，确定风电场风机布置是否规则；所述机组分群单元的功能是根据各机组的分布情况将各机组分成若干个机群，若分布规则就按行或者按列分群，若分布不规则就按照机组在集电线上的集结情况进行分群；所述全阶模型简化单元是为风电场等值模式作基础，对双馈风电机组全阶数学模型进行简化，将变流器模型用可控电源代替，实现仿真计算耗时大大缩短的功能；所述等值机组参数计算单元的功能是计算每个机群的等值机组的参数，包括等值风力机和等值发电机的参数，以此实现利用若干台等值机等值整个风电场动态系统的目的。

下面以在PSCAD/EMTDC软件平台上建立的包含33台双馈风电机组的等值过程为例说明本发明的具体实施步骤。

风电场详细模型如图3所示，风机机端电压0.69kV，风机箱式变压器变比35Kv/0.69kV，风场升压变变比220Kv/35kV，33台双馈风电机组为同一种型号，机组参数如表1所示。

表1

参数名称/单位	参数值	参数名称/单位	参数值
				S/MVA	1.5	Xm/p.u	4.68
f/Hz	50	Xsl/p.u	0.177
				U/Kv	0.69	Xrl/p.u	0.116
Rs	0.022	J/s	3
				Rr	0.026	R/m	35

本实施例一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模方法，包括以下步骤

步骤一：双馈风电机组全阶模型的简化

所述全阶模型的的简化即将转子三相电压指令值用可控电压源模拟，省去了控制变流器电力电子开关的过程，大大简化了模型的复杂程度。如图2为双馈机组全阶模型控制框图。

在完全相同的计算机运行配置条件下进行精确模型与简化模型计算时间统计结果如表2所示。

表2

注：acc即精确单机模型，是指变流器设计为三相全控型背靠背变流器；sim即简化单机模型，是指去掉变流器部分，用可控电压源替代。

由以上简化模型与精确模型仿真计算时间统计表中可以看到，在相同的仿真步长下，简化模型比精确模型计算时间明显缩短，随着机组数量的增加，简化模型快速的计算速度的优点更加明显，有效提高了仿真效率。

步骤二：机群的划分

本发明是基于同调等值法中的一种经典简易的根据机组分布区域进行机组的分群。机组分布规则的风电场可以按行或者按列进行分群，将同一行或者同一列的风电机组群用一台机组等值；机组分布受山区地形、交通条件以及农田等不可抗拒条件分布不规则的情况下按照在集电线上的集结情况进行机组分群，将同一条集结线上的机组用一台机组等值。本实施例中的风电场建在山区，地势比较复杂，风机布置不规则，将集结在一条集电线上的机组用一台等值机组等值。

各机组在集结上的分布情况及分群结果如表3所示。

表3

集电线编号风机编号		机群号
			I线	1～10，25	I
II线	11～21	II
			III线	22～24，26～33	III

步骤三：等值机组参数的计算

等值机组的参数计算采用基于容量加权法的参数聚合方法，具体计算方法如下：

(1)等值发电机参数等值计算

以同调机群中各发电机额定容量与等值机额定容量的比值为权数，有

$K_{\mathrm{eq}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i{K}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}---\left(1\right)$

其中，S_i为第i台电机容量，K_i为等值前群内各台电机的阻抗参数、惯性常数、原动功率、电磁功率和阻尼系数以各自容量为基准的标幺值，K_eq则为等值后等值机的响应参数以聚合后的等值机容量为基准的标幺值，等于等值前群内各台电机K_i的加权平均值。有名值化后，聚合后总惯性常数、总机械功率和总电磁功率的有名值并未改变。本实施例中双馈风电机组型号均相同，容量及机组参数均相等。则得到等值发电机等值参数计算如下：

A.等值发电机的容量 $S_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i---\left(2\right)$

B.等值阻抗(标幺值) $Z_{\mathrm{eq}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i{S}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i}=Z_i---\left(3\right)$

R_seq＝R_s＝0.022p.u.R_req＝R_r＝0.026p.u.X_sleq＝X_sl＝0.177p.u.

X_rleq＝X_rl＝0.116p.u.X_meq＝X_m＝4.68p.u.

C.转子转动惯量 $J_{\mathrm{eq}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{J}_i=3s---\left(4\right)$

(2)等值风力机参数计算

等值风力机吸收的风能：

式中：

P_{m_eq}为等值风力机吸收的风能；

ρ为空气密度；

R_eq为风力机半径；

C_pmax为最大风能转化效率；

V为有效风速；

v_w为吹入风速；

v_in切入风速；

v_out切出风速；

v_N分别为额定风速。

等值风力机的v_in、v_out、v_N和λ_opt与单机参数相同，根据捕获风能的等值的原则，相当于一个大风力机为等值发电机提供驱动转矩，其等值半径：

$R_{\mathrm{eq}}=\sqrt{n}R=\sqrt{11}\×35=116.08m---\left(6\right)$

综合以上计算得到等值机组的等值参数如表4所示：

表4

参数名称/单位	参数值	参数名称/单位	参数值
				S/MVA	16.5	Xm/p.u	4.68
f/Hz	50	Xsl/p.u	0.177
				U/Kv	0.69	Xrl/p.u	0.116
Rs	0.022	J/s	3
				Rr	0.026	R/m	116.08

通过上述三个步骤，得到风电场的等值模型如图4所示，即用3台等值机组模型替代原来如图3所示的包含33台机组的风电场详细模型，既简化了机组模型由减少了机组数量，达到了减少仿真数值计算量的目的。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法，所述方法分为如下步骤：

步骤一：双馈风电机组全阶模型的简化；

步骤二：基于依据机组分布进行风电场机群的划分；

步骤三：对同群机组用一台等值机组替代，步骤二所述的等值机组模型包括等值风力机模型和等值发电机模型；等值机组的参数计算采用基于容量加权法的参数聚合方法，等值风力机采用捕获风能等效的原则进行等值，即将每个机群的等值风力机半径为单台风力机半径的倍，其他风能利用系数、空气密度等的选择与单机相等；

步骤四：计算每个机群等值机组的参数，以此实现利用若干台等值机组等值整个风场的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法，其特征在于，所述步骤二具体分群方法如下：

机组分布规则的风电场按行或者按列进行分群；

将同一行或者同一列的风电机组群用一台机组等值；

机组分布受山区地形、交通条件以及农田等不可抗拒条件分布不规则的情况下按照在集电线上的集结情况进行机组分群；

将同一条集结线上的机组用一台机组等值。

3.根据权利要求2所述的一种基于简化模型的双馈机组风电场动态等值建模系统及方法，其特征在于，所述步骤三具体计算方法包括等值发电机参数等值计算和等值风力机参数计算。