CN108258725A - 一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，包括以下步骤：1、将风电场内各双馈风电机的定子、转子电压磁链方程进行处理，忽略定子压降，构造双馈风电机等效暂态内电势；2、将等效暂态内电势与机端电压之间的夹角作为双馈风电机的等效功角，并以此作为双馈风电机间同调的判别依据，通过比较任意双馈风电机之间等效功角的受扰轨线，确定风电场同调机组的划分；3、以双馈风电机输出的有功功率为权重得到等值机的等效暂态内电势，并将同群的双馈风电机暂态内电势母线分别通过复变比移相变压器连接到等值机的等效暂态内电势母线；4、计算各等值机的等效参数，通过等效双馈风电机阻抗将等值机等效暂态内电势母线连接到等值机。

Description

一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法

技术领域

本发明涉及新能源发电技术中的风电场等值建模领域，具体涉及一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法。

背景技术

随着现代电力工业的迅速发展，大规模交直流互联电力系统出现，多机(上千台机)、大电网(几千条线路、几千条母线)特征越来越突出，这使得电力系统规划设计和运行方式的计算变得异常的繁琐复杂。一方面，详细完成这些计算需要耗费大量的时间和空间，另一方面，受到仿真规模和硬件设备的限制，上述计算难以在实际中实现。为此需要对原始系统进行某种合理的简化，从而减小系统规模。实际中，对一个大电力系统的动态性能研究一般只对某一个区域最感兴趣，该区域称之为研究系统，而与此区域较远的区域，研究中只要计及其对研究区域的影响，其内部不必详细描写，往往可做降阶及简化，以节省研究的人力和物力，该拟作简化的区域称为外部系统。把不需要详细分析的外部系统进行等值化简十分必要。

风电作为最具发展潜力和规模化开发的新能源，从20世纪70年代起就受到了世界各国的广泛关注。随着风电的迅猛发展，风电场在规模和数目上都出现了爆发性的增长，因此，大规模风电场并网对电力系统的影响也与日俱增。在研究大规模风电接入对电力系统动态特性的影响时，需要一个能准确表征风电场整体动态特性的风电场模型。风电场通常由几十台甚至上百台风电机组组成，其中每一台风机的模型均达到十几阶，采用详细模型对风电场进行建模仿真效率将十分低下，因此有必要对大规模风电场进行简化聚合建模。

目前，大电网中通常将网络等值到较高的电压等级上，而把处于较低电压等级的风电场等值为一个有功功率为负的负荷，这样的处理忽略掉了风电场的动态特性。而随着风电技术的迅猛发展，单机容量已经达到兆瓦级，风力发电容量在电网总发电容量中所占比例越来越大，其动态特性对电网运行特性的影响也日益显著，当进行动态等值时，风电场集中的地区的特性已经不能再简单的忽略掉，因此，急需深入研究风电场的等值化简方法。

分群和参数聚合是风电场动态等值的重要内容。目前，如何对风电场同调特性进行判别的相关文献较少，相关文献提出按照特征量同调分群的方法，但是该类方法存在特征量的选取是否完备的问题，该方法是否存在普适性是阻碍其应用的瓶颈。基于受扰轨线的相似度分群是对多机系统分群常用的方法，常以发电机的功角作为观测量，而与同步电机不同的是，双馈风机中由于电力电子设备的存在，使得其对外的动态特性和传统同步发电机相差较大，因此在对风电机进行同调判别时，对于采用哪些变量的受扰轨线进行比较还没有形成共识。此外，由于双馈风机采用解耦控制，因此对外不体现惯量，其对系统的影响仅仅以发出功率的多少来表征，目前鲜有对于风电机参数聚合的方法研究的相关文献。因此，急需一种适用于风电场的同调判别以及参数聚合的动态等值方法，以满足含有大规模风电场的电力系统的动态等值需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，以实现风电场等值建模过程中双馈风电机同调机群的精确划分以及动态参数的合理聚合，能够大幅降低风电机组的规模并保留风电机组的动态特性。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S10、将风电场内各双馈风电机的定子、转子电压磁链方程进行处理，忽略定子压降，构造双馈风电机等效暂态内电势；

步骤S20、将双馈风电机的等效暂态内电势与机端电压之间的夹角作为双馈风电机的等效功角，并以此作为双馈风电机间同调的判别依据，通过比较任意双馈风电机之间等效功角的受扰轨线，确定风电场同调机群的划分；

步骤S30、以双馈风电机输出的有功功率为权重得到等值机的等效暂态内电势，并将同群的双馈风电机暂态内电势母线分别通过复变比移相变压器连接到等值机的等效暂态内电势母线；

步骤S40、计算各等值机的等效参数，通过等效双馈风电机阻抗将等值机等效暂态内电势母线连接到等值机。

进一步地，步骤S10的具体过程为：

首先，将所述各双馈风电机的定子、转子电压磁链方程表示如下：

其中，u、i、ψ分别表示双馈风电机的电压、电流和磁链；R、L分别表示双馈风电机的电阻和电感；下标中的s、r分别表示双馈风电机的定子、转子；下标中的d、q分别表示直轴、交轴分量；L_m表示双馈风电机的互感；p为微分算子；s表示转差率；

然后，联立公式(1)和公式(2)，消去转子电流，得到的电压方程表示如下：

式中，令：

其中，X_ss＞＞R_s，所以双馈风电机的定子压降能够忽略不计，定义双馈风电机等效暂态内电势如下：

E'＝U_s-jX_ssI_s (5)

其中，U_s表示双馈风电机的机端电压，I_s表示双馈风电机的定子电流，j代表相位超前90度的符号。

进一步地，步骤S30中，设同调机群中双馈风电机的个数为N，等值机的等效暂态内电势为：

其中，p_i表示同调机群中第i个双馈风电机的有功功率；

所述复变比移相变压器的变比为：

其中，表示同调机群中第i个双馈风电机的等效暂态内电势。

进一步地，步骤S40中，各等值机的等效参数为：

其中，N表示同调机群中双馈风电机的个数，P表示双馈风电机的有功功率，Q表示双馈风电机的无功功率，X_s表示双馈风电机的定子电抗，X_r表示双馈风电机的转子电抗，H_g表示双馈风电机中感性发电机的转子惯性时间常数，H_t表示双馈风电机中风力机的转子惯性时间常数，K_s表示双馈风电机中风力机的轴系刚度系数，下标中的eq分别代表等值机参数。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明的一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，能够有效地对大规模双馈风机进行同调机群划分，并对同调机组进行合理参数聚合。该方法能够在保留风电机组动态特性的前提下显著降低风电机组的规模，从而简化外部区域，以便突出重点关注的待研究区域。该方法是首先忽略磁饱和的影响，在d-q同步旋转坐标系下将风电场内各双馈风机的定、转子电压磁链方程进行处理，忽略定子压降，构造双馈风机等效暂态内电势；将等效内电势和机端电压之间的夹角作为双馈风机的等效功角，并以此作为风电机间同调的判别依据，通过比较任意双馈风机之间等效功角的受扰轨线，确定风电场同调机组的划分；之后以双馈风机输出有功功率为权重得到等值机的等效暂态内电势，并将同群的双馈风机暂态内电势母线分别通过复变比移相变压器连接到等效暂态内电势母线；最后计算各等值机组的等效参数，通过等效双馈风机阻抗将等效暂态内电势连接到等值机。这样，满足了含大规模风电机组的大电网高精度等值化简需求，该聚合方法更能反映风电场的真实动态特性，也为科学、正确地分析大规模风电场并网对大电网动态特性的影响奠定了基础。

2、本发明方法基于等效功角判别风电机组同调性并以双馈风机输出功率为权重对同调风机进行聚合，能够大幅降低风电机组的规模并保留风电机组的功率特性，更能反映等值后风电场的真实特性，从而满足了含大规模风电机组的大电网高精度等值化简需求。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法的流程图。

图2为本发明实施例双馈风电机的等效暂态内电势与双馈风电机的等效功角相量图。

图3为本发明实施例构造等值机的步骤图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤S10、将风电场内各双馈风电机的定子、转子电压磁链方程进行处理，忽略定子压降，构造双馈风电机等效暂态内电势；具体过程为：

A、在忽略磁饱和影响前提下，得到双馈风电机在d-q同步旋转坐标系中的电压和磁链标幺值方程式如式(1)、(2)所示：

其中，u、i、ψ分别表示双馈风电机的电压、电流和磁链；R、L分别表示双馈风电机的电阻和电感；下标中的s、r分别表示双馈风电机的定子、转子；下标中的d、q分别表示直轴、交轴分量；L_m表示双馈风电机的互感；p为微分算子；s表示转差率；

B、联立公式(1)和公式(2)，消去转子电流，得到的电压方程表示如下：

式中，

C、令：

可将式(3)进一步化简为：

U_s＝R_sI_s+jX_ssI_s+E'

其中，X_ss＞＞R_s，所以双馈风电机的定子压降能够忽略不计，定义双馈风电机等效暂态内电势如下：

E'＝U_s-jX_ssI_s (5)

其中，E'＝E'_d+jE'_q，U_s表示双馈风电机的机端电压，I_s表示双馈风电机的定子电流，j代表相位超前90度的符号。

步骤S20、将双馈风电机的等效暂态内电势与机端电压之间的夹角作为双馈风电机的等效功角，如图2所示，并以此作为双馈风电机间同调的判别依据，通过比较任意双馈风电机之间等效功角的受扰轨线，确定风电场同调机群的划分；具体过程为：

A、由双馈风电机端口电压和等效暂态内电势之间的数学关系，构造双馈风电机的等效功角为δ_dfig，端口电压U_s和等效暂态内电势E'之间的夹角。双馈风电机的输出功率与暂态内电势E'、等效功角δ_dfig之间的定量关系分别如下式所示：

基于等效功角的同调判据，不同双馈风机功率响应曲线的动态相似程度可用δ_dfig来表征；

B、假设本实施例中共有M台双馈风电机，以等效功角δ_dfig作为观测量，以两台双馈风电机i、j之间的功角差在研究时段内的最大值|δ_i-δ_j|来反映同调程度，当该值小于规定的阈值ε时，称这两台双馈风电机为同调机组。按照上述方法遍历整个风电场中全部M台双馈风电机两两之间的等效功角差，得到K(K<M)组同调的风电机组；

步骤S30、以双馈风电机输出的有功功率为权重得到等值机的等效暂态内电势，并将同群的双馈风电机暂态内电势母线分别通过复变比移相变压器连接到等值机的等效暂态内电势母线；

由于双馈风电机采用的是解耦控制，对外不体现惯量，因此，双馈风电机对系统的影响仅仅以发出功率的多少来表征。对于属于同调机群的双馈风电机，考虑以风电机输出功率为权重的聚合方法。设同调机群中双馈风电机的个数为N，等值机的等效暂态内电势为：

其中，p_i表示同调机群中第i个双馈风电机的有功功率；

以双馈风电机输出功率为权重的发电机聚合算法，等值机的暂态内电势由同调机群中所有的风机决定，每个风机所占权重取决于他们的输出功率。这种方法，等值机能够准确代表大风电机组的动态特性，由于小风电机组对系统的影响很小，因此，这种聚合方法具有很高的准确性。将属于同群的双馈风电机的母线通过复变比移相变压器连接到等值机的等效暂态内电势母线。

其中，所述复变比移相变压器的变比为：

其中，表示同调机群中第i个双馈风电机的等效暂态内电势，构造等值机的过程如图3所示。

步骤S40、计算各等值机的等效参数，通过等效双馈风电机阻抗将等值机等效暂态内电势母线连接到等值机。所述各等值机的等效参数为：

其中，N表示同调机群中双馈风电机的个数，P表示双馈风电机的有功功率，Q表示双馈风电机的无功功率，X_s表示双馈风电机的定子电抗，X_r表示双馈风电机的转子电抗，H_g表示双馈风电机中感性发电机的转子惯性时间常数，H_t表示双馈风电机中风力机的转子惯性时间常数，K_s表示双馈风电机中风力机的轴系刚度系数，下标中的eq分别代表等值机参数。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S10、将风电场内各双馈风电机的定子、转子电压磁链方程进行处理，忽略定子压降，构造双馈风电机等效暂态内电势；

步骤S20、将双馈风电机的等效暂态内电势与机端电压之间的夹角作为双馈风电机的等效功角，并以此作为双馈风电机间同调的判别依据，通过比较任意双馈风电机之间等效功角的受扰轨线，确定风电场同调机群的划分；

步骤S30、以双馈风电机输出的有功功率为权重得到等值机的等效暂态内电势，并将同群的双馈风电机暂态内电势母线分别通过复变比移相变压器连接到等值机的等效暂态内电势母线；

步骤S40、计算各等值机的等效参数，通过等效双馈风电机阻抗将等值机等效暂态内电势母线连接到等值机。

2.根据权利要求1所述的一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，其特征在于，步骤S10的具体过程为：

首先，将所述各双馈风电机的定子、转子电压磁链方程表示如下：

其中，u、i、ψ分别表示双馈风电机的电压、电流和磁链；R、L分别表示双馈风电机的电阻和电感；下标中的s、r分别表示双馈风电机的定子、转子；下标中的d、q分别表示直轴、交轴分量；L_m表示双馈风电机的互感；p为微分算子；s表示转差率；

然后，联立公式(1)和公式(2)，消去转子电流，得到的电压方程表示如下：

式中，令：

其中，X_ss＞＞R_s，所以双馈风电机的定子压降能够忽略不计，定义双馈风电机等效暂态内电势如下：

E'＝U_s-jX_ssI_s (5)

其中，U_s表示双馈风电机的机端电压，I_s表示双馈风电机的定子电流，j代表相位超前90度的符号。

3.根据权利要求1所述的一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，其特征在于，步骤S30中，设同调机群中双馈风电机的个数为N，等值机的等效暂态内电势为：

其中，p_i表示同调机群中第i个双馈风电机的有功功率；

所述复变比移相变压器的变比为：

其中，表示同调机群中第i个双馈风电机的等效暂态内电势。

4.根据权利要求1所述的一种基于等效功角同调的双馈风电机动态等值方法，其特征在于，步骤S40中，各等值机的等效参数为：

其中，N表示同调机群中双馈风电机的个数，P表示双馈风电机的有功功率，Q表示双馈风电机的无功功率，X_s表示双馈风电机的定子电抗，X_r表示双馈风电机的转子电抗，H_g表示双馈风电机中感性发电机的转子惯性时间常数，H_t表示双馈风电机中风力机的转子惯性时间常数，K_s表示双馈风电机中风力机的轴系刚度系数，下标中的eq分别代表等值机参数。