CN109066696A - 一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法 - Google Patents

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CN109066696A CN201811150208.6A CN201811150208A CN109066696A CN 109066696 A CN109066696 A CN 109066696A CN 201811150208 A CN201811150208 A CN 201811150208A CN 109066696 A CN109066696 A CN 109066696A
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Abstract

本发明涉及风力发电领域，为一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法，根据DFIG接入电网的实际情况更改整个电力网络的结构；求得风电机组输出的电磁功率Pe和转子旋转角速度ω；将DFIG等效为绕线式异步发电机模型，计算等效的绕线异步发电机的转差率s；计算等效的绕线异步发电机的定子绕组向电网馈送的有功功率Ps和无功功率Qs；将DFIG的出口母线等效为稳态“类PQ”母线，将有功功率Ps和无功功率Qs以PQ节点的形式作为DFIG出口母线注入电网的功率，采用牛顿‑拉夫逊迭代算法计算整个网络中各母线电压，风电场端口母线电压，根据判断条件，终止迭代得到最终的风电场端口母线电压Us，有功功率Ps和无功功率Qs，根据上述方法能够快速地使潮流计算收敛，缩短计算时间。

Description

一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体地来讲为一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法。
背景技术
近年来,随着人们对可持续发展战略的认识,风力发电在全球获得了迅猛发展。风电场建设包括风资源测量评估、风场选址、发电机选型、风场内部微观选址、风电场升压站建设、接入电网线路建设等一系列问题。其中，风电场选址与接入系统设计都是规划阶段的重要问题,其重要性不言而喻。对含风电场电力系统进行潮流计算,是规划阶段的基础工作,是风电场升压站、接入系统线路方案确定的考虑因素之一。另外，在风电系统动态仿真中，状态变量的初值也由潮流计算获得。因此，对含风电场电力系统进行潮流计算是非常有意义的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法，能够快速地使潮流计算收敛，缩短计算时间。
本发明是这样实现的，
一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法，在稳态分析时将DFIG接入电网的母线处理为“类PQ”母线，包括如下的步骤：
S1：在传统电力网络基础上，根据DFIG接入电网的实际情况更改整个电力网络的结构；
S2：置循环次数k＝0，输入DFIG的工作风速V，设置传统电力网络中各母线电压的初值以及风电场端口母线电压的初值
S3：根据DFIG的电磁功率-风速曲线求得风电机组输出的电磁功率Pe；
S4：根据DFIG的电磁功率-旋转角速度曲线求得风力发电机的转子旋转角速度ω；
S5：将DFIG等效为绕线式异步发电机模型，根据风力发电机的转子旋转角速度ω计算等效的绕线异步发电机的转差率s；
S6：根据S2、S3以及S4的DFIG出口母线电压、转差率s以及风电机组输出的电磁功率Pe，计算等效的绕线异步发电机的定子绕组向电网馈送的有功功率Ps和无功功率Qs；
S7：将DFIG的出口母线等效为稳态“类PQ”母线，将上述计算所得的有功功率Ps和无功功率Qs以PQ节点的形式作为DFIG出口母线注入电网的功率，采用牛顿-拉夫逊迭代算法计算整个网络中各母线电压，风电场端口母线电压
S8：对计算得到的风电场端口母线电压与循环次数k的风电场端口母线电压的初值进行比较判断，若满足ε指双馈风电机组所接母线电压的迭代计算允许误差，则得到最终的风电场端口母线电压Us，并计算有功功率Ps和无功功率Qs；
S9：根据最终的有功功率Ps和无功功率Qs，计算得到网络中各发电机母线的注入功率，各支路传输功率及损耗功率。
进一步地，有功功率Ps通过解一元二次方程：得到，其中系数的计算公式如下：
其中
Xss＝Xs+Xm：定子绕组的漏抗与激磁漏抗之和，
DFIG的功率因素，
s：等效的绕线式异步发电机转差率，
Us：DFIG端口母线电压。
进一步地，无功功率Qs通过下列公式计算：
进一步地，将DFIG端口母线处理为“类PQ”母线包括：“类PQ”母线的注入功率在每一迭代步中是变化的，会随着该母线电压上一迭代步的迭代结果而变化。
进一步地，步骤S7中设迭代计算时DFIG出口母线电压第k次迭代结果为第(k+1)次迭代结果为若不满足则，令k＝k+1，再次计算等效的绕线异步发电机定子绕组向电网馈送的有功功率Ps和无功功率Qs，继续迭代直到满足误差要求。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
在常规电力网络稳态分析的基础之上，建立了DFIG锁连接的母线处理为稳态“类PQ”母线，它与常规电力网络潮流求解中PQ母线的区别是“类PQ”母线的注入功率在每一迭代步中是变化的，会随着该母线电压上一迭代步的迭代结果而变化。将该模型代入牛顿-拉夫逊潮流算法，可以得到整个网络的节点电压和潮流分布情况；该方法将DFIG所连接的母线处理为稳态“类PQ”母线，能够快速地使潮流计算收敛，缩短计算时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的方法的流程图；
图2为双馈感应式风电机组(DFIG)等效为绕线式异步发电机的等效电路；
图3为本发明实施例中MY4G13Bus算例电气拓扑结构；
图4为本发明实施例中各母线电压幅值和相位图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法，在稳态分析时将DFIG接入电网的母线处理为“类PQ”母线，包括如下的步骤：
S1：在传统电力网络基础上，根据DFIG接入电网的实际情况更改整个电力网络的结构；
S2：置循环次数k＝0，输入DFIG的工作风速V，设置传统电力网络中各母线电压的初值以及风电场端口母线电压的初值
S3：根据DFIG的电磁功率-风速曲线(Pe-V曲线)求得风电机组输出的电磁功率Pe；
S4：根据DFIG的电磁功率-旋转角速度曲线(Pe-ω曲线)求得风力发电机的转子旋转角速度ω；
S5：将DFIG等效为绕线式异步发电机模型，根据风力发电机的转子旋转角速度ω计算等效的绕线异步发电机的转差率s；
S6：根据S2、S3以及S4的DFIG出口母线电压、转差率s以及风电机组输出的电磁功率Pe，计算等效的绕线异步发电机的定子绕组向电网馈送的有功功率Ps和无功功率Qs；
S7：将DFIG的出口母线等效为稳态“类PQ”母线，将上述计算所得的有功功率Ps和无功功率Qs以PQ节点的形式作为DFIG出口母线注入电网的功率，采用牛顿-拉夫逊迭代算法计算整个网络中各母线电压，风电场端口母线电压
S8：对计算得到的风电场端口母线电压与循环次数k的风电场端口母线电压的初值进行比较判断，若满足ε指双馈风电机组所接母线电压的迭代计算允许误差，则得到最终的风电场端口母线电压Us，并计算有功功率Ps和无功功率Qs；
S9：根据最终的有功功率Ps和无功功率Qs，计算得到网络中各发电机母线的注入功率，各支路传输功率及损耗功率。
步骤S3中DFIG的Pe-V曲线根据实测曲线拟合而得，其上升段采用MATLAB中ployfit函数拟合成6阶多项式，表达式为
Pe＝-3.6431×10-5v6+0.0015v5-0.0249v4+
0.2113v3-0.954v2+201953v-2.0296
步骤S4中DFIG的Pe-ω曲线根据生产商提供的出厂数据拟合而得，其上升段同样采用MATLAB中plotfit函数拟合成4阶多项式，表达式为
Pe＝8244.2n4-16603n3+9289.5n2+126.2347n-53.0736
将双馈感应式风电机组(DFIG)等效为绕线式异步发电机，其等效电路见图2所示，其中rs和xs—定子绕组的电阻和漏抗；rr和xr—转子绕组的电阻和漏抗；rm和xm—激磁电阻和漏抗；s—转差率。
设定DFIG的工作风速为10m/s，功率因素为0.98。等效的绕线式异步电机转子经AC-DC-AC变流器向网络馈送的有功功率为
DFIG向电网侧馈送的总的有功功率
Pe＝Ps+Pr (2)
将式(1)代入式(2)可得
若DFIG的功率因素设定值为则有
也即
联立式(3)和式(5)得
将式(6)化归成经典的一元二次方程为
式(7)中各系数的计算公式如下
其中
Xss＝Xs+Xm：定子绕组的漏抗与激磁漏抗之和
DFIG的功率因素
s：等效的绕线式异步发电机转差率
求解式(7)所述一元二次方程即可得到DFIG定子绕组向电网馈送的有功Ps，由于DFIG转子绕组通过背靠背(AC-DC-AC)变流器向电网馈送的无功Qr较小，在工程计算中影响不大，可以忽略，则整台DFIG向电网馈送的无功功率可按式(5)计算而得。
在步骤S7和S8中，设迭代计算时DFIG出口母线电压第(k)次迭代结果为第(k+1)次迭代结果为判断条件(此处ε指双馈风电机组所接母线电压的迭代计算允许误差)是否满足：若满足，则停止迭代并得到最终DFIG端口母线电压Us；否则，令k＝k+1，再次计算等效的绕线异步发电机定子绕组向电网馈送的有功功率Ps和无功功率Qs，继续迭代直到满足误差要求。
为验证本发明方法的正确性，提出如下算例。MY4G13Bus算例电气拓扑结构如图3所示，其中包含有4台同步发电机，13条母线，共18条支路(其中包含4条变压器支路)，分为220kV、110kV和35kV三个电压等级。30台1.5MW的DFIG集中接入电网，每台DFIG的参数见表1，匹配变压器采用0.69kV/35kV电压等级，为简化计算，设匹配变压器为理想变压器并忽略损耗。风电场出口处的主变压器采用35kV/110kV电压等级，具体参数见表2。从主变压器高压侧架设一条40km的LGJ-240型电力传输线，接入常规电网中编号为13的母线上。
表1 DFIG基本参数
表2主变压器基本参数
利用本发明方法进行潮流计算，所得各条母线电压的幅值和相位如表3所示，表中同时给出了没有加入DFIG时各母线电压的幅值和相位以供比较。表中算法1为高斯-赛德尔算法计算结果，算法2为牛顿-拉夫逊算法计算结果，通过比较可以发现，两种算法的计算结果基本吻合。为更直观显示各母线电压幅值和相位，绘制曲线如图4所示。
从表3和图4可以明显看出，加入DFIG后原电力网络中母线电压偏低的母线(如7、10、11、12和13)得到明显改善。
表3算例中各母线电压的幅值和相位
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种含有双馈感应式风电机组电网的稳态潮流计算方法，其特征在于，在稳态分析时将DFIG接入电网的母线处理为“类PQ”母线，包括如下的步骤：
S1：在传统电力网络基础上，根据DFIG接入电网的实际情况更改整个电力网络的结构；
S2：置循环次数k＝0，输入DFIG的工作风速V，设置传统电力网络中各母线电压的初值以及风电场端口母线电压的初值
S3：根据DFIG的电磁功率-风速曲线求得风电机组输出的电磁功率Pe；
S4：根据DFIG的电磁功率-旋转角速度曲线求得风力发电机的转子旋转角速度ω；
S5：将DFIG等效为绕线式异步发电机模型，根据风力发电机的转子旋转角速度ω计算等效的绕线异步发电机的转差率s；
S6：根据S2、S3以及S4的DFIG出口母线电压、转差率s以及风电机组输出的电磁功率Pe，计算等效的绕线异步发电机的定子绕组向电网馈送的有功功率Ps和无功功率Qs；
S7：将DFIG的出口母线等效为稳态“类PQ”母线，将上述计算所得的有功功率Ps和无功功率Qs以PQ节点的形式作为DFIG出口母线注入电网的功率，采用牛顿-拉夫逊迭代算法计算整个网络中各母线电压，风电场端口母线电压
S8：对计算得到的风电场端口母线电压与循环次数k的风电场端口母线电压的初值进行比较判断，若满足ε指双馈风电机组所接母线电压的迭代计算允许误差，则得到最终的风电场端口母线电压Us，并计算有功功率Ps和无功功率Qs；
S9：根据最终的有功功率Ps和无功功率Qs，计算得到网络中各发电机母线的注入功率，各支路传输功率及损耗功率。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，有功功率Ps通过解一元二次方程：aPs 2+bPs+c＝0得到，其中系数的计算公式如下：
其中
Xss＝Xs+Xm：定子绕组的漏抗与激磁漏抗之和，
DFIG的功率因素，
s：等效的绕线式异步发电机转差率，
Us：DFIG端口母线电压。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，无功功率Qs通过下列公式计算：
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，将DFIG端口母线处理为“类PQ”母线包括：“类PQ”母线的注入功率在每一迭代步中是变化的，会随着该母线电压上一迭代步的迭代结果而变化。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S7中设迭代计算时DFIG出口母线电压第k次迭代结果为第(k+1)次迭代结果为若不满足则，令k＝k+1，再次计算等效的绕线异步发电机定子绕组向电网馈送的有功功率Ps和无功功率Qs，继续迭代直到满足误差要求。
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