CN110263377B - 一种基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，包括：对目标风电场进行潮流计算以获取稳态工作点；建立目标风电场的风电机组的阻抗模型；建立目标风电场的各级变压器及交流集电网络的阻抗模型；建立包含风电机组、各级变压器及交流集电网络的风电场阻抗网络，获取目标风电场的d‑q阻抗模型；进行阻抗域变换，将d‑q阻抗模型变换为单入单出的一维序阻抗模型；预估单台风机模型的初始控制器参数，得到单台风机的一维序阻抗模型；联立目标风电场及单台风机的一维序阻抗模型，将目标风电场的频域特性映射至单台风机，以获取单台风机的等效参数。本发明能获取单台风机模型的精确等效参数，使得其频域特性与风电场完全复符合。

Description

一种基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，特别涉及一种基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法。

背景技术

随着化石燃料的快速消耗和环境的恶化，环保型可再生能源在发电中扮演着愈来愈重要的角色。作为应用最为广泛的可持续能源，风电近年来发展迅速。2017年安装的风力发电量超过52GW，全球总装机容量达到539GW。然而，由于大规模风电场，风电场和电网之间的动态交互越来越显著。因此，很有必要建立一个同时考虑精确度和简便性的风电场模型。

通常，风电场模型分为两大类，即详细模型和聚合模型。在详细模型中，风电场采用一个高阶线性化状态空间模型表示，该模型十分冗赘并且当风场网络拓扑或构成发生变化时不够灵活。随着风电场规模的不断扩大，风场聚合模型更适合用于系统级动态分析研究。由于电力系统的复杂性，已经开发出具有不同简化程度的特殊风电场模型，包括单机聚合模型、部分聚合模型和多机聚合模型。对于单机聚合模型，风场内的所有风力发电机以及交流集电网络都被聚合成一个具有等效内部电网的等效风力发电机组。当风场中所有风力发电机组接收相同的风速度，这种聚合方法是比较精确的。针对不同风速下风机运行情况不同的情况，有学者提出了部分聚合模型。在这种方法中，风力发电机和变流器被聚合成一个等效发电系统，由多个涡轮机驱动的风力发电系统。基于此思想，学者们进一步提出了多机聚合模型。采用这种方法，可以按照一定的聚类指标将整个大型风电场聚合成若干个不同的聚合风电机组。

上述这些衍生的聚合方法的核心均是单机聚合模型，因此准确的单机聚合模型的建立显得尤为重要。此外，研究表明，使用传统的单机聚合模型很难准确判断风电场并网的稳定性，因为在传统的单机聚合模型中忽略了电力电子变流器所引入的非线性环节对低频特性的影响。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种基于频率映射的风电场单机等值聚合建模方法，将风电场的精确阻抗模型在频域上一一对应到单机聚合阻抗模型上，从而得出精确的等值参数，这样保证了等值前后模型的频域等价性，能够大大简化大规模风电场在并网分析中模型的复杂程度。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种基于频率映射的风电场单机等值聚合建模方法，其包括：

S11：对目标风电场进行潮流计算以获取稳态工作点；

S12：基于所述稳态工作点，在d-q坐标系下建立所述目标风电场的风电机组的单台风机阻抗模型；

S13：在d-q坐标系下建立所述目标风电场的各级变压器以及交流集电网络的阻抗模型；

S14：基于S13的阻抗模型，建立包含风电机组、各级变压器以及交流集电网络的风电场阻抗网络，并基于电路理论以及能量守恒定律获取所述目标风电场的d-q阻抗模型；

S15：进行阻抗域变换，将S14中的d-q阻抗模型变换为单入单出的一维序阻抗模型；

S16：预估S12得到的单台风机阻抗模型的初始控制器参数，得到所述单台风机的一维序阻抗模型；

S17：联立S15得到的所述目标风电场以及S16得到的单台风机的一维序阻抗模型，将所述目标风电场的频域特性映射至所述单台风机，以获取所述单台风机的等效参数。

较佳地，所述S11具体包括：

采用基于牛顿拉夫逊法的潮流计算方法，将每台风机等效为PQ节点，在已获知所述目标风电场的机网参数基础上，通过潮流计算获得每台风机的稳态工作点。

较佳地，所述目标风电场的机网参数包括：风机子系统的参数以及交流集电网络子系统的参数；

所述风机子系统的参数包括：输入风速，风机机械参数、风机电气参数，直流母线参数、变流器结构、稳态控制策略、暂态控制策略以及控制参数；

所述交流集电网络子系统的参数包括：网络拓扑、线路参数、各级变压器结构与参数以及风机总台数。

较佳地，所述S12具体包括：

S121：基于各台风机的d-q旋转坐标系，根据其感应发电机结构、直流母线结构、变流器结构及其详细的控制策略，建立该台风机的全阶状态空间模型，并在稳态工作点处进行线性化，经过拉普拉斯变换可整理为s域内的代数方程形式，具体如下式：

式中：x代表系统的状态变量，Δi^s _wdq代表出口电流输入变量，Δu^s _wdq代表电压输入变量；

S122：对接口变量进行线性变换，消去中间参量，可以得到d-q阻抗模型，具体如下式：

较佳地，所述S13进一步包括：

S131：建立各级变压器的d-q阻抗模型

变压器励磁回路阻抗很大，在正常运行工况下可近似为开路，将低压侧阻抗折算到高压侧，变压器等值阻抗如下式所示：

Z_T＝(R_{T_high}+R'_{T_low})I+s·(L_{T_high}+L'_{T_low})I，

式中：R_{T_high}、L_{T_high}代表高压侧的电阻和电感；R’_{T_low}、L’_{T_low}代表低压侧的电阻和电感；

S132：建立交流集电网络的d-q阻抗模型；

线路采用集中参数式模型：

Z_L＝(R_L+sL_L)I，

式中：R_L、L_L代表线缆单位公里的电阻和电感。

较佳地，所述S14进一步包括：

S141：基于能量守恒定律，获取交流集电网络的等效出口电抗；

具体为：基于能量守恒定律，在风电场出口侧用一个总电抗代替交流集电网络的等效电抗，使得所述总阻抗上消耗的能量和交流集电网络消耗的总能量相等；

S142：基于电路理论，化简目标风电场阻抗网络并获取其d-q阻抗模型；

在获得交流集电网络的等效出口电抗的基础上，余下的风机和低压变压器阻抗根据电路串并联理论进行化简，根据具体网络拓扑，得到目标风电场的d-q阻抗模型。

较佳地，所述S15具体包括：

在已经获知目标风电场的d-q阻抗模型的基础上，根据一种线性变换方法，将d-q阻抗模型变换为序阻抗模型，其中序阻抗和d-q阻抗之间的关系如下式所示：

式中，Z_wpn，Z_wdq分别代表d-q域和序域下的二维风电场阻抗，其中线性变换矩阵A_z如下式所示：

基于此，可得到单入单出的一维序阻抗模型：

D_WF＝Z_wppZ_wnn-Z_wpnZ_wnp。

较佳地，所述S17具体包括：

联立所述目标风电场以及单台风机的一维序阻抗模型，根据未知参数的数量，选定相应数量的注入频率，求解单台风机模型的未知参数，获取单机风机模型的等效参数：

式中，

分别代表单台风机的阻抗和风电场的阻抗，k_n代表单机风机模型的n个未知等效参数。

相较于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的基于频率映射的风电场单机等值聚合建模方法，将目标风电场的精确阻抗模型在频域上一一对应到单台风机的阻抗模型上，从而得出精确的等值参数，可以获得频率特性与目标风电场一致的单台风机模型，这样保证了等值前后模型的频域等价性，能够大大简化大规模风电场在并网分析中模型的复杂程度，并且同时保证精度不变。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：

图1为本发明一实施例的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法的流程图；

图2为本发明一实施例的目标风电场的拓扑结构示意图；

图3为本发明一实施例的单机风机的风电场的单馈线扫频对比图；

图4为本发明一实施例的单机风机的风电场的多馈线扫频对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明的一实施例的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法的流程图。本发明在d-q坐标系下建立风电机组详细的阻抗模型，在d-q坐标系下建立交流集电网络和各类变压器的阻抗模型。在此基础上，建立包含风电机组、交流集电网络和变压器的风电场阻抗网络，并基于电路理论和能量守恒定律获取风电场精确的d-q阻抗模型。对上述d-q阻抗进行阻抗域变换，转换为单入单出的一维序阻抗。直接联立风电场和单台风机的一维序阻抗模型，将风电场的频域特性映射至单台聚合风机，以获取单台聚合风机的等效参数。该方法考虑了风电场内部详细拓扑以及各个组成元件，包括风电机组，交流集电网络以及各类变压器。

具体的，请参考图1，包括以下步骤：

S11：对目标风电场进行潮流计算以获取稳态工作点；

S12：基于S11获得的稳态工作点，在d-q坐标系下建立目标风电场的风电机组的单台风机阻抗模型；

S13：在d-q坐标系下建立目标风电场的各级变压器以及交流集电网络的阻抗模型；

S14：基于上述S13的阻抗模型，建立包含风电机组、各级变压器以及交流集电网络的风电场阻抗网络，并基于电路理论以及能量守恒定律获取目标风电场的d-q阻抗模型；

S15：进行阻抗域变换，将S14中的d-q阻抗模型变换为单入单出的一维序阻抗模型；

S16：预估上述S12的单台风机阻抗模型的初始控制器参数，得到单台风机的一维序阻抗模型；

S17：联立S15得到的目标风电场的一维序阻抗模型以及S16得到的单台风机的一维序阻抗模型，将目标风电场的频域特性映射至单台风机，以获取单台风机的等效参数。

较佳实施例中，S11具体包括：

采用基于牛顿拉夫逊法的潮流计算方法，将每台风机等效为PQ节点，在已获知目标风电场的机网参数基础上，通过潮流计算获得每台风机的稳态工作点。

较佳实施例中，目标风电场的机网参数包括：风机子系统的参数以及交流集电网络子系统的参数。风机子系统的参数包括：输入风速，风机机械参数、风机电气参数，直流母线参数、变流器结构、稳态控制策略、暂态控制策略以及控制参数；交流集电网络子系统的参数包括：网络拓扑、线路参数、各级变压器结构与参数以及风机总台数。

较佳实施例中，S12具体包括：

S121：基于各台风机的d-q旋转坐标系，根据其感应发电机结构、直流母线结构、变流器结构及其详细的控制策略，建立该台风机的全阶状态空间模型，并在稳态工作点处进行线性化，经过拉普拉斯变换可整理为s域内的代数方程形式，具体如下式：

式中：x代表系统的状态变量，Δi^s _wdq代表出口电流输入变量，Δu^s _wdq代表电压输入变量；

S122：对接口变量进行线性变换，消去中间参量，可以得到d-q阻抗模型，具体如下式：

较佳实施例中，S13进一步包括：

S131：建立各级变压器的d-q阻抗模型

变压器励磁回路阻抗很大，在正常运行工况下可近似为开路，将低压侧阻抗折算到高压侧，变压器等值阻抗如下式所示：

Z_T＝(R_{T_high}+R'_{T_low})I+s·(L_{T_high}+L'_{T_low})I，

式中：R_{T_high}、L_{T_high}代表高压侧的电阻和电感；R’_{T_low}、L’_{T_low}代表低压侧的电阻和电感；

S132：建立交流集电网络的d-q阻抗模型；

线路采用集中参数式模型：

Z_L＝(R_L+sL_L)I，

式中：R_L、L_L代表线缆单位公里的电阻和电感。

较佳地，S14进一步包括：

S141：基于能量守恒定律，获取交流集电网络的等效出口电抗；

具体为：基于能量守恒定律，在风电场出口侧用一个总电抗代替交流集电网络的等效电抗，使得总阻抗上消耗的能量和交流集电网络消耗的总能量相等；

S142：基于电路理论，化简目标风电场阻抗网络并获取其d-q阻抗模型；

在获得交流集电网络的等效出口电抗的基础上，余下的风机和低压变压器阻抗根据电路串并联理论进行化简，根据具体网络拓扑，得到目标风电场的d-q阻抗模型。

较佳实施例中，S15具体包括：

在已经获知目标风电场的d-q阻抗模型的基础上，根据一种线性变换方法，将d-q阻抗模型变换为序阻抗模型，其中序阻抗和d-q阻抗之间的关系如下式所示：

式中，Z_wpn，Z_wdq分别代表d-q域和序域下的二维风电场阻抗，其中线性变换矩阵A_z如下式所示：

基于此，可得到单入单出的一维序阻抗模型：

D_WF＝Z_wppZ_wnn-Z_wpnZ_wnp。

较佳实施例中，S16具体包括：

根据目标风电场的功率等级，按照风机参数设计准则，预估单台风机阻抗模型的初始控制器参数，包括电流内环PI控制器参数，锁相环PI参数以及功率外环PI控制器参数，以减少S17的数值计算量。

较佳实施例中，S17具体包括：

联立目标风电场以及单台风机的一维序阻抗模型，根据未知参数的数量，选定相应数量的注入频率，求解单台风机模型的未知参数，获取单机风机模型的等效参数：

式中，

分别代表单台风机的阻抗和风电场的阻抗，k_n代表单机风机模型的n个未知等效参数。

一实施例中，可采用上述基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法的目标风电场的拓扑结构如图2所示。风场内各台风机通过交流集电网络连接，包括：交流电网、风场侧升压变压器、交流集电网络、风机侧升压变压器。上述方法适用于任何风机组成的风场，本实施例中以永磁同步风力发电机为例，包括：网侧变流器，直流电容，机侧变流器，永磁同步发电机，风力机以及叶片等。风场侧升压变压器高压侧与交流电网的输出端相连，同时低压侧与风电场相连。交流集电网络与所有风机侧升压变压器的高压侧连接，同时与风场侧升压变压器低压侧连接。风机网侧变流器与风机侧升压变压器低压侧连接，同时与直流电容并联，风机机侧变流器与直流并联，同时与永磁同步发电机连接。风机控制系统包括电流内环控制，锁相环和直流电压外环控制等。

需要说明的是，上述实施例的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法也可应用于其他拓扑结构的目标风电场，此处不再赘述。

一实施例中，将上述实施例中的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法应用于风电场中单条馈线的示意图如图3所示，其中目标风电场的正负序扫频阻抗用实线表示，聚合的单台风机的正负序扫频阻抗用虚线表示。由图中可看出，两者的幅值和相序符合较好。

一实施例中，将上述实施例中的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法应用于整个风电场的示意图如图4所示，其中目标风电场的正负序扫频阻抗用实线表示，聚合的单台风机的正负序扫频阻抗用虚线表示。由图中可看出，两者的幅值和相序符合较好。

由上述实施例可见，本发明能够获取单台风机(单机聚合模型)的精确等效参数，便于大规模风场并网的交互分析，使得单台风机的频域特性与风电场完全符合，具有模块化，简便精确等优点。

此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，其特征在于，包括：

S11：对目标风电场进行潮流计算以获取稳态工作点；

S12：基于所述稳态工作点，在d-q坐标系下建立所述目标风电场的风电机组的单台风机阻抗模型；

S13：在d-q坐标系下建立所述目标风电场的各级变压器以及交流集电网络的阻抗模型；

S14：基于S13的阻抗模型，建立包含风电机组、各级变压器以及交流集电网络的风电场阻抗网络，并基于电路理论以及能量守恒定律获取所述目标风电场的d-q阻抗模型；

S15：进行阻抗域变换，将S14中的d-q阻抗模型变换为单入单出的一维序阻抗模型；

S16：预估S12得到的单台风机阻抗模型的初始控制器参数，得到所述单台风机的一维序阻抗模型；

S17：联立S15得到的所述目标风电场的一维序阻抗模型以及S16得到的单台风机的一维序阻抗模型，将所述目标风电场的频域特性映射至所述单台风机，以获取所述单台风机的等效参数；

所述S15具体包括：

在已经获知目标风电场的d-q阻抗模型的基础上，根据一种线性变换方法，将d-q阻抗模型变换为序阻抗模型，其中序阻抗和d-q阻抗之间的关系如下式所示：

式中，Z_wpn，Z_wdq分别代表d-q域和序域下的二维风电场阻抗，其中线性变换矩阵A_z如下式所示：

基于此，可得到单入单出的一维序阻抗模型：

D_WF＝Z_wppZ_wnn-Z_wpnZ_wnp。

2.根据权利要求1所述的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，其特征在于，所述S11具体包括：

采用基于牛顿拉夫逊法的潮流计算方法，将每台风机等效为PQ节点，在已获知所述目标风电场的机网参数基础上，通过潮流计算获得每台风机的稳态工作点。

3.根据权利要求2所述的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，其特征在于，所述目标风电场的机网参数包括：风机子系统的参数以及交流集电网络子系统的参数；

所述风机子系统的参数包括：输入风速，风机机械参数、风机电气参数，直流母线参数、变流器结构、稳态控制策略、暂态控制策略以及控制参数；

所述交流集电网络子系统的参数包括：网络拓扑、线路参数、各级变压器结构与参数以及风机总台数。

4.根据权利要求1所述的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，其特征在于，所述S12具体包括：

S121：基于各台风机的d-q旋转坐标系，根据其感应发电机结构、直流母线结构、变流器结构及其详细的控制策略，建立该台风机的全阶状态空间模型，并在稳态工作点处进行线性化，经过拉普拉斯变换可整理为s域内的代数方程形式，具体如下式：

式中：x代表系统的状态变量，Δi^s _wdq代表出口电流输入变量，Δu^s _wdq代表电压输入变量；

S122：对接口变量进行线性变换，消去中间参量，可以得到d-q阻抗模型，具体如下式：

5.根据权利要求1所述的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，其特征在于，所述S13进一步包括：

S131：建立各级变压器的d-q阻抗模型

变压器励磁回路阻抗很大，在正常运行工况下可近似为开路，将低压侧阻抗折算到高压侧，变压器等值阻抗如下式所示：

Z_T＝(R_{T_high}+R'_{T_low})I+s·(L_{T_high}+L'_{T_low})I，

式中：R_{T_high}、L_{T_high}代表高压侧的电阻和电感；R’_{T_low}、L’_{T_low}代表低压侧的电阻和电感；

S132：建立交流集电网络的d-q阻抗模型；

线路采用集中参数式模型：

Z_L＝(R_L+sL_L)I，

式中：R_L、L_L代表线缆单位公里的电阻和电感。

6.根据权利要求1所述的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，其特征在于，所述S14进一步包括：

S141：基于能量守恒定律，获取交流集电网络的等效出口电抗；

具体为：基于能量守恒定律，在风电场出口侧用一个总电抗代替交流集电网络的等效电抗，使得总阻抗上消耗的能量和交流集电网络消耗的总能量相等；

S142：基于电路理论，化简目标风电场阻抗网络并获取其d-q阻抗模型；

在获得交流集电网络的等效出口电抗的基础上，余下的风机和低压变压器阻抗根据电路串并联理论进行化简，根据具体网络拓扑，得到目标风电场的d-q阻抗模型。

7.根据权利要求1所述的基于频域映射的风电场单机等值聚合建模方法，其特征在于，所述S17具体包括：

联立所述目标风电场以及单台风机的一维序阻抗模型，根据未知参数的数量，选定相应数量的注入频率，求解单台风机模型的未知参数，获取单机风机模型的等效参数：

式中，

分别代表单台风机的阻抗和风电场的阻抗，k_n代表单机风机模型的n个未知等效参数。

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