CN110571843A - 一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法，该方法搭建电网、变流器与风力双馈发电机连接的电气模型和包含有载荷传递的风电机组机械模型，以最终得到受电网波动影响的发电机输出扭矩，并确定受电网波动影响的发电机输出扭矩下风电机组机械模型受到的载荷状况；将得到的载荷状况与电网正常运行情况下风电机组机械模型受到的载荷状况进行比较，评估电网波动对风电机组载荷的影响。本发明通过搭建电网、变流器与风力双馈发电机连接的电气模型以及包含有载荷传递的风电机组机械模型，来仿真各种电网波动运行情况下的载荷状态，以确定电网波动对风电机组载荷的影响，该方法简单、易操作，得到的结果可靠性和准确性较高。

Description

一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法。

背景技术

风力发电机组利用叶轮的叶素动量理论将风能转换为转动的机械能，又利用发电机、变流器等装置将机械能转换为电能。理想情况下，电网的三相电压、电流及频率均稳定运行，但目前很多风电场处于人口稀少，远离负荷中心的电网接入区域，这种电网相对较弱，容易发生因大负荷负载切出、短路、故障等原因导致电网电压、电流或频率波动，且对突发的电网波动变流器往往来不及响应，会导致发电机电磁扭矩发生变化，极端情况下可能会损坏风机部件。

目前市场上的风力发电机组多为永磁同步和双馈异步。永磁同步发电机经过变流器与电网连接，当电网波动时可以适当通过变流器调节减少风电机组的损伤。而双馈发电机组采用绕线式异步电机，定子侧直接与电网相连，转子侧通过背靠背变流器与电网相连，电网电压的突然变化会在定子侧造成较大冲击电流，且定转子间的电磁耦合同样也会导致转子侧电流波动，引起电机电磁扭矩波动，风电机组电磁扭矩和机械扭矩频繁不匹配，可能会导致传动链载荷上升，对齿轮箱内齿类及轴类零部件损伤较大。因此如何准确评价电网电压突变、三相不平衡或者频率波动对风电机组电磁扭矩的影响，并为风机控制策略提供合理参数，对机组安全平稳运行意义非凡。

近年来关于电网故障对风电机组的影响问题，在国内外很多整机厂家和学者都开展了研究，例如申请公布号为CN102819221A的中国发明专利公开了一种风电机组低电压穿越特性联合仿真模型及其仿真方法，该方法通过socket通讯接口将Bladed机械模型和MATLAB电气模型进行通讯，仿真不同低压穿越条件下机组传动链的载荷情况，因为Bladed硬件测试模块无法模拟出高阶模态形变情况，因此该方法在仿真过程中需要对机组主要部件如叶片和塔架模态频率进行限制，只能仿真低频下的载荷状况。

发明内容

本发明提供了一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法，用以解决现有技术只能仿真低频下载荷状况的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：

本发明的一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法，包括如下步骤：

1)搭建电网、变流器与风力双馈发电机连接的电气模型，分别在电网正常运行情况下和电网波动运行情况下，改变发电机输出功率，得到不同电网运行情况下各发电机输出功率等级对应的发电机电磁扭矩；

2)在相同发电机输出功率等级下，求取电网波动运行情况下的发电机电磁扭矩与电网正常运行情况下的发电机电磁扭矩的比值，得到各发电机输出功率等级对应的比率；

3)搭建包含有载荷传递的风电机组机械模型，改变空气密度和/或风速，得到各发电机输出功率等级对应的发电机扭矩；

4)在相同发电机输出功率等级下，将步骤3)中得到的发电机扭矩与步骤2)中得到的比率相乘，得到受电网波动影响的发电机输出扭矩，确定所述受电网波动影响的发电机输出扭矩下风电机组机械模型受到的载荷状况；

5)将步骤4)中得到的载荷状况与不考虑电网波动情况下风电机组机械模型受到的载荷状况进行比较，评估电网波动对风电机组载荷的影响。

其有益效果：该方法通过搭建电网、变流器与风力双馈发电机连接的电气模型以及包含有载荷传递的风电机组机械模型，来仿真各种电网波动运行情况下的载荷状态，以确定电网波动对风电机组载荷的影响，该方法简单、易操作，得到的结果可靠性和准确性较高。

进一步的，为了对不同电网波动运行情况进行仿真以评估不同电网波动对风电机组载荷的影响，所述电网波动运行情况包括：电网电压升高、电网电压降低和电网三相不平衡。

附图说明

图1是本发明的方法流程简图；

图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

方法实施例：

由于风轮转动惯量较大，电网的突变对传动链的机械扭矩影响不大，而对轴系影响较大的分量体现在电机的电磁扭矩上，该实施例提出了一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法，现结合图1、2，对该方法做详细说明。

首先，在MATLAB/Simulink仿真平台中搭建电网、变流器和风力双馈发电机(下简称发电机)相连的电气模型。通过设置不同的输入信号set0、set1、set2和set3，模拟电网正常运行情况和电网波动运行情况(包括电网电压升高、电网电压降低和电网三相不平衡三种情况)，同时在变流器处设置不同的发电机输出功率P_i，采集发电机电磁扭矩信号，以得到不同电网运行情况下各发电机输出功率等级对应的电磁扭矩曲线。

其中，电网正常运行情况下，各发电机输出功率等级(P₁、P₂、…、P_k)下的发电机电磁扭矩曲线分别为：T₁₀(t)、T₂₀(t)、…、T_k0(t)；

电网电压升高情况下，各发电机输出功率等级(P₁、P₂、…、P_k)下的发电机电磁扭矩曲线分别为：T₁₁(t)、T₂₁(t)、…、T_k1(t)；

电网电压降低情况下，各发电机输出功率等级(P₁、P₂、…、P_k)下的发电机电磁扭矩曲线分别为：T₁₂(t)、T₂₂(t)、…、T_k2(t)；

电网三相不平衡情况下，不同发电机输出功率等级(P₁、P₂、…、P_k)下的发电机电磁扭矩曲线分别为：T₁₃(t)、T₂₃(t)、…、T_k3(t)。

然后，将上个步骤中得到的各电网波动运行情况下的发电机电磁扭矩曲线T_i1(t)、T_i2(t)、T_i3(t)分别与电网正常运行情况下的发电机电磁扭矩曲线T_i0(t)做比率曲线，以对应得到η_i1(t)、η_i2(t)、η_i3(t)；其中，i＝1、2、…、k。

其中，电网电压升高情况下，对应的比率曲线的时域函数为：

式中，η_i1(t)表示电网电压升高时P_i功率等级下发电机电磁扭矩的比率曲线，T_i1表示电网电压升高时P_i功率等级下发电机励磁扭矩曲线，T_i0表示电网电压正常运行情况时P_i功率等级下发电机电磁扭矩曲线。

电网电压降低情况下，对应的比率曲线的时域函数为：

式中，η_i2(t)表示电网电压降低时P_i功率等级下发电机电磁扭矩的比率曲线，T_i2表示电网电压降低时P_i功率等级下发电机励磁扭矩曲线，T_i0表示电网电压正常运行情况时P_i功率等级下发电机电磁扭矩曲线。

电网三相不平衡情况下，对应的比率曲线的时域函数为：

式中，η_i3(t)表示电网三相不平衡时P_i功率等级下发电机电磁扭矩的比率曲线，T_i3表示电网三相不平衡时P_i功率等级下发电机励磁扭矩曲线，T_i0表示电网电压正常运行情况时P_i功率等级下发电机电磁扭矩曲线。

接着，在Bladed仿真平台中分别搭建包含有载荷传递的风电机组机械模型，模仿不同风速在低湍流情况下的发电机扭矩功率曲线，(P_ref1、P_ref2、…、P_refi)，利用转速相近扭矩和功率正相关的原理，发电机电磁扭矩曲线T₁(t)、T₂(t)、…、T_i(t)为：

式中，n_i(t)为某一风速下的发电机转速曲线，当风速湍流度比较低，控制精度较高情况下发电机的转速波动非常小，可以将曲线T_i(t)作为机组功率P_refi(t)下电磁扭矩的代表曲线，通过将Bladed仿真中的功率曲线P_refi(t)与MATLAB/Simulink仿真中的功率曲线(P₁、P₂、…、P_i)进行匹配，如果P_refi(t)与P_i相近，则曲线T_i(t)也可以作为功率等级P_i下发电机的扭矩曲线。

再次，将MATLAB/Simulink仿真出的比率曲线η_i1(t)、η_i2(t)、η_i3(t)分别与对应的Bladed仿真出的发电机扭矩曲线T₁(t)、T₂(t)、…、T_i(t)相乘，以生成用于评估载荷仿真分析的受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线T_i1′(t)、T_i2′(t)、T_i3′(t)。

其中，电网电压升高情况下，对应的受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的时域函数和频域函数分别为：

T_i1′(t)＝T₁(t)*η_i1(t)

式中，T_i1′(t)表示电网电压升高时P_i功率等级下受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的时域函数，X_i1(ω)表示电网电压升高时P_i功率等级下受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的频域函数，e^-jwt表示频率范围内的复变函数。

电网电压降低情况下，对应的受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的时域函数和频域函数分别为：

T_i2′(t)＝T₂(t)*η_i2(t)

式中，T_i2′(t)表示电网电压降低时P_i功率等级下受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的时域函数，X_i2(ω)表示电网电压降低时P_i功率等级下受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的频域函数，e^-jwt表示频率范围内的复变函数。

电网三相不平衡情况下，对应的受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的时域函数和频域函数分别为：

T_i3′(t)＝T₃(t)*η_i3(t)

式中，T_i3′(t)表示电网三相不平衡时P_i功率等级下受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的时域函数，X_i2(ω)表示电网三相不平衡时P_i功率等级下受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的频域函数，e^-jwt表示频率范围内的复变函数。

最后，将受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线T_i1′(t)、T_i2′(t)、T_i3′(t)导入Bladed仿真平台中搭建的风电机组机械模型中进行载荷计算，仿真出不同电网波动运行情况下的对风电机组的载荷冲击情况，即得到受电网波动影响的发电机输出扭矩下风电机组机械模型受到的载荷状况；将受电网波动影响的发电机输出扭矩下风电机组机械模型受到的载荷状况与不考虑电网波动情况下风电机组机械模型受到的载荷状况进行比较，以评估电网网波动对风电机组载荷影响。

另外，在得到受电网波动影响的发电机输出扭矩曲线的频域函数X_i1(ω)、X_i2(ω)、X_i3(ω)后，可对这三个函数进行解析，以得到对应的幅值和频率，确定电网波动对发电机电磁扭矩波动幅值和频率的影响与变化，为修改控制策略中的传动链阻尼函数及扭矩控制PI参数提供直接参考，从而起到进一步优化风电机组运行载荷的目的。

整体来看，该方法通过搭建电网、变流器与风力双馈发电机连接的电气模型，并仿真得到电网电压升高、电网电压降低和电网三相不平衡三种电网波动情况下比率曲线，考虑全面，且方法简单易操作；而且，将不同比率曲线叠加至Bladed仿真平台中仿真不同电网波动运行情况对风电机组载荷冲击，仿真结果更为准确可靠。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种评估电网波动对风电机组载荷影响的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)搭建电网、变流器与风力双馈发电机连接的电气模型，分别在电网正常运行情况下和电网波动运行情况下，改变发电机输出功率，得到不同电网运行情况下各发电机输出功率等级对应的发电机电磁扭矩；

2)在相同发电机输出功率等级下，求取电网波动运行情况下的发电机电磁扭矩与电网正常运行情况下的发电机电磁扭矩的比值，得到各发电机输出功率等级对应的比率；

3)搭建包含有载荷传递的风电机组机械模型，改变空气密度和/或风速，得到各发电机输出功率等级对应的发电机扭矩；

4)在相同发电机输出功率等级下，将步骤3)中得到的发电机扭矩与步骤2)中得到的比率相乘，得到受电网波动影响的发电机输出扭矩，确定所述受电网波动影响的发电机输出扭矩下风电机组机械模型受到的载荷状况；

5)将步骤4)中得到的载荷状况与不考虑电网波动情况下风电机组机械模型受到的载荷状况进行比较，评估电网波动对风电机组载荷的影响。

2.根据权利要求1所述的评估电网波动对风电机组载荷影响的方法，其特征在于，所述电网波动运行情况包括：电网电压升高、电网电压降低和电网三相不平衡。