CN111293713B - 一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法及仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法及仿真方法，属于新能源并网发电技术领域。本发明提出的风电场风机变流器仿真模型的建立方法包括以下步骤：(1)将风电场的机侧变流器等效为第一交流受控电压源，风电场的网侧变流器等效为第二交流受控电压源；(2)根据机侧变流器的输出功率与网侧风机变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，建立各交流受控电压源之间的功率传输模型；(3)分别计算第一交流受控电压源与第二交流受控电压源的电压控制量。本发明通过上述方法建立的风电场风机变流器仿真模型，进行仿真时计算简便，可适用于包含多个风电机组的风电场系统仿真，能够在保证精确性的前提下，提高系统仿真效率。

Description

一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法及仿真方法
技术领域
本发明涉及一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法及仿真方法，属于新能源并网发电技术领域。
背景技术
煤炭、石油、天然气等化石能源经过长期的无制约消耗已日益匮乏，能源枯竭与环境污染成为当今社会面临的难题，极大地阻碍了全面推进能源可持续的发展与环境友好型社会的建立。
风力发电技术由于风能的清洁、无污染及其相对成熟的工业技术和相对较低的发电成本，备受青睐。由于风力发电的随机性和间歇性的特点，风电场发电规模受风速的影响较大。目前大规模储能技术并不完善，异步风力发电机并网时需要从电网侧吸收无功功率，这导致风能不能像常规能源一样具有较为充足的可调性，会对电力系统产生不良的影响。由于间歇性能源的接入，电力系统的安全稳定问题越来越突出，因此，在建设风电场之前，需要进行可行性分析。为了对风电场的电力系统进行研究，需要建立准确的风电场仿真模型。
近年来风力发电产业发展迅速，风电场规模日益扩大，并网方式也不再局限于最初的直接接入交流电网的方式，而是可以通过传统高压直流输电接入，或者通过柔性直流输电接入。采用柔性直流输电技术直接接入的方案具备一定优势，但风力发电系统的接入，对柔性直流输电系统运行特性的影响尚不明确，而大规模的风力发电系统也极大的增加了对该问题进行仿真分析的难度。
现有文献讨论了风电场等值建模方法，将风电场聚合为一组大容量风电机组进行仿真分析，但该方法无法模拟风电场切机等特性，而且增加风电机组数又极大的降低了仿真效率，若按照实际变流器的设计方案，如图1所示的双馈风机变流器在配电网络中将存在大量的电力电子开关模型，电力电子开关模型状态频繁改变引起的大量的矩阵运算，因此对于大型的配电网络模型来说，其仿真分析所需要进行的运算量对现有的计算机运算速度来说，负担非常之大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法及仿真方法，用于解决利用变流器的现有模型进行仿真分析运算量大的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法及仿真方法，一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法，包括以下步骤：
(1)将风电场的机侧变流器等效为第一交流受控电压源，风电场的网侧变流器等效为第二交流受控电压源；
(2)根据机侧变流器的输出功率与网侧变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，通过直流储能电容实现第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输，建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输模型；
(3)分别计算第一交流受控电压源与第二交流受控电压源的电压控制量为：
Figure BDA0001893633480000021
其中，usa、usb、usc分别为第一交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，Ut为t时刻直流储能电容的电压，msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波；uga、ugb、ugc为第二交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
本方法通过将变流器等效为交流受控电压源，建立了各交流受控电压源的功率传输模型，并且指令电压控制量后建立了风电场风机变流器仿真模型，通过该仿真模型进行仿真时计算简便，避免了开关模型状态频繁改变引起的大量的矩阵运算，并且通过本方法建立的立风电场风机变流器仿真模型可适用于包含多个风电机组的风电场系统仿真，能够在保证精确性的前提下，提高系统仿真效率。
进一步的，功率传输模型为：
Figure BDA0001893633480000022
其中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-△t为t-△t时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率。
网侧变流器有功外环为直流电压控制，为被动功率传输，即根据直流母线电压的变化情况控制功率传输，因此设计直流电压环的反馈值为功率传输模型计算出的直流电压结果，实现网侧变流器的完整控制，建立网侧变流器直流电压环可以实现网侧变流器及机侧变流器等效模型的互联。
一种风电场风机变流器仿真模型的仿真方法，根据风电场风机变流器仿真模型进行仿真计算，风电场风机变流器仿真模型的建立包括以下步骤：
(1)将风电场的机侧变流器等效为第一交流受控电压源，风电场的网侧变流器等效为第二交流受控电压源；
(2)根据机侧变流器的输出功率与网侧变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，通过直流储能电容实现第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输，建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输模型；
(3)分别计算第一交流受控电压源与第二交流受控电压源的电压控制量为：
Figure BDA0001893633480000031
其中，usa、usb、usc分别为第一交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，Ut为t时刻直流储能电容的电压，msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波；uga、ugb、ugc为第二交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
通过将变流器等效为交流受控电压源，建立了各交流受控电压源的功率传输模型，并且指令电压控制量后建立了风电场风机变流器仿真模型，通过该仿真模型进行仿真时计算简便，避免了开关模型状态频繁改变引起的大量的矩阵运算，并且通过建立的立风电场风机变流器仿真模型进行仿真计算可适用于包含多个风电机组的风电场系统仿真，能够在保证精确性的前提下，提高系统仿真效率。
进一步的，功率传输模型为：
Figure BDA0001893633480000032
其中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-△t为t-△t时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率。
网侧变流器有功外环为直流电压控制，为被动功率传输，即根据直流母线电压的变化情况控制功率传输，因此设计直流电压环的反馈值为功率传输模型计算出的直流电压结果，实现网侧变流器的完整控制，建立网侧变流器直流电压环可以实现网侧变流器及机侧变流器等效模型的互联。
附图说明
图1为现有技术双馈风机变流器拓扑示意图；
图2为本发明风机变流器等值仿真模型示意图；
图3为本发明网侧变流器直流电压控制器示意图。
具体实施方式
风电场风机变流器仿真模型的建立方法实施例：
风电场风机变流器仿真模型的建立方法，包括以下步骤：
1)将风电场的机侧变流器等效为第一交流受控电压源，风电场的网侧变流器等效为第二交流受控电压源。
网侧变流器为与电网连接侧的变流器，机侧变流器为风机侧的变流器。由于风电场网侧变流器及机侧变流器为电压源性变流器，依靠换流电抗两端的电压差异实现功率传输，即控制换流阀交流侧输出目标功率所对应的交流电压，所以可将变流器等效为如图2所示的交流受控电压源(也可以称为三相受控电压源)，根据输出目标功率控制各交流受控电压源所对应的交流电压。
2)根据机侧变流器的输出功率与网侧变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，通过直流储能电容实现第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输，建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输模型。
风电场中网侧变流器与机侧变流器通过直流母线相互连接，且直流母线并联有直流储能电容(图2中未画出)。网侧变流器以直流电压为控制目标，被动吸收功率，机侧变流器以交流功率为控制目标，将风机产生的电能进行输出。功率传输的过程可以认为是机侧变流器给直流储能电容充电，直流储能电容向网侧变流器放电的过程，直流储能电容充放电正常运行的前提是直流电压稳定，因此当网侧变流器与机侧变流器等效为对应的交流受控电压源时，需要通过直流电压建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的联系,该直流电压为直流储能电容的电压。
通过直流储能电容的直流电压建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间联系的依据是直流储能电容的吸收功率与放电功率保持平衡，以此实现直流电压的计算，并作为直流电压的反馈值构成网侧变流器的直流电压控制外环。
对于机侧变流器来说，当传输的功率为P时，电容电压在时间间隔△t时间前后的电压值满足如下关系式：
Figure BDA0001893633480000051
式中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-△t为t-△t时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率；
则可以计算得到t时刻的电压值Ut为：
Figure BDA0001893633480000052
由于系统需要保持直流母线电压的稳定，因此需要保证直流电容吸收功率和放电功率保持平衡，即机侧变流器给直流电容输送多少功率，网侧变流器需要从电容吸收多少功率。网侧变流器有功外环为直流电压控制，为被动功率传输，即根据直流母线电压的变化情况控制功率传输，因此设计直流电压环的反馈值为直流储能电容的电压Ut的计算结果，实现对网侧变流器如图3所示的完整控制，其中Udcref为电压外环参考值，Idref为电流内环参考值。
建立网侧变流器直流电压环，即可实现网侧及机侧变流器等值模型的互联。
3)分别计算第一交流受控电压源与第二交流受控电压源的电压控制量。
由于各变流器与对应的交流受控电压源是等效关系，因此各交流受控电源的电压值应与对应的变流器正常运行时交流侧出口的交流电压完全相同，保证变流器外特性的一致性。根据变流器的控制原理，变流器控制器输出的调制波与交流出口处交流电压的相位相同而幅值不同，因此可通过调制波计算各交流受控电压源的电压控制量，而系统原有其它控制器保持不变。
变流器正常运行时，交流侧出口的交流电压与调制波存在如下关系：
uac＝Udc·m
式中，uac为变流器交流侧出口的交流相电压，Udc为变流器直流侧的电压，m为调制波，为标幺值形式；
因此图2中第一交流受控电压源与第二交流电压受控源的电压控制量可以计算为：
Figure BDA0001893633480000061
其中，usa、usb、usc分别为第一交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，Ut为t时刻直流储能电容的电压，msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波；uga、ugb、ugc为第二交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
至此可以实现风电场风机变流器等值仿真模型的建立。
风电场风机变流器仿真模型的仿真方法实施例：
风电场风机变流器仿真模型的仿真方法，根据风电场风机变流器仿真模型进行仿真计算，风电场风机变流器仿真模型的建立包括以下步骤：
(1)将风电场的机侧变流器等效为第一交流受控电压源，风电场的网侧变流器等效为第二交流受控电压源；
(2)根据机侧变流器的输出功率与网侧风机变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，通过直流储能电容实现第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输，建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输模型；
(3)分别计算第一交流受控电压源与第二交流受控电压源的电压控制量：
Figure BDA0001893633480000062
其中，usa、usb、usc分别为第一交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，Ut为t时刻直流储能电容的电压，msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波；uga、ugb、ugc为第二交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
根据上述建立风电场风机变流器仿真模型的方法所建立的风电场风机变流器仿真模型进行风电场仿真计算，具体仿真风电场风机变流器仿真模型的建立过程在上述建立风电场风机变流器仿真模型的方法实施例中已经介绍，这里不再赘述。

Claims (4)

1.一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将风电场的机侧变流器等效为第一交流受控电压源，风电场的网侧变流器等效为第二交流受控电压源；
(2)根据机侧变流器的输出功率与网侧变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，通过直流储能电容实现第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输，建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输模型；
(3)分别计算第一交流受控电压源与第二交流受控电压源的电压控制量为：
Figure FDA0001893633470000011
其中，usa、usb、usc分别为第一交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，Ut为t时刻直流储能电容的电压，msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波；uga、ugb、ugc为第二交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
2.根据权利要求1所述的风电场风机变流器仿真模型的建立方法，其特征在于，所述功率传输模型为：
Figure FDA0001893633470000012
其中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-△t为t-△t时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率。
3.一种风电场风机变流器仿真模型的仿真方法，其特征在于，根据风电场风机变流器仿真模型进行仿真计算，所述风电场风机变流器仿真模型的建立包括以下步骤：
(1)将风电场的机侧变流器等效为第一交流受控电压源，风电场的网侧变流器等效为第二交流受控电压源；
(2)根据机侧变流器的输出功率与网侧变流器的吸收功率保持平衡的功率传输特性，通过直流储能电容实现第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输，建立第一交流受控电压源与第二交流受控电压源之间的功率传输模型；
(3)分别计算第一交流受控电压源与第二交流受控电压源的电压控制量为：
Figure FDA0001893633470000021
其中，usa、usb、usc分别为第一交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，Ut为t时刻直流储能电容的电压，msa、msb、msc为机侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波；uga、ugb、ugc为第二交流受控电压源A、B、C相的电压控制量，mga、mgb、mgc为网侧变流器控制器输出A、B、C相的调制波。
4.根据权利要求3所述的风电场风机变流器仿真模型的仿真方法，其特征在于，所述功率传输模型为：
Figure FDA0001893633470000022
其中，Ut为t时刻直流储能电容的电压，Ut-△t为t-△t时刻直流储能电容的电压，C为直流储能电容的电容，P为传输的功率。
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