CN111541238A - 一种风力发电机组调频验证模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电机组调频验证模型建模方法，使用实际风力发电机组的某些设计和实测参数，建立了等效气动模型和等效电压源模型，使调频验证模型具有与实际风力发电机组具有更好一致性的气动输入和电网输入，再融入机械模型、发电机系统模型、电网保护模型和控制模型，从而建立具有良好通用性、适用性和实用性的风力发电机组调频验证模型，以促进风电各个层面的调频技术研究与应用。

Description

一种风力发电机组调频验证模型建模方法

技术领域

本发明属于新能源发电技术领域，尤其涉及一种风力发电机组调频验证模型建模方法。

背景技术

风电作为一种具有间歇性、波动性的不稳定能源，对于电力系统安全性和稳定性具有重要影响。

随着风电渗透率的不断提高，其影响越发显著，同时电网对风电并网性能的要求更加严格。实际上，电力系统越来越将风电视作一种类同水电、火电等的常规能源，要求风电具备功率控制、调频、调压、故障穿越等“常规”能力。

然而，由于风力发电机组运行方式等某些特性的限制，风力发电机组并不具备与同步电机相似的频率响应能力，因此风电参与电力系统调频具有一定的独特性，相关调频技术的研究与应用已成为行业热点之一。

当前，英国、丹麦、美国等一些国家和地区，对于风电并网频率响应也提出了具体要求。我国也制定了相关国家标准，要求风电场应具备参与电力系统调频、调峰的能力。从风电调频控制策略的层面，风力发电机组已提出了转子动能控制、功率备用控制及二者相互结合的协调控制方法。比如，虚拟惯性控制、下垂控制等转子动能控制策略，变桨控制，超速控制等功率备用控制策略，以及虚拟惯性控制和变桨控制相结合等协调控制策略。

对于风电场层面的调频控制，则主要涉及风力发电机组有功分配策略、变参数调频控制策略和附加辅助元件调频控制策略。在电力系统层面，主要侧重于源间协调控制和源荷协调控制。因此，无论在风力发电机组层面，风电场层面，还是电力系统层面，均对风电调频控制策略进行了不同程度的研究。

相对而言，在风电调频验证层面，相关研究还比较少。现有的研究或方法，存在模型通用性比较差，精确度比较低等问题，特别是作为风电接入最重要，也是最基础的风力发电机组调频验证模型比较缺乏。比如，基于Bladed软件的风力发电机组调频验证模型，不太适合于进行风电场层面和系统层面调频技术的研究，因为其建模依然比较困难，比如涉及各个厂家的私密数据，而且模型精度也不能切实保证。同时受限于模型实现软件平台的特性，这种模型在其他软件平台，比如Matlab/Simulink、PowerFactory、PSASP等，进行等效转换也是比较困难。这个问题不仅直接制约了风电各个层面的调频技术研究与应用，而且也制约着变桨、转速控制等的深入研究与应用。因为，风力发电机组调频涉及几秒，甚至是几十秒的调节过程，其运行特性和控制逻辑与桨距角、转子转速等机械量密切相关。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有方法存在的问题和不足，提供了一种风力发电机组调频验证模型建模方法，以建立具有良好通用性、适用性和实用性的风力发电机组调频验证模型，从而促进风电各个层面的调频技术研究与应用。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种风力发电机组调频验证模型建模方法，所述风力发电机组调频验证模型被配置为由等效气动模型、等效电压源模型、机械模型、发电机系统模型、电网保护模型和控制模型构成；

其中，所述等效气动模型至少通过如下步骤实现：

S1：获取风力发电机组关键输入参数；S2：建立风力发电机组机械模型，并计算风轮输出的气动转矩T_aer(e)；S3：完成单个运行点的目标风速υ_e的计算；S4：重复步骤S1至S3，完成各运行点的目标风速υ_e的计算，从而获取目标风速序列υ_e(t)；S5：基于风力发电机组风轮转矩系数表Ct和目标风速序列υ_e(t)获得风力发电机组等效气动模型。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3中，单个运行点的目标风速计算过程包括：步骤3-1：构建目标风速求解函数g(λ)；步骤3-2：计算使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f；步骤3-3：计算单个运行点的目标风速υ_e。

根据一个优选的实施方式，所述目标风速求解函数g(λ)是指建立当桨距角β＝β_m时，以叶尖速比λ为自变量的函数，g(λ)按下式定义，即

g(λ)＝|Ct(λ,β_m)-kλ²|

式中，k为无量纲系数，应按下式计算，即

式中，ω_r为风轮转速，R为风轮半径，ρ为空气密度。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3-2中，

基于计算转矩系数查找表Ct对于叶尖速比λ的划分，从所划分的叶尖速比下限λ_min开始，依次递增划分间隔Δλ计算各划分点对应的g(λ)函数值，直至达到所划分的叶尖速比上限λ_max结束，并选取使g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f作为λ_e，即

λ_e＝λ_f

式中，λ_f满足：当λ＝λ_f(λ_min≤λ≤λ_max)时，使得g(λ)取得最小值。

根据一个优选的实施方式，所述步骤S3-3中，计算单个运行点的目标风速υ_e，

使用叶尖速比λ_e，风轮转速ω_r和风轮半径R，计算相应运行点的目标风速υ_e，即：

υ_e＝Rω_r/λ_e。

根据一个优选的实施方式，所述等效电压源模型是指电压控制电压源；通过将风力发电机组测试点的实测瞬时电压作为控制量输入，使受控电压源输出与实测一致的电压激励信号。

根据一个优选的实施方式，所述风力发电机组测试点的实测瞬时电压为风力发电机组箱变低压侧的瞬时电压。

根据一个优选的实施方式，所述机械模型，为基于实际风力发电机组相关参数建立的运动方程；所述发电机系统模型，为基于实际风力发电机组电机实际参数和拓扑建立的数值仿真模型；所述电网保护模型，为按照实际风力发电机组保护控制逻辑建立的数值仿真模型；所述控制模型，为基于实际风力发电机组包含调频控制算法的主控算法模型和变流器控制算法的控制模型。

根据一个优选的实施方式，所述机械模型包括但不限于两质量块模型。

前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本发明的有益效果：本发明的风力发电机组调频验证模型建模方法，使用等效气动模型，能够获得比较好的模型精度，同时大大简化相应建模方法；使用等效电压源模型，能够保证仿真模型具有与实际风力发电机组一致性更好的关键电压激励输入，有效降低电网数值仿真模型所带来的误差；由于机械模型、发电机系统模型建模方法比较成熟，电网保护模型、控制模型的自定义工具亦比较成熟，因此采用等效气动模型和等效电压源模型的风力发电机组调频验证模型，易于在不同的仿真软件平台进行实现，也易于保护风电机组整机商专有气动设计参数、调频控制算法等核心设计参数或控制算法的私密性，从而极大扩展了模型的通用性、适用性和实用性。此外，本发明提出的模型结构还可用于实现风力发电机组电压故障穿越的验证模型建模。

附图说明

图1是本发明风力发电机组调频验证模型的结构示意图；

图2是现有风力发电机组调频验证模型的单线图；

图3是现有风力发电机组某调频工况实测与仿真有功功率的比较图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1所示，本发明公开了一种风力发电机组调频验证模型建模方法。所述风力发电机组调频验证模型被配置为由等效气动模型、等效电压源模型、机械模型、发电机系统模型、电网保护模型和控制模型构成。

优选地，所述等效气动模型，是指按下列步骤实现的气动模型，包括：

步骤1：获取风力发电机组关键输入参数。

所述关键输入参数是指风力发机组某些设计或实测参数，主要包括风力发电机组风轮转动惯量J_r、转矩系数表Ct、发电机转动惯量J_g、齿轮箱变速比N_gb等设计参数；风力发电机组风轮转速ω_r、桨距角β_m，发电机转速ω_g，发电机电磁转矩T_g，空气密度ρ等实测参数。并且，当设计参数有对应的实测值时，采用实测值。

进一步地，转矩系数表Ct是关于叶尖速比λ和桨距角β的函数，即Ct＝Ct(λ,β)。可通过对叶尖速比λ和桨距角β进行区间划分，利用Bladed等专业软件进行计算。

优选地，叶尖速比λ的划分范围为[0,20]，即λ_min＝0，λ_max＝20，划分间隔为Δλ＝0.1-0.01；桨距角β的划分范围为[β_opt,40°]，划分间隔Δβ＝0.1°～0.5°，β_opt为最优桨距角。

步骤2：建立风力发电机组机械模型，计算风轮输出的气动转矩T_aer(e)。

所述风力发电机组机械模型是指基于实际风力发电机组相关参数建立的运动方程；

进一步地，机械模型一般采用两质量块模型，按下式定义

式中，T_ls为低速轴转矩，T_lf为低速轴损耗转矩，T_hs为高速轴转矩，T_hf为高速轴损耗转矩。

进一步地，对于双馈风力发电发电机组，齿轮箱变速比为实际齿轮箱的变速比N_gb。对于直驱风力发电机组，齿轮箱变速比可取为1，即N_gb＝1。一般，T_lf和T_hf比较小，可以忽略，即T_lf和T_hf均为0。

步骤3：计算单个运行点的目标风速υ_e。

具体地，步骤3包括下列步骤：

步骤3-1：构建目标风速求解函数g(λ)；

所述目标风速求解函数g(λ)是指建立当桨距角β＝β_m时，以叶尖速比λ为自变量的函数，g(λ)按下式定义，即

g(λ)＝|Ct(λ,β_m)-kλ²|

式中，k为无量纲系数，应按下式计算，即

式中，ω_r为风轮转速，R为风轮半径，ρ为空气密度。

步骤3-2：计算使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f；

按照计算转矩系数查找表Ct对于叶尖速比λ的划分，从所划分的叶尖速比下限λ_min开始，依次递增划分间隔Δλ计算各划分点对应的g(λ)函数值，直至达到所划分的叶尖速比上限λ_max结束，并选取使g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f作为λ_e，即

λ_e＝λ_f

式中，λ_f应满足：当λ＝λ_f(λ_min≤λ≤λ_max)时，使得g(λ)取得最小值。

目标风速求解函数g(λ)实际上是Ct(λ,β_m)和kλ²两个函数之差的绝对值，Ct(λ,β_m)是一个查找表函数，kλ²是一个仅有二次项的一元二次函数，显然使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f，就是当λ_min≤λ≤λ_max时，Ct(λ,β_m)和kλ²两个函数曲线的交点T所对应的叶尖速比λ_T，即λ_f＝λ_T，此时g(λ)将取得最小值0，即g(λ_T)＝0。

实际上，由于叶尖速比λ是离散的，所求得的叶尖速比λ_T是一个使得g(λ_T)最接近于0的叶尖速比，只要叶尖速比间隔Δλ选取合理，例如Δλ＝0.01，由叶尖速比划分所引起的误差是很小的，完全能够满足工程应用要求。

步骤3-3：计算单个运行点的目标风速υ_e；

使用叶尖速比λ_e，风轮转速ω_r和风轮半径R，计算相应运行点的目标风速υ_e，即

υ_e＝Rω_r/λ_e

步骤4：重复步骤1、步骤2和步骤3，计算其他运行点的目标风速；获得目标风速序列υ_e(t)。

步骤5：步骤4计算完成后，即可获得基于风力发电机组风轮转矩系数表Ct和目标风速序列υ_e(t)的风力发电机组等效气动模型。

优选地，所述机械模型，是指基于实际风力发电机组相关参数建立的运动方程。一般可以使用两质量块模型，比如IEC 61400-27-1:2015标准中给出的两质量块模型。

优选地，所述发电机系统模型，是指基于实际风力发电机组电机实际参数和拓扑建立的数值仿真模型。一般可以使用仿真软件的内置模型，比如Matlab/Simulink、PowerFactory等软件中的电机模型。

优选地，所述电网保护模型，是指按照实际风力发电机组保护控制逻辑建立的数值仿真模型。一般可以使用仿真软件所支持的自定义语言进行编程，比如PowerFactory中的DSL语言(DIgSILENT Simulation Language)。

优选地，所述控制模型，是指基于实际风力发电机组包含调频控制算法的主控算法模型和变流器控制算法的控制模型。一般可以使用仿真软件所支持的自定义语言进行编程，比如PowerFactory中的DSL语言。

优选地，所述等效电压源模型，是指电压控制电压源。将风力发电机组测试点的实测瞬时电压作为控制量输入，以使受控电压源输出与实测一致的电压激励信号。一般可以使用仿真软件内置的受控电压源模型，比如PowerFactory中的受控电压源模型。

实施例

以某型已进行调频测试的商业化风力发电机组为验证对象，首先按照等效气动模型的实现方法，在Matlab软件中编制M实现文件，获得相应的目标风速序列υ_e(t)，并与该型风力发电机组风轮转矩系数表Ct构成等效气动模型。其次，按照该型机组实际参数、拓扑和算法，建立机械模型、发电机系统模型、电网保护模型和控制模型。最后，将该型风力发电机组箱变低压侧实测瞬时电压作为控制量输入，建立等效电压源模型。整个风力发电机组调频验证模型使用PowerFactory仿真软件的内置模型和基于DSL语言的自定义模型实现，其单线图如图2所示。该型风力发电机组某调频工况实测与仿真有功功率的比较图，如图3所示。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。任何熟悉本发明所属领域的技术人员依然可以对本发明的具体实施方式做出修改或者等同替换，这些由本发明技术方案所引出的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，所述风力发电机组调频验证模型被配置为由等效气动模型、等效电压源模型、机械模型、发电机系统模型、电网保护模型和控制模型构成；

其中，所述等效气动模型至少通过如下步骤实现：

S1：获取风力发电机组关键输入参数；

S2：建立风力发电机组机械模型，并计算风轮输出的气动转矩T_aer(e)；

S3：完成单个运行点的目标风速υ_e的计算；

S4：重复步骤S1至S3，完成各运行点的目标风速υ_e的计算，从而获取目标风速序列υ_e(t)；

S5：基于风力发电机组风轮转矩系数表Ct和目标风速序列υ_e(t)获得风力发电机组等效气动模型。

2.如权利要求1所述的一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，单个运行点的目标风速计算过程包括：

步骤3-1：构建目标风速求解函数g(λ)；

步骤3-2：计算使得求解函数g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f；

步骤3-3：计算单个运行点的目标风速υe。

3.如权利要求2所述的一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，所述目标风速求解函数g(λ)是指建立当桨距角β＝β_m时，以叶尖速比λ为自变量的函数，g(λ)按下式定义，即

g(λ)＝|Ct(λ,β_m)-kλ²|

式中，k为无量纲系数，应按下式计算，即

式中，ω_r为风轮转速，R为风轮半径，ρ为空气密度。

4.如权利要求3所述的一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，所述步骤S3-2中，

基于计算转矩系数查找表Ct对于叶尖速比λ的划分，从所划分的叶尖速比下限λ_min开始，依次递增划分间隔Δλ计算各划分点对应的g(λ)函数值，直至达到所划分的叶尖速比上限λ_max结束，并选取使g(λ)取得最小值的叶尖速比λ_f作为λ_e，即

λ_e＝λ_f

式中，λ_f满足：当λ＝λ_f(λ_min≤λ≤λ_max)时，使得g(λ)取得最小值。

5.如权利要求4所述的一种风力发电机组等效气动模型实现方法，其特征在于，所述步骤S3-3中，计算单个运行点的目标风速υ_e，

使用叶尖速比λ_e，风轮转速ω_r和风轮半径R，计算相应运行点的目标风速υ_e，即：

υ_e＝Rω_r/λ_e。

6.如权利要求1所述的一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，所述等效电压源模型是指电压控制电压源；

通过将风力发电机组测试点的实测瞬时电压作为控制量输入，使受控电压源输出与实测一致的电压激励信号。

7.如权利要求6所述的一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，所述风力发电机组测试点的实测瞬时电压为风力发电机组箱变低压侧的瞬时电压。

8.如权利要求1所述的一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，

所述机械模型，为基于实际风力发电机组相关参数建立的运动方程；

所述发电机系统模型，为基于实际风力发电机组电机实际参数和拓扑建立的数值仿真模型；

所述电网保护模型，为按照实际风力发电机组保护控制逻辑建立的数值仿真模型；

所述控制模型，为基于实际风力发电机组包含调频控制算法的主控算法模型和变流器控制算法的控制模型。

9.如权利要求8所述的一种风力发电机组调频验证模型建模方法，其特征在于，所述机械模型包括但不限于两质量块模型。

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