CN111555276B - 基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法 - Google Patents

基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法 Download PDF

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Abstract

基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，属于电力系统仿真建模技术领域。为解决传统等值方法计算量和精度无法兼顾的问题，本发明提出了一种基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，考虑双馈型风电场在故障穿越全过程的动态行为是Crowbar电路未动作和动作的两类机群动态行为的综合作用，得到Crowbar电路未动作机群和动作机群在故障穿越全过程动态行为的解析表达式，提出了分别采用这两个表达式计算出的有功功率，替换Crowbar电路动作与否为分群指标的双机等值系统有功功率控制通道在故障穿越全过程的有功功率参考值，有效地消除了等值误差。本发明用于双馈型风电场两机等值过程。

Description

基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法
技术领域
本发明涉及双馈型风电场两机等值方法，属于电力系统仿真建模技术领域。
背景技术
一个大型双馈型风电场往往包含数百台机组，各机组工作状态各异，故障时各机组crowbar保护电路动作亦不同，如果对每台机组都单独建模，则会大大增加电力系统仿真模型的复杂度和仿真计算时间。因此，建立有效的双馈型风电场等值模型日益重要和迫切。
目前双馈型风电场的等值方法可以分为单机等值和多机等值两类。多机等值基于传统的发电机“同调”思想，通常以能够表征机组运行状态的特征量为分群指标，将具有相似或相同运行点的机组聚合成一台等值机。这类方法虽然可以达到较高的等值精度，但由于涉及复杂的分群算法和集电网络在不同等值机间的分摊等复杂环节，工程实用性较差。
单机等值方法无需对风电场内的机组分群，将整个场站等值为一台机组。这种方法计算简单，但无法表征场站内各机组动态行为的差异，当机组间的运行工况差异较大时，会导致较大的等值误差。若追求更高的等值精度需要配合较为复杂的智能优化算法优化等值机的主导参数，计算量较大，无法实时在线计算。因此此类方法难以应用于工程实际。
发明内容
为解决传统等值方法计算量和精度无法兼顾的问题，现提供一种基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法。
基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据双馈型风电场内的机组Crowbar电路动作与否，分成两群，Crowbar未动作的机组聚合成等值机1，Crowbar动作的机组聚合成等值机2，从而获得两机等值系统；
步骤二、对于等值机1，将公式(1)的计算结果
Figure GDA0003176553640000011
作为其故障穿越全过程各时刻有功功率的指令值，从而消除机群1由于聚合引起的等值误差；
Figure GDA0003176553640000012
式中，P、U、I分别代表有功功率、电压和电流；上标“ref”代表参考值；t是当前仿真运行时间；下标“eq_M1”代表两机等值系统的等值机1；“i”代表风电机组的编号；下标“normal”代表正常工作状态；n1代表Crowbar电路未动作的机组台数；IP_i为第i台机组的有功电流分量；t0是三相对称电压跌落开始的时刻；tc是故障清除时刻；k为风电机组故障清除后有功功率的恢复速度；t1，tj1，
Figure GDA0003176553640000026
Figure GDA0003176553640000021
分别是故障清除后第1台，第j1台，第j1+1台和第n1台机组恢复至稳态的时刻；
进一步地，所述第i台机组的有功电流分量IP_i由公式(2)计算；
Figure GDA0003176553640000022
式中，Imax为最大电流，IQ_i为第i台机组的无功电流分量；
步骤三、对于等值机2，将公式(2)的计算结果
Figure GDA0003176553640000023
作为其故障穿越全过程各时刻有功功率的指令值，从而消除机群2由于聚合引起的等值误差，从而使得两机等值系统产生和双馈型风电场一致的故障穿越动态响应；
Figure GDA0003176553640000024
式中，下标“eq_M2”代表两机等值系统的等值机2；n代表风电场内风机组的总台数；tcrb是crowbar电路退出的时刻，即Crowbar电路导通时间为t0～tcrb；tc是故障清除时刻；k为风电机组故障清除后有功功率的恢复速度；
Figure GDA0003176553640000025
tn分别是故障清除后第n1+1台，第j2台，第j2+1台和第n台机组恢复至稳态的时刻；Req_i,Xeq_i为第i台机组在Crowbar电路导通时的等值电阻和等值电抗；
进一步地，第i台机组在Crowbar电路导通时的等值电阻Req_i和等值电抗Xeq_i由公式(4)得到：
Figure GDA0003176553640000031
式中，Rs，Xs为风电机组的定子电感和电抗；Rr，Xr为风电机组的转子电阻和电抗，Xm为励磁电抗；Rcb为Crowbar电路的电阻，si为第i台风电机组的转差，可由第i台机组的有功功率计算而得。
优选地，步骤二和三中所有机组按照各自稳态有功功率的大小进行升序排列，因此Pnormal_1≤Pnormal_2≤…≤Pnormal_n，且故障清除后所有机组达到各自稳态时刻的排序t1≤t2≤…≤tn。
值得注意的是，在Crowbar电路导通时间段t0～tcrb内，由于转子被短路，有功功率参考值
Figure GDA0003176553640000032
不起作用，但其引起的等值误差较小，在实际应用中可忽略不计。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，发现双馈型风电场在故障穿越全过程的动态行为是Crowbar电路未动作和动作的两类机群动态行为的综合作用，分别推导出了Crowbar电路未动作机群在故障穿越全过程动态行为的解析表达式，和Crowbar电路动作机群在故障穿越全过程动态行为的解析表达式，提出了分别采用这两个表达式计算出的有功功率，替换Crowbar电路动作与否为分群指标的双机等值系统有功功率控制通道在故障穿越全过程的有功功率参考值，形成了新的两机解析等值方法，有效地消除了等值误差，跟踪了详细双馈型风电场故障穿越全过程功率的动态行为。该方法计算简单方便，物理含义明晰，计算量小，便于工程技术人员掌握。所以本发明不仅能够取得较高的精度，而且能够兼顾计算量。
附图说明
图1为基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法的流程图；
图2为某实际双馈型风电场的结构图；
图3为本发明所述的双馈型风电场两机等值系统，所采用的参考值的确定方法为本发明所提出的解析等值方法；
图4为某实际双馈型风电场在某15个时间断面测量得到的实际风速数据，每个点代表一个机组的风速；
图5为传统单机等值模型、传统两机等值模型及本发明提出的两机解析等值模型在不同风速场景下，相对于等值前的风电场，故障穿越全过程的有功功率的暂态响应误差；
图6(a1)至图6(a4)为图5中第5组风速场景下，双馈型风电场、其传统单机等值模型、其传统两机等值模型及本发明提出的解析两机等值模型的故障穿越全过程的电压、电流、有功功率和无功功率在故障穿越全过程动态行为的对比图；
图6(b1)至图6(b4)为图5中第5组风速场景下，双馈型风电场、其传统单机等值模型、其传统两机等值模型及本发明提出的解析两机等值模型的故障穿越全过程的电压、电流、有功功率和无功功率在故障期间动态行为对比的放大图；
图7为传统单机等值模型、传统两机等值模型及本发明提出的两机解析等值模型在不同电压跌落情况下，相对于等值前的风电场，故障穿越全过程的有功功率的暂态响应误差；
图8(a1)至图8(a4)为电压跌落至0时，双馈型风电场、其传统单机等值模型、其传统两机等值模型及本发明提出的解析两机等值模型的故障穿越全过程的电压、电流、有功功率和无功功率在故障穿越全过程动态行为的对比图；
图8(b1)至图8(b4)为电压跌落至0时，双馈型风电场、其传统单机等值模型、其传统两机等值模型及本发明提出的解析两机等值模型的故障穿越全过程的电压、电流、有功功率和无功功率在故障期间动态行为对比的放大图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，
本实施方式为基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，包括以下步骤：
步骤一、以如图2所示的某实际双馈型风电场(总机组台数n为33，每台机组1.5MW，机组参数如表1所示)为例，假设t0(5s)风电场出口处发生三相短路故障，tc(5.2s)故障清除。所有机组按照各自稳态有功功率的大小进行升序排列后，第1～n1台机组Crowbar电路未动作，第n1+1～n台机组Crowbar电路动作，动作时间为t0～tcrb(5s～5.06s)。根据Crowbar动作与否，将未动作的机组聚合成等值机1，动作的机组聚合成等值机2，从而获得如图3所示的两机等值系统；
表1风电场的主要参数
Figure GDA0003176553640000041
Figure GDA0003176553640000051
步骤二、对于等值机1，将公式(5)的计算结果
Figure GDA0003176553640000052
作为其故障穿越全过程各时刻有功功率的指令值，从而消除机群1由于聚合引起的等值误差；
Figure GDA0003176553640000053
式中，P、U、I分别代表有功功率、电压和电流；上标“ref”代表参考值；t是当前仿真运行时间；下标“eq_M1”代表两机等值系统的等值机1；“i”代表风电机组的编号；下标“normal”代表正常工作状态；n1代表Crowbar电路未动作的机组台数；IP_i为第i台机组的有功电流分量，由公式(6)计算；t0是三相对称电压跌落开始的时刻，为5s；tc是故障清除时刻为5.15s；k为风电机组故障清除后有功功率的恢复速度，本实施例中为0.15pu/s；t1，
Figure GDA0003176553640000054
分别是故障清除后第1台，第j1台，第j1+1台和第n1台机组恢复至稳态的时刻；
Figure GDA0003176553640000055
式中，Imax为最大电流，本实施例中为1.1pu，IQ_i为第i台机组的无功电流分量，
步骤三、对于等值机2，将公式(7)的计算结果
Figure GDA0003176553640000056
作为其故障穿越全过程各时刻有功功率的指令值，从而消除机群2由于聚合引起的等值误差，从而使得两机等值系统产生和双馈型风电场一致的故障穿越动态响应；
Figure GDA0003176553640000061
式中，下标“eq_M2”代表两机等值系统的等值机2；n代表风电场内风机组的总台数.为33；tcrb是crowbar电路退出的时刻，即Crowbar电路导通时间为t0～tcrb，本实施例中5s～5.06s；tc是故障清除时刻，为5.15s；k为风电机组故障清除后有功功率的恢复速度本实施例中为0.15pu/s；
Figure GDA0003176553640000062
tn分别是故障清除后第n1+1台，第j2台，第j2+1台和第n台机组恢复至稳态的时刻；Req_i,Xeq_i为第i台机组在Crowbar电路导通时的等值电阻和等值电抗，由公式(8)计算，
Figure GDA0003176553640000063
式中，Rs，Xs为风电机组的定子电感和电抗；Rr，Xr为风电机组的转子电阻和电抗，Xm为励磁电抗；Rcb为Crowbar电路的电阻，si为第i台风电机组的转差，可由第i台机组的有功功率根据机组的功率特性曲线映射而得。在Crowbar电路导通时间段t0～tcrb内，由于转子被短路，有功功率参考值
Figure GDA0003176553640000064
的校正将不起作用，但其引起的等值误差较小，在实际应用中可忽略不计。
依据步骤一至三，实现双馈型风电场两机等值系统在线运行过程中的有功功率故障穿越全过程动态行为的跟踪。
另外，值得注意的是，步骤二和三中，由于所有的机组按照各自稳态有功功率的大小进行升序排列，因此Pnormal_1≤Pnormal_2≤…≤Pnormal_n，且故障清除后所有机组达到各自稳态时刻的排序t1≤t2≤…≤tn。
另外，由于实际双馈型风电场和其两机等值系统的无功功率故障行为基本一致，无需校正，因此，图3中单机等值系统无功控制通道的无功电流参考值与传统两机等值模型的一致。
具体实施方式二：
本实施方式为基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值确定系统，所述系统用于执行基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法。即本发明是利用基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法确定双馈型风电场两机等值的参考值所对应的系统。
具体实施方式三：
本实施方式为基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值确定设备，所述设备用于存储和/或运行基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值确定系统。
实施例：
按照具体实施方式一的方法进行仿真。
1、首先验证所提出方法在不同风速场景下的等值效果：
以图2所示的某实际双馈型风电场测量的某15组风速场景如图4所示，图4中每列代表一组光照场景，每个点代表一台风电机组的实际风速。
风电场出口处发生三相短路故障，故障开始于5s，清除于5.2s，电压跌落至0.3p.u.时，传统单机等值模型、传统两机等值模型和本发明提出的解析两机等值模型及风电场详细模型的故障穿越全过程的有功功率暂态响应误差对比如图5所示。选取第5组光照场景为例，对其等值效果进行展示，传统单机等值模型、传统两机等值模型和本发明提出的解析两机等值模型及风电场详细模型的故障穿越全过程的电压、电流、有功功率和无功功率、的故障穿越行为对比及其故障期间的放大图如图6(a1)至图6(a4)和图6(b1)至图6(b4)所示。
由图5、图6(a1)至图6(a4)以及图6(b1)至图6(b4)可知，本发明提出的风电场解析两机等值方法可以明显提高风电场传统等值方法的等值精度，对风电场在不同风速场景的电压、电流、有功功率和无功功率故障行为的跟踪效果均较好。
2、接着验证所本发明提出方法在不同电压跌落情况下的等值效果：
仍以图2所示的某实际双馈型风电场为例，选取图4中的第一组风速场景。
风电场出口处发生三相短路故障，故障开始于5s，清除于5.2s，电压跌落至0～0.9p.u.时，传统单机等值模型、传统两机等值模型和本发明提出的解析两机等值模型及风电场详细模型的故障穿越全过程的有功功率暂态响应误差对比如图7所示。选取电压跌落至0p.u.为例，对其等值效果进行展示，传统单机等值模型、传统两机等值模型和本发明提出的解析两机等值模型及风电场详细模型的故障穿越全过程的电压、电流、有功功率和无功功率的故障穿越行为对比及其故障期间的放大图如图8(a1)至图8(a4)和图8(b1)至图8(b4)所示。
由图7、图8(a1)至图8(a4)以及图8(b1)至图8(b4)可知，本发明提出的风电场解析两机等值方法可以明显提高风电场传统等值方法的等值精度，对风电场在不同电压跌落情况下电压、电流、有功功率和无功功率故障行为的跟踪效果均较好。
综上，本发明提出的基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法克服了传统等值模型计算量和等值精度无法兼顾的问题，采用两台等值机，即可模拟双馈型风电场在故障穿越全过程的动态行为，该方法计算简单方便，物理含义明晰，等值精度高，便于工程技术人员掌握。
需要注意的是，具体实施方式仅仅是对本发明技术方案的解释和说明，不能以此限定权利保护范围。凡根据本发明权利要求书和说明书所做的仅仅是局部改变的，仍应落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一、根据双馈型风电场内的机组Crowbar电路动作与否，分成两群，Crowbar未动作的机组聚合成等值机1，Crowbar动作的机组聚合成等值机2，从而获得两机等值系统；
步骤二、对于等值机1，将
Figure FDA0003176553630000011
作为其故障穿越全过程各时刻有功功率的指令值，从而消除机群1由于聚合引起的等值误差；
Figure FDA0003176553630000012
式中，P、U、I分别代表有功功率、电压和电流；上标“ref”代表参考值；t是当前仿真运行时间；下标“eq_M1”代表两机等值系统的等值机1；“i”代表风电机组的编号；下标“normal”代表正常工作状态；n1代表Crowbar电路未动作的机组台数；IP_i为第i台机组的有功电流分量；t0是三相对称电压跌落开始的时刻；tc是故障清除时刻；k为风电机组故障清除后有功功率的恢复速度；t1，
Figure FDA0003176553630000013
分别是故障清除后第1台，第j1台，第j1+1台和第n1台机组恢复至稳态的时刻；
步骤三、对于等值机2，将
Figure FDA0003176553630000014
作为其故障穿越全过程各时刻有功功率的指令值，从而消除机群2由于聚合引起的等值误差，从而使得两机等值系统产生和双馈型风电场一致的故障穿越动态响应；
Figure FDA0003176553630000015
式中，下标“eq_M2”代表两机等值系统的等值机2；n代表风电场内风机组的总台数；tcrb是crowbar电路退出的时刻，即Crowbar电路导通时间为t0～tcrb；tc是故障清除时刻；k为风电机组故障清除后有功功率的恢复速度；
Figure FDA0003176553630000021
tn分别是故障清除后第n1+1台，第j2台，第j2+1台和第n台机组恢复至稳态的时刻；Req_i,Xeq_i为第i台机组在Crowbar电路导通时的等值电阻和等值电抗。
2.根据权利要求1所述的基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，其特征在于，所述第i台机组的有功电流分量IP_i如下：
Figure FDA0003176553630000022
式中，Imax为最大电流，IQ_i为第i台机组的无功电流分量。
3.根据权利要求1或2所述的基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，其特征在于，所述第i台机组在Crowbar电路导通时的等值电阻Req_i和等值电抗Xeq_i如下：
Figure FDA0003176553630000023
式中，Rs，Xs为风电机组的定子电感和电抗；Rr，Xr为风电机组的转子电阻和电抗，Xm为励磁电抗；Rcb为Crowbar电路的电阻，si为第i台风电机组的转差。
4.根据权利要求3所述的基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，其特征在于，步骤二和三中所有机组按照各自稳态有功功率的大小进行升序排列，即Pnormal_1≤Pnormal_2≤…≤Pnormal_n，且故障清除后所有机组达到各自稳态时刻的排序t1≤t2≤…≤tn。
5.根据权利要求4所述的基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法，其特征在于，步骤三中，在Crowbar电路导通时间段t0～tcrb内，转子被短路，有功功率参考值
Figure FDA0003176553630000024
不起作用。
6.基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值确定系统，其特征在于，所述系统用于执行权利要求1至5之一所述的基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值方法。
7.基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值设备，其特征在于，所述设备用于存储和/或运行权利要求6所述的基于故障穿越全过程解析的双馈型风电场两机等值确定系统。
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