CN113642163A - 一种基于数学机械化的dfig风电场等值建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，所述方法只需要根据DFIG风电场节点或升压站实测的电压、电流及有功、无功参数，不需要了解DFIG集总电路相关参数，即可根据风电场的SCADA测试数据或PMU测试数据进行等值DFIG等值模型参数辨识，以基波周期为单位给出等值参数一系列变化值，同时根据经验值进行电压与电流的滤波与畸点校正；进一步地，建立仿真实验平台，根据实测的有功与无功进行参数修正，实现对风电场等值DFIG参数R_s、R_r、L_s、L_r、L_m的校验。

Description

一种基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法

技术领域

本发明属于电力电子技术与系统控制相结合的应用基础技术领域，涉及一种DFIG风电场等值建模方法。

背景技术

由于风电场风机数量不定、型号不一、位置不同、运行特性也不尽一致，加之集群效应、尾流效应以及延迟效应的影响，这增加了依据多机建模进行大规模风电场低电压穿越等相关电磁暂态、机电暂态及长过程仿真的难度，主要体现在建模的维数过高、仿真运行的时间过长或难以运行等方面。因此，进行风电场的等值建模研究十分重要。

目前风电场常用的等值建模方法有如下：容量加权单机等值法、改进容量加权单机等值法、基于同调等值的加权等值法、参数变换单机等值法、单机表征法、变尺度降阶多机等值法、输出特性等值法以及主成分分析等值法等等，但这些方法大部分需要知道风机自身参数或线路集总参数，而这些参数的精确信息或不容易得到或会因运行状态而发生摄动，因此探究一种只需要根据实测电压电流进行风电场等值参数辨识的方法十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，该方法的特色在于只需要根据DFIG风电场节点或升压站实测的电压、电流及有功、无功参数，不需要了解DFIG集总电路相关参数，即可根据风电场的SCADA测试数据或PMU测试数据进行等值DFIG等值模型参数辨识，以基波周期为单位给出等值参数一系列变化值，同时根据经验值进行电压与电流的滤波与畸点校正；进一步地，建立仿真实验平台，根据实测的有功与无功进行参数修正，实现对风电场等值DFIG参数R_s、R_r、L_s、L_r、L_m的校验。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，包括如下步骤：

步骤一：根据风电场节点或升压站实测电压与电流进行风电场等值建模，给出等值DFIG的辨识参数，所述辨识参数包括定子电阻R_s、定子自感L_s、转子电阻R_r、转子自感L_r及定转子互感L_m；

步骤二：建立如下可反映DFIG稳态特性的5维电压、电流差分方程组：

公式一：u_sd＝i_sdR_s-i_sqL_ss-i_rqL_m；

公式二：u_sq＝i_sqR_s+i_sdL_ss+i_rdL_m；

公式三：u_rd＝-si_sqL_m+i_rdR_r-si_rqL_r；

公式四：u_rq＝si_sdL_m+i_rqR_r+si_rdL_r；

其中，R_s、R_r、L_s、L_r、L_m为DFIG定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感及互感；s为转差率；u_sd、u_sq为dq坐标系下定子电压；u_rd、u_rq为dq坐标系下转子电压；i_sd、i_sq为dq坐标系下定子电流；i_rd、i_rq为dq坐标系下转子电流；

步骤三：以每个基波周期内的电压、电流算数平均值为已知进行代数差分方程求解，突出特征列的分析，同时进行电压与电流的滤波与畸点校正，其中，电压与电流的滤波与畸点校正方法如下：

将现场实测电压与电流数据每200个数据计算算数平均值，如果这一平均值大于或小于前一基波周期值10％，即以前二基波周期值的平均值来替代当前基波周期值，据此将电网波动对所提算法的影响降至最低；

步骤四：基于多项式环构造特征列，应用拟除思想进行约化求解，得到R_s、R_r、L_s、L_r、L_m在每一基波周期内的代数表达式形式，其中：

特征列的表达式如下：

公式五：p₁＝u_sd-(i_sdR_s-i_sqL_ss-i_rqL_m)；

公式六：p₂＝u_sq-(i_sqR_s+i_sdL_ss+i_rdL_m)；

公式七：p₃＝u_rd-(-si_sqL_m+i_rdR_r-si_rqL_r)；

公式八：p₄＝u_rq-(si_sdL_m+i_rqR_r+si_rdL_r)；

R_s、R_r、L_s、L_r、L_m在每一基波周期内的代数表达式形式如下：

公式十：

公式十一：

公式十二：

公式十三：

公式十四：

其中：

公式十五：

公式十六：

其中，P_r为转子有功功率；

步骤五：绘制R_s、R_r、L_s、L_r、L_m的实时变化曲线，依据辨识DFIG参数进行仿真，将仿真所得有功、无功与实测的有功、无功进行比较，如果二者误差大于5％，则对DFIG等值模型的输入电压电流数据按照步骤三的方法进行修正，否则进行步骤六；

步骤六：基于步骤一所建等值模型，建立基于PSCAD的对应DFIG风电场并网控制模型，并将PSCAD仿真所得有功与无功数据与实测的有功与无功数据进行比较，如果二者偏差小于5％，则认为辨识参数正确；否则根据步骤三的方法对实测电压、电流数据进行校正，滤除其中的畸变值，即以前基波周期值的平均值来替代当前基波周期值，重新校正参数，重复步骤四至步骤五；

步骤七：将上述步骤一至步骤六统一应用于Labview所开发的上位机组态中，实现DFIG风电场等值模型参数及其曲线的实时演示及校验分析。

本发明采用数学机械化理论在线进行DFIG风电场的等值建模及参数辨识求解，相比于现有技术，具有如下优点：

1)无需知道风电场每一台DFIG的自身参数及相关集总电路的等效阻抗，只需根据相关节点或升压站的SCADA及PMU实测数据进行等值建模计算及参数辨识。

2)应用现场实测数据以及辨识所得R_s、R_r、L_s、L_r与L_m的解析表达式，可得到上述DFIG参数的实时变化关系，并经实测有功与无功进行参数校验与修正。

3)所建等值模型无需知道风电机组型号、所处位置、运行特性、风机之间的相互影响以及风机的集群分布、地形地貌、尾流效应及延迟效应的影响，只需根据风电场实测电压与电流的函数即可实现风电场的等值建模及参数辨识。

4)可以根据风电场历史数据进行离线等值建模分析，也可以根据实时采样数据进行在线等值建模及参数辨识，也可以在线辨识辅以历史数据分析进行等值参数校正。

附图说明

图1为DFIG风电场拓扑模型；

图2为DFIG风电场等值建模及校验算法流程；

图3为风电场0.69kV/35kV升压站35kV侧实测电压；

图4为风电场0.69kV/35kV升压站35kV侧实测电流；

图5为风电场0.69kV/35kV升压站35kV侧实测转子有功；

图6为风电场0.69kV/35kV升压站35kV侧实测定子有功；

图7为风电场0.69kV/35kV升压站35kV侧实测定子无功；

图8为DFIG风电场定子自感辨识曲线；

图9为DFIG风电场定子电阻辨识曲线；

图10为DFIG风电场转子自感辨识曲线；

图11为DFIG风电场转子电阻辨识曲线；

图12为DFIG风电场定转子互感辨识曲线；；

图13为DFIG风电场等效建模模拟与验证实验平台；

图14为DFIG风电场等值建模及参数辨识Labview组态界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，所述方法在获取风电场SACDA及PMU电压、电流及有功、无功参数的条件下，采用中科院吴文俊院士提出的机械化数学算法进行DFIG风电场等值建模研究，通过构造等值模型的特征列，应用多项式拟除进行消元求解，最终获取可反应等值DFIG参数变化规律的特征列解析解，此结论适用于一类DFIG风电场的等值建模分析，所得结果可为风电场的低电压穿越及次同步谐振模拟分析奠定研究基础。具体包括如下步骤：

步骤一：根据风电场节点或升压站实测电压与电流进行风电场等值建模，给出等值DFIG的辨识参数，所述辨识参数包括定子电阻R_s、定子自感L_s、转子电阻R_r、转子自感L_r及定转子互感L_m；

步骤二：建立可反映DFIG稳态特性的5维电压、电流差分方程组；

步骤三：以每个基波周期内的电压、电流算数平均值为已知进行代数差分方程求解，突出特征列的分析，同时进行电压与电流的滤波与畸点校正；

步骤四：基于多项式环构造特征列，应用拟除思想进行约化求解，得到R_s、R_r、L_s、L_r、L_m在每一基波周期内的代数表达式形式；

步骤五：绘制R_s、R_r、L_s、L_r、L_m的实时变化曲线，依据辨识DFIG参数进行仿真，将仿真所得有功、无功与实测的有功、无功进行比较，如果二者误差大于5％，则对DFIG等值模型的输入电压电流数据按照步骤三的方法进行修正，否则进行步骤六；

步骤六：基于步骤一所建等值模型，建立基于PSCAD的对应DFIG风电场并网控制模型，并将PSCAD仿真所得有功与无功数据与实测的有功与无功数据进行比较，如果二者偏差小于5％，则认为辨识参数正确；否则根据步骤三的方法对实测电压、电流数据进行校正，滤除其中的畸变值，即以前基波周期值的平均值来替代当前基波周期值，重新校正参数，重复步骤四至步骤五；

步骤七：将上述步骤一至步骤六统一应用于Labview所开发的上位机组态中，实现DFIG风电场等值模型参数及其曲线的实时演示及校验分析。

本发明中，基于采样数据进行微分差分建模，采用吴消元法特征列与拟除思想对R_s、R_r、L_s、L_r、L_m进行在线辨识，得到其解析表达式形式。

图1中，只需知道风电场单机容量、额定电压、额定电流(如有定转子自身出厂参数最好，没有也可以)，即可根据相关节点或升压站实测电压、电流数据进行风电场等值建模，给出等值DFIG的定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感及互感。

由于所得相关代数表达式是关于风电场实测电压与电流的函数，因此等值模型无需知道风电机组型号、所处位置、运行特性、风机之间的相互影响以及风机的集群分布、地形地貌、尾流效应及延迟效应。这是本发明所提技术相对于其它等值建模方法的主要特色之一。

风电场实测电压与电流的采样频率是影响本发明所提等值建模技术精度的主要原因，可以直接来自风电场SCADA(supervisory control and data acquisition)及PMU(phasor measurement unit)。其中，SCADA与PMU的刷新频率一般为2s及0.1ms，均可满足风电场等值参数辨识要求，采样频率越高等值模型精度越高。

图1中，考忽略电磁暂态，DFIG的稳态电压方程可以表示为：

公式一：u_sd＝i_sdR_s-i_sqL_ss-i_rqL_m；

公式二：u_sq＝i_sqR_s+i_sdL_ss+i_rdL_m；

公式三：u_rd＝-si_sqL_m+i_rdR_r-si_rqL_r；

公式四：u_rq＝si_sdL_m+i_rqR_r+si_rdL_r；

其中，R_s、R_r、L_s、L_r、L_m为DFIG定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感及互感；s为转差率；u_sd、u_sq为dq坐标系下定子电压；u_rd、u_rq为dq坐标系下转子电压；i_sd、i_sq为dq坐标系下定子电流；i_rd、i_rq为dq坐标系下转子电流。

按照数学机械化理论，构造特征列如下：

公式五：p₁＝u_sd-(i_sdR_s-i_sqL_ss-i_rqL_m)；

公式六：p₂＝u_sq-(i_sqR_s+i_sdL_ss+i_rdL_m)；

公式七：p₃＝u_rd-(-si_sqL_m+i_rdR_r-si_rqL_r)；

公式八：p₄＝u_rq-(si_sdL_m+i_rqR_r+si_rdL_r)；

并代入DFIG的电磁转矩公式：

公式九：p₅＝T_e-L_m(i_qsi_dr-i_dsi_qr)；

对特征列[p₁,p₂,p₃,p₄,p₅]消元求解，按照幂次逐步消元，可得到R_s、R_r、L_s、L_r、L_m关于采样电压与电流的相关代数表达式如下：

公式十：

公式十一：

公式十二：

公式十三：

公式十四：

其中：

公式十五：

公式十六：

式十-式十六表明，只要得到风电场相关节点或升压站的SCADA及PMU相关测试数据，即可以评估出DFIG等值模型的定、转子参数。核心在于对多项式环中每一个独立的特征列多项式方程应用特征列“约化”，得到我们关心的风电场等值模型的定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感及互感表达式形式。

如图2所示，DFIG风电场的等值模型参数辨识流程如下：根据图1所示DFIG风电场拓扑，确定需要等值建模的节点或升压站覆盖风机的范围，根据SCADA或PMU获取等值建模所需的相关电压、电流等参数，并进行多尺度数据分析。将现场实测电压与电流数据每200个数据计算算数平均值，如果这一平均值大于或小于前一基波周期值10％，即以前二基波周期值的平均值来替代当前基波周期值，据此将电网波动对所提算法的影响降至最低。得到的每一基波周期的电压与电流值经clark变换代入式十-式十六，算出每一个基波周期内的等值DFIG定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感及互感，记得到一系列的R_s、R_r、L_s、L_r及L_m。将所得到的DFIG定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感及互感代入所建的DFIG并网模型，将仿真所得定子有功、无功与实测所得对应值进行比较，据此验证所辨识等值DFIG定、转子参数的正确性。依据图13所示DFIG风电场等效建模模拟与验证实验平台，进行实时等值建模、参数校验及传输速度的校验，验证所建模型的实时响应速度可否满足现场参数辨识需求。所得等值DFIG参数可作为风电场低电压穿越或次同步谐振分析的模型基础。如图14所示，将上述步骤统一应用于Labview所开发的上位机组态中，实现DFIG风电场等值模型参数及其曲线的实时演示及校验分析。

以某风场为背景，对其0.69kV/10kV进行24小时实时监测，PMU采样周期为ΔT＝0.1ms。所得35kV侧电压、电流、转子有功、定子有功、定子无功实测数据如图3-图7所示。将图3-图5实测数据代入至公式十-公式十四，可得到风电场等值DFIG的定子自感与电阻、转子自感与电阻及互感辨识参数如图8-图12所示。

本发明中，根据实时采样数据在线计算DFIG风电场等值参数，并建立基于Labview+GPRS的风电场等值建模与仿真校验体系，通过比较实测定子有功、无功与对应等值模型的定子有功、无功来修正所辨识的等值风电场DFIG参数。

如图13所示，本发明所开发风电场等值建模与校验体系硬件基础为计算机与及无线数据采集卡结构，共包含模拟平台与验证平台两个组成部分，二者间通过GPRS进行数据传输。其中模拟平台负责将风电场采样数据传至验证平台，验证平台完成等值风电场的参数辨识与模拟验证(如图14)，并将每一基波周期的辨识参数实时传回至模拟平台。

基于图2，验证平台主要功能包含两个方面：(1)立足于模拟平台传来的风电场实测电压、电流数据，应用式十-式十六进行等值风电场参数辨识；(2)建立基于等值参数的PSCAD(校验模型，根据实测定子有功、无功，也就是测试节点的有功与无功进行等值参数修正；(3)将等值参数回传给风电场模拟平台。

Claims (5)

1.一种基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一：根据风电场节点或升压站实测电压与电流进行风电场等值建模，给出等值DFIG的辨识参数，所述辨识参数包括定子电阻R_s、定子自感L_s、转子电阻R_r、转子自感L_r及定转子互感L_m；

步骤二：建立可反映DFIG稳态特性的5维电压、电流差分方程组；

步骤三：以每个基波周期内的电压、电流算数平均值为已知进行代数差分方程求解，同时进行电压与电流的滤波与畸点校正；

步骤四：基于多项式环构造特征列，应用拟除思想进行约化求解，得到R_s、R_r、L_s、L_r、L_m在每一基波周期内的代数表达式形式；

步骤五：绘制R_s、R_r、L_s、L_r、L_m的实时变化曲线，依据辨识DFIG参数进行仿真，将仿真所得有功、无功与实测的有功、无功进行比较，如果二者误差大于5％，则对DFIG等值模型的输入电压电流数据按照步骤三的方法进行修正，否则进行步骤六；

步骤六：基于步骤一所建等值模型，建立基于PSCAD的对应DFIG风电场并网控制模型，并将PSCAD仿真所得有功与无功数据与实测的有功与无功数据进行比较，如果二者偏差小于5％，则认为辨识参数正确；否则根据步骤三的方法对实测电压、电流数据进行校正，滤除其中的畸变值，即以前基波周期值的平均值来替代当前基波周期值，重新校正参数，重复步骤四至步骤五。

2.根据权利要求1所述的基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，其特征在于所述步骤二中，反映DFIG稳态特性的5维电压、电流差分方程组为：

公式一：u_sd＝i_sdR_s-i_sqL_ss-i_rqL_m；

公式二：u_sq＝i_sqR_s+i_sdL_ss+i_rdL_m；

公式三：u_rd＝-si_sqL_m+i_rdR_r-si_rqL_r；

公式四：u_rq＝si_sdL_m+i_rqR_r+si_rdL_r；

其中，R_s、R_r、L_s、L_r、L_m为DFIG定子电阻、转子电阻、定子电感、转子电感及互感；s为转差率；u_sd、u_sq为dq坐标系下定子电压；u_rd、u_rq为dq坐标系下转子电压；i_sd、i_sq为dq坐标系下定子电流；i_rd、i_rq为dq坐标系下转子电流。

3.根据权利要求1所述的基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，其特征在于所述步骤三中，电压与电流的滤波与畸点校正方法如下：

将现场实测电压与电流数据每200个数据计算算数平均值，如果这一平均值大于或小于前一基波周期值10％，即以前二基波周期值的平均值来替代当前基波周期值，据此将电网波动对所提算法的影响降至最低。

4.根据权利要求1所述的基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，其特征在于所述步骤四中，特征列的表达式如下：

公式五：p₁＝u_sd-(i_sdR_s-i_sqL_ss-i_rqL_m)；

公式六：p₂＝u_sq-(i_sqR_s+i_sdL_ss+i_rdL_m)；

公式七：p₃＝u_rd-(-si_sqL_m+i_rdR_r-si_rqL_r)；

公式八：p₄＝u_rq-(si_sdL_m+i_rqR_r+si_rdL_r)。

5.根据权利要求1所述的基于数学机械化的DFIG风电场等值建模方法，其特征在于所述步骤四中，R_s、R_r、L_s、L_r、L_m在每一基波周期内的代数表达式形式如下：

公式十：

公式十一：

公式十二：

公式十三：

公式十四：

其中：

公式十五：

公式十六：

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