一種風力發電機組後備電源系統容量確定方法與流程

2024-02-09 19:32:15

本發明涉及風電場抗颱風風電機組後備電源系統的
技術領域：
，尤其是指一種基於matlab的風力發電機組後備電源系統容量確定方法。
背景技術：
：根據沿海地區多颱風的自然環境條件，颱風期間風電場風電機組需配備後備電源系統來實時跟蹤風向的變化，以降低葉片根部和塔筒底部的載荷。現有集中式後備電源系統技術方案主要包括柴油發電機組、低壓開關櫃、升壓變、阻尼裝置、並聯電抗器、電抗器連接變壓器，系統接線簡圖，如圖1所示。該技術方案基於理論分析闡述了系統工作原理及控制策略，並未進行風電場及後備系統柴油發電機組及並聯電抗器進行建模仿真驗證。為了提高系統經濟性和可靠性，本發明提出一種基於matlab的風力發電機組後備電源系統容量確定方法，通過仿真對集中式風電場後備電源系統柴油發電機組和並聯電抗器容量進行確定和驗證，為理論分析提供了強有力的技術保證。技術實現要素：本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供了一種基於matlab的風力發電機組後備電源系統容量確定方法，確保颱風期間接入後備電源後，風電場風電機組偏航系統及後備系統工作正常，減小了系統投入風險，同時也提高了後備電源系統的可靠性。為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種風力發電機組後備電源系統容量確定方法，包括以下步驟：1)風電場收資，包括風電場集電線路連接關係圖及電氣參數、風電機組箱變主要技術參數、風電機組偏航系統主要技術參數；2)利用matlab建立風電場模型，仿真確定後備電源系統的有功、無功容量；3)根據仿真的有功無功容量，確定後備電源系統柴油發電機組及並聯電抗器容量；4)利用matlab建立後備電源系統柴油發電機組及並聯電抗器模型；5)後備電源系統仿真，驗證風電機組偏航系統及後備電源系統工作狀態。在步驟1)中，所述風電場集電線路連接關係圖為風電場線路一次接線圖，明確電纜分段型號、長度以及風機節點；所述集電線路電氣參數包括電纜型號、長度、單位電阻、單位電感、單位電容；所述風電機組箱變主要技術參數包括額定容量、額定電壓、一次側額定電壓、負載損耗、空載損耗、聯結組號、額定頻率、二次側額定電壓、短路阻抗或短路電壓、空載電流；所述風電機組偏航系統技術參數是指偏航電機電氣參數，包括額定功率、額定電壓、定子繞組電阻、空載電壓、空載電流、空載損耗、額定轉速、額定頻率、鐵耗、短路電壓、短路電流、短路損耗。在步驟2)中，所述風電場模型包括風電場集電線路模型、風電機組箱變模型及偏航系統模型，在確定風電場集電線路模型、風電機組箱變模型及偏航系統模型後，根據步驟1)中的風電場集電線路連接關係圖進行集電線路連接，並在相應節點接入風電機組箱變模型及偏航系統模型，搭建完成風電場模型，採用理想電源模擬風電場電源接入相應的風電場後備源接入節點，進行容量確定仿真，記錄理想電源輸出的有功功率和無功功率；其中，所述風電場集電線路模型、風電機組箱變模型及偏航系統模型的具體情如下：a、風電場集電線路模型集電線路的數學模型是以電阻、電抗、電納和電導來表示線路的等值電路，分有一字形等效電路、pi形等效電路和t形等效電路；所述一字形等效電路通常用於線路短的電纜線路，當線路電壓達不到要求時，線路電納和電導忽略不計，因此，只剩下電阻和電抗，把電阻電抗串聯就得到一字形等效電路；對於中長線路，電納的影響不能忽略，通常採用pi形等效電路或t形等效電路，其中，所述pi形等效電路是將電阻電抗串聯為一字形等效電路的基礎上，將線路的導納平均分為兩部分，分別並聯在線路的始末兩端；而t形等效電路則是將線路的電阻和電抗平均分為兩部分，分別串聯在線路的兩側，然後在線路中間增加節點，把導納並聯在線路上；b、風電機組箱變模型變壓器在電機學中採用t形等效電路，由一次側繞組阻抗與二次側繞組阻抗分別串聯在線路兩端，然後在中間增加節點把勵磁阻抗並聯在電路上；在電力系統計算中為減少節點，把勵磁阻抗移至電路電源側，並用導納表示，構成簡化的t形等效電路；由等效電路可知，雙繞組變壓器包括有電阻rt、電抗xt、電導gt和電納bt四個等效參數；任何變壓器出廠時，製造商都會在變壓器銘牌上或出廠試驗書上給出代表其他電氣特性的四個參數，即負載損耗pk、阻抗電壓百分值uk％、空載損耗p0、空載電流百分值i0％；風電機組箱變模型採用matlab三相兩繞組變壓器模型，根據風電機組箱變主要技術參數，由下式即可計算出rt、xt、gt和bt四個參數，進而算出風電機組箱變模型輸入參數，公式如下：xt＝uk/100gt＝p0/snbt＝i0/100；rm＝1/gtlm＝1/btlt＝xtr1＝0.6rtr2＝0.4rtl1＝0.5ltl2＝0.5lt式中，rt為變壓器電阻，sn為變壓器額定容量，un為變壓器額定電壓；pk為變壓器負載損耗，也即短路損耗；xt為變壓器電抗，uk為變壓器阻抗電壓，也即短路電壓；gt為變壓器電導，p0為變壓器空載損耗，bt為變壓器電納，i0為變壓器空載電流，rm為變壓器勵磁電阻，lm為變壓器勵磁電感，lt為變壓器電抗對應的電感，r1、l1分別為變壓器一次側繞組電阻和電感，r2、l2分別為變壓器二次側繞組電阻和電感；c、偏航系統模型偏航系統模型主要為偏航電機模型，該偏航電機模型的偏航電機為異步電動機，採用matlab電機庫異步電機模型，模型輸入參數為額定功率、額定線電壓、額定頻率、定子電阻與漏感、轉子電阻與漏感及勵磁電感；根據電機的短路參數和空載參數由下式求出轉子電阻、定轉子漏感及勵磁電感，公式如下：zk＝v1/i1ls＝lr＝xs/(2πf)z0＝v2/i2xm1＝x0-xslm1＝xm1/(2πf)式中，p1為偏航電機短路損耗，i1為偏航電機短路電流，rk為偏航電機短路試驗電阻，v1為偏航電機短路電壓，zk為偏航電機短路試驗阻抗，xk為偏航電機短路試驗電抗，xs、xr分別為偏航電機定子電抗和轉子電抗，ls、lr分別為偏航電機定子電感和轉子電感，p2為偏航電機空載損耗，i2為偏航電機空載電流，r0為偏航電機空載試驗電阻，z0為偏航電機空載試驗阻抗，x0為偏航電機空載試驗電抗，xm1為偏航電機勵磁電抗，lm1為偏航電機勵磁電感，pfe為偏航電機鐵耗，rm1為偏航電機勵磁電阻。在步驟3)中，理想電源輸出的有功功率峰值ps為後備電源系統柴油發電機組容量，升壓變容量為在此基礎上取適定功率因數則升壓變容量為而理想電源輸出的無功功率穩定值qs則為後備電源系統無功補償裝置-並聯電抗器的容量；在matlab中採用電感模擬電抗器，由q＝u2/xl,xl＝ωl，式中q為電感的無功功率，u為電感兩端電壓，xl為感抗，l為電感量，ω＝2π×50為電角頻率，在已知後備電源無功功率的情況下即可計算得到電抗器的大小；其中電抗器連接變壓器容量也能夠根據並聯電抗器容量取適定功率因數則電抗器連接變壓器容量為在步驟4)中，建立柴油發電機組、升壓變、並聯電抗器、電抗器連接變壓器的matlab模型，柴油發電機組採用matlab同步電機模型。在步驟5)中，進行系統仿真驗證，步驟如下：5.1)柴油發電機組與集電線路直接連接，柴油發電機的發動機帶動轉子轉動，達到同步轉速；5.2)給柴油發電機加入勵磁電流，發電機升壓，集電線路電壓緩慢上升；5.3)集電線路電壓達到額定電壓附近，接入分組的偏航系統，偏航電機啟動；5.4)偏航電機正常啟動的指標是：轉速達到額定轉速，啟動電流不超過額定電流的2～5倍；如果風電場電壓穩定，再加上偏航電機正常啟動，則後備電源系統工作正常，偏航系統工作正常，驗證此方案可行。本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：1、建立了後備電源系統集電線路模型、風電場模型，通過仿真進一步確定了後備電源系統柴油發電機組和並聯電抗器容量，最後驗證了該後備電源系統下風電機組偏航系統的動作特性，確保颱風期間接入後備電源後，風電機組偏航系統及後備系統工作正常，減小了系統投入風險，同時也提高了後備電源系統的可靠性。2、通過仿真對集中式風電場後備電源系統柴油發電機組和並聯電抗器容量進行確定和驗證，為理論分析提供了強有力的技術保證。附圖說明圖1為後備電源接線簡圖。圖2為線路pi型等效電路圖。圖3為matlab線路pi模型。圖4為matlab線路pi模型輸入參數界面。圖5為matlab三相兩繞組變壓器模型。圖6為matlab三相兩繞組變壓器模型輸入參數界面。圖7為matlab異步電機模型。圖8為matlab異步電機模型輸入參數界面。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明作進一步說明。本實施例所提供的風力發電機組後備電源系統容量確定方法，包括以下步驟：1)風電場收資，包括風電場集電線路連接關係圖及電氣參數、風電機組箱變主要技術參數、風電機組偏航系統主要技術參數；其中，風電場集電線路連接關係圖是指由風電場設計院提供的風電場線路一次接線圖，明確電纜分段型號、長度，風機節點。集電線路電氣參數，見下表1。表1集電線路電氣參數風電機組箱變主要技術參數，見下表2。表2風電機組箱變主要技術參數風電機組偏航系統技術參數是指偏航電機電氣參數。電機主要技術參數，見下表3。表3偏航電機電氣參數額定功率(w)pn額定轉速(rpm)n額定電壓(kv)vn額定頻率(hz)f定子繞組電阻(ω)rs鐵耗(w)pfe空載電壓(v)v2短路電壓(v)v1空載電流(a)i2短路電流(a)i1空載損耗(w)p2短路損耗(w)p12)利用matlab建立風電場模型，仿真確定後備電源系統的有功、無功容量；其中，所述風電場模型包括風電場集電線路模型、風電機組箱變模型及偏航系統模型，在確定風電場集電線路模型、風電機組箱變模型及偏航系統模型後，根據步驟1)中的風電場集電線路連接關係圖進行集電線路連接，並在相應節點接入風電機組箱變模型及偏航系統模型，搭建完成風電場模型，採用理想電源模擬風電場電源接入相應的風電場後備源接入節點，進行容量確定仿真，記錄理想電源輸出的有功功率和無功功率；其中，所述風電場集電線路模型、風電機組箱變模型及偏航系統模型的具體情如下：a、風電場集電線路模型集電線路的數學模型是以電阻、電抗、電納和電導來表示線路的等值電路，分有一字形等效電路、pi形等效電路和t形等效電路。一字形通常可用於線路短的電纜線路，當線路電壓不高時，線路電納和電導可以忽略不計，因此，只剩下電阻和電抗，把電阻電抗串聯就得到一字形等效電路。對於中長線路，電納的影響不能忽略，通常採用pi形等效電路或t形等效電路。pi形等效電路是將電阻電抗串聯為一字形等效電路的基礎上，將線路的導納平均分為兩部分，分別並聯在線路的始末兩端。而t形等效電路是將線路的電阻和電抗平均分為兩部分，分別串聯在線路的兩側，然後在線路中間增加節點，把導納並聯在線路上。此方案中集電線路為中長線路，對於這種線路，由於充電電流不可忽視，因此需要考慮分布電容，採用pi型等效電路，如圖2所示。z＝r+jx＝(r+jωl)l為線路總的串聯阻抗，其中r為線路單位長度的每相電阻，l為線路單位長度的每相電感。y＝(g+jωc)l為線路總的並聯導納，正常情況下g可以忽略，即g＝0。c為線路單位長度的對地電容，l為線路長度。風電場集電線路模型採用matlab提供的線路pi模型，如圖3所示，線路模型輸入參數界面如圖4所示，輸入表1的集電線路電氣參數即可。b、風電機組箱變模型變壓器在電機學中採用t形等效電路，由一次側繞組阻抗與二次側繞組阻抗分別串聯在線路兩端，然後在中間增加節點把勵磁阻抗並聯在電路上。在電力系統計算中為減少節點，把勵磁阻抗移至電路電源側，並用導納表示，構成簡化的t形等效電路。由等效電路可知，雙繞組變壓器由電阻rt，電抗xt，電導gt和電納bt四個等效參數。任何變壓器出廠時，製造商都會在變壓器銘牌上或出廠試驗書上給出代表其他電氣特性的四個參數，即負載損耗(短路損耗)pk、阻抗電壓(短路電壓)百分值uk％、空載損耗p0、空載電流百分值i0％。風電機組箱變模型採用matlab三相兩繞組變壓器模型，如圖5所示。根據表2的風電機組箱變主要技術參數，由下式即可計算出rt、xt、gt和bt四個參數，進而算出風電機組箱變模型輸入參數(採用箱變額定值下的標么值)，其中，模型輸入參數(採用箱變額定值下的標么值)界面如圖6所示。xt＝uk/100gt＝p0/snbt＝i0/100；rm＝1/gtlm＝1/btlt＝xtr1＝0.6rtr2＝0.4rtl1＝0.5ltl2＝0.5lt式中，rt為變壓器電阻，sn為變壓器額定容量，un為變壓器額定電壓，pk為變壓器負載損耗(短路損耗)，xt為變壓器電抗，uk為變壓器阻抗電壓(短路電壓)，gt為變壓器電導，p0為變壓器空載損耗，bt為變壓器電納，i0為變壓器空載電流，rm為變壓器勵磁電阻，lm為變壓器勵磁電感，lt為變壓器電抗對應的電感，r1、l1分別為變壓器一次側繞組電阻和電感，r2、l2分別為變壓器二次側繞組電阻和電感。c、偏航系統模型偏航系統模型主要為偏航電機模型，偏航電機為異步電動機，可採用matlab電機庫異步電機模型，如圖7所示。模型輸入參數為額定功率、額定線電壓、額定頻率、定子電阻與漏感、轉子電阻與漏感及勵磁電感，模型輸入參數界面如圖8所示。通過表3電機的短路參數和空載參數由下式可求出轉子電阻、定轉子漏感及勵磁電感。zk＝v1/i1ls＝lr＝xs/(2πf)z0＝v2/i2xm1＝x0-xslm1＝xm1/(2πf)式中，p1為偏航電機短路損耗，i1為偏航電機短路電流，rk為偏航電機短路試驗電阻，v1為偏航電機短路電壓，zk為偏航電機短路試驗阻抗，xk為偏航電機短路試驗電抗，xs、xr分別為偏航電機定子電抗和轉子電抗，ls、lr分別為偏航電機定子電感和轉子電感，p2為偏航電機空載損耗，i2為偏航電機空載電流，r0為偏航電機空載試驗電阻，v2為偏航電機空載電壓，z0為偏航電機空載試驗阻抗，x0為偏航電機空載試驗電抗，xm1為偏航電機勵磁電抗，lm1為偏航電機勵磁電感，pfe為偏航電機鐵耗，rm1為偏航電機勵磁電阻。3)根據仿真的有功無功容量，確定後備電源系統柴油發電機組及並聯電抗器容量；其中，理想電源輸出的有功功率峰值ps為後備電源系統柴油發電機組容量，升壓變容量為在此基礎上取適定功率因數則升壓變容量為理想電源輸出的無功功率穩定值qs則為後備電源系統無功補償裝置-並聯電抗器的容量。在matlab中採用電感模擬電抗器，由q＝u2/xl,xl＝ωl，式中q為電感的無功功率，u為電感兩端電壓，xl為感抗，l為電感量，ω＝2π×50為電角頻率，在已知後備電源無功功率的情況下即可計算得到電抗器的大小。電抗器連接變壓器容量也可根據並聯電抗器容量取適定功率因數則電抗器連接變壓器容量為4)利用matlab建立後備電源系統柴油發電機組及並聯電抗器模型，具體是：建立柴油發電機組、升壓變、並聯電抗器、電抗器連接變壓器的matlab模型，柴油發電機組採用matlab同步電機模型。5)後備電源系統仿真，驗證風電機組偏航系統及後備電源系統工作狀態，步驟如下：5.1)柴油發電機組與集電線路直接連接，柴油發電機的發動機帶動轉子轉動，達到同步轉速；5.2)給柴油發電機加入勵磁電流，發電機升壓，集電線路電壓緩慢上升；5.3)集電線路電壓達到額定電壓附近，接入分組的偏航系統，偏航電機啟動；5.4)偏航電機正常啟動的指標是：轉速達到額定轉速，啟動電流不超過額定電流的2～5倍。如果風電場電壓穩定，偏航電機正常啟動，則後備電源系統工作正常，偏航系統工作正常，驗證此方案可行。以上所述之實施例子只為本發明之較佳實施例，並非以此限制本發明的實施範圍，故凡依本發明之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本發明的保護範圍內。當前第1頁12