一種基於風電場內風速分布特性的等值建模方法
2023-12-12 16:33:42 4
一種基於風電場內風速分布特性的等值建模方法
【專利摘要】本發明涉及一種基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，包括以下步驟：採集目標風電場的拓撲結構；根據地形狀況對場內的風機進行分組，每個組內包含多個機群；對每個機群建立簡化的機械模型；建立整個風場的等效單機電氣模型，包括繞線轉子異步發電機狀態空間模型，定子側直接連接等效的單元變壓器，轉子側接等效的背靠背變流器；以及設定直流母線電壓的設定值與單臺機相同，電網側與轉子側的脈衝寬度調製控制策略以等效的受控電壓源代替，建立等效變流器模型。所述建模方法能夠更好的滿足實際應用的要求。
【專利說明】—種基於風電場內風速分布特性的等值建模方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力系統仿真領域。尤其涉及一種基於風電場內風速分布特性的等值建模方法。
【背景技術】
[0002]近年來，風力發電技術取得了許多重要進展，國內許多大型風力發電廠紛紛併網發電。在建立風電場以及投入運行後，需要利用數值仿真軟體計算風電併網後的潮流分布特性以及系統穩定性變化等，因此風電場的準確、有效建模顯得尤為重要。
[0003]在大型風電併網的仿真中，若對每臺雙饋風電機組及其控制系統進行詳細建模，將極大增加仿真的複雜度，從而限制了仿真的有效性和快速性。另一方面，在實際的生產中又規定風電場應及時提供雙饋風電機組、各變壓器以及輸電線路的模型和參數，以作為發電領域中併網規劃設計與電力系統分析的重要基礎。因此需要建立充分考慮風電機械特性、風力機慣量特徵以及控制器性能，同時又兼顧模型複雜度的等值模型。
[0004]然而，對於大型風電場，由於尾流效應以及風電場內雙饋風電機組的位置不同，各機組的風速分布基本上是不均勻的，各發電機組的運行點可能相差較大，現有建模方法一般很難精確考慮上述各因素，因而使得現有的風電場等值建模方法中風電場等值精度差、等值難度高，在精度上和規範化標準上仍然沒有達到實用的要求。
【發明內容】
[0005]綜上所述，確有必要提供一種能夠提高風電場精度、降低等值難度的風電場的等值建模方法。
[0006]一種基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，包括以下步驟:採集目標風電場的拓撲結構；根據地形狀況對場內的風機進行分組，每個組內包含多個機群；對每個機群建立簡化的機械模型；建立整個風場的等效單機電氣模型，包括繞線轉子異步發電機狀態空間模型，定子側直接連接等效的單元變壓器，轉子側接等效的背靠背變流器；以及設定直流母線電壓的設定值與單臺機相同，電網側與轉子側的脈衝寬度調製控制策略以等效的受控電壓源代替，建立等效變流器模型。
[0007]本發明所提供的風電場內風速分布特性的等值建模方法，根據地形狀況首先對風機進行分組，同時將直流母線電壓的設定值設定為與單臺機相同，從而簡化了電氣模型，能夠同時兼顧計算精度和計算規模的要求，能夠更好的滿足實際應用的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1為本發明提供的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法的流程圖。
[0009]圖2為本發明提供的仿真風電場外部連接形式與內部單元布局。
[0010]圖3為本發明提供的機群機械模型仿真原理圖。
[0011]圖4為本發明提供的各控制器框圖(a:有功功率控制b:無功功率控制c:槳距角控制)。
[0012]圖5為本發明提供的單臺機詳細模型仿真框圖。
[0013]圖6為本發明提供的多機群機械模型與風場單機電氣模型接口示意圖。
[0014]圖7為本發明提供的簡化變流器仿真原理圖。
[0015]圖8為本發明提供的單臺機、機群、單臺機等值模型與等值集電線路關係示意圖。
[0016]圖9為本發明實施例提供的2臺機靜態仿真結果(a:風速-有功功率b:等值模型與詳細模型的誤差)。
[0017]圖10為本發明實施例提供的的恆功率因數無功控制靜態仿真結果(a:風速-有功功率b:575V母線電壓c:25kV母線電壓)。
[0018]圖11為本發明實施例提供的恆電壓無功控制靜態仿真結果(a:風速-有功功率b:575V母線電壓c:25kV母線電壓)。
[0019]圖12為本發明實施例提供的恆功率因數無功控制時對實際風速序列的時域響應(a:實際採集的風速序列b:有功功率c:無功功率)。
[0020]圖13為本發明實施例提供的恆電壓無功控制時對實際風速序列的時域響應(a:有功功率b:無功功率)。
[0021]圖14為本發明實施例提供的風場對電網側電壓閃變的動態響應波形(a:有功功率b:無功功率c:575V與25kV母線電壓)。
【具體實施方式】
[0022]下面根據說明書附圖並結合具體實施例對本發明的技術方案進一步詳細表述。
[0023]本申請中，所述「機群」指的是經過同調等值後的一群風電機組，每一個機群對外只呈現該群機組的機械特性；「單臺機」指的是實際中每一個獨立的發電單元，即一颱風力機與一臺發電機；「風場的單機電氣等值模型」或「單機等值模型」指的是整個風場與電網之間用一個單臺機的等效電路與控制參數進行耦合後的接口 ；假定每個風電場內的機組為同一型號的風機，且控制方式、控制參數完全相同。
[0024]請參閱圖1，圖1為本發明提供的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法的流程圖，包括以下步驟:
步驟S10，採集目標風電場的拓撲結構；
步驟S20，根據地形狀況對場內的風機進行分組，每個組內包含多個機群；
步驟S30，對每個機群建立簡化的多機模型；
步驟S40，建立整個風場的等效單機電氣模型；以及 步驟S50，建立等效變流器模型。
[0025]在步驟SlO中，所述風電場的拓撲結構包括集電線路長度、集電線路分布參數、聯絡變壓器參數、單元變壓器參數、轉子機械參數、發電機電氣參數、控制參數、風力氣動模型參數、變流器參數等。
[0026]在步驟S20中，對於平原地區或者海上風電場，可以簡單地按照下風口方向的順序進行編組；對於山地風電場，可以按照風速分布、地理位置和海拔高度的不同進行編組，如相同的風速編為一組，或相同的地理位置可編為一組，或相同的海拔編為一組。由於每個組內的機群都忽略了電氣部分的建模，因此分組數目可以較多，從而較為精確體現風場的外特性。作為具體的實施例，請一併參閱圖2所述風電場，所述風電場可包括兩種分類方法。第一種分類方法:按照每臺機組劃分為9個機群；第二種分類方法:按照下風口方向劃分為3個機群，即每一列組成一個機群，每個機群包含I個發電機模型。
[0027]需要注意，對於第二種分類方法，需要按照能量等值的方法得到該機群內的等效風速，具體方法為:在機群內的風機風速差別不大的前提下，假定該機群內各颱風機(η臺)的風速為U1, ιν..ιιη，則風能中包含的最大可利用能量Pttrtal為:
【權利要求】
1.一種基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，包括以下步驟: 步驟S10，採集目標風電場的拓撲結構； 步驟S20，根據地形狀況對場內的風機進行分組，每個組內包含多個機群； 步驟S30，對每個機群建立簡化的機械模型； 步驟S40，建立整個風場的等效單機電氣模型，包括繞線轉子異步發電機狀態空間模型，定子側直接連接等效的單元變壓器，轉子側接等效的背靠背變流器；以及 步驟S50，設定直流母線電壓的設定值與單臺機相同，電網側與轉子側的脈衝寬度調製控制策略以等效的受控電壓源代替，建立等效變流器模型。
2.如權利要求1所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，所述風電場的拓撲結構包括集電線路長度、集電線路分布參數、聯絡變壓器參數、單元變壓器參數、轉子機械參數、發電機電氣參數、控制參數、風力氣動模型參數、變流器參數。
3.如權利要求1所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，對於平原地區或者海上風電場，按照下風口方向的順序進行編組。
4.如權利要求1所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，對於山地風電場，按照風速分布、地理位置和海拔高度的不同進行編組。
5.如權利要求4所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，按照能量等值的方法得到該機群內的等效風速，包括以下步驟: 假定該機群內η颱風機的風速為U1, IV..Un，則風能中包含的最大可利用能量Ptotal為:
6.如權利要求1所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，所述機械模型中包含單質塊轉子模型、MPPT控制模型、槳距角控制模型，每一個機群的輸入電磁轉矩由整場單機模型和轉矩分配單元提供。
7.如權利要求6所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，所述每一個機群的輸入電磁轉矩通過以下方式提供: 採集各機械模型輸出的電磁轉矩指令值T?d i，i = L...!!; 求和後得到整場的轉矩指令值TcmdJ並輸出到等效的轉子側變流器控制單元； 變流器在矢量控制的作用下調節轉子電流，使得輸出的電磁轉矩與指令值吻合； 根據電磁功率相等的原則計算等效轉速ω^，即:
8.如權利要求1所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，所述直流母線電容值為η倍單機的電容值，其瞬時電壓由網側的輸入功率PgHd和轉子側的輸出功率Prat共同決定，各功率表達式分別為:
9.如權利要求1所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，所述等效單機電氣模型的等效包括單元變壓器等效、鏈式結構等效、並聯結構等效以及並聯電納等效。
10.如權利要求9所述的基於風電場內風速分布特性的等值建模方法，其特徵在於，所述單元變壓器等效中所述單元變壓器的標麼值不變而容量擴大η倍，其中，η為機群內的發電機臺數。
【文檔編號】G05B17/02GK103558768SQ201310348399
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】魯宗相, 賀惠民, 阮佳陽, 吳濤, 喬穎, 李善穎 申請人:清華大學, 國家電網公司, 華北電力科學研究院有限責任公司