一種儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，將雙饋風(fēng)電機組和蓄電池儲能系統(tǒng)均等值為由理想受控電流源和電抗并聯(lián)而成的等效電路，根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理分別建立雙饋風(fēng)電機組模型和蓄電池儲能系統(tǒng)模型，將雙饋風(fēng)電機組模型與蓄電池儲能系統(tǒng)模型連接，建成儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型，并用相量法對該模型求解。本發(fā)明所提儲能型風(fēng)電場簡化模型的建模和求解方法，適用于對風(fēng)電場中所有風(fēng)電機組與儲能系統(tǒng)在較長時間尺度下的仿真，能夠應(yīng)用于風(fēng)電場等值建模、風(fēng)電場以及儲能型風(fēng)電場功率協(xié)調(diào)控制策略研究等領(lǐng)域，具有重要應(yīng)用價值。
【專利說明】一種儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，涉及風(fēng)力發(fā)電的儲能技術(shù)，尤其是一種儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于風(fēng)力發(fā)電具有間歇性、波動性和隨機性等特點，大型風(fēng)電場接入對電網(wǎng)的影響引起聞度重視。畜電池儲能系統(tǒng)具有獨立調(diào)控有功功率和無功功率的能力，在風(fēng)電場端配置儲能裝置，能夠提高風(fēng)電場并網(wǎng)能力。而蓄電池儲能系統(tǒng)的使用壽命受充放電次數(shù)、深度的影響較大，因此，需要對風(fēng)電場中風(fēng)電機組和儲能系統(tǒng)的功率協(xié)調(diào)控制策略進行研究。儲能系統(tǒng)和風(fēng)電機組的協(xié)調(diào)控制策略的成功應(yīng)用必須經(jīng)過驗證，而建立各部分的仿真模型是最通用的驗證方法。
[0003]目前風(fēng)電場主要以雙饋風(fēng)電機組為主，雙饋風(fēng)電機組主要由風(fēng)力機、齒輪箱、發(fā)電機以及變頻器等構(gòu)成。蓄電池儲能系統(tǒng)主要由蓄電池組、能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)(PowerConversionSystem, PCS)等構(gòu)成。根據(jù)建模詳細程度不同,雙饋風(fēng)電機組的模型可分為8階、5階和3階等類型；蓄電池儲能系統(tǒng)的模型可分為電化學(xué)模型、電路模型等類型。但以上模型仍然比較復(fù)雜，仿真時間尺度小、耗用計算量大，難以直接對利用這些模型建立的包含所有風(fēng)電機組和蓄電池儲能系統(tǒng)的儲能型風(fēng)電場的詳細仿真模型進行計算。因此，這些模型無法用于儲能型風(fēng)電場功率協(xié)調(diào)控制策略的仿真驗證，需要進一步對其進行簡化。
[0004]通過檢索，發(fā)現(xiàn)如下兩篇公開的專利文獻:
[0005]1、一種大規(guī)模風(fēng)電集中接入電網(wǎng)的風(fēng)電場等值建模方法(CN101882167A)，基于接入電網(wǎng)的各風(fēng)電場并網(wǎng)點之間的電氣距離、場內(nèi)風(fēng)電機組拓撲分布、機型和控制模式，采用同調(diào)機群識別聚類方法來確定同調(diào)風(fēng)電機群，將一個同調(diào)風(fēng)電機群等值為一個風(fēng)電機組，采用加權(quán)等效參數(shù)聚合方法求出等值風(fēng)電機組各項動態(tài)電氣參數(shù)，根據(jù)靜態(tài)等值理論近似等效為等值機串接等值阻抗形式，并求出相關(guān)的靜態(tài)參數(shù)，基于得到的風(fēng)電場等值形式在PSD-BPA仿真平臺中開發(fā)實現(xiàn)風(fēng)電場等值模型。該方案解決了現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)電場等值建模問題，為電網(wǎng)運行方式分析以及調(diào)度控制提供了風(fēng)電并網(wǎng)仿真工具。
[0006]2、一種基于轉(zhuǎn)速分群的雙饋機組風(fēng)電場等值建模系統(tǒng)及方法(CN102760191A)，該系統(tǒng)包括依次連接的風(fēng)機運行信息提取單元、機組分群單元以及等值機參數(shù)計算單元；其方法為:首先風(fēng)機運行信息提取單元從風(fēng)場控制中心提取所有待等值風(fēng)機故障初始時刻的轉(zhuǎn)速、機械功率信息，用于后續(xù)計算；然后又機組分群單元將故障初始時刻機組的轉(zhuǎn)速相近的機組劃分到同一機群；最后由等值機參數(shù)計算單元采用基于容量加權(quán)的參數(shù)聚合方法，計算每一群等值為一臺雙饋機組的參數(shù)，從而得到風(fēng)電場的被等值的多機電磁暫態(tài)等值模型。
[0007]3、基于槳距角動作情況的雙饋機組風(fēng)電場動態(tài)等值建模方法(CN101937483A)，它解決了現(xiàn)有等值建模方法中所存在的精度低和難以實現(xiàn)的問題。首先，采集待建立模型的風(fēng)電場中的所有雙饋風(fēng)電機組故障前的有功功率、機端電壓和風(fēng)速；其次根據(jù)上述參量提取反映槳距角動作的特征向量輸入支持向量機分類器，并將其分成三個機群；最后把三個機群分別等效成三臺等值雙饋風(fēng)電機組，并計算每臺機組的各參數(shù)以及等值電纜參數(shù)，從而得到一個風(fēng)電場等值模型。
[0008]上述專利與本專利申請解決的技術(shù)問題不同，所以采取的技術(shù)方案有本質(zhì)的區(qū)別。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，該方法所建模型能夠模擬風(fēng)電場中各臺風(fēng)電機組以及儲能系統(tǒng)的運行特性，適用于長時間尺度的仿真，能夠應(yīng)用于風(fēng)電場等值建模、風(fēng)電場以及儲能型風(fēng)電場功率協(xié)調(diào)控制策略研究等領(lǐng)域，具有重要應(yīng)用價值。
[0010]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0011 ] 一種儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，包括雙饋風(fēng)電機組模型和蓄電池儲能系統(tǒng)模型，將雙饋風(fēng)電機組和蓄電池儲能系統(tǒng)均等值為由理想受控電流源和電抗并聯(lián)而成的等效電路，根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理分別建立雙饋風(fēng)電機組模型和蓄電池儲能系統(tǒng)模型，將雙饋風(fēng)電機組模型與蓄電池儲能系統(tǒng)模型連接，建成儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型，并用相量法對該模型求解。
[0012]而且，所述的雙饋風(fēng)電機組模型包括風(fēng)力機及其控制模型、雙饋風(fēng)電機組電氣控制模型和雙饋風(fēng)電機組與電網(wǎng)的接口模型。
[0013]而且，所述的雙饋風(fēng)電機組電氣控制模型根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理建立，利用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，分別控制輸入電網(wǎng)電流的d、q軸分量，實現(xiàn)對機組有功和無功輸出的解耦控制；根據(jù)機組的運行狀態(tài)，實時計算無功輸出極限，并對機組的無功功率指令進行修正；利用機組最大允許輸出容量對輸入電網(wǎng)的電流進行限制，并優(yōu)先滿足無功輸出要求。
[0014]而且，所述的蓄電池儲能系統(tǒng)模型包括儲能系統(tǒng)電氣控制模型和儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口模型。
[0015]而且，所述的儲能系統(tǒng)電氣控制模型根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理建立，利用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，分別控制輸入電網(wǎng)電流的d、q軸分量，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)有功和無功輸出的解耦控制；根據(jù)儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實時計算無功輸出極限，并對系統(tǒng)的無功功率指令進行修改；利用系統(tǒng)最大允許輸出容量對輸入電網(wǎng)的電流進行限制，并優(yōu)先滿足無功輸出要求；建立儲能系統(tǒng)剩余容量計算模塊，實時計算系統(tǒng)剩余容量SOC ;建立充放電邏輯控制模塊，根據(jù)系統(tǒng)SOC值，控制系統(tǒng)的充放電狀態(tài)。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:
[0017]1、本建模方法根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理建立雙饋風(fēng)電機組模型和蓄電池儲能系統(tǒng)模型，所建模型物理意義明確、直觀易懂、易于實現(xiàn)，能夠詳細模擬儲能型風(fēng)電場中每臺風(fēng)電機組和儲能系統(tǒng)的運行特性，仿真時間尺度較大，適用于風(fēng)電場等值建模、儲能型風(fēng)電場功率協(xié)調(diào)控制策略驗證等研究領(lǐng)域，具有較高的應(yīng)用價值。
[0018]2、本建模方法的雙饋風(fēng)電機組的電氣控制模型能夠?qū)崟r計算無功極限、限制功率輸出；蓄電池儲能系統(tǒng)簡化模型能夠?qū)崟r計算剩余容量，對系統(tǒng)的充放電狀態(tài)進行控制。[0019]3、本建模方法根據(jù)儲能型風(fēng)電場實際結(jié)構(gòu)，將雙饋風(fēng)電機組模型與蓄電池儲能系統(tǒng)模型連接，建成儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型，并用相量法對該模型求解。利用相量法作為儲能型風(fēng)電場仿真模型的求解方法，既能加大模型的仿真時間尺度，又能保留儲能型風(fēng)電場中儲能設(shè)備和風(fēng)電機組的主要運行特性，能夠滿足儲能型風(fēng)電場功率控制策略研究等方面對模型仿真時間和準確度的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明風(fēng)力機及其控制模型；
[0021]圖2為本發(fā)明風(fēng)電機組電氣控制及與電網(wǎng)接口模型；
[0022]圖3為本發(fā)明蓄電池儲能系統(tǒng)簡化模型；
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖并通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。
[0024]以某實際儲能型風(fēng)電場為例，該風(fēng)電場包含33臺1.5麗雙饋風(fēng)電機組，分為A、B兩組，兩組機組通過匯集母線饋入升壓站，升壓站低壓側(cè)配有5MW儲能設(shè)備，建立該儲能型風(fēng)電場的簡化模型，步驟如下:
[0025]1.基 于矢量定向控制技術(shù)原理建立雙饋風(fēng)力發(fā)電機組簡化模型
[0026]針對雙饋風(fēng)電機組，本發(fā)明保留風(fēng)力機的機械特性，忽略發(fā)電機磁鏈變化以及變流器高頻開斷等影響，將雙饋風(fēng)電機組等值為由理想受控電流源和等效電抗并聯(lián)而成的等效電路。本發(fā)明所建雙饋風(fēng)電機組簡化模型包括:風(fēng)力機及其控制模型、雙饋風(fēng)電機組電氣控制模型和雙饋風(fēng)電機組與電網(wǎng)的接口模型。
[0027]⑴建立風(fēng)力機及其控制模型
[0028]本發(fā)明按照已有建模方法對風(fēng)力機及其控制系統(tǒng)進行建模，主要包括風(fēng)力機、傳動軸、最大風(fēng)能追蹤以及變槳控制等模塊，如圖1所示。
[0029]在圖1中，風(fēng)力機模型以風(fēng)速V、風(fēng)力機轉(zhuǎn)速Cor和葉片槳距角Θ作為輸入，以風(fēng)力機機械功率Pni作為輸出。傳動軸采用集中質(zhì)量塊模型表示，模型以風(fēng)力機機械功率Pni和風(fēng)電機組電磁功率PJ乍為輸入，以風(fēng)力機轉(zhuǎn)速《r作為輸出。模塊結(jié)構(gòu)如公式(I)所示。
Pm = 士一々W)
[0030]< /I =( I)

V
{P -P,)/CO,.=211


dt
[0031]式(I)中:P為空氣密度；R為風(fēng)力機風(fēng)輪的半徑;A為風(fēng)輪的掃掠面積；v為風(fēng)速；CpU，β)為風(fēng)力機的風(fēng)能利用系數(shù)，是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，為統(tǒng)計學(xué)公式；為風(fēng)力機轉(zhuǎn)速；Pm為風(fēng)力機輸出的機械功率；Pe為向電網(wǎng)輸出的電磁功率；H為風(fēng)電機組等效慣性時間常數(shù)。
[0032]如圖1所示，最大風(fēng)能追蹤模塊根據(jù)風(fēng)力機功率-轉(zhuǎn)速曲線設(shè)定轉(zhuǎn)速參考值ωΜ?，功率控制器根據(jù)風(fēng)力機實際轉(zhuǎn)速和參考轉(zhuǎn)速ωΜ?的偏差，控制風(fēng)電機組輸入到電網(wǎng)的有功功率命令Pm。槳距角控制器根據(jù)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速《r及其參考值ωΜ?的偏差調(diào)整風(fēng)力機的槳距角。槳距角補償控制器根據(jù)有功輸出設(shè)定值Pset和有功命令PMf的偏差對風(fēng)力機槳距角進行補償控制。
[0033]⑵建立雙饋風(fēng)電機組電氣控制模型
[0034]本發(fā)明基于矢量定向控制技術(shù)原理，建立雙饋風(fēng)電機組的電氣控制模型:利用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，分別控制輸入電網(wǎng)電流的d、q軸分量，實現(xiàn)對機組有功和無功輸出的解耦控制；根據(jù)機組的運行狀態(tài)，實時計算無功輸出極限，并對機組的無功功率指令進行修正；利用機組最大允許輸出容量對輸入電網(wǎng)的電流進行限制，并優(yōu)先滿足無功輸出要求。
[0035]本發(fā)明利用電氣控制模型模擬風(fēng)電機組雙饋異步電機和變流器的運行特性，電氣控制模型如圖2所示。
[0036]①根據(jù)矢量定向原理，建立電壓矢量定向模型，計算在以電網(wǎng)電壓矢量&為d軸的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的機端電壓&的dq軸分量Ud、Uq。
[0037]②根據(jù)矢量定向原理，建立風(fēng)電機組有功和無功控制模型。模型根據(jù)有功指令Pref與實際有功輸出Pe、無功指令Qref與實際無功輸出Qe的偏差控制機組輸出電流的dq軸分量。模型依據(jù)風(fēng)電機組最大允許輸出容量對輸出電流的dq軸分量進行限制，并且優(yōu)先考慮滿足無功輸出要求。
[0038]③根據(jù)公式(2)，建立風(fēng)電機組無功功率極限計算模型。模型以風(fēng)電機組的端口電壓幅值U、有功輸出Pe和轉(zhuǎn)速ω J乍為輸入，以風(fēng)電機組無功極限Qmax、Qmin作為輸出，并利用其對風(fēng)電機組無功功率指令QMf進行修正。
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，包括雙饋風(fēng)電機組模型和蓄電池儲能系統(tǒng)模型，其特征在于:將雙饋風(fēng)電機組和蓄電池儲能系統(tǒng)均等值為由理想受控電流源和電抗并聯(lián)而成的等效電路，根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理分別建立雙饋風(fēng)電機組模型和蓄電池儲能系統(tǒng)模型，將雙饋風(fēng)電機組模型與蓄電池儲能系統(tǒng)模型連接，建成儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型，并用相量法對該模型求解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，其特征在于:所述的雙饋風(fēng)電機組模型包括風(fēng)力機及其控制模型、雙饋風(fēng)電機組電氣控制模型和雙饋風(fēng)電機組與電網(wǎng)的接口模型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，其特征在于:所述的雙饋風(fēng)電機組電氣控制模型根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理建立，利用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，分別控制輸入電網(wǎng)電流的d、q軸分量，實現(xiàn)對機組有功和無功輸出的解耦控制；根據(jù)機組的運行狀態(tài)，實時計算無功輸出極限，并對機組的無功功率指令進行修正；利用機組最大允許輸出容量對輸入電網(wǎng)的電流進行限制，并優(yōu)先滿足無功輸出要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，其特征在于:所述的蓄電池儲能系統(tǒng)模型包括儲能系統(tǒng)電氣控制模型和儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的儲能型雙饋風(fēng)電場簡化模型建模方法，其特征在于:所述的儲能系統(tǒng)電氣控制模型根據(jù)矢量定向控制技術(shù)原理建立，利用電網(wǎng)電壓定向矢量控制技術(shù)，分別控制輸入電網(wǎng)電流的d、q軸分量，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)有功和無功輸出的解耦控制；根據(jù)儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實時計算無功輸出極限，并對系統(tǒng)的無功功率指令進行修改；利用系統(tǒng)最大允許輸出容量對輸入電網(wǎng)的電流進行限制，并優(yōu)先滿足無功輸出要求；建立儲能系統(tǒng)剩余容量計算模塊，實時計算系統(tǒng)剩余容量SOC ;建立充放電邏輯控制模塊，根據(jù)系統(tǒng)SOC值，控制系統(tǒng)的充放電狀態(tài)。
【文檔編號】G06F17/50GK103986189SQ201410209843
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月19日
【發(fā)明者】米增強, 劉力卿 申請人:華北電力大學(xué)（保定）