一種適用于電磁暫態(tài)仿真的風電場等值建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)建模領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于電磁暫態(tài)仿真的風電場等 值建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風電場等值模型是研究人員與運行人員對包含風電場的電力系統(tǒng)進行分析的重 要工具，對電網(wǎng)調(diào)度與電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行有重大意義。如果風電場等值模型的仿真結(jié)果與 實際風電廠的量測結(jié)果有較大誤差，將此模型運用于電力系統(tǒng)分析時，可能會使研究人員 得出錯誤的結(jié)論，或運行管理人員進行錯誤的操作，威脅了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，嚴重時造成區(qū) 域性的電力事故，對本區(qū)域的國民用電安全、經(jīng)濟發(fā)展和正常生活帶來嚴重影響。風電場包 含數(shù)目眾多的風機，對各機組分別精確建模，仿真時間過長，降低了模型的實用性。從電網(wǎng) 考慮，只需關(guān)注風場出口處電氣量，沒必要精確求解場內(nèi)各變量。有鑒于此，對風電場等值 建模方法進行深入研究，在保證仿真精度的前提下，提高仿真速度，使得模型能夠?qū)ΠL 電場的電力系統(tǒng)的分析與運行做出指導性的建議，更有利于電網(wǎng)穩(wěn)定安全的運行。
[0003] 風力發(fā)電系統(tǒng)可分為動力、電氣、控制三大部分，動力部分有風速、風輪以及傳動 鏈;電氣部分有發(fā)電機、變壓器、集電線路;控制部分有變槳、變流控制器。與之對應，風電場 等值可分為動力、電氣、控制三部分內(nèi)容，下面從這三個方面分別進行詳細的技術(shù)背景介 紹。
[0004] 動力部分:風速等值主要有平均值法、反函數(shù)法、功率不變法三大類。平均值法等 值前后功率存在明顯誤差;反函數(shù)法需要統(tǒng)計單臺機組風速-風功率曲線，但當風場內(nèi)某些 風機的風輪尺寸不一致時，應用此法的有效性還需驗證;依據(jù)功率不變的計算法原理明確， 計算簡便，但需要對風能利用系數(shù)進行進一步的處理。傳動鏈等值方面，傳動鏈主要采用雙 質(zhì)塊模型，其參數(shù)等值廣泛使用容量加權(quán)法。風輪等值方面，多數(shù)方法僅是對其進行簡單說 明，風輪半徑、齒輪箱變比、最大風能跟蹤曲線系數(shù)等與風輪有關(guān)的參數(shù)技術(shù)處理細節(jié)鮮見 在等值中提及。
[0005] 電氣部分:發(fā)電機參數(shù)等值有傳遞函數(shù)擬合法、智能搜索類算法、容量加權(quán)法三大 類。傳遞函數(shù)擬合法計算量大，并且主要用于包含異步發(fā)電機的風電場等值，在包含DFIG風 電場的等值中未見使用。智能搜索類算法也廣泛用于異步型風電場等值，對于DFIG，由于電 氣、控制參數(shù)均需尋優(yōu)，解空間維數(shù)增大，求解時間長。并且，智能搜索算法尋優(yōu)出的參數(shù)對 工況的適應性有待進一步研究。容量加權(quán)法由于計算簡單，等值前后的仿真結(jié)果基本一致， 在風電場等值中廣泛采用。集電線路等值有兩大類方法，即電壓損耗不變法與功率損耗不 變法。目前大多數(shù)集電線路等值方法只考慮同一干線上的機組劃分在一群，而未考慮不同 干線上的機組劃分在同一群的情況。
[0006] 控制部分:控制參數(shù)影響了風機的運行性能，屬于風電場等值必須考慮的內(nèi)容。但 是目前關(guān)于風電場等值的文獻中，大部分沒有提及控制參數(shù)，較少數(shù)文獻采用容量加權(quán)法， 而沒有從原理上進行說明。某些方法采用改變控制器結(jié)構(gòu)、增加補償項的方法進行控制器 等值，但這種補償式的等值方法實用性和通用性較差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種適用于電磁暫態(tài)仿真的風電場等值建模方法，克服了 現(xiàn)有風電場等值建模方法中誤差大、模型復雜、對工況的適應性差等缺點，從動力、電氣、控 制三個方面分別對等值參數(shù)的計算方法進行改進。
[0008] 在動力部分等值方面，改進了風速等值法，調(diào)整了等值后的最大風能跟蹤曲線，此 外考慮到等值后風輪半徑的改變，對等值機組齒輪箱變比進行了調(diào)整;在電氣部分等值方 面，采用了容量加權(quán)法對發(fā)電機參數(shù)進行了等值，考慮到不同干線的機組可能劃分到同一 機群的情況，本文基于功率損耗不變原則提出了一種改進的風電場集電線路等值方法。在 控制參數(shù)等值方面，考慮到等值機組參數(shù)發(fā)生變化的情況，借鑒單機控制參數(shù)的工程設(shè)計 方法，得出了可以實現(xiàn)等值前后性能不變的等值機控制器參數(shù)整定公式。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0010] 1)動力部分
[0011] 1.風速等值
[0012] 令同一機群內(nèi)風力機捕獲的風功率之和與等值機捕獲的風功率相等，即
[0013] - ⑴
[0014] 式中：分別為實際與等值后的捕獲風功率;η為需要等值的機群內(nèi)包含 的風機臺數(shù);Cpi、Cpe3q為等值前后風能利用系數(shù);Ρ為空氣密度;Smi、S me3q為等值前后風輪掃略 面積;為等值前后風速。本文等值機參數(shù)均用下標"eq"表示。
[0015] 令等值風力機風輪掃略面積sme3q為各風力機掃略面積Smi之和;等值風能利用系數(shù) 為各機組風能利用系數(shù)平均值，即=5L 。由（1)式可得到等值風速為
[0016] ⑵
[0017] 2.風輪、傳動鏈等值
[0018] 等值風力機風輪掃略面積為各風力機掃略面積和，即心,％ ，因此等值的 風輪半徑關(guān)
[0019] 由于等值風輪尺寸變大，要實現(xiàn)等值機的最大風能跟蹤，最大功率跟蹤曲線要相 應地調(diào)整。等倌機在MPPT K捕獲最大功率為
[0020]
⑶
[0021]此式成立的條件是葉尖速比最優(yōu)，即
[0022] A〇pt= OgqReq/Veq (4)
[0023] 式中coeq為等值風力機角速度，為最優(yōu)葉尖速比。
[0024] 將式(4)代入式(3)中，即可得到等值機最大風功率跟蹤曲線表達式為
[0025]
{5)
[0026]其中最大功率跟蹤曲線系數(shù)為
[0027] kw= 0.5CPmaxpSmeq(Req/A〇pt)3 (6)
[0028] 由上式可知，風輪等值后，其最佳功率曲線也要相應地調(diào)整。
[0029] 為實現(xiàn)最大風能跟蹤，等值前后葉尖速比都要保持最優(yōu)。由于等值后風輪半徑變 大，這就使等值風力機轉(zhuǎn)速相應降低，如齒輪箱變比N不變，則等值后發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也降 低，進而改變轉(zhuǎn)子上電氣量的頻率以及定轉(zhuǎn)子功率分配，導致等值前后功率出現(xiàn)較大誤差。 因此，如果等值后風輪尺寸改變，為使發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不變，要對等值機的變速箱變比N eq進 行調(diào)整。下面給出齒輪箱變比等值的具體步驟。
[0030] 首先，等值前后葉尖速比都要保持最優(yōu)，即
[0031] (7)
[0032] 式中，ω，R，V以及coeq，Req，Veq分別為等值前后風輪轉(zhuǎn)速、半徑和輸入風速。
[0033] 為保證等值前后發(fā)電機轉(zhuǎn)速不變，應當有
[0034] 〇eqNeq= ?Ν (8)
[0035] 為簡化說明，假設(shè)此時風場內(nèi)各機組風輪半徑、輸入風速均相同，由式(2)可知，veq =v。將式(7)代入式(8)，可得
[0036] Neq = N〇/oeq = NReq/R (9)
[0037] 需要說明的是，各機組風速相同這一條件不是必須的，如從等值前后MPPT區(qū)對應 的轉(zhuǎn)速區(qū)間來計算等值后的齒輪箱變比，則可不用此假設(shè)。但各機組風輪半徑相同這一條 件是必須的。因而，應用時同一機群的風輪尺寸要盡量相同。
[0038] 傳動鏈采用雙質(zhì)塊模型表示，其方程如下
[0039] (10)
[0040] 式中:Ht、Hg分別為風力機與發(fā)電機慣性時間常數(shù)；c〇t、〇^分別為風力機與發(fā)電機 轉(zhuǎn)速(標幺值）；ω:為同步角速度(有名值）；0 tw為傳動軸扭轉(zhuǎn)角(有名值）；Τω、?^、??1_ 風力機、傳動軸、發(fā)電機轉(zhuǎn)矩(標幺值）；K sh為軸剛度系數(shù);Dsh為軸阻尼系數(shù);t為時間（有名 值)。
[0041 ]等值機傳動鏈參數(shù)采用容量加權(quán)法，即
[0042]
{11)
[0043] 式中：Pi為容量加權(quán)系數(shù)，Pi = Si/Seq，其中Si為各發(fā)電機基準容量，