一種基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，包括以下步驟：采集目標(biāo)風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；根據(jù)地形狀況對場內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分組，每個(gè)組內(nèi)包含多個(gè)機(jī)群；對每個(gè)機(jī)群建立簡化的機(jī)械模型；建立整個(gè)風(fēng)場的等效單機(jī)電氣模型，包括繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)空間模型，定子側(cè)直接連接等效的單元變壓器，轉(zhuǎn)子側(cè)接等效的背靠背變流器；以及設(shè)定直流母線電壓的設(shè)定值與單臺(tái)機(jī)相同，電網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)的脈沖寬度調(diào)制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(shí)際應(yīng)用的要求。
【專利說明】—種基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域。尤其涉及一種基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)取得了許多重要進(jìn)展，國內(nèi)許多大型風(fēng)力發(fā)電廠紛紛并網(wǎng)發(fā)電。在建立風(fēng)電場以及投入運(yùn)行后，需要利用數(shù)值仿真軟件計(jì)算風(fēng)電并網(wǎng)后的潮流分布特性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性變化等，因此風(fēng)電場的準(zhǔn)確、有效建模顯得尤為重要。
[0003]在大型風(fēng)電并網(wǎng)的仿真中，若對每臺(tái)雙饋風(fēng)電機(jī)組及其控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)建模，將極大增加仿真的復(fù)雜度，從而限制了仿真的有效性和快速性。另一方面，在實(shí)際的生產(chǎn)中又規(guī)定風(fēng)電場應(yīng)及時(shí)提供雙饋風(fēng)電機(jī)組、各變壓器以及輸電線路的模型和參數(shù)，以作為發(fā)電領(lǐng)域中并網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與電力系統(tǒng)分析的重要基礎(chǔ)。因此需要建立充分考慮風(fēng)電機(jī)械特性、風(fēng)力機(jī)慣量特征以及控制器性能，同時(shí)又兼顧模型復(fù)雜度的等值模型。
[0004]然而，對于大型風(fēng)電場，由于尾流效應(yīng)以及風(fēng)電場內(nèi)雙饋風(fēng)電機(jī)組的位置不同，各機(jī)組的風(fēng)速分布基本上是不均勻的，各發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行點(diǎn)可能相差較大，現(xiàn)有建模方法一般很難精確考慮上述各因素，因而使得現(xiàn)有的風(fēng)電場等值建模方法中風(fēng)電場等值精度差、等值難度高，在精度上和規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)上仍然沒有達(dá)到實(shí)用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]綜上所述，確有必要提供一種能夠提高風(fēng)電場精度、降低等值難度的風(fēng)電場的等值建模方法。
[0006]一種基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，包括以下步驟:采集目標(biāo)風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；根據(jù)地形狀況對場內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分組，每個(gè)組內(nèi)包含多個(gè)機(jī)群；對每個(gè)機(jī)群建立簡化的機(jī)械模型；建立整個(gè)風(fēng)場的等效單機(jī)電氣模型，包括繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)空間模型，定子側(cè)直接連接等效的單元變壓器，轉(zhuǎn)子側(cè)接等效的背靠背變流器；以及設(shè)定直流母線電壓的設(shè)定值與單臺(tái)機(jī)相同，電網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)的脈沖寬度調(diào)制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(fā)明所提供的風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，根據(jù)地形狀況首先對風(fēng)機(jī)進(jìn)行分組，同時(shí)將直流母線電壓的設(shè)定值設(shè)定為與單臺(tái)機(jī)相同，從而簡化了電氣模型，能夠同時(shí)兼顧計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模的要求，能夠更好的滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明提供的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法的流程圖。
[0009]圖2為本發(fā)明提供的仿真風(fēng)電場外部連接形式與內(nèi)部單元布局。
[0010]圖3為本發(fā)明提供的機(jī)群機(jī)械模型仿真原理圖。
[0011]圖4為本發(fā)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(fā)明提供的單臺(tái)機(jī)詳細(xì)模型仿真框圖。
[0013]圖6為本發(fā)明提供的多機(jī)群機(jī)械模型與風(fēng)場單機(jī)電氣模型接口示意圖。
[0014]圖7為本發(fā)明提供的簡化變流器仿真原理圖。
[0015]圖8為本發(fā)明提供的單臺(tái)機(jī)、機(jī)群、單臺(tái)機(jī)等值模型與等值集電線路關(guān)系示意圖。
[0016]圖9為本發(fā)明實(shí)施例提供的2臺(tái)機(jī)靜態(tài)仿真結(jié)果(a:風(fēng)速-有功功率b:等值模型與詳細(xì)模型的誤差)。
[0017]圖10為本發(fā)明實(shí)施例提供的的恒功率因數(shù)無功控制靜態(tài)仿真結(jié)果(a:風(fēng)速-有功功率b:575V母線電壓c:25kV母線電壓)。
[0018]圖11為本發(fā)明實(shí)施例提供的恒電壓無功控制靜態(tài)仿真結(jié)果(a:風(fēng)速-有功功率b:575V母線電壓c:25kV母線電壓)。
[0019]圖12為本發(fā)明實(shí)施例提供的恒功率因數(shù)無功控制時(shí)對實(shí)際風(fēng)速序列的時(shí)域響應(yīng)(a:實(shí)際采集的風(fēng)速序列b:有功功率c:無功功率)。
[0020]圖13為本發(fā)明實(shí)施例提供的恒電壓無功控制時(shí)對實(shí)際風(fēng)速序列的時(shí)域響應(yīng)(a:有功功率b:無功功率)。
[0021]圖14為本發(fā)明實(shí)施例提供的風(fēng)場對電網(wǎng)側(cè)電壓閃變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形(a:有功功率b:無功功率c:575V與25kV母線電壓)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面根據(jù)說明書附圖并結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)表述。
[0023]本申請中，所述“機(jī)群”指的是經(jīng)過同調(diào)等值后的一群風(fēng)電機(jī)組，每一個(gè)機(jī)群對外只呈現(xiàn)該群機(jī)組的機(jī)械特性；“單臺(tái)機(jī)”指的是實(shí)際中每一個(gè)獨(dú)立的發(fā)電單元，即一臺(tái)風(fēng)力機(jī)與一臺(tái)發(fā)電機(jī)；“風(fēng)場的單機(jī)電氣等值模型”或“單機(jī)等值模型”指的是整個(gè)風(fēng)場與電網(wǎng)之間用一個(gè)單臺(tái)機(jī)的等效電路與控制參數(shù)進(jìn)行耦合后的接口 ；假定每個(gè)風(fēng)電場內(nèi)的機(jī)組為同一型號的風(fēng)機(jī)，且控制方式、控制參數(shù)完全相同。
[0024]請參閱圖1，圖1為本發(fā)明提供的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)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，采集目標(biāo)風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
步驟S20，根據(jù)地形狀況對場內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分組，每個(gè)組內(nèi)包含多個(gè)機(jī)群；
步驟S30，對每個(gè)機(jī)群建立簡化的多機(jī)模型；
步驟S40，建立整個(gè)風(fēng)場的等效單機(jī)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(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括集電線路長度、集電線路分布參數(shù)、聯(lián)絡(luò)變壓器參數(shù)、單元變壓器參數(shù)、轉(zhuǎn)子機(jī)械參數(shù)、發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)、控制參數(shù)、風(fēng)力氣動(dòng)模型參數(shù)、變流器參數(shù)等。
[0026]在步驟S20中，對于平原地區(qū)或者海上風(fēng)電場，可以簡單地按照下風(fēng)口方向的順序進(jìn)行編組；對于山地風(fēng)電場，可以按照風(fēng)速分布、地理位置和海拔高度的不同進(jìn)行編組，如相同的風(fēng)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。由于每個(gè)組內(nèi)的機(jī)群都忽略了電氣部分的建模，因此分組數(shù)目可以較多，從而較為精確體現(xiàn)風(fēng)場的外特性。作為具體的實(shí)施例，請一并參閱圖2所述風(fēng)電場，所述風(fēng)電場可包括兩種分類方法。第一種分類方法:按照每臺(tái)機(jī)組劃分為9個(gè)機(jī)群；第二種分類方法:按照下風(fēng)口方向劃分為3個(gè)機(jī)群，即每一列組成一個(gè)機(jī)群，每個(gè)機(jī)群包含I個(gè)發(fā)電機(jī)模型。
[0027]需要注意，對于第二種分類方法，需要按照能量等值的方法得到該機(jī)群內(nèi)的等效風(fēng)速，具體方法為:在機(jī)群內(nèi)的風(fēng)機(jī)風(fēng)速差別不大的前提下，假定該機(jī)群內(nèi)各臺(tái)風(fēng)機(jī)(η臺(tái))的風(fēng)速為U1, ιν..ιιη，則風(fēng)能中包含的最大可利用能量Pttrtal為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，包括以下步驟: 步驟S10，采集目標(biāo)風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 步驟S20，根據(jù)地形狀況對場內(nèi)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行分組，每個(gè)組內(nèi)包含多個(gè)機(jī)群； 步驟S30，對每個(gè)機(jī)群建立簡化的機(jī)械模型； 步驟S40，建立整個(gè)風(fēng)場的等效單機(jī)電氣模型，包括繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)空間模型，定子側(cè)直接連接等效的單元變壓器，轉(zhuǎn)子側(cè)接等效的背靠背變流器；以及 步驟S50，設(shè)定直流母線電壓的設(shè)定值與單臺(tái)機(jī)相同，電網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)的脈沖寬度調(diào)制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(quán)利要求1所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，所述風(fēng)電場的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括集電線路長度、集電線路分布參數(shù)、聯(lián)絡(luò)變壓器參數(shù)、單元變壓器參數(shù)、轉(zhuǎn)子機(jī)械參數(shù)、發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)、控制參數(shù)、風(fēng)力氣動(dòng)模型參數(shù)、變流器參數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，對于平原地區(qū)或者海上風(fēng)電場，按照下風(fēng)口方向的順序進(jìn)行編組。
4.如權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，對于山地風(fēng)電場，按照風(fēng)速分布、地理位置和海拔高度的不同進(jìn)行編組。
5.如權(quán)利要求4所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，按照能量等值的方法得到該機(jī)群內(nèi)的等效風(fēng)速，包括以下步驟: 假定該機(jī)群內(nèi)η臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為U1, IV..Un，則風(fēng)能中包含的最大可利用能量Ptotal為:
6.如權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，所述機(jī)械模型中包含單質(zhì)塊轉(zhuǎn)子模型、MPPT控制模型、槳距角控制模型，每一個(gè)機(jī)群的輸入電磁轉(zhuǎn)矩由整場單機(jī)模型和轉(zhuǎn)矩分配單元提供。
7.如權(quán)利要求6所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，所述每一個(gè)機(jī)群的輸入電磁轉(zhuǎn)矩通過以下方式提供: 采集各機(jī)械模型輸出的電磁轉(zhuǎn)矩指令值T?d i，i = L...!!; 求和后得到整場的轉(zhuǎn)矩指令值TcmdJ并輸出到等效的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制單元； 變流器在矢量控制的作用下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流，使得輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與指令值吻合； 根據(jù)電磁功率相等的原則計(jì)算等效轉(zhuǎn)速ω^，即:
8.如權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，所述直流母線電容值為η倍單機(jī)的電容值，其瞬時(shí)電壓由網(wǎng)側(cè)的輸入功率PgHd和轉(zhuǎn)子側(cè)的輸出功率Prat共同決定，各功率表達(dá)式分別為:
9.如權(quán)利要求1所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，所述等效單機(jī)電氣模型的等效包括單元變壓器等效、鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)等效、并聯(lián)結(jié)構(gòu)等效以及并聯(lián)電納等效。
10.如權(quán)利要求9所述的基于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)速分布特性的等值建模方法，其特征在于，所述單元變壓器等效中所述單元變壓器的標(biāo)么值不變而容量擴(kuò)大η倍，其中，η為機(jī)群內(nèi)的發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)。
【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(yōu)先權(quán)日:2013年8月12日
【發(fā)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(xué), 國家電網(wǎng)公司, 華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司