本發(fā)明涉及建模技術(shù)，特別涉及一種雙饋風(fēng)電場機(jī)組之間交互作用的能量模型建模方法。

背景技術(shù)：

1、隨著能源改革的全面推進(jìn)，風(fēng)電裝機(jī)容量逐步增加。一方面，風(fēng)能具有存儲量巨大、分布廣泛、可再生、無污染等眾多優(yōu)勢；另一方面，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要大量電力電子器件進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的控制，而電力電子器件強(qiáng)時變、非線性的特點(diǎn)使其在暫態(tài)過程中難以控制，甚至在某些運(yùn)行狀態(tài)下將會引發(fā)系統(tǒng)振蕩。因此，探究影響風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素及趨勢，保證高滲透率、大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

2、現(xiàn)有風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法有：特征值法、復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法、阻抗分析法以及動態(tài)能量分析法。其中特征值法的基礎(chǔ)在于對非線性系統(tǒng)進(jìn)行線性化，并求解線性化系統(tǒng)的特征值，而在進(jìn)行復(fù)雜高階系統(tǒng)特征根的計(jì)算時可能會產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)”的問題。復(fù)轉(zhuǎn)矩系數(shù)法利用阻尼轉(zhuǎn)矩判據(jù)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性，其研究主要圍繞風(fēng)電機(jī)組軸系組轉(zhuǎn)矩扭振進(jìn)行分析，難以分析風(fēng)場內(nèi)部和風(fēng)場與電網(wǎng)間的交互作用。阻抗分析法通過描繪風(fēng)電機(jī)組端口阻抗特性曲線，結(jié)合奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，進(jìn)行風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，但其難以描繪振蕩在風(fēng)機(jī)之間的交互過程，無法闡明動態(tài)發(fā)生發(fā)展的作用機(jī)理。動態(tài)能量分析法不依賴于系統(tǒng)平衡點(diǎn)，而是通過測量風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，監(jiān)測振蕩的發(fā)生和發(fā)展、評估風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3、目前，雙饋風(fēng)電場振蕩研究大多基于單機(jī)等值模型，忽略了風(fēng)場內(nèi)各機(jī)組間的交互作用，而實(shí)際運(yùn)行的雙饋風(fēng)電場受地理空間位置和負(fù)荷情況的影響，使得場內(nèi)每臺雙饋風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)各不相同，采用單機(jī)等值模型無法準(zhǔn)確分析風(fēng)場內(nèi)各機(jī)組在振蕩過程中的動態(tài)特性，因此在分析風(fēng)電并網(wǎng)穩(wěn)定性時，其分析精度較差，甚至將會導(dǎo)致錯誤結(jié)果。

4、為了提高雙饋風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的分析精度，需要重點(diǎn)推導(dǎo)、建立雙饋風(fēng)電場機(jī)組之間交互作用的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明基于動態(tài)能量分析法提出一種雙饋風(fēng)電場機(jī)組之間交互作用的能量模型建立的方法，將交互能量通路分解為兩個通道：勵磁側(cè)能量通道和網(wǎng)側(cè)能量通道。通過探究暫態(tài)能量在振蕩過程中的動態(tài)發(fā)展過程，描繪風(fēng)電機(jī)組之間以及風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)間的動態(tài)交互路徑，對于豐富和拓展風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)振蕩穩(wěn)定分析和控制理論，提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是要提供種雙饋風(fēng)電場機(jī)組之間交互作用的能量建模方法，克服傳統(tǒng)雙饋風(fēng)電場聚合建模方法中無法反應(yīng)機(jī)組之間交互作用的不足，提升系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種雙饋風(fēng)電場機(jī)組之間交互作用的能量建模方法，包括以下步驟：

4、步驟1：建立雙饋風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)能量模型，包括：建立dq坐標(biāo)系中雙饋風(fēng)機(jī)的能量模型方程，并推廣得到整個風(fēng)電場的能量模型，將雙饋風(fēng)機(jī)的能量劃分為勵磁側(cè)能量通道和網(wǎng)側(cè)能量通道，并建立其數(shù)學(xué)模型方程。

5、dq坐標(biāo)系中雙饋風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)能量模型為：

6、

7、式中：為雙饋風(fēng)機(jī)動態(tài)能量；δid、δiq、δud、δuq分別為雙饋風(fēng)機(jī)端口電壓電流的dq軸分量；δpe表示風(fēng)機(jī)端口有功功率；θ是dq坐標(biāo)系與xy坐標(biāo)系的夾角差。

8、將單個雙饋風(fēng)機(jī)端口的能量模型表達(dá)式推廣到整個雙饋風(fēng)電場中，整個雙饋風(fēng)電場的能量模型表達(dá)式為：

9、

10、式中：δwfarm為雙饋風(fēng)電場的總能量；δwdfig-k為第k臺機(jī)組的能量。

11、雙饋風(fēng)機(jī)電壓和電流可以由定子側(cè)和網(wǎng)側(cè)端口電壓和電流之和表示，雙饋風(fēng)機(jī)的勵磁側(cè)能量通道數(shù)學(xué)模型方程為：

12、

13、式中：δisdq、δusdq為雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)端口電流和電壓值。

14、雙饋風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)能量通道數(shù)學(xué)模型方程為：

15、δwdfigg＝∫(δigddδugq-δigqdδugd)+δpgdδθ

16、式中：δigdq、δugdq為雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)換流器端口電流和電壓值。

17、步驟2：建立雙饋風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng)勵磁側(cè)能量通道能量模型，包括：考慮交互作用的電壓和鎖相角的方程、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的數(shù)學(xué)模型、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電壓方程、定子擾動電流分量方程、定子側(cè)端口交互電壓方程、交互鎖相角方程。

18、當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，第k臺機(jī)組的電壓、電流以及鎖相角均受到風(fēng)電場內(nèi)其他機(jī)組的影響，考慮交互作用的電壓和鎖相角方程為：

19、

20、式中：δθkk、δudqkk分別為dfig-kth與電網(wǎng)交互產(chǎn)生的鎖相角和電壓dq軸分量，記為自鎖相角和自電壓分量；δθkm、δudqkm分別為dfig-mth在dfig-kth端口產(chǎn)生的鎖相角

21、和電壓dq軸分量，記為互鎖相角和互電壓分量。

22、轉(zhuǎn)子側(cè)換流器的控制方程為：

23、

24、式中：和表示第k臺風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器外環(huán)控制的比例和積分參數(shù)；和表示第k臺風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)換流器電流內(nèi)環(huán)控制的比例和積分參數(shù)；lr為轉(zhuǎn)子電感，ls為定子電感，lm為定轉(zhuǎn)子互感；ωn＝ωs-ωr，ωr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

25、雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程為：

26、

27、式中：δurdk、δurqk、δirdk、δirqk表示第k臺風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電壓電流，rr表示轉(zhuǎn)子電阻。

28、擾動發(fā)生后，擾動電流通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制環(huán)節(jié)，產(chǎn)生新的轉(zhuǎn)子電壓變化量，經(jīng)過感應(yīng)發(fā)電機(jī)在定子側(cè)產(chǎn)生新增擾動電流分量，定子電流擾動分量方程為：

29、

30、式中：δisdqk0為dfig-kth發(fā)生擾動時的初始電流；δisdqk1為dfig-kth經(jīng)過轉(zhuǎn)子側(cè)控制環(huán)節(jié)新產(chǎn)生的定子電流。

31、第m雙饋風(fēng)機(jī)新產(chǎn)生的定子電流在第k臺雙饋風(fēng)機(jī)端口產(chǎn)生交互電壓分量，定子側(cè)端口交互電壓方程為：

32、

33、式中：δudkm、δuqkm為第m臺風(fēng)機(jī)在第k臺風(fēng)機(jī)端口產(chǎn)生的交互電壓變化量的dq軸分量，δidm1、δiqm1為第m臺風(fēng)機(jī)次同步振蕩后擾動電流的dq軸分量，lk為第k臺風(fēng)機(jī)到pcc點(diǎn)間的電感值，表示為第k臺風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)距離，r為輸電線路的等效電阻，l為輸電線路的等效電感，c為輸電線路的串聯(lián)補(bǔ)償電容。

34、定子側(cè)端口交互電壓在經(jīng)過鎖相環(huán)控制環(huán)節(jié)后，將會引起鎖相角的變化，則交互鎖相角的方程為：

35、

36、

37、式中：dfig-k風(fēng)機(jī)鎖相環(huán)控制環(huán)節(jié)的比例參數(shù)和積分參數(shù)。

38、步驟3：建立雙饋風(fēng)機(jī)及其控制系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)能量通道能量模型，包括：建立雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器的控制方程，根據(jù)感應(yīng)電壓和電流特性，建立感應(yīng)電流及交互電流方程、網(wǎng)側(cè)換流器端口電壓和電流方程。

39、雙饋風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)換流器的控制方程為：

40、

41、式中：δugdqk為發(fā)生次同步振蕩時網(wǎng)側(cè)換流器端口的電壓變化值，δigdqk為網(wǎng)側(cè)電流dq軸分量的變化量，kp_g、ki_g為網(wǎng)側(cè)換流器電流內(nèi)環(huán)的比例和積分參數(shù)，lg為網(wǎng)側(cè)變流器的輸出電抗。

42、每臺機(jī)組的感應(yīng)電壓增量δugdk、δugqk會在自身支路上產(chǎn)生感應(yīng)電流，以第k臺風(fēng)機(jī)所在支路為例求解感應(yīng)電流，感應(yīng)電流方程為：

43、

44、式中：mkk為第k臺風(fēng)機(jī)自身的感應(yīng)系數(shù)，lkk為第k臺風(fēng)機(jī)的等效電感，其在數(shù)值上等于第k臺風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)電感與其他支路的電感并聯(lián)之和，即ln+1為輸電線路的等效電感。

45、每臺機(jī)組的感應(yīng)電壓同樣也會在其他支路上產(chǎn)生感應(yīng)電流，稱為交互電流δigkm，以第k臺風(fēng)機(jī)的感應(yīng)電壓在第m臺風(fēng)機(jī)所在支路產(chǎn)生的交互電流為例，交互電流方程為：

46、

47、式中：lk、lm表示為第k臺風(fēng)機(jī)、第m臺風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)距離；mkm為第k臺風(fēng)機(jī)與第m臺風(fēng)機(jī)之間的交互系數(shù)，

48、考慮感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流以及交互電流的產(chǎn)生及迭代過程，網(wǎng)側(cè)換流器端口電壓和電流方程為：

49、

50、式中：上標(biāo)j表示為第j次迭代過程。

51、步驟4：聯(lián)立步驟1到3的方程，建立雙饋風(fēng)電場機(jī)組間交互作用的能量模型，包括：建立勵磁側(cè)能量通道交互作用方程、網(wǎng)側(cè)能量通道交互作用方程。

52、將步驟1到2的方程聯(lián)立，得到勵磁側(cè)能量通道交互作用方程為：

53、

54、式中：δwkmr為勵磁側(cè)能量通道由于第k臺機(jī)組和第m臺機(jī)組間的交互作用所產(chǎn)生的能量。

55、將步驟1與步驟3的方程聯(lián)立，得到網(wǎng)側(cè)能量通道交互作用方程為：

56、

57、式中：δwkmg為網(wǎng)側(cè)能量通道由于第k臺機(jī)組和第m臺機(jī)組間的交互作用所產(chǎn)生的能量。

58、由此可得，雙饋風(fēng)電場中機(jī)組間交互作用的能量模型為：

59、

60、該技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

61、本發(fā)明綜合考慮了雙饋風(fēng)機(jī)的特性，建立了包含勵磁側(cè)能量通道和網(wǎng)側(cè)能量通道在內(nèi)的雙饋風(fēng)電場機(jī)組之間交互作用的能力模型。模型建立過程中，各物理量定義明確，表達(dá)式清晰，具有良好的精確度，并且可以與傳統(tǒng)雙饋發(fā)電場能量模型相結(jié)合，構(gòu)成更全面、精度更高的雙饋發(fā)電場并網(wǎng)系統(tǒng)能量模型。本發(fā)明為雙饋發(fā)電場并網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析提供了模型。