一种风力发电机组后备电源系统容量确定方法与流程

本发明涉及风电场抗台风风电机组后备电源系统的
技术领域：
，尤其是指一种基于matlab的风力发电机组后备电源系统容量确定方法。
背景技术：
：根据沿海地区多台风的自然环境条件，台风期间风电场风电机组需配备后备电源系统来实时跟踪风向的变化，以降低叶片根部和塔筒底部的载荷。现有集中式后备电源系统技术方案主要包括柴油发电机组、低压开关柜、升压变、阻尼装置、并联电抗器、电抗器连接变压器，系统接线简图，如图1所示。该技术方案基于理论分析阐述了系统工作原理及控制策略，并未进行风电场及后备系统柴油发电机组及并联电抗器进行建模仿真验证。为了提高系统经济性和可靠性，本发明提出一种基于matlab的风力发电机组后备电源系统容量确定方法，通过仿真对集中式风电场后备电源系统柴油发电机组和并联电抗器容量进行确定和验证，为理论分析提供了强有力的技术保证。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种基于matlab的风力发电机组后备电源系统容量确定方法，确保台风期间接入后备电源后，风电场风电机组偏航系统及后备系统工作正常，减小了系统投入风险，同时也提高了后备电源系统的可靠性。为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种风力发电机组后备电源系统容量确定方法，包括以下步骤：1)风电场收资，包括风电场集电线路连接关系图及电气参数、风电机组箱变主要技术参数、风电机组偏航系统主要技术参数；2)利用matlab建立风电场模型，仿真确定后备电源系统的有功、无功容量；3)根据仿真的有功无功容量，确定后备电源系统柴油发电机组及并联电抗器容量；4)利用matlab建立后备电源系统柴油发电机组及并联电抗器模型；5)后备电源系统仿真，验证风电机组偏航系统及后备电源系统工作状态。在步骤1)中，所述风电场集电线路连接关系图为风电场线路一次接线图，明确电缆分段型号、长度以及风机节点；所述集电线路电气参数包括电缆型号、长度、单位电阻、单位电感、单位电容；所述风电机组箱变主要技术参数包括额定容量、额定电压、一次侧额定电压、负载损耗、空载损耗、联结组号、额定频率、二次侧额定电压、短路阻抗或短路电压、空载电流；所述风电机组偏航系统技术参数是指偏航电机电气参数，包括额定功率、额定电压、定子绕组电阻、空载电压、空载电流、空载损耗、额定转速、额定频率、铁耗、短路电压、短路电流、短路损耗。在步骤2)中，所述风电场模型包括风电场集电线路模型、风电机组箱变模型及偏航系统模型，在确定风电场集电线路模型、风电机组箱变模型及偏航系统模型后，根据步骤1)中的风电场集电线路连接关系图进行集电线路连接，并在相应节点接入风电机组箱变模型及偏航系统模型，搭建完成风电场模型，采用理想电源模拟风电场电源接入相应的风电场后备源接入节点，进行容量确定仿真，记录理想电源输出的有功功率和无功功率；其中，所述风电场集电线路模型、风电机组箱变模型及偏航系统模型的具体情如下：a、风电场集电线路模型集电线路的数学模型是以电阻、电抗、电纳和电导来表示线路的等值电路，分有一字形等效电路、pi形等效电路和t形等效电路；所述一字形等效电路通常用于线路短的电缆线路，当线路电压达不到要求时，线路电纳和电导忽略不计，因此，只剩下电阻和电抗，把电阻电抗串联就得到一字形等效电路；对于中长线路，电纳的影响不能忽略，通常采用pi形等效电路或t形等效电路，其中，所述pi形等效电路是将电阻电抗串联为一字形等效电路的基础上，将线路的导纳平均分为两部分，分别并联在线路的始末两端；而t形等效电路则是将线路的电阻和电抗平均分为两部分，分别串联在线路的两侧，然后在线路中间增加节点，把导纳并联在线路上；b、风电机组箱变模型变压器在电机学中采用t形等效电路，由一次侧绕组阻抗与二次侧绕组阻抗分别串联在线路两端，然后在中间增加节点把励磁阻抗并联在电路上；在电力系统计算中为减少节点，把励磁阻抗移至电路电源侧，并用导纳表示，构成简化的t形等效电路；由等效电路可知，双绕组变压器包括有电阻rt、电抗xt、电导gt和电纳bt四个等效参数；任何变压器出厂时，制造商都会在变压器铭牌上或出厂试验书上给出代表其他电气特性的四个参数，即负载损耗pk、阻抗电压百分值uk％、空载损耗p0、空载电流百分值i0％；风电机组箱变模型采用matlab三相两绕组变压器模型，根据风电机组箱变主要技术参数，由下式即可计算出rt、xt、gt和bt四个参数，进而算出风电机组箱变模型输入参数，公式如下：xt＝uk/100gt＝p0/snbt＝i0/100；rm＝1/gtlm＝1/btlt＝xtr1＝0.6rtr2＝0.4rtl1＝0.5ltl2＝0.5lt式中，rt为变压器电阻，sn为变压器额定容量，un为变压器额定电压；pk为变压器负载损耗，也即短路损耗；xt为变压器电抗，uk为变压器阻抗电压，也即短路电压；gt为变压器电导，p0为变压器空载损耗，bt为变压器电纳，i0为变压器空载电流，rm为变压器励磁电阻，lm为变压器励磁电感，lt为变压器电抗对应的电感，r1、l1分别为变压器一次侧绕组电阻和电感，r2、l2分别为变压器二次侧绕组电阻和电感；c、偏航系统模型偏航系统模型主要为偏航电机模型，该偏航电机模型的偏航电机为异步电动机，采用matlab电机库异步电机模型，模型输入参数为额定功率、额定线电压、额定频率、定子电阻与漏感、转子电阻与漏感及励磁电感；根据电机的短路参数和空载参数由下式求出转子电阻、定转子漏感及励磁电感，公式如下：zk＝v1/i1ls＝lr＝xs/(2πf)z0＝v2/i2xm1＝x0-xslm1＝xm1/(2πf)式中，p1为偏航电机短路损耗，i1为偏航电机短路电流，rk为偏航电机短路试验电阻，v1为偏航电机短路电压，zk为偏航电机短路试验阻抗，xk为偏航电机短路试验电抗，xs、xr分别为偏航电机定子电抗和转子电抗，ls、lr分别为偏航电机定子电感和转子电感，p2为偏航电机空载损耗，i2为偏航电机空载电流，r0为偏航电机空载试验电阻，z0为偏航电机空载试验阻抗，x0为偏航电机空载试验电抗，xm1为偏航电机励磁电抗，lm1为偏航电机励磁电感，pfe为偏航电机铁耗，rm1为偏航电机励磁电阻。在步骤3)中，理想电源输出的有功功率峰值ps为后备电源系统柴油发电机组容量，升压变容量为在此基础上取适定功率因数则升压变容量为而理想电源输出的无功功率稳定值qs则为后备电源系统无功补偿装置-并联电抗器的容量；在matlab中采用电感模拟电抗器，由q＝u2/xl,xl＝ωl，式中q为电感的无功功率，u为电感两端电压，xl为感抗，l为电感量，ω＝2π×50为电角频率，在已知后备电源无功功率的情况下即可计算得到电抗器的大小；其中电抗器连接变压器容量也能够根据并联电抗器容量取适定功率因数则电抗器连接变压器容量为在步骤4)中，建立柴油发电机组、升压变、并联电抗器、电抗器连接变压器的matlab模型，柴油发电机组采用matlab同步电机模型。在步骤5)中，进行系统仿真验证，步骤如下：5.1)柴油发电机组与集电线路直接连接，柴油发电机的发动机带动转子转动，达到同步转速；5.2)给柴油发电机加入励磁电流，发电机升压，集电线路电压缓慢上升；5.3)集电线路电压达到额定电压附近，接入分组的偏航系统，偏航电机启动；5.4)偏航电机正常启动的指标是：转速达到额定转速，启动电流不超过额定电流的2～5倍；如果风电场电压稳定，再加上偏航电机正常启动，则后备电源系统工作正常，偏航系统工作正常，验证此方案可行。本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：1、建立了后备电源系统集电线路模型、风电场模型，通过仿真进一步确定了后备电源系统柴油发电机组和并联电抗器容量，最后验证了该后备电源系统下风电机组偏航系统的动作特性，确保台风期间接入后备电源后，风电机组偏航系统及后备系统工作正常，减小了系统投入风险，同时也提高了后备电源系统的可靠性。2、通过仿真对集中式风电场后备电源系统柴油发电机组和并联电抗器容量进行确定和验证，为理论分析提供了强有力的技术保证。附图说明图1为后备电源接线简图。图2为线路pi型等效电路图。图3为matlab线路pi模型。图4为matlab线路pi模型输入参数界面。图5为matlab三相两绕组变压器模型。图6为matlab三相两绕组变压器模型输入参数界面。图7为matlab异步电机模型。图8为matlab异步电机模型输入参数界面。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。本实施例所提供的风力发电机组后备电源系统容量确定方法，包括以下步骤：1)风电场收资，包括风电场集电线路连接关系图及电气参数、风电机组箱变主要技术参数、风电机组偏航系统主要技术参数；其中，风电场集电线路连接关系图是指由风电场设计院提供的风电场线路一次接线图，明确电缆分段型号、长度，风机节点。集电线路电气参数，见下表1。表1集电线路电气参数风电机组箱变主要技术参数，见下表2。表2风电机组箱变主要技术参数风电机组偏航系统技术参数是指偏航电机电气参数。电机主要技术参数，见下表3。表3偏航电机电气参数额定功率(w)pn额定转速(rpm)n额定电压(kv)vn额定频率(hz)f定子绕组电阻(ω)rs铁耗(w)pfe空载电压(v)v2短路电压(v)v1空载电流(a)i2短路电流(a)i1空载损耗(w)p2短路损耗(w)p12)利用matlab建立风电场模型，仿真确定后备电源系统的有功、无功容量；其中，所述风电场模型包括风电场集电线路模型、风电机组箱变模型及偏航系统模型，在确定风电场集电线路模型、风电机组箱变模型及偏航系统模型后，根据步骤1)中的风电场集电线路连接关系图进行集电线路连接，并在相应节点接入风电机组箱变模型及偏航系统模型，搭建完成风电场模型，采用理想电源模拟风电场电源接入相应的风电场后备源接入节点，进行容量确定仿真，记录理想电源输出的有功功率和无功功率；其中，所述风电场集电线路模型、风电机组箱变模型及偏航系统模型的具体情如下：a、风电场集电线路模型集电线路的数学模型是以电阻、电抗、电纳和电导来表示线路的等值电路，分有一字形等效电路、pi形等效电路和t形等效电路。一字形通常可用于线路短的电缆线路，当线路电压不高时，线路电纳和电导可以忽略不计，因此，只剩下电阻和电抗，把电阻电抗串联就得到一字形等效电路。对于中长线路，电纳的影响不能忽略，通常采用pi形等效电路或t形等效电路。pi形等效电路是将电阻电抗串联为一字形等效电路的基础上，将线路的导纳平均分为两部分，分别并联在线路的始末两端。而t形等效电路是将线路的电阻和电抗平均分为两部分，分别串联在线路的两侧，然后在线路中间增加节点，把导纳并联在线路上。此方案中集电线路为中长线路，对于这种线路，由于充电电流不可忽视，因此需要考虑分布电容，采用pi型等效电路，如图2所示。z＝r+jx＝(r+jωl)l为线路总的串联阻抗，其中r为线路单位长度的每相电阻，l为线路单位长度的每相电感。y＝(g+jωc)l为线路总的并联导纳，正常情况下g可以忽略，即g＝0。c为线路单位长度的对地电容，l为线路长度。风电场集电线路模型采用matlab提供的线路pi模型，如图3所示，线路模型输入参数界面如图4所示，输入表1的集电线路电气参数即可。b、风电机组箱变模型变压器在电机学中采用t形等效电路，由一次侧绕组阻抗与二次侧绕组阻抗分别串联在线路两端，然后在中间增加节点把励磁阻抗并联在电路上。在电力系统计算中为减少节点，把励磁阻抗移至电路电源侧，并用导纳表示，构成简化的t形等效电路。由等效电路可知，双绕组变压器由电阻rt，电抗xt，电导gt和电纳bt四个等效参数。任何变压器出厂时，制造商都会在变压器铭牌上或出厂试验书上给出代表其他电气特性的四个参数，即负载损耗(短路损耗)pk、阻抗电压(短路电压)百分值uk％、空载损耗p0、空载电流百分值i0％。风电机组箱变模型采用matlab三相两绕组变压器模型，如图5所示。根据表2的风电机组箱变主要技术参数，由下式即可计算出rt、xt、gt和bt四个参数，进而算出风电机组箱变模型输入参数(采用箱变额定值下的标幺值)，其中，模型输入参数(采用箱变额定值下的标幺值)界面如图6所示。xt＝uk/100gt＝p0/snbt＝i0/100；rm＝1/gtlm＝1/btlt＝xtr1＝0.6rtr2＝0.4rtl1＝0.5ltl2＝0.5lt式中，rt为变压器电阻，sn为变压器额定容量，un为变压器额定电压，pk为变压器负载损耗(短路损耗)，xt为变压器电抗，uk为变压器阻抗电压(短路电压)，gt为变压器电导，p0为变压器空载损耗，bt为变压器电纳，i0为变压器空载电流，rm为变压器励磁电阻，lm为变压器励磁电感，lt为变压器电抗对应的电感，r1、l1分别为变压器一次侧绕组电阻和电感，r2、l2分别为变压器二次侧绕组电阻和电感。c、偏航系统模型偏航系统模型主要为偏航电机模型，偏航电机为异步电动机，可采用matlab电机库异步电机模型，如图7所示。模型输入参数为额定功率、额定线电压、额定频率、定子电阻与漏感、转子电阻与漏感及励磁电感，模型输入参数界面如图8所示。通过表3电机的短路参数和空载参数由下式可求出转子电阻、定转子漏感及励磁电感。zk＝v1/i1ls＝lr＝xs/(2πf)z0＝v2/i2xm1＝x0-xslm1＝xm1/(2πf)式中，p1为偏航电机短路损耗，i1为偏航电机短路电流，rk为偏航电机短路试验电阻，v1为偏航电机短路电压，zk为偏航电机短路试验阻抗，xk为偏航电机短路试验电抗，xs、xr分别为偏航电机定子电抗和转子电抗，ls、lr分别为偏航电机定子电感和转子电感，p2为偏航电机空载损耗，i2为偏航电机空载电流，r0为偏航电机空载试验电阻，v2为偏航电机空载电压，z0为偏航电机空载试验阻抗，x0为偏航电机空载试验电抗，xm1为偏航电机励磁电抗，lm1为偏航电机励磁电感，pfe为偏航电机铁耗，rm1为偏航电机励磁电阻。3)根据仿真的有功无功容量，确定后备电源系统柴油发电机组及并联电抗器容量；其中，理想电源输出的有功功率峰值ps为后备电源系统柴油发电机组容量，升压变容量为在此基础上取适定功率因数则升压变容量为理想电源输出的无功功率稳定值qs则为后备电源系统无功补偿装置-并联电抗器的容量。在matlab中采用电感模拟电抗器，由q＝u2/xl,xl＝ωl，式中q为电感的无功功率，u为电感两端电压，xl为感抗，l为电感量，ω＝2π×50为电角频率，在已知后备电源无功功率的情况下即可计算得到电抗器的大小。电抗器连接变压器容量也可根据并联电抗器容量取适定功率因数则电抗器连接变压器容量为4)利用matlab建立后备电源系统柴油发电机组及并联电抗器模型，具体是：建立柴油发电机组、升压变、并联电抗器、电抗器连接变压器的matlab模型，柴油发电机组采用matlab同步电机模型。5)后备电源系统仿真，验证风电机组偏航系统及后备电源系统工作状态，步骤如下：5.1)柴油发电机组与集电线路直接连接，柴油发电机的发动机带动转子转动，达到同步转速；5.2)给柴油发电机加入励磁电流，发电机升压，集电线路电压缓慢上升；5.3)集电线路电压达到额定电压附近，接入分组的偏航系统，偏航电机启动；5.4)偏航电机正常启动的指标是：转速达到额定转速，启动电流不超过额定电流的2～5倍。如果风电场电压稳定，偏航电机正常启动，则后备电源系统工作正常，偏航系统工作正常，验证此方案可行。以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页12