大型双馈风电场次同步振荡仿真建模方法与流程

本发明属于大型双馈风电场的仿真建模
技术领域：
，尤其涉及一种大型双馈风电场次同步振荡仿真建模方法。
背景技术：
：风电是目前技术成熟，具有规模化开发条件和商业化发展前景的新能源。通常风电场大多位置偏远，即风能资源集聚地与负荷中心呈现逆向分布，并且并网点短路比随风电机组并网容量的增加而降低，形成弱交流系统并网方式。大规模风电场常采用高压直流输电技术或串联补偿技术实现远距离外送。然而，风电场弱交流系统并网，以及采用高压直流输电或串联补偿技术实现外送，均有可能导致次同步振荡风险。如：2009年，美国德克萨斯州的345kv输电系统中一条输电线路因故障被切除，造成外送线路的串补度由50％提高至75％，导致双馈风电场电压电流均出现次同步谐振，电流超过额定值的两倍，引起大量风机的crowbar损坏。2011年加拿大buffalo-ridge地区的双馈风机风电场串补系统出现了9～13hz的次同步谐振。2012年，中国华北地区某大型风电场多次出现了6～8hz的次同步振荡。大规模风电场接入电网发生次同步振荡，可能引发大量机组脱网、保护损毁甚至激发临近汽轮发电机轴系扭振，若不及时处理，将对风电场、电网公司造成巨大经济损失，甚至恶化成大范围稳定事故，危及电网安全稳定运行。大型风电场相关的次同步振荡是理论研究和工程实践面临的重要问题。适用于大型风电场并网系统次同步振荡问题的分析方法主要包括频率扫描分析法、特征根分析法、复转矩系数法、时域仿真法、阻抗分析法以及幅相运动分析法等。其中，时域仿真方法是研究次同步振荡的重要手段。该方法通过建立包含风力发电机组、电力电子装置及电网元件的等值模型，在电磁暂态仿真软件中用数值积分方法求解并网系统动态特性的微分方程组，得到系统中变量随时间变化的响应曲线，从而分析系统动态特性的方法。时域仿真可以模拟元件从几百纳秒至几秒之间的电磁暂态及机电暂态过程，仿真过程不仅可以考虑风电机组、电力电子装置的控制特性，电网元件(如避雷器、变压器、电抗器等)的非线性特性，输电线路分布参数特性和参数的频率特性，还可以进行线路开关操作和各种故障类型模拟。因此，建立风电场精细化的、能够体现次同步振荡特性的电磁暂态仿真模型对于开展大规模风电场的次同步振荡研究具有重要意义。技术实现要素：针对上述技术问题，本发明提出一种大型双馈风电场次同步振荡仿真建模方法，包括：步骤1：建立双馈风电机组电气系统模型；步骤2：对双馈风电机组单台机组电气参数基准值进行计算；步骤3：对双馈风电场等值机电气参数基准值进行计算；步骤4：对同一风电场内的n台风电机组等值为一台等值机，对等值机组一次系统的电气参数有名值进行计算；步骤5：对等值机控制系统参数进行计算，得到各电气参数和控制器参数，建立仿真系统，形成风电场等值机模型。所述双馈风电机组电气系统模型包括：风力机、异步发电机、转子侧变流器、直流电容、网侧变流器、网测滤波电感；其中，异步发电机定子直接挂电网，转子通过背靠背双pwm变流器与电网相连，双pwm变流器由转子侧变流器和网侧变流器组成，可实现能量双向流动。所述转子侧变流器通过给异步发电机转子施加频率随转速变化的励磁电压来保证发电机处于变速恒频运行状态，通过定子电压定向的dq轴解耦控制实现定子输出有功无功的解耦控制。所述网侧变流器用于保持直流电容电压的稳定，并在风力机低速运行时实现从电网吸收功率提供给转子，而在风机高速运行时定子一起向电网输出功率。所述转子侧变流器包括有功功率和无功功率外环控制，d轴和q轴转子电流内环跟踪控制。所述网侧变流器包括直流电压外环和电流内环跟踪控制两部分。本发明的有益效果：本发明提出了一种用于次同步振荡研究的大型双馈风电场仿真建模方法，采用将同一风电场内的全部风电机组等值为一台机组的方法实现大型双馈风电场的仿真建模。本发明所建立的等值机组仿真模型，大幅度降低了仿真模型的复杂程度，并且稳态特性和次同步振荡特性与原有大型风电场的仿真模型完全一致。附图说明图1为双馈风力发电机结构图。图2为背靠背双向pwm变流器结构图。图3为转子侧变流器控制框图。图4为网侧控制系统图。图5为锁相环结构图。图6a～6c为实施例仿真结果图。具体实施方式下面结合附图，对实施例作详细说明。1、双馈风电机组电气系统基本结构如图1所示为双馈风力发电机组的系统结构，包括风力机、异步发电机、转子侧变流器、直流电容、网侧变流器、网测滤波电感等。双馈风机定子直接挂网，转子通过背靠背双pwm变流器与电网相连，如图2所示，双pwm变流器由转子侧变流器和网侧变流器组成，可实现能量双向流动。转子侧变流器通过给异步电子转子施加频率随转速变化的励磁电压来保证发电机处于变速恒频运行状态，通过定子电压定向的dq轴解耦控制实现定子输出有功无功的解耦控制。网侧变流器用于保持直流电容电压的稳定，并在风机低速运行时实现从电网吸收功率提供给转子，而在风机高速运行时定子一起向电网输出功率。2、双馈风电机组单台机组电气参数基准值计算设定风电场输出线路pcc点交流电压线电压为ul，单台风电机组容量为si，背靠背双向pwm直流电压为udc。单台风电机组时，异步发电机定子侧和网侧变流器取以下基准值：交流电压基准值取额定相电压的峰值：交流电流基准值取额定相电流的峰值：直流电压基准值：udcb＝udc(3)额定容量基准值：sb＝si(4)直流电流基准值：阻抗基准值：角速度基准值：ωb＝100π(7)电感基准值：电容基准值：异步机定转子变比异步发电机转子侧取以下基准值：转子侧电压基准值：urbφ＝ubφ/ns/r(11)转子侧电流基准值：irbφ＝ns/ribφ(12)转子侧阻抗基准值：由于单台机组电气参数为已知量，基于以上计算的基准值，根据公式(14)计算单台风电机组的各一次系统涉及的物理量标幺值。3、双馈风电场等值机电气参数基准值计算设风电场内风电机组的台数为n台，则按照如下公式确定风电场等值机组的定子侧和网侧基准值：交流电压基准值取额定相电压的峰值：交流电流基准值取相电流的峰值：直流电压基准值：uσdcb＝udcb＝udc(17)额定容量基准值：sσb＝nsi(18)直流电流基准值：阻抗基准值电感基准值：电容基准值：风电场的转子侧基准值计算如下：转子侧交流电压基准值：uσrbφ＝urbφ(23)转子侧交流电流基准值：iσrbφ＝nirbφ(24)转子侧阻抗基准值4、计算等值机组电气参数有名值由于同一风电场内的所有风电机组通常为相同型号、参数机组，并且电气连接较为紧密，且风电机组地理分布接近、风功率水平相近，可以认为各台风机直接并网于风电场汇集母线，将该n台风电机组等值为一台等值机。基于标幺值不变原理，即含n台风电机组的风电场的各物理量标幺值不变，对等值机组一次系统的电气参数有名值进行计算，依据公式(26)～(27)得到公式(28)～(35)：定子电阻rσs＝rs/n(28)定子电感lσs＝ls/n(29)转子电阻rσr＝rr/n(30)转子电感lσr＝lr/n(31)直流电容cσ＝nc(32)igbt导通电阻rσt＝rt/n(33)二极管导通电阻rσd＝rd/n(34)网侧滤波电感lσg＝lg/n(35)5、等值机控制系统参数计算仿真模型中的控制系统参数均为标幺化后的物理量，因进行等值计算时采用标幺值不变原理，故风电场等值机控制系统所设计参数与单台风电机组一致。转子侧变流器的控制框图如图3所示，包括有功功率和无功功率外环控制，d轴和q轴转子电流内环跟踪控制。令功率外环控制参数一致，dq轴转子电流内环控制参数一致，其中pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，p，q分别为定子输出有功功率和无功功率，kp，ki分别为功率pi控制环节的比例系数和积分系数，s为积分环节，ird，rrq分别为转子dq轴电流，kpi，kii分别为电流pi控制环节的比例系数和积分系数，urd,urq为所得到的转子电压控制的dq轴参考值。则有：等值机转子侧功率环控制器参数为：kσp＝kp(36)kσi＝ki(37)等值机转子侧电流内环控制器参数为：kσpi＝kpi(38)kσii＝kii(39)网侧变流器包括直流电压外环和电流内环跟踪控制两部分，如图4所示。令电流内环参数不变，其中udc为电容电压，udc_ref为直流电压参考值，kp_dc，ki_dc分别为直流电压控制环比例和积分系数，id，iq为网侧dq轴电流，kp_g，ki_g为电流控制环比例系数和积分系数，ud，uq，ud_ref，uq_ref分别为网侧d轴电压，网侧q轴电压，网侧d轴电压参考值和网侧q轴电压参考值。则有：等值机网侧变流器的控制器参数为：kσp_g＝kp_g(40)kσi_g＝ki_g(41)kσp_dc＝kp_dc(42)kσi_dc＝ki_dc(43)如图5所示，双馈风机是通过锁相环来保持和电网同步的，在等值扩容的过程中锁相环参数保持不变，锁相环pi控制环节的比例系数为kp_pll，锁相环pi控制环节的积分系数为ki_pll。则等值机锁相环控制器参数分别为：kσp_pll＝kp_pll(44)kσi_pll＝ki_pll(45)依据公式(14)～(45)，得到各电气参数和控制器参数，建立仿真系统，形成风电场等值机模型。实施例本发明的用于次同步振荡分析的双馈风电场仿真建模方法包括以下步骤：1、由单台风电机组参数计算标幺值表1给出了风电场内2.2mw风电机组的相关参数，具体实施例中，双馈风电场设定100台风电机组。表12.2mw风机参数额定容量额定电压cudcrdrt2.2mw0.69kv92000μf1.58kv0.01ω0.01ωlgrsrrlslrns/r0.0008h0.001ω0.0013ω0.003065h0.003071h0.3791单台风电机组的基准值选取和标幺值计算按上述步骤进行：udcb＝udc；sb＝si；标幺化后的主要参数如表2所示：表22.2mw风机参数标幺值d/q解耦控制器参数及锁相环控制器参数如表3所示：表3控制系统参数kpkpikp_dckp_gkp_pll30.41.3870.450kikiiki_dcki_gki_pll105010109002、基于标幺值不变原理进行风电场等值计算大规模风电场通常数百台台甚至数千台风电机组组成。表4给出了基于标幺值不变原理，包含100台风电机组的风电场等值计算后各参数。表4220mw风电场等值参数控制系统参数如表5所示：表5控制系统参数kpkpikp_dckp_gkp_pll30.41.3870.450kikiiki_dcki_gki_pll105010109003、等值风电场仿真建模结果在pscad/emtdc软件中搭建等值风电场详细电磁暂态模型，进行仿真分析，对比单台风电机组与等值机组在稳定状态和次同步振荡状态时的输出情况。8s时给风机施加小扰动，各参量输出曲线如下所示。由图6a～6c可见，单台机组和等值机组在稳定运行状态和次同步振荡状态，输出情况均表现一致，表明本发明仿真建模方法有效。此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。当前第1页12