一种计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法
【专利摘要】本发明公开了一种计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是：首先根据双馈风电机组发生三相短路故障后其转子电流增长与机组端电压跌落幅值之间的关系，提出一种能够表征双馈风电机组撬棒保护动作情况的电压跌落判据；在此基础上，考虑到单机无穷大并网结构和风电场拓扑结构的不同，对所提出的动作判据进行修正并依此判定机组的撬棒保护动作情况；继而，以撬棒保护动作情况作为机群分类原则，建立风电场等值模型。本发明实现了对双馈风电场内部机组撬棒保护动作情况的准确表征，提高了风电场等值模型对风电场功率外特性的拟合精度。
【专利说明】-种计及攝棒保护的双馈风电场等值建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种针对双馈风电场并网外特性的等值建模方法。
【背景技术】
[0002] 双馈风电机组具有最大功率追踪、功率解禪控制、变流器容量小等特点，是当前风 电场中的主流机型。为了提高双馈风电机组的低电压穿越能力，通常在其转子侧装设擦椿 保护使功率变流器免受短路电流的冲击。擦椿保护电路的投入不仅使机组失去对输出功率 的控制，有可能诱发风场内机组的连锁脱网，还由于擦椿电阻的接入导致风电场的弱馈程 度增强。因此，擦椿保护的动作对风电场的运行特性具有重要影响。
[0003] 开展大规模风电并网特性研究时，为了减少风电场模型的阶数和仿真计算时间， 风电场一般采用等值模型。目前，风电场多机等值模型的研究重点在于通过对风电机组特 性的量化提取，确定合理的分群判据指标。常用的分群判据指标有风力机的输入风速、奖距 角的动作情况、风电机组的直轴暂态电动势和风力发电机的转速向量。风电场单机等值模 型的研究热点在于通过优化等值模型参数，进一步提高对风电场外特性的拟合精度。优化 对象包括等值风力发电机参数、等值控制器参数和风电场内部的无源器件。但是，目前的研 究成果均未计及擦椿保护对机组及风电场等值建模的影响。研究表明，如果考虑擦椿保护， 传统的分群判据指标难W准确表征机组的擦椿保护动作情况，导致风电场等值模型产生较 大误差。有学者对双馈风电机组端电压跌落深度与擦椿保护之间的关系进行研究，却没有 考虑风电场拓扑结构对机组端电压跌落临界值的影响。
【发明内容】
[0004] 本发明为了提高基于同调等值思想的双馈风电场等值建模方法对双馈风电机组 擦椿保护动作情况的等效正确率，使风电场等值模型更加准确地拟合风电场的功率外特 性。本发明提供一种计及擦椿保护的双馈风电场等值建模方法。
[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006] 本发明计及擦椿保护的双馈风电场等值建模方法的特点是按如下步骤进行：
[0007] 步骤1、对风电场全年的实测风资源信息进行统计，所述风资源信息包括风电场风 速的大小和风向，建立风电场风资源信息数据库；
[000引步骤2、基于双馈风电场的网络拓扑结构和模型参数，搭建风电场详细模型；
[0009] 步骤3、设定机组的运行功率因数，从风资源信息数据库中随机读入一组风电场的 风速信息，依据机组的位置分布和尾流效应计算推导出各台机组的输入风速，由输入风速 对应确定各台机组的有功功率P，，完成动态仿真前模型的潮流初始化；所述一组风电场的 风速信息是指在机组切入风速Vi。和切除风速Vwt范围内的某一风速大小和0°到360°范 围内某一风速方向的组合风速信息；所述机组为双馈风电机组；
[0010] 步骤4、采集风电场内部各台机组稳态运行时的端电压&。；
[0011] 步骤5、设定0. Is时电网侧发生S相短路故障，150ms后故障消除，采集S相短路 故障后1ms时刻各台机组的端电压跌落值&k;
[0012] 步骤6、若所述端电压跌落值U,k小于修正前的相对应的端电压跌落临界值U。，则 判定机组擦椿保护动作，将擦椿保护动作机组划归至擦椿保护动作机群；反之，则计算该机 组的虚拟线路阻抗Z,q_k;
[0013] 步骤7、将步骤6中计算获得的虚拟线路阻抗2。。_方妾入机组单机无穷大并网模型 的机端变压器和中压母线之间，对机组的端电压跌落临界值U。进行修正，获得修正后的端 电压跌落临界值U。'；
[0014] 步骤8、若是步骤5采集的机组端电压跌落值&k小于步骤7中获得的修正后的端 电压跌落临界值U。'，则判定机组擦椿保护动作，将擦椿保护动作机组划归至擦椿保护动 作机群；反之，则判定机组的擦椿保护未动作，将擦椿保护未动作的机组划归至擦椿保护未 动作机群；
[0015] 步骤9、令：擦椿保护动作机群中包含的机组用第一台等值机组WT,qi表征，机组所 在支路中其有功功率流出方向上的线路阻抗用第一个等值线路阻抗2。。1表征，机组的机端 变压器用第一台等值机端变压器Lqi表征；令；擦椿保护未动作机群中包含的机组用第二 台等值机组WT。。,表征，机组所在支路中其有功功率流出方向上的线路阻抗用第二个等值线 路阻抗2。。2表征，机组的机端变压器用第二台等值机端变压器T。。2表征；利用所述第一台等 值机组WLqi和第二台等值机组WT。。2、第一个等值线路阻抗2。。1和第二个等值线路阻抗Z。。2、 第一台等值机端变压器Lqi和第二台等值机端变压器T。。2的等值参数建立计及擦椿保护的 双馈风电场等值模型。
[0016] 本发明计及擦椿保护的双馈风电场等值建模方法的特点也在于：步骤2中所述风 电场是由多台型号相同的机组组成，所述机组的额定端电压为叫，经机端变压器升压至U" 后通过架空线路接于中压母线，再经过风电场主变压器升压至Uhv，最终通过双回线路接入 电网；相邻机组间的间隔为S ;所述风电场详细模型包括风电场内各机组的单机模型、机组 间线路模型、机端变压器W及主变压器模型。
[0017] 本发明计及擦椿保护的双馈风电场等值建模方法的特点也在于：步骤3中各机组 的输入风速按W下过程计算：
[001引步骤a、根据读入的风电场风速信息中的风向信息确定风电场内部机组间的上、下 游位置关系；
[0019] 步骤b、风电场内部最上游机组的输入风速的大小等于读入的风电场风速信息中 的风速大小；设定下游机组WTj.的输入风速V j.仅受其上游机组WT k尾流效应的影响，则下游 机组WTj.的输入风速Vj.按公式（1)计算获得：
[0020]
【权利要求】
1. 一种计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是所述方法按如下步骤进 行： 步骤1、对风电场全年的实测风资源信息进行统计，所述风资源信息包括风电场风速的 大小和风向，建立风电场风资源信息数据库； 步骤2、基于双馈风电场的网络拓扑结构和模型参数，搭建风电场详细模型； 步骤3、设定机组的运行功率因数，从风资源信息数据库中随机读入一组风电场的风速 信息，依据机组的位置分布和尾流效应计算推导出各台机组的输入风速，由输入风速对应 确定各台机组的有功功率Pw，完成动态仿真前模型的潮流初始化；所述一组风电场的风速 信息是指在机组切入风速vin和切除风速V_范围内的某一风速大小和0°到360°范围内 某一风速方向的组合风速信息；所述机组为双馈风电机组； 步骤4、采集风电场内部各台机组稳态运行时的端电压Ustl; 步骤5、设定0.Is时电网侧发生三相短路故障，150ms后故障消除，采集三相短路故障 后Ims时刻各台机组的端电压跌落值Usk; 步骤6、若所述端电压跌落值M、于修正前的相对应的端电压跌落临界值U^，则判定 机组撬棒保护动作，将撬棒保护动作机组划归至撬棒保护动作机群；反之，则计算该机组的 虚拟线路阻抗Zetrk; 步骤7、将步骤6中计算获得的虚拟线路阻抗Zrark接入机组单机无穷大并网模型的机 端变压器和中压母线之间，对机组的端电压跌落临界值Utl进行修正，获得修正后的端电压 跌落临界值Utl'; 步骤8、若是步骤5采集的机组端电压跌落值M、于步骤7中获得的修正后的端电压 跌落临界值Uc/，则判定机组撬棒保护动作，将撬棒保护动作机组划归至撬棒保护动作机 群；反之，则判定机组的撬棒保护未动作，将撬棒保护未动作的机组划归至撬棒保护未动作 机群； 步骤9、令：撬棒保护动作机群中包含的机组用第一台等值机组WT_表征，机组所在支 路中其有功功率流出方向上的线路阻抗用第一个等值线路阻抗Zrail表征，机组的机端变压 器用第一台等值机端变压器Trail表征；令：撬棒保护未动作机群中包含的机组用第二台等 值机组WTeq2表征，机组所在支路中其有功功率流出方向上的线路阻抗用第二个等值线路阻 抗Zrai2表征，机组的机端变压器用第二台等值机端变压器T_表征；利用所述第一台等值机 组WTeql和第二台等值机组WTeq2、第一个等值线路阻抗Zeql和第二个等值线路阻抗Zeq2、第一 台等值机端变压器T^11和第二台等值机端变压器T_的等值参数建立计及撬棒保护的双馈 风电场等值模型。
2. 根据权利要求1所述的计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是步骤2 中所述风电场是由多台型号相同的机组组成，所述机组的额定端电压为Un，经机端变压器 升压至Umv后通过架空线路接于中压母线，再经过风电场主变压器升压至UHV，最终通过双回 线路接入电网；相邻机组间的间隔为s;所述风电场详细模型包括风电场内各机组的单机 模型、机组间线路模型、机端变压器以及主变压器模型。
3. 根据权利要求1所述的计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是步骤3 中各机组的输入风速按以下过程计算： 步骤a、根据读入的风电场风速信息中的风向信息确定风电场内部机组间的上、下游位 置关系； 步骤b、风电场内部最上游机组的输入风速的大小等于读入的风电场风速信息中的风 速大小；设定下游机组WTj的输入风速V」仅受其上游机组WTk尾流效应的影响，则下游机组 WTj的输入风速Vj按公式（1)计算获得：
式（1)中，Vk为上游机组WTk的输入风速；r为机组圆形扫风截面的半径；sjk为上游机 组WTk和下游机组WL的直线距离；Ct为推力系数； 步骤c、将机组WTj乍为上游机组，依据式（1)确定其下游机组的输入风速，依次类推， 直至计算获得风电场内部各机组的输入风速。
4. 根据权利要求1所述的计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是所述步 骤3中机组的有功功率Pw由式（2)计算获得：
式（2)中，P为空气密度；Vw为机组的输入风速；Cp为风能利用系数；所述风能利用系 数cp由式（3)计算获得：
式（3)中，A为机组的叶尖速比；0为机组的桨距角；《t为机组中的风轮机转速。
5. 根据权利要求1所述的计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是步骤6 中机组修正前端电压跌落临界值Utl按如下过程确定： (1) 、搭建机组单机无穷大并网模型，设定机组的运行功率因数；设定机组的有功功率 PwS〇丽，稳态运行时的端电压为0. 97pu; (2) 、设定0.Is时电网侧发生三相短路故障，150ms后故障消除； (3) 、在三相短路故障发生后Ims时，若机组的撬棒保护未动作，则逐步减小短路接地 阻抗Zf，直至撬棒保护恰好动作；若机组的撬棒保护动作，则逐步增加短路接地阻抗Zf，直 至撬棒保护恰好不动作； (4) 、记录撬棒保护由未动作到恰好动作时刻，或撬棒保护由动作到恰好不动作时刻机 组的端电压跌落值Usk，即为机组在有功功率Pw和稳态运行端电压Us(l组合情况下对应的修 正前端电压跌落临界值Utl; (5) 、在机组运行功率0?2MW范围内以0.IMW为步长逐渐增加机组的有功功率Pw，重 复步骤⑵到步骤（4); (6) 、在机组稳态运行端电压0. 97?I. 07pu范围内以0.Olpu为步长逐渐增加机组的 稳态运行端电压Ustl，重复步骤（2)到步骤（5); ⑵、以有功功率X轴，稳态运行时端电压Us(l为Y轴，修正前端电压跌落临界值U。 为Z轴，建立机组修正前的端电压跌落临界值三维坐标图。
6. 根据权利要求1所述的计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是步骤6 中机组的虚拟线路阻抗Zwrk按式（4)计算获得：
式⑷中，Z1为机组WT#在支路中其有功功率P￥流出支路的线路阻抗；《为第i台 机组WTi视在功率的共轭值；N为机组WTi所在的一条馈线上的机组的台数。
7. 根据权利要求1所述的计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是步骤7 中对机组端电压跌落临界值Utl的修正按如下过程进行： (a)、将机组的线路虚拟阻抗Zwrk串联接入机组单机无穷大并网模型的机端变压器和 中压母线之间； (b)、设定机组的运行功率因数与步骤3中设定的运行功率因数相同，并设定机组有功 功率Pw与步骤3中机组有功功率Pw保持相同，调节电网电压使机组稳态运行时的端电压UsQ 与步骤4采集到的端电压相同Ustl; (c) 、设定0.Is时电网侧发生三相短路故障，150ms后故障消除； (d)、在三相短路故障发生后Ims时，若机组的撬棒保护未动作，则逐步减小短路接地 阻抗Zf，直至撬棒保护恰好动作；若撬棒保护动作，则逐步增加短路接地阻抗Zf，直至撬棒 保护恰好不动作； (e)、记录撬棒保护由未动作到恰好动作时刻，或撬棒保护由动作到恰好不动作时刻机 组的端电压跌落值Usk，即为机组有功功率Pw和稳态运行端电压Us(l组合情况下对应的修正 后端电压跌落临界值U'p
8. 根据权利要求1所述的计及撬棒保护的双馈风电场等值建模方法，其特征是所述步 骤9中等值机组包含的各等值参数：视在功率Srai、发电机阻抗Ztj ^惯性时间常数Heq、轴系 刚度系数1^、轴系阻尼系数Drai,以及等值机端变压器包含的各等值参数：视在功率STmi、阻 抗ZTe(1按式（5)计算获得：
式（5)中，SpZM、氏、心和Di分别表示第i台机组的视在功率、发电机阻抗、惯性时间 常数、轴系刚度系数和轴系阻尼系数；STi、ZTi为第i台机组的机端变压器的额定容量和阻 抗;m为相应机群中机组的台数； 等值线路的阻抗Z1^按式（6)计算获得：
【文档编号】G06F19/00GK104504285SQ201510005159
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月6日 优先权日:2015年1月6日
【发明者】丁明, 朱乾龙, 韩平平, 贺敬 申请人:合肥工业大学, 中国电力科学研究院