一种计及永磁风电场内部电压分布特性的动态聚合建模方法与流程

1.本发明涉及风力发电及其并网控制的风电场聚合建模技术，具体的，涉及一种计及永磁风电场内部电压分布特性的动态聚合建模方法。


背景技术：

2.能源是经济和社会发展的重要物质基础，可再生能源产业已成为各类能源中发展最为快速的热点领域，其中以风力发电代表的新能源渗透率不断提高。海上风能资源丰富且不占用土地资源，因此，风电场的建设基地已逐渐从陆上转移到海上，场内集电系统也从传统的架空线路变为电缆线路。由于风电的随机性和间歇性，导致大规模风电场送出功率会发生较大范围的波动，严重影响电力系统的安全性和稳定性。因此，有必要在建设海上风电场之前进行可行性分析。同时，应更加重视如何准确地分析大型风电场对电网稳态和暂态运行特性的影响。
3.目前，已建成的大型海上风电场通常配备有数百台风电机组。每台风电机组由于所处场内位置的不同导致运行条件存在差异，并且风电机组之间的连接方式也各不相同，造成风电场内部电气结构复杂多变。如果在仿真中将多个风电机组和电网的模型进行精确建模，则会带来大量发电机、变压器、变流器单元和集电线路的模型，大量的计算要求使得仿真速度变慢，对计算机的计算性能要求很高，且难以对系统进行快速准确的分析。因此，迫切需要建立一个合理且准确风电场动态聚合模型来研究相关问题，它可以等效于单个或多个风电机组表征的聚合模型。
4.以往风电场的聚合建模往往只考虑其端口特性，忽略场内集电线路阻抗或只考虑其电感。然而，风电场内部电气结构不同，各个风电机组输入条件也存在较大差异，风电场内部的动态作用也会在一定条件下影响其并网接口特性，也有要同时考察其内部特性的仿真研究需求。因此需要解决对风电场进行聚合建模的同时保留内部物理量的动态特性的问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在设计出可适用于不同输入条件下风电场的反映内外部动态特性的稳态和暂态分析的聚合建模方法，能够为下一步风电场基地的研究提供理论基础。为此，本发明采用以下技术方方案：
6.一种计及永磁风电场内部电压分布特性的动态聚合建模方法，其特征在于包括三个部分：永磁风电机组参数动态聚合、永磁风电场内部集电线路参数动态聚合和永磁风电场内部节点电压数学建模；
7.通过风电场动态聚合建模，解决传统仿真中将多个风电机组和电网的模型进行精确建模而带来的大量电气元件模型造成的计算维数灾问题，同时所述动态聚合建模方法保持不同输入条件下风电场的内外部动态特性的暂态和稳态特性，实现动态仿真分析的精确性。
8.所述的永磁风电机组的参数包括风力机容量、叶片半径、极对数、轴系参数、无源元件参数、变压器参数和控制参数。
9.其中，永磁风电机组参数动态聚合的方法如下：
10.等效参数聚合方式基于保持风电场聚合模型与实际模型对外输出特性不变的条件，假设永磁风电场内共有m台相同类型和工作状态的风电机组；
11.(1)所述风机容量等值方法
[0012][0013]
式中，s
eq
为聚合后等效容量，si为第i台风电机组的容量。
[0014]
(2)叶片半径等值方法
[0015][0016]
式中，r
eq
为聚合后风力机等效半径，ri为第i台风力机的半径。
[0017]
(3)极对数等值方法
[0018][0019]
式中，gr
eq
为聚合后风力机等效半径，gri为第i台风力机的半径。
[0020]
(4)轴系参数等值方法
[0021][0022][0023]
式中，k
s_eq
、d
s_eq
、h
g_eq
和h
t_eq
分别为聚合后永磁风电机组等效轴系刚度、等效阻尼系数、等效风力机惯性时间常数和等效发电机惯性时间常数，k
si
、d
si
、h
gi
和h
ti
分别为第i台永磁风电机组的轴系刚度、阻尼系数、风力机惯性时间常数和发电机惯性时间常数。
[0024]
(5)无源元件参数等值方法，所述无源元件包括电感、电容和电阻
[0025][0026]
式中，l
eq
、r
eq
和c
eq
分别为聚合后永磁风电机组等效电感、等效电阻和等效电容，li、ri和ci分别为第i台永磁风电机组的电感、电阻和电容。
[0027]
(6)变压器参数等值方法
[0028][0029]
式中，s
t_eq
为聚合后变压器等效容量，s t_i
为第i台变压器的容量，z
t_eq
为聚合后变压器等效阻抗，z
t_i
为第i台变压器的阻抗。
[0030]
(7)控制参数等值方法
[0031]
[0032]
式中，k
po_eq
和k
io_eq
分别为聚合后的外环控制比例参数和积分参数，k
po
和k
io
分别为聚合前的外环控制比例参数和积分参数，k
pi_eq
和k
ii_eq
分别为聚合后的内环控制比例参数和积分参数，k
pi
和k
ii
分别为聚合后的外环控制比例参数和积分参数。
[0033]
其中，永磁风电场内部集电线路参数动态聚合的方法如下：
[0034]
基于以下原则：电缆线路聚合前后电阻上消耗的有功保持一致；电缆线路聚合前后电感上消耗的无功保持一致；电缆线路聚合前后电容上吸收的无功保持一致。
[0035]
对于链式电路结构，考虑到内部每一点的电压均不相同，在对线路参数进行聚合时，首先，馈线末端第n条电缆线上的阻抗功率损耗可以表示为：
[0036][0037]
其次，馈线上第m条电缆线的阻抗功率损耗δsm可以表示为：
[0038][0039]
式中：si和ui分别表示馈线上第i个风电机组的输出功率和端电压，ci和zi分别表示馈线上第i个电缆线路的电容和阻抗，ui表示馈线上第i个电缆线路的节点电压。
[0040]
之后，馈线上所有电缆的阻抗功率损耗δs
ztotal
可以表示为：
[0041]
δs
ztotal
＝δs1+δs2+
…
+δsn[0042]
同样，等效电路上的等效阻抗功率损耗δs
zeq
可以表示为：
[0043][0044]
式中：s
eq
和u
eq
分别代表聚合的风电机组的等效输出功率和端电压，c
eq
和z
eq
代表聚合的电缆线的等效电容和阻抗。
[0045]
由此，链式电路聚合后的线路等效阻抗z
eq
可以表示为：
[0046][0047]
根据在电缆线路等效前和等效后电容器上消耗的无功功率的相等原理，考虑内部电压特性的链式电路聚合后的线路等效电容c
eq
可以表示为：
[0048][0049]
其中，永磁风电场内部节点电压数学建模方法：
[0050]
对于永磁风电场中某一条链式电路，其上第k台风电机组的电压可以通过以下公式得到：
[0051][0052]
式中：pi和qi分别表示馈线上第i个风电机组的输出有功功率和无功功率，u
pcc
为风电场公共连接点的电压值，rk和xk分别表示馈线上第k个电缆线路的电阻值和电感值。
[0053]
由此可以得到，等效电路的永磁风电机组等效端电压u
eq
可以表示为：
[0054][0055]
本发明的有益效果是：
[0056]
(1)通过将永磁风电场进行聚合建模，解决了仿真中搭建详细风电场所带来巨大的计算压力，为风电场级别的仿真研究奠定了基础。
[0057]
(2)通过对永磁风电场内部电缆集电线路进行聚合建模，为考虑电缆线路影响的风电场级别的仿真研究带来了便捷。
[0058]
(3)通过将永磁风电场内电压分布特性考虑建模方法中，进一步提高了风电场聚合模型的精度，所建立的聚合模型更能反映真实的风电场运行特性。
附图说明
[0059]
图1(a)和1(b)分别为永磁风电场中某一条链式电路聚合前和聚合后的示意图。
[0060]
图2为风电机组运行区间划分图。
[0061]
图3风电机组机侧变流器控制外环图。
[0062]
图4桨距角控制系统图。
具体实施方式
[0063]
参照附图，本发明的一种计及永磁风电场内部电压分布特性的动态聚合建模方法，主要包括三个部分：永磁风电机组参数动态聚合、永磁风电场内部集电线路参数动态聚合和永磁风电场内部节点电压数学建模。
[0064]
永磁风电机组参数主要包括风力机容量、叶片半径、极对数、轴系参数、无源元件参数、变压器参数和控制参数。
[0065]
一、永磁风电机组参数动态聚合；
[0066]
基于永磁风电场对外输出特性不变的聚合原理，假设永磁风电场内共有m台相同类型和工作状态的风电机组，各参数的等效参数聚合采用以下方法：
[0067]
(1)风力机容量等值方法
[0068][0069]
式中，s
eq
为聚合后等效容量，si为第i台风电机组的容量。
[0070]
(2)叶片半径等值方法
[0071][0072]
式中，r
eq
为聚合后风力机等效半径，ri为第i台风力机的半径
[0073]
(3)极对数等值方法
[0074][0075]
式中，gr
eq
为聚合后风力机等效半径，gri为第i台风力机的半径
[0076]
(4)轴系参数等值方法
[0077][0078][0079]
式中，k
s_eq
、d
s_eq
、h
g_eq
和h
t_eq
分别为聚合后永磁风电机组等效轴系刚度、等效阻尼系数、等效风力机惯性时间常数和等效发电机惯性时间常数，k
si
、d
si
、h
gi
和h
ti
分别为第i台永磁风电机组的轴系刚度、阻尼系数、风力机惯性时间常数和发电机惯性时间常数。
[0080]
(5)无源元件参数等值方法，所述无源元件包括电感、电容和电阻
[0081][0082]
式中，l
eq
、r
eq
和c
eq
分别为聚合后永磁风电机组等效电感、等效电阻和等效电容，li、ri和ci分别为第i台永磁风电机组的电感、电阻和电容。需要注意这里表示的只是通用的无源元件的聚合过程，实际上永磁风电机组内部各个部分包含了很多的无源元件，比如发电机的电感和电阻、开关器件的导通电阻、滤波电感、电容和电阻等，均需要按照这个原则依次进行聚合。
[0083]
(6)变压器参数等值方法
[0084][0085]
式中，s
t_eq
为聚合后变压器等效容量，s t_i
为第i台变压器的容量，z
t_eq
为聚合后变压器等效阻抗，z
t_i
为第i台变压器的阻抗。
[0086]
(7)控制参数等值方法
[0087][0088]
式中，k
po_eq
和k
io_eq
分别为聚合后的外环控制比例参数和积分参数，k
po
和k
io
分别为聚合前的外环控制比例参数和积分参数，k
pi_eq
和k
ii_eq
分别为聚合后的内环控制比例参数和积分参数，k
pi
和k
ii
分别为聚合后的外环控制比例参数和积分参数。
[0089]
二、永磁风电场内部集电线路参数动态聚合方法
[0090]
基于以下原则：电缆线路聚合前后电阻上消耗的有功保持一致；电缆线路聚合前后电感上消耗的无功保持一致；电缆线路聚合前后电容上吸收的无功保持一致。
[0091]
以图1(a)所示的链式电路结构为例，考虑到内部每一点的电压均不相同，对线路参数进行聚合，其详细结构和等效电路分别如图1(a)和图1(b)所示。首先，馈线末端第n条电缆线上的阻抗功率损耗可以表示为：
[0092][0093]
其次，馈线上第m条电缆线的阻抗功率损耗sm可以表示为：
[0094]
[0095]
式中：si和ui分别表示馈线上第i个风电机组的输出功率和端电压，ci和zi分别表示馈线上第i个电缆线路的电容和阻抗，ui表示馈线上第i个电缆线路的节点电压。
[0096]
之后，馈线上所有电缆的阻抗功率损耗s
ztotal
可以表示为：
[0097]
δs
ztotal
＝δs1+δs2+
…
+δsn[0098]
同样，等效电路上的等效阻抗功率损耗s
zeq
可以表示为：
[0099][0100]
式中：s
eq
和u
eq
分别代表聚合的风电机组的等效输出功率和端电压，c
eq
和z
eq
代表聚合的电缆线的等效电容和阻抗。
[0101]
由此，链式电路聚合后的线路等效阻抗z
eq
可以表示为：
[0102][0103]
根据在电缆线路等效前和等效后电容器上消耗的无功功率的相等原理，考虑内部电压特性的链式电路聚合后的线路等效电容c
eq
可以表示为：
[0104][0105]
三、永磁风电场内部节点电压数学建模方法
[0106]
以永磁风电场中某一条链式电路为例，如图1(a)所示，其上第k台风电机组的电压可以通过以下公式得到：
[0107][0108]
式中：pi和qi分别表示馈线上第i个风电机组的输出有功功率和无功功率，u
pcc
为风电场公共连接点的电压值，rk和xk分别表示馈线上第k个电缆线路的电阻值和电感值。
[0109]
由此可以得到，等效电路的永磁风电机组等效端电压u
eq
可以表示为：
[0110][0111]
四、永磁风电场聚合台数
[0112]
在上述等效风电机组建立的原则上，考虑到风电机组运行区间主要分为低恒转速阶段、变速运行阶段、恒转速阶段和恒功率阶段四个运行区间，如图2所示。一般的操作是将整个工作状态划分为四个区域，仅在间隔[v1，v2](区域ii)中，风电机组会以最佳的叶尖速比opt保持运行。在[v
cutin
，v1](第i区)和[v2，vn](第iii区)中，风电机组以恒定速度工作。另外，当风速超过区域iv中的额定速度时，桨距角将起到重要作用，以保护风力机不超过正常运行范围。基于上述原则，对于一个特定的风电场，可以根据运行状况等效为四台风电机组。
[0113]
机侧变流器的控制策略包括变速运行阶段，如图3所示，分为低恒转速阶段、变速运行阶段、恒转速阶段。风力机恒功率阶段的控制主要为桨距角控制，如图4所示，主要作用
是为了保证风力机的安全稳定运行。
[0114]
上述发明例主要应用于海上风电系统中，但并不以此为限，对于陆上风电系统也可运用本发明技术方案提高仿真的准确性，解决仿真中大件详细风电场带来的巨大计算维数问题。无论是何种形式的柔性直流送出工程，只要“计及永磁风电场内部电压分布特性的动态聚合建模”，均落在本发明的保护范围之内。