一种带大规模风电外送的高压直流输电系统仿真模型的制作方法

本发明属于电力系统建模与仿真技术领域，涉及一种带大规模风电外送的高压直流输电系统仿真模型。

背景技术：

风能作为一种蕴藏量巨大、分布范围广、可再生和几乎无污染的重要绿色能源，已逐渐成为当今世界重要的替代能源之一。随着风力发电规模和并网容量的不断扩大，风电并网技术及相应的调控、保护措施已经成为风能开发领域的研究热点。其中，采用直流输电系统的风电接入对于实现风电的远距离大功率具有明显优势，被广泛应用于大规模风电并网。

随着风电装机和并网容量的不断增加，系统故障导致的大规模风机脱网仍然是严重威胁系统安全稳定运行的关键问题。除了常规的交流短路故障外，直流侧故障如直流闭锁、单极接地故障、换相失败等都可能导致大规模风机高压脱网。因此，通过风电并网系统暂态模型仿真不同类型、不同位置故障下的系统暂态特性，对实现风机脱网风险评估、风险预警，提高风电大规模接入的直流输电系统的运行稳定性都具有重要意义。

现有的基于dfig的lcc-hvdc系统并网模型，侧重于风力发电本身的稳定和对系统稳态性的影响。而且，常规模型由单一风机模型等效大规模风电场，无法仿真分析大规模风电场集电系统内部的暂态特性和部分风机脱机造成的大范围风场脱机的情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种带大规模风电外送的高压直流输电系统仿真模型，该仿真模型能够仿真风电场内部的暂态特性及部分风机脱机造成的风场脱机情况。

为达到上述目的，本发明所述的带大规模风电外送的高压直流输电系统仿真模型包括风电场模型、整流站母线模型、整流站模型、直流传输线路模型、逆变站模型、逆变站母线模型、statcom以及用于监测风电场模型的电压信号及电流信号的风电脱网监控模块；

风电场模型、整流站母线模型、整流站模型、直流传输线路模型、逆变站模型及逆变站母线模型依次相连接，statcom与整流站母线模型相连接。

所述直流传输线路模型由若干条串联连接的直流传输线构成。

所述风电场模型包括若干分区风电场，其中，各分区风电场均由变压器及若干台dfig风机组成，其中，各dfig风机经变压器汇集后与整流站母线模型相连接。

风电脱网监控模块包括用于监测各dfig风机电压信号的电压监测模块以及用于监测各dfig风机电流信号的电流监测模型。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的带大规模风电外送的高压直流输电系统仿真模型在具体操作时，风电场模型、整流站母线模型、整流站模型、直流传输线路模型、逆变站模型及逆变站母线模型依次相连接，通过风电脱网监控模块实时监测风电场模型的电压信号及电流信号，以实现风电场内部的暂态特性及部分风机脱机造成的风场脱机情况的模拟仿真。需要说明的是，本发明提出了大规模风电场集电系统的并网方案，基于暂态信号的风电脱网监控模块，为大规模风电场经lcc-hvdc输电系统并网暂态特性与风电场脱机风险评估与应对策略研究提供了准确可靠的仿真平台。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中换流器的内部接线图；

图3为本发明中风电场模型1的接线图。

其中，1为风电场模型、2为整流站母线模型、3为整流站模型、4为直流传输线路模型、5为逆变站模型、6为逆变站母线模型、7为statcom、8为风电脱网监控模块、9为dfig风机、10为变压器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的带大规模风电外送的高压直流输电系统仿真模型包括风电场模型1、整流站母线模型2、整流站模型3、直流传输线路模型4、逆变站模型5、逆变站母线模型6、statcom7以及用于监测风电场模型1的电压信号及电流信号的风电脱网监控模块8；风电场模型1、整流站母线模型2、整流站模型3、直流传输线路模型4、逆变站模型5及逆变站母线模型6依次相连接，statcom7与整流站母线模型2相连接，其中，利用statcom7(静止同步补偿器)为lcc-hvdc提供换向电压和无功功率支撑。

所述直流传输线路模型4由若干条串联连接的直流传输线构成；风电脱网监控模块8包括用于监测各dfig风机9电压信号的电压监测模块以及用于监测各dfig风机9电流信号的电流监测模型。

参见图2，整流站模型3及逆变站模型5组成换流站，其中，换流站由换流阀、换流变、直流滤波器、交流滤波器及平波电抗器连接而成，其中，换流阀采用每极2组12脉动换流单元串联。

将换流站交流侧系统等效为交流电源，根据两端换流站交流系统的最大短路电流和短路容量，由以下公式可计算得到等效电源的幅值、相角以及电源阻抗：

其中，ub、sb、zb分别为电压、容量及阻抗基准值；为系统短路容量标幺值；为电源功率因数角；u换为换流器交流侧电压；ug为等效交流电源电压。

换流变采用单相双绕组变压器，变压器交流侧绕组中性点接地。

整流侧装设4种型号交流滤波器，总计分为4大组14小组，包括：4小组双调谐滤波器bp11/13，调谐11次和13次谐波；4小组双调谐滤波器hp24/36，调谐24次和36次谐波；1小组双调谐滤波器hp3，调谐3次谐波；5小组并联电容器shc。

逆变侧装设2种型号交流滤波器，总计分为4大组15小组，包括：8小组双调谐滤波器hp12/24，调谐12次和24次谐波；7小组并联电容器shc。

两端换流站直流滤波器每极采用三调谐滤波器。

直流传输线路模型4采用频率相关(相位)模型，且由若干条串联的直流传输线构成。频率相关(相位)模型复制线路或电缆的频率曲线，可以呈现线路的所有频率因素。

参见图3，所述风电场模型1包括若干分区风电场，每个分区风电场由若干台dfig风机9经变压器10汇集组成，风电脱网监控模块8对各dfig风机9电压信号及电流信号进行监测，判断故障下风电场的暂态响应，在达到脱机指标后实施脱机动作，实现风电场状态监测，其中，变压器10为升压变压器。

风力机功率与风速的关系为：

其中，pm为风轮吸收功率，ρ为空气密度，cp为风能利用(或功率)系数曲，λ为叶尖速比(叶尖速度与风速之比)，β为桨距角，awt为风轮所覆盖的面积，awt＝πr²，r为风轮半径，vw为风速。

风能利用系数与叶尖速比及桨距角之间的关系可表示为：

其中，a1～a8为系数，a1＝0.5176,a2＝116,a3＝0.4,a4＝5,a5＝21,a6＝0.0068,a7＝0.08,a8＝0.054。

dfig风机9的定子绕组直接与电网相连接，转子通过双向变频器与电网相连接，转子侧换流器控制定子输入有功功率及无功功率；通过外环功率控制器，将反馈的定子功率与参考值进行比较，差值送入pi控制器，进行内环电流控制，以实现有功、无功的解耦控制。

网侧换流器通过控制电网侧换流器电流来维持直流侧电容电压保持恒定，并且换流器无功为0，不与电网进行无功交换。