[发明专利]一种适用于电磁暂态仿真的风电场等值建模方法

摘要

一种适用于电磁暂态仿真的风电场等值建模方法，属于电力系统建模领域。在动力部分等值方面，改进了风速等值法，调整了等值后的最大风能跟踪曲线，此外考虑到等值后风轮半径的改变，对等值机组齿轮箱变比进行了调整；在电气部分等值方面，采用了容量加权法对发电机参数进行了等值，考虑到不同干线的机组可能划分到同一机群的情况，在控制参数等值方面，考虑到等值机组参数发生变化的情况，借鉴单机控制参数的工程设计方法，得出了可以实现等值前后性能不变的等值机控制器参数整定公式。优点在于，克服了现有风电场等值建模方法中误差大、模型复杂、对工况的适应性差等缺点，从动力、电气、控制三个方面分别对等值参数的计算方法进行改进。

主权项

1.一种适用于电磁暂态仿真的风电场等值建模方法，其特征在于,包括以下步骤：(1)风速等值令同一机群内风力机捕获的风功率之和与等值机捕获的风功率相等，即式中：Preal及Peq分别为实际与等值后的捕获风功率；n为需要等值的机群内包含的风机台数；Cpi、Cpeq为等值前后风能利用系数；ρ为空气密度；Smi、Smeq为等值前后风轮扫略面积；νi、νeq为等值前后风速；等值机参数均用下标“eq”表示；令等值风力机风轮扫略面积S_meq为各风力机扫略面积S_mi之和；等值风能利用系数为各机组风能利用系数平均值，即由(1)式得到等值风速为(2)风轮、传动链等值等值风力机风轮扫略面积为各风力机扫略面积和，即等值的风轮半径为由于等值风轮尺寸变大，要实现等值机的最大风能跟踪，最大功率跟踪曲线要相应地调整；等值机在MPPT区捕获最大功率为此式成立的条件是叶尖速比最优，即λopt＝ωeqReq/veq   (4)式中ωeq为等值风力机角速度，λopt为最优叶尖速比；将式(4)代入式(3)中,即得到等值机最大风功率跟踪曲线表达式为其中最大功率跟踪曲线系数为kw＝0.5CpmaxρSmeq(Req/λopt)3   (6)由上式知，风轮等值后，其最佳功率曲线也要相应地调整；当等值后风轮尺寸改变，为使发电机转子转速不变，要对等值机的变速箱变比Neq进行调整；下面给出齿轮箱变比等值的具体步骤：首先，等值前后叶尖速比都要保持最优，即式中，ω，R，v以及ωeq，Req，veq分别为等值前后风轮转速、半径和输入风速；为保证等值前后发电机转速不变，应当有ωeqNeq＝ωN   (8)假设此时风场内各机组风轮半径、输入风速均相同，由式(2)得知，veq＝v；将式(7)代入式(8)，得各机组风速相同这一条件不是必须的，当从等值前后MPPT区对应的转速区间来计算等值后的齿轮箱变比，则不用此假设；但各机组风轮半径相同这一条件是必须的；因而，应用时同一机群的风轮尺寸要尽量相同；传动链采用双质块模型表示，其方程如下式中：Ht、Hg分别为风力机与发电机惯性时间常数；ωt、ωg分别为风力机与发电机转速标幺值；ω1为同步角速度有名值；θtw为传动轴扭转角有名值；Tm、Tsh、Te分别为风力机、传动轴、发电机转矩标幺值；Ksh为轴刚度系数；Dsh为轴阻尼系数；t为时间有名值；等值机传动链参数采用容量加权法，即式中：ρ_i为容量加权系数，ρ_i＝S_i/S_eq，其中S_i为各发电机基准容量，S_eq为等值机的基准容量，且(3)发电机参数等值发电机参数采用容量加权等值法，即式中：Rs，Rr分别为定转子绕组电阻；Xsl，Xrl分别为定转子绕组漏抗；Xm为定转子互感抗；Rg，Xg分别为网侧变换器(Grid Side Converter,GSC)进线电阻与电抗；上述各量均为标幺值；(4)集电线路等值假设风场内各台机组接入点电压相同，且均运行在单位功率因数，风场集电线路上的功率损耗为式中：Sloss为风场集电线路功率损耗；m为集电线路条数，nk为第k条集电线路所接风机台数；Pkj为第k条集电线路上第j台风机输出有功功率；U为电网电压；Zki第k条集电线路上第i台风机前端的集电线路阻抗；令Sloss1为消耗在Z11、Z22、Z13上的功率，Sloss2为消耗在Z12、Z21、Z23上的功率；那么集电线路总损耗表达为：Sloss＝Sloss1+Sloss2   (14)其中各机群的等值集电线路上损耗可表示为：令式(15)与式(16)对应的损耗功率分别相等，即可得到各机群的等值集电线路阻抗；由于各机组出力不同且随风速变动，导致计算出的集电线路阻抗因功率变化而变化；为简化计算并且得到一个恒定的等值阻抗，因此假设同一干线上风机出力均相同，并通过仿真验证了此假设的可行性；由于将不同干线的机组划分至一群，因而采用如下假设，即P11＝P22＝P13＝P1，P21＝P12＝P23＝P2(式中P1与P2均为常数，其数值根据具体仿真工况而定，可得进一步假设风场内各台风机出力均相同，即Pij＝P(i,j＝1,2,3)，由式(17)得在应用中，假设风场内各机组出力相同，并依据功率损耗不变这一原则，即得到各机群的等值集电线路阻抗，且该阻抗恒定；(5)机侧变换器参数整定公式MSC电流内环控制器参数整定公式kpi为电流内环控制器比例系数，τi为积分时间常数；Tfi为采样与给定延时；Ti为变流器的动作时间常数，T∑i＝Ti+Tfi；σ为发电机漏磁系数；MSC功率外环控制器参数kpp为功率外环控制器比例系数，τp为积分时间常数；Tfp为采样与给定延时；U1为电网电压瞬时值的峰值；(6)网侧变换器参数整定公式电流内环比例控制器参数为kpi＝Lg/(2TΣi)   (21)电压外环比例积分控制器参数为式中：kpv为控制器比例系数，τv为积分时间常数；C为直流母线电容值；T∑v＝Tfv+1/ki，而Tfv为采样与给定延时，ki＝kpi/Lg；Sd为dq变换后的IGBT开关信号；h为系统中频段宽度，通常取值在3～10之间，可根据性能需要进行调整；对机组发电机参数进行等值后，利用式19‑22，即得到等值机组控制参数。