一种大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟方法

摘要

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟方法。本发明依据电力系统电磁暂态仿真算法的基本原理、以及电机和控制系统的动态方程与电网络代数方程求解算法特点，提出了单台风电机组加理想受控电流源模拟大型风电场的聚合模拟方法。采用本发明进行大型风电场并网的相关研究，能够降低大型风电场建模复杂度，提高建模效率。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟方法。

背景技术

随着国家节能减排政策的深入实施，新能源特别是风能将会大规模的开发利用。与国外风电场分布式分散接入电网不同，我国风资源相对集中，东南沿海、甘肃北部、新疆北部、内蒙古以及黑龙江、吉林东北和河北北部等地区均为风资源密集区域，因此我国风电的开发和利用必将采用大规模、集约化开发，远距离大容量外送的模式。在风资源密集的风电基地，通常依据地理位置形成若干大型风电场，各大型风电场则一般由型号相同且为数众多的风电机组构成。这些大型风电场通过相邻的或公用的变电站接入电网。

大型风电场有功出力的间歇性波动特性以及无功消耗伴随特性，均会显著影响风电场接入系统的电能质量和电压水平；电网故障扰动下，大型风电场低电压穿越能力对交流电网稳定运行具有重要影响；此外，与风电场并网点相同的高速、重载电铁牵引站的冲击负荷特性，对风电机组的可靠运行也将带来不利的影响。总之，随着风电的开发利用，与大型风电场集中接入相关的研究逐渐成为热点。

电力系统电磁暂态仿真是研究大型风电场对系统电能质量影响、不对称运行状态下风电场运行特性、风电场运行控制策略的有力工具，但受限于仿真计算规模与速度，大型风电场接入系统建模过程需要进行繁琐数据处理。目前采用的方法主要有两种，其一是将风电场采用单机或多机等值，为此需要根据风电场实际开机情况对风电机组、风机控制系统进行特定条件下的参数归算；其二是采用额定容量的单机模拟整个风电场，并根据单极额定容量，对交流电网参数进行相应的归算。以上两种方法都不可避免要进行繁琐的参数归算，计算量大、效率低，且所建模型对风电场运行方式的适应性较差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟方法。根据电力系统电磁暂态仿真算法原理以及电机和控制系统的动态方程与电网络代数方程求解算法特点，对风电机组型号及控制系统均相同的大型风电场，提出以单台风电机组加受控理想电流源模拟大型风电场的动态特性的聚合模拟方法。

本发明的一种大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟方法，采用单台风电机组加理想受控电流源模拟大型风电场的动态特性，包括以下步骤：

(1)采用电力系统电磁暂态仿真工具，针对机组组成形式相同各大型风电场，建立以单机容量为基准的原动机系统、风力发电机以及控制系统的详细仿真模型，提取该机输出至风电并网点的电流信号；

(2)将该电流信号放大N-1倍后，其中，N为自然数，作为风电并网点受控电流源电流输出值；该模型可用于模拟具有N台风电机组的大型风电场；若系统具有多个大型风电场，均可照此执行；

(3)建立交流电网模型，连接各大型风电场与交流电网，其中交流电网各元件参数均取为实际有名值，无需折算；

(4)大型风电场出力变化特性通过单台风机的相关设置实现；风电场开机台数的变化则直接可通过受控电流源电流放大系数N实现。

其中，进一步包括下面的详细步骤：

(1)大规模风电场中单台并网风电机组的详细建模

采用电力系统电磁暂态仿真工具，针对由相同类型风电机组组成的大型风电场，建立单台风电机组的详细仿真模型，包括风功率系统、风力发电机以及控制系统的详细仿真模型；

(2)风电场机组群聚合效应的并网点受控电流源模拟方法提取双馈机组并网点线路的a、b、c三相电流信号i_wa、i_wb、i_wc，并将该电流信号放大N-1倍，其中N为与风电场风电台数相对应的自然系数；在风电并网点接入理想的受控电流源，其a、b、c各相电流值即为电流放大后的数值，如下式所示：

i_ca＝(N-1)×i_wa

i_cb＝(N-1)×i_wb

i_cc＝(N-1)×i_wc

式中，i_wa、i_wb、i_wc与i_ca、i_cb、i_cc分别为风电并网点线路电流以及理想受控电流源电流；

利用该模型即可模拟具有N台同类型风电机组的大型风电场；若系统具有多个大型风电场，均可照此一一模拟；

(3)风电场等效聚合模拟条件下的交流电网建模策略

依据所研究的大型风电场接入电网的实际拓扑结构以及交流同步发电机组、变压器容量及参数，建立风电场接入系统的仿真计算模型，其中：

⑤.交流线路的集中参数或分布参数，均采用实际有名值，无需统一归算；

⑥.发电机组的参数，采用以发电机组额定容量为基准的标幺值参数；

⑦.变压器的参数，采取以变压器额定容量为基准的标幺值参数；

⑧.若系统中含有直流等控制设备，其容量与参数均可取为实际值，无需折算；

(4)风电场等效聚合模拟条件下风电场特性调节方法

研究大型风电场在不同风速条件下出力特性对系统的影响，包括不同平均风速条件、不同渐变风和阵风，通过详细建模的单台风机的风功率系统予以实现，包括调整合成风速v中基本风v_wb、阵风v_wg、渐变风v_wr和随机噪声风v_wm的大小与比例。

其中，所述大规模风电场中单台并网风电机组的详细建模中，双馈变速恒频率机组的主要部件建模过程如下：

①.风功率系统

风功率系统模拟包括三个部分：风速模拟系统、风轮机组特性模拟以及叶片角控制部分，风功率系统输出为风力发电机输入机械扭矩；

动态风速可模拟基本风v_wb、阵风v_wg、渐变风v_wr、随机噪声风v_wm，合成风速v为

v＝v_wb+v_wg+v_wr+v_wm

风力机捕获的风能与风速的立方成比例关系，同时还与风力机叶片的转速及结构参数有关，风力机输出机械转矩为：

$T_m=C_{p}A\frac{{\mathrm{\rho v}}^3\times {10}^3}{{2\mathrm{\omega P}}_N}$

其中，C_p为风能转换效率系数，它是浆距角β和叶尖速率比λ(λ＝Rω/v)的函数；R为叶片半径；ω为风力机叶片转速；A为叶片扫掠面积；ρ为空气密度；v为风速；P_N为功率基值；

②.风力发电机

风力发电机组采用鼠笼式感应电动机模拟，风力发电机与普通异步电机最大的不同就在于其转子回路通过发电机滑环可以与外界电压源互联，因此，其转子电压u_rd与u_rq不等于0，通过控制转子外界电压，可以控制双馈感应发电机的有功和无功功率，同步旋转dq0坐标系下双馈感应电机的电压方程为：

$u_{\mathrm{sd}}=\frac{{\mathrm{d\psi }}_{\mathrm{sd}}}{\mathrm{dt}}-{\omega }_N{\psi }_{\mathrm{sq}}+R_s{i}_{\mathrm{sd}}$

$u_{\mathrm{sq}}=\frac{{\mathrm{d\psi }}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}-{\omega }_N{\psi }_{\mathrm{sd}}+R_s{i}_{\mathrm{sq}}$

$u_{\mathrm{rd}}=\frac{{\mathrm{d\psi }}_{\mathrm{rd}}}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{s\psi }}_{\mathrm{rq}}+R_r{i}_{\mathrm{rd}}$

$u_{\mathrm{rq}}=\frac{{\mathrm{d\psi }}_{\mathrm{rq}}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{s\psi }}_{\mathrm{rd}}+R_r{i}_{\mathrm{rd}}$

式中u_sd、u_sq、u_rd、u_rq分别为定子绕组和转子绕组电压的d轴和q轴分量；R_s和R_r分别为定子绕组和转子绕组相电阻；i_sd、i_sq、i_rd、i_rq分别为定子绕组和转子绕组的d轴和q轴分量；ω_N为同步旋转速度；s为转子滑差；ψ_sd、ψ_sq、ψ_rd、ψ_rq分别为定子和转子d轴和q轴的磁链；

风力发电机组的磁链方程为：

ψ_sd＝(L_ss+L_m)i_sd+L_mi_rd

ψ_sq＝(L_ss+L_m)i_sq+L_mi_rq

ψ_rd＝(L_rr+L_m)i_rd+L_mi_sd

ψ_rq＝(L_rr+L_m)i_rq+L_mi_sq

其中，L_ss、L_rr、L_m分别为定子和转子每相漏感，以及定子与转子间的互感；

③.风机控制系统

双馈风电机组控制系统是对定子侧和转子侧电压源换流器进行控制，实现对机组性能及输出功率的调节；

风机控制系统模型可分为两层，第一层为风力机风能捕获控制及风电机组无功功率控制，风力机风能捕获控制检测转子转速，根据最优转速-功率曲线，确定定子绕组输出有功功率参考值以使风力机捕获的风能同风速-功率曲线一致，无功功率控制根据无功功率控制策略确定风电机组的无功参考值；第二层为功率解耦控制，以第一层控制所确定的有功功率及无功功率参考值为控制目标，实现两侧换流器的有功、无功解耦控制；

其中，在大型风电场中，风电场并网发电的机组台数变化，通过受控电流源电流放大系数N予以实现；

本发明还提出了一种研究故障扰动后大型风电场的整体响应特性的方法，其使用上述的大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟方法。

本发明所采用的电力系统电磁暂态仿真工具，如电力系统中广泛使用的由加拿大Manitoba大学高压直流输电研究中心开发的PSCAD/EMTDC电磁暂态分析商业软件包，针对

由相同类型风电机组组成的大型风电场，建立单台风电机组的详细仿真模型，包括风功率系统、风力发电机以及控制系统的详细仿真模型。

本发明的有益效果是：

利用该方法可大幅简化大型风电场电磁暂态建模的复杂度，方法具备适应风电场不同运行方式的灵活性，在保持相同仿真计算精度的前提下可显著提高仿真计算效率，解决了大型风电场与交流电网相互影响研究中仿真规模与仿真速度的瓶颈问题。

附图说明

图1：依据本发明的含多台风电机组的风电场并网仿真系统示意图；

图2：依据本发明的风功率模拟系统示意图；

图3：依据本发明的双馈机控制逻辑示意图；

图4：依据本发明的含多台风电机组的风电场并网等效注入电流源仿真模拟系统示意图；

图5：依据本发明的风机仿真模型与等效电流源仿真的耗时对比示意图；

图6：依据本发明的两种不同仿真系统的风电场出口线路三相电流对比示意图；

图7：依据本发明的两种不同仿真系统的风电场出口有功功率对比示意图；

图8：依据本发明的两种不同仿真系统的风电场出口有功功率对比示意图；

图9：依据本发明的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中电网络求解原理示意图；

图10：依据本发明的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中发电机与电网络交互求解原理示意图。

具体实施方式

(1)采用电力系统电磁暂态仿真工具，如电力系统中广泛使用的由加拿大Manitoba大学高压直流输电研究中心开发的PSCAD/EMTDC电磁暂态分析商业软件包，针对由相同类型风电机组组成的大型风电场，建立单台风电机组的详细仿真模型，包括风功率系统、风力发电机以及控制系统的详细仿真模型。如图1所示，利用PSCAD/EMTDC软件建立包括4台相同设置的双馈风力发电机组。其中风功率模拟系统包括由动态风速模拟系统、气动叶轮、叶片角控制三部分组成，如图2所示；双馈风电机组的控制系统如图3所示，转子侧VSC控制风电机组输出的有功功率和无功功率、定子侧VSC则控制换流器直流侧电压以及与交流电网交换的无功功率

(2)针对如图1所示的多风电机组仿真系统，可提取双馈机组并网点线路的a、b、c三相电流信号，并将该电流信号放大N-1倍，其中N为与风电场风电台数相对应的自然系数；在风电并网点接入理想的受控电流源，其a、b、c各相电流即为电流放大后的数值，如下式所示：

i_ca＝(N-1)×i_wa

i_cb＝(N-1)×i_wb

i_cc＝(N-1)×i_wc

式中，i_wa、i_wb、i_wc与i_ca、i_cb、i_cc分别为风电并网点线路电流以及理想受控电流源电流。

依据该方法建立多风电机组的等效仿真系统，如图4所示。若系统具有多个大型风电场，均可照此一一模拟。

(3)依据所研究的大型风电场接入电网的实际拓扑结构以及交流同步发电机组、变压器容量及参数，建立风电场接入系统的仿真计算模型。其中：

●交流线路的集中参数或分布参数，均采用实际有名值，无需统一归算；

●发电机组的参数，采用以发电机组额定容量为基准的标幺值参数；

●变压器的参数，采取以变压器额定容量为基准的标幺值参数；

●若系统中含有直流等控制设备，其容量与参数均可取为实际值，无需折算。

(4)研究大型风电场在不同风速条件下出力特性对系统的影响，如不同平均风速条件、不同渐变风、阵风等，可通过详细建模的单台风机的风功率系统予以实现，如调整合成风速v中基本风v_wb、阵风v_wg、渐变风v_wr、随机噪声风v_wm的大小与比例；大型风电场中，风电场并网发电的机组台数变化，则可通过受控电流源电流放大系数N予以方便的实现；大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟系统可用于研究故障扰动后大型风电场的整体响应特性。

以说明书附图1所示含有多台风电机组的风电场仿真系统为例，该系统含有四台双馈风电机组，单台机组额定容量为2MW，各机组通过0.69kV/35kV升压变馈入风电汇集站，并通过35kV/330kV变压器接入主网。风电机组的控制系统分别对转子侧和定子侧的电压源换流器进行脉宽调制控制，其中转子侧的控制目标为定转速控制、定无功功率控制；定子侧控制目标为定直流电压和定无功功率控制。说明书附图4是与说明书附图1所示系统相对应的大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟系统，利用详细模拟的单台双馈机组注入并网点电流，即风电机0.69kV/35kV升压变二次侧出口电流，经比例放大后，对并网点受控理想电流源电流进行控制，以模拟其它机组的动态响应。两种方法的对比效果表明，采用多台机组模拟，系统建模过程复杂，且由于风机控制系统中含有大量的高频开关器件，如IGBT，因此随着风电机组模拟规模的增大，系统的仿真计算效率将会大幅降低，两种的仿真建模系统计算耗时对比如图5所示，2台机组仿真需耗时3’25’、3台机组仿真需耗时6”、4台机组仿真需耗时9’57”，计算效率将成为显著大型风电场模拟规模的主要瓶颈环节；利用受控电流源模拟大型风电场，建模复杂度可大为简化，风电场机组规模的增加，仅通过修改等效受控电流源注入电流大小即可，仿真计算效率将不受风电场模拟规模的限制，不同风电机组台数下系统仿真时间基本一致，均为1’25”左右。

此外，两种不同建模方式下，从风电场330kV侧单相短路故障后的暂态响应曲线分别如图6-8所示。从计算结果的曲线对比可以看出，大型风电场电磁暂态仿真的等效聚合模拟方法，能够准确模拟系统受扰后的动态特性，方法准确、可靠、可信。根据如图9和10所示的PSCAD/EMTDC发电机与电网络数值求解算法，可知利用受控电流源模拟具有相同配置的风电机组的集群效应符合算法的基本原理。