CN105353304A - 一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法，包括以下步骤：确定验证工况要求和所述风电机组电气模型低电压穿越特性验证的外部电网模型数据；根据所述验证工况要求分别进行仿真和实际测试，获得风电机组仿真结果和实际测试结果；对所述实际测试结果和所述仿真结果进行正序分量计算处理；对正序分量计算结果进行数据滤波；划分故障区间；根据故障区间的所述实际测试结果和所述仿真结果的偏差确定所述风电机组电气模型的准确度。该方法以风电机组低电压穿越实际测试结果为依据，对风电机组电气模型的仿真结果进行分区间多指标的偏差判定，充分考虑不同机型的低电压穿越控制特性，判定风电机组电气模型准确性。

Description

一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法

技术领域

本发明涉及一种电力***仿真与验证领域的方法，具体讲涉及一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法。

背景技术

在过去十年中风电发展迅速，已在世界范围内成为重要的电力供应部分。为了提高电网的稳定性，各国的电力***运营商都制定了风电场接入电网的技术要求，并采用经过验证的风电机组模型，对风电场满足并网技术规定的程度进行仿真分析。

为了提高风电接入的电网稳定性，中国相继出台了国家电网企业标准Q/GDW392-2009《风电场接入电网技术规定》、能源局(2010)433号文《风电机组并网检测管理暂行办法》、国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力***技术规定》，对风电机组及风电场并网提出了具体要求，也包含了对风电机组的电气模型、风电场电气模型的要求，要求能通过仿真手段评估该风电场是否具有并网技术规定所要求的并网特性。

风电机组制造行业情况复杂，市场主流风电机组型号众多，其主要零部件配置多种多样，这些给低电压穿越现场检测工作带来了很大压力，《风电机组低电压穿越能力一致性评估办法》的试行有效的缓解了这一压力。评估办法要求风电机组模型建立完成后，进行模型精度校验，确保模型准确性。依据校验合格的风电机组电气模型评价风电机组低电压穿越特性。

因此，需要提供一种准确进行风电机组电气模型低电压穿越特性的验证方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法，其改进之处在于：所述方法包括以下步骤：

I、确定验证工况要求和所述风电机组电气模型低电压穿越特性验证的外部电网模型的数据；

II、根据所述验证工况要求分别进行仿真和实际测试；

III、对步骤II的结果进行正序分量计算处理；

IV、对正序分量计算处理的结果进行数据滤波；

V、划分故障区间；

VI、根据故障区间的所述实际测试和所述仿真的结果的偏差确定所述风电机组电气模型的准确度。

进一步的，所述检测工况要求包括大功率输出状态和小功率输出状态；

所述大功率输出状态包括三相对称故障和两相不对称故障情况下的电压跌落分别至(0.75±0.05)U_n、(0.50±0.05)U_n、(0.35±0.05)U_n、(0.20±0.05)U_n的工况；

所述小功率输出状态包括三相对称故障和两相不对称故障情况下的电压跌落分别至(0.75±0.05)U_n、(0.50±0.05)U_n、(0.35±0.05)U_n、(0.20±0.05)U_n的工况。

进一步的，所述外部电网模型的数据包括等效电网模型参数和电压跌落设备参数；

所述等效电网模型参数包括：等效电网电压U_G和等效电网阻抗Z_G；

所述电压跌落设备参数包括：限流阻抗Z₁的电阻和电抗值、短路阻抗Z₂的电阻和电抗值，以及开关S₁和S₂的动作时序。

进一步的，所述外部电网模型包括依次连接的等效电网电压U_G、等效电网阻抗Z_G、限流阻抗Z₁、风电机组变压器和风电机组；所述限流阻抗Z₁与开关S₁并联，短路阻抗Z₂连接于所述限流阻抗Z₁与风电机组变压器间，所述短路阻抗Z₂通过开关S₂接地。

进一步的，所述步骤II的结果包括仿真和实际测试的风电机组变压器与风电机组之间的电压、电流和功率。

进一步的，所述步骤V包括以下步骤：

S501、根据实际测试的电压数据，将实际测试与仿真的数据序列分为对应故障前、故障期间、故障后三个时段的A时段、B时段、C时段；

S502、根据有功功率的响应特性将所述B时段和所述C时段均分为暂态区间和稳态区间；

S503、根据无功电流的响应特性将所述B时段和所述C时段均分为暂态区间和稳态区间。

进一步的，所述步骤S502和S503中，在考虑限流阻抗影响的情况下，所述C时段包括所述暂态区间、所述稳态区间、限流阻抗引起的暂态区间和限流阻抗引起的稳态区间。

进一步的，所述步骤VI中的偏差包括平均偏差、平均绝对偏差、最大偏差和加权平均绝对偏差；

各时段暂态区间分别计算所述平均偏差和所述平均绝对偏差，各时段稳态区间分别计算所述平均偏差、所述平均绝对偏差和所述最大偏差。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的方法以风电机组低电压穿越实际测试结果为依据，对风电机组电气模型的仿真结果进行分区间多指标的偏差判定，利于充分考虑不同机型的低电压穿越控制特性，准确判定风电机组电气模型准确性；

2、本发明提供的方法以三相电压、三相电流为数据输入，对其正序分量计算结果进行误差计算，更符合风电机组暂态特性考核需求；

3、本发明提供的方法划分故障区间时，充分考虑了不同机型的低电压穿越特性不同，可依据测试数据波动自动进行暂态区间的判断，避免错误判断；

4、本发明提供的方法，充分考虑了测试数据波动情况，提出了不同的区间偏差考核方法，综合评价测试结果与仿真结果的一致性。

附图说明

图1为本发明的风电机组低电压穿越测试的外部电网结构示意图；

图2为本实施例中的故障分区示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

本发明提供了一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法，该方法通过对风电机组电气模型的仿真数据和实际测试数据进行一致性分析，对输入数据进行正序分量计算和数据滤波，进行故障区间划分；对划分的各故障区间内的测试及仿真处理数据进行偏差计算，根据上述偏差计算结果考核风电机组电气模型精度，保证风电机组电气模型的仿真准确性。

该方法具体包括以下步骤：

步骤一、确定验证工况要求和所述风电机组电气模型低电压穿越特性验证的仿真模型的外部电网模型数据；

步骤二、按照所述验证工况要求进行所述风电机组电气模型的仿真和对应风电机组的实际测试，获得风电机组变压器低压侧或高压侧的电压、电流和功率的仿真结果和实际测试结果；

步骤三、对所述实际测试结果和所述仿真结果进行正序分量计算处理；

步骤四、对正序分量计算处理的结果进行数据滤波；

步骤五、故障区间划分；

步骤六、根据各故障区间的所述实际测试结果和所述仿真结果的偏差确定所述风电机组电气模型的准确度。

步骤一中，验证工况要求为进行检测时各工况要求，具体包括两种有功功率输出状态：大功率输出状态(P>0.9P_n)和小功率输出状态(0.1P_n≤P≤0.3P_n)。

大功率输出状态和小功率输出状态下，故障类型均包括三相对称故障和两相不对称故障情况下电压跌落分别至(0.75±0.05)U_n、(0.50±0.05)U_n、(0.35±0.05)U_n、(0.20±0.05)U_n，综上共有16种工况。

风电机组电气模型低电压穿越特性验证的仿真模型的建模数据的获取方法为通过数据采集点获取建模数据。

上述外部电网模型如图1所示，图1为本发明的风电机组低电压穿越检测的外部电网结构示意图；本发明的方法只涉及外部等效电网及电压跌落装置的模型设置，外部等效电网及电压跌落装置模型为通用模型，对于不同厂家的风电机组电气模型或是不同工况只需改变参数设置。

该低电压穿越检测***的等效电路图包括依次连接的等效电网电压U_G、等效电网阻抗Z_G、限流阻抗Z₁、风电机组变压器和风电机组，上述限流阻抗Z₁并联开关S₁，限流阻抗Z₁与风电机组变压器之间连接短路阻抗Z₂，该短路阻抗Z₂通过开关S₂接地。

数据采集点包括三个，分别为等效电网阻抗和限流阻抗Z₁之间的一点(采集点一)、短路阻抗Z₂的接入点与风电机组变压器之间的一点(采集点二)、风电机组变压器和风电机组之间的一点(采集点三)。

根据实际***，分别获取采集点一、采集点二、采集点三的数据；包括：

1、获取采集点一的电压、电流和测试期间风速；

2、获取采集点二的电压、电流及发电机转速、风力机转速、桨矩角等测试数据可根据模型验证的需求选取；

3、获取采集点三的电压、电流及发电机转速、风力机转速、桨矩角等测试数据可根据模型验证的需求选取。

仿真建模所需数据包括等效电网模型参数和电压跌落设备参数。

等效电网模型参数包括：等效电网电压U_G、电压跌落发生装置电网侧接入点短路容量S_k、阻抗角Ψ或阻抗比X/R。

电压跌落设备参数包括：限流阻抗Z₁的电阻值和电抗值、短路阻抗Z₂的电阻值和电抗值、及开关S₁和S₂的动作时序。

上述等效电网电压U_G的确定方法为：闭合开关S₁，获取采集点三的电压值正序分量。

电压跌落发生装置电网侧接入点短路容量S_k的确定方法为：电压跌落发生装置电网侧接入点短路容量U_G为等效电网电压，Z_G为等效电网阻抗。本实施例中，其确定方法包括以下步骤：

(1)空载测试获得采集点三处的电压U₃；

(2)负载测试获得采集点三处的电压为U₃′和电流I₃；

(3)***阻抗Z＝(U₃-U₃′)/I₃，***容量S_k＝U₃ ²/Z。

上述阻抗角Ψ或阻抗比X/R按当地电网情况经验值设置。

上述电压跌落设备参数根据实际***中的设备获取建模时所需的设备参数。

步骤二中，按照所述工况要求进行所述风电机组电气模型的仿真，获得仿真数据。

仿真数据包括：风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法所需的测试数据及仿真数据，分别包括三相电压、三相电流及测试数据、仿真数据和用于验证的数据的采样时间。

上述三相电压和三相电流指风电机组变压器低压侧或高压侧的电压、电流和功率的结果。

步骤三中，对输入的测试数据与仿真数据进行正序分量计算处理，具体为将测试和仿真结果中的三相电压、三相电流数据依据IEC61400-21标准要求进行正序分量计算，获得测试数据与仿真数据的线电压、有功功率、无功功率和无功电流的基波正序分量。

步骤四中，根据模型校验的采样时间(可依据仿真数据的采样时间而定，本实施例中设置为1ms或20ms)对测试数据和仿真数据的正序分量进行数字滤波，并进行时间序列同步。

数字滤波指通过数字设备运用一定的算法对数字信号进行处理，将某个频段的信号进行滤除，得到新的信号。常用设备为数字滤波器，数字滤波器分为两大部分：经典滤波器和现代滤波器。

经典滤波器：假定输入信号x(n)中的有用成分和希望滤除成分分别位于不同的频带，通过一个线性***对噪声进行滤除，若噪声和信号的频谱相互混叠，则经典滤波器得不到滤波的要求。通常有高通滤波器，低通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器。

现代滤波器：从含有噪声的信号估计出有用的信号和噪声信号。该方法是将信号和噪声本身都视为随机信号，利用其统计特征，如自相关函数，互相关函数，自功率谱，互功率谱等引导出信号的估计算法，然后利用数字设备实现。主要有维纳滤波，卡尔曼滤波，自适应滤波等数字滤波器。

步骤五中，划分故障区间。以实际测试数据为依据，对故障过程进行分区，如图2本实施例中的故障分区示意图所示。

I、根据测试电压数据，将测试与仿真的数据序列分为A(故障前)、B(故障期间)、C(故障后)三个时段；

1)电压跌落前1s为A时段开始；

2)电压跌落至0.9U_n时刻的前20ms为A时段结束，B时段开始；

3)故障清除开始时刻的前20ms为B时段结束，C时段开始

4)故障清除后，风电机组有功功率开始稳定输出后的1s为C时段结束。

II、根据有功功率的响应特性，将B、C时段分为暂态区间和稳态区间，其中B时段分为B1_a(暂态)和B2_a(稳态)区间，C时段分为C1_a(暂态)、C2_a(稳态)(若考虑限流阻抗的影响，还包括C3_a(限流阻抗引起的暂态)和C4_a(稳态))区间。

1)B时段的开始时刻为B1_a暂态区间的开始

2)一般以电压跌落后100ms为B1_a暂态区间的结束，如果暂态过程不能在此时间内结束，则以有功功率的波动进入该时段内其平均值的±10％范围内时刻的后20ms为B1_a和B1_r暂态区间的结束。

3)C时段的开始时刻为C1_a暂态区间的开始；

4)一般以故障清除后的500ms为有功功率暂态区间C1_a的结束时刻；以限流阻抗退出后250ms为暂态区间C3_a的结束。若暂态过程不能在上述时间内结束，则分别以有功功率和无功电流的波动进入该时段内其平均值的±10％范围内时刻的后20ms为C1_a、C3_a暂态区间的结束。

III、根据无功电流的响应特性，将B、C时段分为暂态区间和稳态区间，其中B时段分为B1_r(暂态)和B2_r(稳态)区间，C时段分为C1(暂态)、C2(稳态)(若考虑限流阻抗的影响，还包括C3(限流阻抗引起的暂态)和C4(稳态))区间。

1)B时段的开始时刻为B1_r暂态区间的开始。

2)一般以电压跌落后100ms为B1_r暂态区间的结束。如果暂态过程不能在上述时间结束，则分别以有功功率、无功电流的波动进入该时段内其平均值的±10％范围内时刻的后20ms为B1_r暂态区间的结束。

3)C时段的开始时刻为C1_r暂态区间的开始；

4)一般以故障清除后的100ms为有功功率暂态区间C1_r的结束时刻；以限流阻抗退出后250ms为暂态区间C3_r的结束。若暂态过程不能在上述时间内结束，则分别以无功电流的波动进入该时段内其平均值的±10％范围内时刻的后20ms为C1_r、C3_r暂态区间的结束。

步骤六中，通过计算测试数据与仿真数据之间的偏差，考核模型的准确程度。测试与仿真偏差计算的电气量是：电压、有功功率、无功功率和无功电流。

测试与仿真偏差包括平均偏差、平均绝对偏差、最大偏差以及加权平均绝对偏差。其中，各时段暂态区间分别计算平均偏差和平均绝对偏差，稳态区间分别计算平均偏差、平均绝对偏差和最大偏差。

本实施例中，用X_S和X_M分别表示以上电气量的仿真数据和测试数据基波正序分量的标幺值。K_Start和K_End分别表示计算偏差时第一个和最后一个仿真数据、测试数据对应的序号。

1、平均偏差：

计算测试数据与仿真数据基波正序分量差值的算术平均，并取其绝对值，用F₁表示。

$F_1=\left|\frac{\underset{i=K_{\mathrm{Start}}}{\overset{K_{\mathrm{End}}}{\mathrm{\Σ}}}(X_M\left(i\right)-X_S\left(i\right))}{K_{\mathrm{End}}-K_{\mathrm{Start}}+1}\right|---\left(1\right)$

2、平均绝对偏差：

计算测试数据与仿真数据基波正序分量差值的绝对值的算术平均，用F₂表示。

$F_2=\left|\frac{\underset{i=K_{\mathrm{Start}}}{\overset{K_{\mathrm{End}}}{\mathrm{\Σ}}}\left|(X_M\left(i\right)-X_S\left(i\right))\right|}{K_{\mathrm{End}}-K_{\mathrm{Start}}+1}\right|---\left(2\right)$

3、最大偏差

计算测试数据与仿真数据基波正序分量差值的绝对值的最大值，用F₃表示。

$F_3={\max }_{i=K_{\mathrm{Start}}...K_{\mathrm{End}}}\left(\right|X_M\left(i\right)-X_S\left(i\right)\left|\right)---\left(3\right)$

4、加权平均绝对偏差

分别计算有功功率、无功功率、无功电流在A、B、C时段的平均绝对偏差，以F_AP、F_BP、F_CP、F_AQ、F_BQ、F_CQ、F_AIQ、F_BIQ、F_CIQ表示。

以B时段有功功率的平均绝对偏差FBP为例，K_Start和K_End分别表示B时段数据序列第一个和最后一个数据对应的序号。计算如下：

$F_{\mathrm{BP}}=\frac{\underset{i=K_{\mathrm{Start}}}{\overset{K_{\mathrm{End}}}{\mathrm{\Σ}}}\left|(P_M\left(i\right)-P_S\left(i\right))\right|}{K_{\mathrm{End}}-K_{\mathrm{Start}}+1}---\left(4\right)$

其中，P_M(i)、P_S(i)分别表示测试数据和仿真数据中的有功功率、无功功率或无功电流；

将各时段的平均绝对偏差进行加权平均，得到整个过程的加权平均绝对偏差。三个区间的权值分别是：

——A(故障前)：10％

——B(故障期间)：60％

——C(故障后)：30％

以有功功率为例计算加权平均绝对偏差如下：

F_{G_P}＝0.1F_AP+0.6F_BP+0.3F_CP(5)

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种风电机组电气模型低电压穿越特性验证方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

I、确定验证工况要求和所述风电机组电气模型低电压穿越特性验证的外部电网模型的数据；

II、根据所述验证工况要求分别进行仿真和实际测试；

III、对步骤II的结果进行正序分量计算处理；

IV、对正序分量计算处理的结果进行数据滤波；

V、划分故障区间；

VI、根据故障区间的所述实际测试和所述仿真的结果的偏差确定所述风电机组电气模型的准确度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述检测工况要求包括大功率输出状态和小功率输出状态；

所述大功率输出状态包括三相对称故障和两相不对称故障情况下的电压跌落分别至(0.75±0.05)U_n、(0.50±0.05)U_n、(0.35±0.05)U_n、(0.20±0.05)U_n的工况；

所述小功率输出状态包括三相对称故障和两相不对称故障情况下的电压跌落分别至(0.75±0.05)U_n、(0.50±0.05)U_n、(0.35±0.05)U_n、(0.20±0.05)U_n的工况。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述外部电网模型的数据包括等效电网模型参数和电压跌落设备参数；

所述等效电网模型参数包括：等效电网电压U_G和等效电网阻抗Z_G；

所述电压跌落设备参数包括：限流阻抗Z₁的电阻和电抗值、短路阻抗Z₂的电阻和电抗值，以及开关S₁和S₂的动作时序。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述外部电网模型包括依次连接的等效电网电压U_G、等效电网阻抗Z_G、限流阻抗Z₁、风电机组变压器和风电机组；所述限流阻抗Z₁与开关S₁并联，短路阻抗Z₂连接于所述限流阻抗Z₁与风电机组变压器间，所述短路阻抗Z₂通过开关S₂接地。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤II的结果包括仿真和实际测试的风电机组变压器与风电机组之间的电压、电流和功率。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤V包括以下步骤：

S501、根据实际测试的电压数据，将实际测试与仿真的数据序列分为对应故障前、故障期间、故障后三个时段的A时段、B时段、C时段；

S502、根据有功功率的响应特性将所述B时段和所述C时段均分为暂态区间和稳态区间；

S503、根据无功电流的响应特性将所述B时段和所述C时段均分为暂态区间和稳态区间。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S502和S503中，在考虑限流阻抗影响的情况下，所述C时段包括所述暂态区间、所述稳态区间、限流阻抗引起的暂态区间和限流阻抗引起的稳态区间。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤VI中的偏差包括平均偏差、平均绝对偏差、最大偏差和加权平均绝对偏差；

各时段暂态区间分别计算所述平均偏差和所述平均绝对偏差，各时段稳态区间分别计算所述平均偏差、所述平均绝对偏差和所述最大偏差。