CN112332441A - 基于低电压穿越的双馈风机全风速和初始化建模 - Google Patents

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颜湘武
孙颖
李铁成
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North China Electric Power University
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Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co Ltd
North China Electric Power University
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Abstract

基于低电压穿越的双馈风机全风速和初始化建模。本发明公开了新能源技术领域的双馈风机在低压穿越实验数据下的全风速和快速启动初始化的建模方法。随着风电比例的升高，其对电网稳定性影响日益突出，对其准确建模具有重要意义。本方法依据某电力科学研究院提供的低电压穿越测试数据进行风电场建模研究，包括不同风速、不同电压跌落程度等运行工况。构建了双馈风电机组全风速运行下的快速启动模型，根据实测数据、曲线分析，判断风电机组的运行及低电压穿越保护装置、确定控制方式；结合运行数据，给予部分风机初始化的参数，使得***模型能够在1秒内快速启动稳定运行。本发明所提方法能够为实际风电场准确建模，对于风电场的相关测试具有较高的实际应用价值。

Description

基于低电压穿越的双馈风机全风速和初始化建模
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及适合双馈风电机组基于低电压穿越的全风速及初始化建模方法。
背景技术
由于日趋严重的环境与资源问题以及风能利用成本低廉和技术成熟等原因，风力发电成为电力***中相对增长较快的新能源发电技术，发展风电成为改善电力***经济运行极为重要的措施。风力发电机组单机容量和风电场建设规模日益扩大，但风力的随机性和间歇性会对电力***稳定运行产生一定的影响，随着风力发电***的不断发展，电网发生故障时的风电场低电压穿越问题引起了高度关注，目前所有并网的风电场均要求具备低电压穿越能力，因此对于含有风电场的电力***，需要建立正确的数学模型并对该***进行仿真分析。
现有的部分风力发电场，若对其进行性能测试或用于新技术的开发研究，都需要花费大量的人力物力，而且不成熟的技术可能会对设备产生损坏，影响其使用寿命和操作安全。所以，对已有的实体风电场进行有针对性的建模，用于检测开发，便十分有意义。
发明内容
本发明提供了一种根据现场实测数据进行基于低电压穿越的双馈风机全风速建模和快速启动的策略方法。内蒙古电力科学研究院依据国标GB/T 19963-2011《风电场接入电力***技术规定》，对某风电场35kV风电机组进行了低电压穿越功能现场测试。华北电力大学依据内蒙古电力科学研究院提供的双馈风电机组低电压穿越功能测试数据进行风电场建模研究。
下面介绍具体的建模过程。(1)根据所研究的双馈风力发电机组，基于MATLAB搭建了单台额定功率为1.5MW的双馈风力发电机组并网仿真模型，如图1。(2)在双馈风电模型的基础之上，确定合理的模型参数，以满足实际应用的需要。对于电力***仿真应用，比较关心的是电网发生故障后风电机组的电气行为，可以对影响风电机组电气特性的主要参数进行辨识，主要是影响有功、无功特性的参数。双馈风电机组参数的辨识在现有双馈风电机组低电压穿越数据的基础上开展，这些数据包括不同风速、不同电压跌落程度等多种运行工况，比较全面的反映了双馈风电机组的电气特性。由图2可以看出，发电机采用不同参数对有功、无功的输出影响很小。(3)确定主要风机控制方式，风机正常运行情况下风机满发，无功功率为零，可实现单位功率因数运行。(4)确定主要的低电压穿越保护装置，Crowbar电路与机侧变频器并联，动作后相当于将转子回路采用一个电阻短接。(5)构建双馈风力发电机组全风速运行模型，由
Figure BSA0000217196780000021
可知，风力机输出的机械功率与风速及功率系数Cp有关。在全风速范围内，风电机组的运行状态将分成恒功率系数变转速阶段、恒转速变功率系数阶段、变桨距恒功率阶段三个阶段。在这三个阶段运行时，风电机组的各个参数变化如图3、图4、图5所示。在风速小于切入风速或大于切出风速时，风电机组不运行。可根据双馈风机输出有功功率并结合桨距角变化确定风机实际运行点情况。(6)对现有模型进行初始化工作，使模型在启动后能够快速地达到稳定。给予风机一个初始的转差率s，电气角度th，定子三相电流ias，ibs，ics和定子电流的相角phasas，phasbs，phascs，得到初始化后快速启动结果对比图6。
附图说明
图1a、1b为双馈风力发电机组并网仿真模型图。
图2为不同发电机参数的对比曲线图。
图3为输出功率与风速关系图。
图4为转速与风速关系图。
图5为桨距角与风速关系图。
图6为初始化前后对比图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。附图1a、1b为双馈风力发电机组并网仿真模型图，1.5MW双馈风力发电机组由风机原动机、发电机与转子侧变换器、网侧变换器构成。网侧变流器一端与双馈型风力发电机的定子连接，另一端通过直流母线与机侧变流器相连，机侧变流器与双馈型风力发电机的转子连接，Crowbar装置位于机侧变流器与双馈风力发电机组之间，实现风机低压穿越的硬件保护。双馈风力发电***并入电网部分主要由低压-中压升压变压器、低电压发生装置、线路阻抗、中压-高压升压变压器以及大电网构成。
附图2为不同发电机参数的对比曲线图，发电机采用不同参数对有功、无功的输出影响很小。风电机组输出特性主要决定于控制***，风电机组本身容量小、响应速度快，相同容量的风电机组即使参数有一定的差异，但响应速度相差并不明显，因此对整体的输出特性影响较小。从上面对风电本身物理参数的影响分析可以看出，不同参数对风电机组功率输出外特性的局部波动有一定的影响，对整体的曲线形态影响较小。
Crowbar通常采用转子电流作为控制信号，动作后，改变了异步发电机的结构，使变频器的控制失去作用，需要从***吸收一定容量的无功功率，因此会对发电机的无功输出产生较大影响。Crowbar电路与机侧变频器并联，动作后相当于将转子回路采用一个电阻短接。Crowbar通常采用转子电流作为控制信号，动作后，改变了异步发电机的结构，使变频器的控制失去作用，需要从***吸收一定容量的无功功率，因此会对发电机的无功输出产生较大影响。
风力机从风中捕获的功率可表示为
Figure BSA0000217196780000031
Figure BSA0000217196780000032
Figure BSA0000217196780000033
Figure BSA0000217196780000034
式中：λ为叶尖速比，β为桨距角，R为风力机叶片半径，ρ为空气密度，v为风速，A为叶片扫过的面积，λl为公式化简中的中间变量，Cp(βλ)为风力机的风能转换效率系数，ωr为发电机转子转速。由式(1)可知，风力机输出的机械功率与风速及功率系数Cp有关。
构建双馈风力发电机组全风速运行模型，在全风速范围内，风电机组的运行状态将分成三个阶段：恒功率系数变转速阶段、恒转速变功率系数阶段、变桨距恒功率阶段。在这三个阶段运行时，风电机组的各个参数变化如图3、图4、图5所示。
恒功率系数变转速阶段：当风速大于切入风速时，为了实现最大风能捕获风力机功率系数取最大值Cp max＝0.48，如图1所示，此时β＝0，λopt＝8.1。为实现最大功率点跟踪控制，风力机转速ωm将随着风速的增大而增大，直至风力机额定转速。
恒转速变功率系数阶段：当风速增加但不超过额定风速时，转速将保持在额定值不再增大，此阶段内的最大功率点即为转速为额定值时，风力机的输出功率。同时，随着风速增加叶尖速比、功率系数将减小，桨距角不变，风力机输出功率继续增加直至额定功率。
变桨距恒功率阶段：当风速超过额定风速(12.5m/s)小于切出风速时，为保证风电机组的稳定运行，桨距角将随着风速增大而增大以使输出功率保持在额定值附近，此阶段内的最大功率也为转速为额定值(ωm＝1.2)时，风力机的输出功率，也就是额定功率。
在风速小于切入风速或大于切出风速时，风电机组不运行。故可根据双馈风机输出有功功率并结合桨距角变化确定风机实际运行点情况。
在上文工作基础上，为使模型在启动后能够快速地达到稳定，对现有模型进行初始化工作。方案是，给予风机一个初始的转差率s，电气角度th，定子三相电流ias，ibs，ics和定子电流的相角phasas，phasbs，phascs。初始的数据，由风机稳定运行后的数据反推得出，所以前期做了大量的稳定时的数据记录及处理。根据稳定时的转速给出启动时的转差率；根据稳定时的定子三相电流，给出启动时的三相电流相应数据。电气角度th＝p×机械角度，其中p为极对数，机械角度为360°，即2π。
风力发电机接收到的风速与其相对应的转速有如下关系：
Figure BSA0000217196780000041
转速和风速基本呈现线性的关系。根据统计的风速和对应转速数据，通过数据线性回归的拟合，得出转速和风速的基本关系ωpu＝0.0997v-0.0278。当转速标幺值超过额定转速1.2，限制其为额定转速1.2。不同的转差率，风轮机具有不同的初始转速，其关系为Tis＝0.9672ωpu+0.0202。
以大风(重载)为例，当风速为14m/s时，根据拟合关系，得到此时的转速超过了额定转速，所以转速为1.2，转差率为-0.2，对应的风轮机初始转速为1.18，将这些参数作为初始化数据进行仿真。初始化结果如附图6所示，初始化后***启动后1秒内达到稳定状态，比初始化前快速。

Claims (3)

1.一种基于低电压穿越的双馈风机建模和初始化方法，其特征在于，双馈风电机组参数的辨识在现有双馈风电机组低电压穿越数据的基础上开展，这些数据包括不同风速、不同电压跌落程度等多种运行工况，比较全面的反映了双馈风电机组的电气特性。双馈风力发电机有功、无功输出曲线，无功功率与电压跌落程度呈比例关系，由此推断低穿过程中无功功率为电压下垂控制；低电压穿越结束后，无功大小立即回到零，说明进行正常的无功控制状态，该风机实现单位功率因数运行，有功功率在正常运行过程中实现最大功率跟踪控制，在低穿过程中启动Crowbar装置，消耗输出过剩的有功功率。
2.一种基于低电压穿越的双馈风机建模和初始化方法，其特征在于，构建了双馈风力发电机组全风速运行模型。明确全风速范围内风机参数随不同运行状态的变化规律。在风速小于切入风速或大于切出风速时，风电机组不运行。根据双馈风机输出有功功率并结合桨距角变化确定风机实际运行点情况。
3.一种基于低电压穿越的双馈风机建模和初始化方法，其特征在于，根据不同工况下的数据，明确风机部分启动参数与风速的关系。根据风速，自动给予风机初始的转差率s，电气角度th，定子三相电流ias，ibs，ics和定子电流的相角phasas，phasbs，phascs，使模型在启动后1s内能够快速地达到稳定。
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