一種計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是：首先根據(jù)雙饋風電機組發(fā)生三相短路故障后其轉(zhuǎn)子電流增長與機組端電壓跌落幅值之間的關(guān)系，提出一種能夠表征雙饋風電機組撬棒保護動作情況的電壓跌落判據(jù)；在此基礎(chǔ)上，考慮到單機無窮大并網(wǎng)結(jié)構(gòu)和風電場拓撲結(jié)構(gòu)的不同，對所提出的動作判據(jù)進行修正并依此判定機組的撬棒保護動作情況；繼而，以撬棒保護動作情況作為機群分類原則，建立風電場等值模型。本發(fā)明實現(xiàn)了對雙饋風電場內(nèi)部機組撬棒保護動作情況的準確表征，提高了風電場等值模型對風電場功率外特性的擬合精度。
【專利說明】-種計及攝棒保護的雙饋風電場等值建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種針對雙饋風電場并網(wǎng)外特性的等值建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 雙饋風電機組具有最大功率追蹤、功率解禪控制、變流器容量小等特點，是當前風 電場中的主流機型。為了提高雙饋風電機組的低電壓穿越能力，通常在其轉(zhuǎn)子側(cè)裝設(shè)擦椿 保護使功率變流器免受短路電流的沖擊。擦椿保護電路的投入不僅使機組失去對輸出功率 的控制，有可能誘發(fā)風場內(nèi)機組的連鎖脫網(wǎng)，還由于擦椿電阻的接入導致風電場的弱饋程 度增強。因此，擦椿保護的動作對風電場的運行特性具有重要影響。
[0003] 開展大規(guī)模風電并網(wǎng)特性研究時，為了減少風電場模型的階數(shù)和仿真計算時間， 風電場一般采用等值模型。目前，風電場多機等值模型的研究重點在于通過對風電機組特 性的量化提取，確定合理的分群判據(jù)指標。常用的分群判據(jù)指標有風力機的輸入風速、獎距 角的動作情況、風電機組的直軸暫態(tài)電動勢和風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速向量。風電場單機等值模 型的研究熱點在于通過優(yōu)化等值模型參數(shù)，進一步提高對風電場外特性的擬合精度。優(yōu)化 對象包括等值風力發(fā)電機參數(shù)、等值控制器參數(shù)和風電場內(nèi)部的無源器件。但是，目前的研 究成果均未計及擦椿保護對機組及風電場等值建模的影響。研究表明，如果考慮擦椿保護， 傳統(tǒng)的分群判據(jù)指標難W準確表征機組的擦椿保護動作情況，導致風電場等值模型產(chǎn)生較 大誤差。有學者對雙饋風電機組端電壓跌落深度與擦椿保護之間的關(guān)系進行研究，卻沒有 考慮風電場拓撲結(jié)構(gòu)對機組端電壓跌落臨界值的影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了提高基于同調(diào)等值思想的雙饋風電場等值建模方法對雙饋風電機組 擦椿保護動作情況的等效正確率，使風電場等值模型更加準確地擬合風電場的功率外特 性。本發(fā)明提供一種計及擦椿保護的雙饋風電場等值建模方法。
[0005] 本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明計及擦椿保護的雙饋風電場等值建模方法的特點是按如下步驟進行：
[0007] 步驟1、對風電場全年的實測風資源信息進行統(tǒng)計，所述風資源信息包括風電場風 速的大小和風向，建立風電場風資源信息數(shù)據(jù)庫；
[000引步驟2、基于雙饋風電場的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)，搭建風電場詳細模型；
[0009] 步驟3、設(shè)定機組的運行功率因數(shù)，從風資源信息數(shù)據(jù)庫中隨機讀入一組風電場的 風速信息，依據(jù)機組的位置分布和尾流效應(yīng)計算推導出各臺機組的輸入風速，由輸入風速 對應(yīng)確定各臺機組的有功功率P，，完成動態(tài)仿真前模型的潮流初始化；所述一組風電場的 風速信息是指在機組切入風速Vi。和切除風速Vwt范圍內(nèi)的某一風速大小和0°到360°范 圍內(nèi)某一風速方向的組合風速信息；所述機組為雙饋風電機組；
[0010] 步驟4、采集風電場內(nèi)部各臺機組穩(wěn)態(tài)運行時的端電壓&。；
[0011] 步驟5、設(shè)定0. Is時電網(wǎng)側(cè)發(fā)生S相短路故障，150ms后故障消除，采集S相短路 故障后1ms時刻各臺機組的端電壓跌落值&k;
[0012] 步驟6、若所述端電壓跌落值U,k小于修正前的相對應(yīng)的端電壓跌落臨界值U。，則 判定機組擦椿保護動作，將擦椿保護動作機組劃歸至擦椿保護動作機群；反之，則計算該機 組的虛擬線路阻抗Z,q_k;
[0013] 步驟7、將步驟6中計算獲得的虛擬線路阻抗2。。_方妾入機組單機無窮大并網(wǎng)模型 的機端變壓器和中壓母線之間，對機組的端電壓跌落臨界值U。進行修正，獲得修正后的端 電壓跌落臨界值U。'；
[0014] 步驟8、若是步驟5采集的機組端電壓跌落值&k小于步驟7中獲得的修正后的端 電壓跌落臨界值U。'，則判定機組擦椿保護動作，將擦椿保護動作機組劃歸至擦椿保護動 作機群；反之，則判定機組的擦椿保護未動作，將擦椿保護未動作的機組劃歸至擦椿保護未 動作機群；
[0015] 步驟9、令：擦椿保護動作機群中包含的機組用第一臺等值機組WT,qi表征，機組所 在支路中其有功功率流出方向上的線路阻抗用第一個等值線路阻抗2。。1表征，機組的機端 變壓器用第一臺等值機端變壓器Lqi表征；令；擦椿保護未動作機群中包含的機組用第二 臺等值機組WT。。,表征，機組所在支路中其有功功率流出方向上的線路阻抗用第二個等值線 路阻抗2。。2表征，機組的機端變壓器用第二臺等值機端變壓器T。。2表征；利用所述第一臺等 值機組WLqi和第二臺等值機組WT。。2、第一個等值線路阻抗2。。1和第二個等值線路阻抗Z。。2、 第一臺等值機端變壓器Lqi和第二臺等值機端變壓器T。。2的等值參數(shù)建立計及擦椿保護的 雙饋風電場等值模型。
[0016] 本發(fā)明計及擦椿保護的雙饋風電場等值建模方法的特點也在于：步驟2中所述風 電場是由多臺型號相同的機組組成，所述機組的額定端電壓為叫，經(jīng)機端變壓器升壓至U" 后通過架空線路接于中壓母線，再經(jīng)過風電場主變壓器升壓至Uhv，最終通過雙回線路接入 電網(wǎng)；相鄰機組間的間隔為S ;所述風電場詳細模型包括風電場內(nèi)各機組的單機模型、機組 間線路模型、機端變壓器W及主變壓器模型。
[0017] 本發(fā)明計及擦椿保護的雙饋風電場等值建模方法的特點也在于：步驟3中各機組 的輸入風速按W下過程計算：
[001引步驟a、根據(jù)讀入的風電場風速信息中的風向信息確定風電場內(nèi)部機組間的上、下 游位置關(guān)系；
[0019] 步驟b、風電場內(nèi)部最上游機組的輸入風速的大小等于讀入的風電場風速信息中 的風速大小；設(shè)定下游機組WTj.的輸入風速V j.僅受其上游機組WT k尾流效應(yīng)的影響，則下游 機組WTj.的輸入風速Vj.按公式（1)計算獲得：
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是所述方法按如下步驟進 行： 步驟1、對風電場全年的實測風資源信息進行統(tǒng)計，所述風資源信息包括風電場風速的 大小和風向，建立風電場風資源信息數(shù)據(jù)庫； 步驟2、基于雙饋風電場的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和模型參數(shù)，搭建風電場詳細模型； 步驟3、設(shè)定機組的運行功率因數(shù)，從風資源信息數(shù)據(jù)庫中隨機讀入一組風電場的風速 信息，依據(jù)機組的位置分布和尾流效應(yīng)計算推導出各臺機組的輸入風速，由輸入風速對應(yīng) 確定各臺機組的有功功率Pw，完成動態(tài)仿真前模型的潮流初始化；所述一組風電場的風速 信息是指在機組切入風速vin和切除風速V_范圍內(nèi)的某一風速大小和0°到360°范圍內(nèi) 某一風速方向的組合風速信息；所述機組為雙饋風電機組； 步驟4、采集風電場內(nèi)部各臺機組穩(wěn)態(tài)運行時的端電壓Ustl; 步驟5、設(shè)定0.Is時電網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障，150ms后故障消除，采集三相短路故障 后Ims時刻各臺機組的端電壓跌落值Usk; 步驟6、若所述端電壓跌落值M、于修正前的相對應(yīng)的端電壓跌落臨界值U^，則判定 機組撬棒保護動作，將撬棒保護動作機組劃歸至撬棒保護動作機群；反之，則計算該機組的 虛擬線路阻抗Zetrk; 步驟7、將步驟6中計算獲得的虛擬線路阻抗Zrark接入機組單機無窮大并網(wǎng)模型的機 端變壓器和中壓母線之間，對機組的端電壓跌落臨界值Utl進行修正，獲得修正后的端電壓 跌落臨界值Utl'; 步驟8、若是步驟5采集的機組端電壓跌落值M、于步驟7中獲得的修正后的端電壓 跌落臨界值Uc/，則判定機組撬棒保護動作，將撬棒保護動作機組劃歸至撬棒保護動作機 群；反之，則判定機組的撬棒保護未動作，將撬棒保護未動作的機組劃歸至撬棒保護未動作 機群； 步驟9、令：撬棒保護動作機群中包含的機組用第一臺等值機組WT_表征，機組所在支 路中其有功功率流出方向上的線路阻抗用第一個等值線路阻抗Zrail表征，機組的機端變壓 器用第一臺等值機端變壓器Trail表征；令：撬棒保護未動作機群中包含的機組用第二臺等 值機組WTeq2表征，機組所在支路中其有功功率流出方向上的線路阻抗用第二個等值線路阻 抗Zrai2表征，機組的機端變壓器用第二臺等值機端變壓器T_表征；利用所述第一臺等值機 組WTeql和第二臺等值機組WTeq2、第一個等值線路阻抗Zeql和第二個等值線路阻抗Zeq2、第一 臺等值機端變壓器T^11和第二臺等值機端變壓器T_的等值參數(shù)建立計及撬棒保護的雙饋 風電場等值模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是步驟2 中所述風電場是由多臺型號相同的機組組成，所述機組的額定端電壓為Un，經(jīng)機端變壓器 升壓至Umv后通過架空線路接于中壓母線，再經(jīng)過風電場主變壓器升壓至UHV，最終通過雙回 線路接入電網(wǎng)；相鄰機組間的間隔為s;所述風電場詳細模型包括風電場內(nèi)各機組的單機 模型、機組間線路模型、機端變壓器以及主變壓器模型。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是步驟3 中各機組的輸入風速按以下過程計算： 步驟a、根據(jù)讀入的風電場風速信息中的風向信息確定風電場內(nèi)部機組間的上、下游位 置關(guān)系； 步驟b、風電場內(nèi)部最上游機組的輸入風速的大小等于讀入的風電場風速信息中的風 速大??；設(shè)定下游機組WTj的輸入風速V」僅受其上游機組WTk尾流效應(yīng)的影響，則下游機組 WTj的輸入風速Vj按公式（1)計算獲得：
式（1)中，Vk為上游機組WTk的輸入風速；r為機組圓形掃風截面的半徑；sjk為上游機 組WTk和下游機組WL的直線距離；Ct為推力系數(shù)； 步驟c、將機組WTj乍為上游機組，依據(jù)式（1)確定其下游機組的輸入風速，依次類推， 直至計算獲得風電場內(nèi)部各機組的輸入風速。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是所述步 驟3中機組的有功功率Pw由式（2)計算獲得：
式（2)中，P為空氣密度；Vw為機組的輸入風速；Cp為風能利用系數(shù)；所述風能利用系 數(shù)cp由式（3)計算獲得：
式（3)中，A為機組的葉尖速比；0為機組的槳距角；《t為機組中的風輪機轉(zhuǎn)速。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是步驟6 中機組修正前端電壓跌落臨界值Utl按如下過程確定： (1) 、搭建機組單機無窮大并網(wǎng)模型，設(shè)定機組的運行功率因數(shù)；設(shè)定機組的有功功率 PwS〇麗，穩(wěn)態(tài)運行時的端電壓為0. 97pu; (2) 、設(shè)定0.Is時電網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障，150ms后故障消除； (3) 、在三相短路故障發(fā)生后Ims時，若機組的撬棒保護未動作，則逐步減小短路接地 阻抗Zf，直至撬棒保護恰好動作；若機組的撬棒保護動作，則逐步增加短路接地阻抗Zf，直 至撬棒保護恰好不動作； (4) 、記錄撬棒保護由未動作到恰好動作時刻，或撬棒保護由動作到恰好不動作時刻機 組的端電壓跌落值Usk，即為機組在有功功率Pw和穩(wěn)態(tài)運行端電壓Us(l組合情況下對應(yīng)的修 正前端電壓跌落臨界值Utl; (5) 、在機組運行功率0?2MW范圍內(nèi)以0.IMW為步長逐漸增加機組的有功功率Pw，重 復步驟⑵到步驟（4); (6) 、在機組穩(wěn)態(tài)運行端電壓0. 97?I. 07pu范圍內(nèi)以0.Olpu為步長逐漸增加機組的 穩(wěn)態(tài)運行端電壓Ustl，重復步驟（2)到步驟（5); ⑵、以有功功率X軸，穩(wěn)態(tài)運行時端電壓Us(l為Y軸，修正前端電壓跌落臨界值U。 為Z軸，建立機組修正前的端電壓跌落臨界值三維坐標圖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是步驟6 中機組的虛擬線路阻抗Zwrk按式（4)計算獲得：
式⑷中，Z1為機組WT#在支路中其有功功率P￥流出支路的線路阻抗；《為第i臺 機組WTi視在功率的共軛值；N為機組WTi所在的一條饋線上的機組的臺數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是步驟7 中對機組端電壓跌落臨界值Utl的修正按如下過程進行： (a)、將機組的線路虛擬阻抗Zwrk串聯(lián)接入機組單機無窮大并網(wǎng)模型的機端變壓器和 中壓母線之間； (b)、設(shè)定機組的運行功率因數(shù)與步驟3中設(shè)定的運行功率因數(shù)相同，并設(shè)定機組有功 功率Pw與步驟3中機組有功功率Pw保持相同，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓使機組穩(wěn)態(tài)運行時的端電壓UsQ 與步驟4采集到的端電壓相同Ustl; (c) 、設(shè)定0.Is時電網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相短路故障，150ms后故障消除； (d)、在三相短路故障發(fā)生后Ims時，若機組的撬棒保護未動作，則逐步減小短路接地 阻抗Zf，直至撬棒保護恰好動作；若撬棒保護動作，則逐步增加短路接地阻抗Zf，直至撬棒 保護恰好不動作； (e)、記錄撬棒保護由未動作到恰好動作時刻，或撬棒保護由動作到恰好不動作時刻機 組的端電壓跌落值Usk，即為機組有功功率Pw和穩(wěn)態(tài)運行端電壓Us(l組合情況下對應(yīng)的修正 后端電壓跌落臨界值U'p
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的計及撬棒保護的雙饋風電場等值建模方法，其特征是所述步 驟9中等值機組包含的各等值參數(shù)：視在功率Srai、發(fā)電機阻抗Ztj ^慣性時間常數(shù)Heq、軸系 剛度系數(shù)1^、軸系阻尼系數(shù)Drai,以及等值機端變壓器包含的各等值參數(shù)：視在功率STmi、阻 抗ZTe(1按式（5)計算獲得：
式（5)中，SpZM、氏、心和Di分別表示第i臺機組的視在功率、發(fā)電機阻抗、慣性時間 常數(shù)、軸系剛度系數(shù)和軸系阻尼系數(shù)；STi、ZTi為第i臺機組的機端變壓器的額定容量和阻 抗;m為相應(yīng)機群中機組的臺數(shù)； 等值線路的阻抗Z1^按式（6)計算獲得：
【文檔編號】G06F19/00GK104504285SQ201510005159
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月6日
【發(fā)明者】丁明, 朱乾龍, 韓平平, 賀敬 申請人:合肥工業(yè)大學, 中國電力科學研究院