故障分析用永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)等值模型建立方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新能源電源建模技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種故障分析用永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng) 電磁暫態(tài)等值模型建立方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)電在我國(guó)區(qū)域電網(wǎng)中所占比例的持續(xù)增加，使得所接電網(wǎng)故障特性將發(fā)生根本 性改變，現(xiàn)有繼電保護(hù)技術(shù)不再適用。盡管目前相關(guān)問(wèn)題已引起了電力企業(yè)及相關(guān)科研院 所的廣泛關(guān)注，但是由于風(fēng)電場(chǎng)故障特性依賴于電力電子變換器控制策略且這些控制策略 未知，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)故障分析等值計(jì)算模型未知，所接電網(wǎng)現(xiàn)有保護(hù)適應(yīng)性分析及保護(hù)新原 理研究缺乏理論支撐。在實(shí)際電網(wǎng)保護(hù)配置中，通常忽略風(fēng)電場(chǎng)的影響，即將風(fēng)電場(chǎng)視為負(fù) 荷處理。
[0003] 事實(shí)上，相比于同步發(fā)電機(jī)，風(fēng)電場(chǎng)故障暫態(tài)過(guò)程非常復(fù)雜，不僅包含場(chǎng)內(nèi)不同位 置處幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)單元風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁過(guò)渡過(guò)程，還包含大量電力電子變換器所用 不同控制與保護(hù)回路之間的相互切換過(guò)程。這造成常規(guī)電壓源串聯(lián)阻抗的同步發(fā)電機(jī)故障 分析模型并不適用于風(fēng)電場(chǎng)，在電網(wǎng)保護(hù)研究中風(fēng)電場(chǎng)究竟該如何等值處理是目前目前電 力系統(tǒng)領(lǐng)域面臨的核心瓶頸問(wèn)題。
[0004] 然而，對(duì)于當(dāng)前主流的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，為不失真地模擬其并網(wǎng)用電力電 子器件變換器的故障響應(yīng)過(guò)程，需微秒級(jí)的數(shù)值仿真步長(zhǎng)。因此，對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)而言，若 通過(guò)逐一地建立場(chǎng)內(nèi)幾十臺(tái)甚至上百臺(tái)單元機(jī)組的詳細(xì)故障暫態(tài)仿真模型，利用現(xiàn)有的仿 真軟件模擬其故障暫態(tài)過(guò)程(持續(xù)時(shí)間短，關(guān)注秒級(jí)故障電氣量），所需數(shù)據(jù)運(yùn)算量相當(dāng)巨 大，極易出現(xiàn)計(jì)算資源不足等問(wèn)題。因此，決定風(fēng)電場(chǎng)故障暫態(tài)過(guò)程仿真結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確與否 的關(guān)鍵要素是:風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)單元機(jī)組究竟該如何分群并等值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提出一種故障分析用永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)等值模型建立方法，以等值 前后故障電流波形一致為基本約束條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組進(jìn)行分群，在此基礎(chǔ)上將同 群風(fēng)電機(jī)組等值分解為靜態(tài)頻率相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等值模型部分和動(dòng)態(tài)低頻等值模型部分，進(jìn)一 步建立以集電線路上風(fēng)電機(jī)組群為基本單元的風(fēng)電場(chǎng)的多機(jī)等值方案。
[0006] 實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的解決方案為：
[0007] -種故障分析用永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)等值模型建立方法，所述模型建立方法 包括：
[0008] (1)將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)同一集電線路上具有相似故障電磁暫態(tài)信息的風(fēng)電機(jī)組劃做同 群；
[0009] (2)將同群風(fēng)電機(jī)組等值分解為靜態(tài)頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等值模型部分和動(dòng)態(tài)低頻等值 模型部分；
[0010] (3)建立永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)等值模型。
[0011] 優(yōu)選的，所述靜態(tài)頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等值模型部分包括集電線路及其上所有風(fēng)電機(jī)組 群的主電路部分；
[0012] 所述動(dòng)態(tài)低頻等值模型部分包括網(wǎng)側(cè)變換器主電路部分及相關(guān)測(cè)量單元、功率控 制單元、電流控制單元和鎖相環(huán)節(jié)。該部分模型及相關(guān)參數(shù)通常可由風(fēng)電機(jī)組廠商提供。
[0013] 進(jìn)一步的，所述靜態(tài)頻率相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等值模型部分建立方法包括：
[0014] 1)將待等值的某一條集電線路從電網(wǎng)中斷開(kāi)，同時(shí)閉鎖集電線路上所有風(fēng)電機(jī)組 的網(wǎng)側(cè)變換器；
[0015] 2)向集電系統(tǒng)中注入由一系列單位幅值、頻率取值范圍均在0~50kHz的正弦信號(hào) 組成的電流源；
[0016] 3)監(jiān)測(cè)集電線路上電流源出口處電壓，同時(shí)利用傅立葉算法分析并提取該電壓量 中所有與電流源同頻率的分量；
[0017] 4)擬合所提取的電壓分量和相應(yīng)電流源頻率分量的比值。
[0018] 進(jìn)一步的，所述網(wǎng)側(cè)變換器主電路部分近似等值為受控電流源；
[0019] 所述測(cè)量單元用于測(cè)量永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)三相瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流和實(shí)際 有功及無(wú)功功率，為風(fēng)電機(jī)組功率、電流控制及鎖相環(huán)電網(wǎng)電壓定向提供實(shí)際被控量；
[0020] 所述功率控制單元根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)主控制器和電網(wǎng)故障穿越要求提供的功率參考命 令值和測(cè)量的實(shí)際功率，給出電流控制單元相應(yīng)參考值；
[0021] 所述電流控制單元中有功和無(wú)功分量參考值決定的流過(guò)網(wǎng)側(cè)變換器的電流不應(yīng) 超過(guò)網(wǎng)側(cè)變換器的最大允許電流；
[0022] 所述鎖相環(huán)節(jié)用于計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)正序電壓的幅值和相角。
[0023] 優(yōu)選的，所述永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)等值模型以集電線路為基本單元進(jìn)行建 立。
[0024] 優(yōu)選的，所述劃做同群的約束條件為等值前后故障電流波形一致。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0026] 本發(fā)明所提出模型等值方法主要用于永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)故障暫態(tài)過(guò)程仿真模擬，以 具有相似故障電磁暫態(tài)信息為原則，提出以風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)同一集電線路上風(fēng)電機(jī)組作為同群的 分群原則，并對(duì)各機(jī)群進(jìn)行模型降階，從而給出降階模型結(jié)構(gòu)及相應(yīng)參數(shù)計(jì)算方法，以此為 基礎(chǔ)，最終建立了永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的多機(jī)等值模型。發(fā)明所提永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)等 值模型建立方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便、仿真計(jì)算時(shí)間短且故障暫態(tài)過(guò)程模擬準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0027] 附圖1:本發(fā)明的永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)匯集系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0028] 附圖2:本發(fā)明的匯集線路上各臺(tái)風(fēng)機(jī)與及其上總短路電流變化曲線；
[0029] 附圖3:本發(fā)明的匯集線故障下風(fēng)機(jī)故障電流；
[0030] 附圖4:本發(fā)明的匯集線故障電流頻譜；
[0031] 附圖5:本發(fā)明的集電線路風(fēng)電機(jī)組群動(dòng)態(tài)低頻等值模型結(jié)構(gòu)；
[0032] 附圖6:本發(fā)明的含永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)的典型電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0033]附圖7:本發(fā)明的含電網(wǎng)故障下永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)響應(yīng)特性曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0035] 本發(fā)明針對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)，提出風(fēng)電場(chǎng)電磁暫態(tài)模型等值方法，主要包括場(chǎng)內(nèi) 風(fēng)電機(jī)組分群、風(fēng)電機(jī)組群參數(shù)計(jì)算和多機(jī)等值模型建立三部分。
[0036] 結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)的廣泛采用接線方式，即地理位置和風(fēng)能資源分布相近的幾 臺(tái)或者十幾臺(tái)的風(fēng)電機(jī)組各自采用單機(jī)-單變方式匯集到某一條匯集線路上，多條匯集線 路連接到某一條母線上，通過(guò)主變、送出線路并入系統(tǒng)，匯集線路可作為風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組群劃 分的一個(gè)重要依據(jù)。
[0037] 為了揭示匯集線路所接永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組群的故障電流特性，這里針對(duì)如圖1所 示的風(fēng)電場(chǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于RTDS(Real Time Digital Simulator)實(shí)時(shí)仿真器建立了 詳細(xì)的匯集系統(tǒng)電磁暫態(tài)模型，相關(guān)參數(shù)源于實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)參照了電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)。匯集系統(tǒng)包含12臺(tái)具有故障穿越能力的永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組（同類型機(jī)組主要性能及 參數(shù)一致）。
[0038] 由于風(fēng)速大小和機(jī)端電壓跌落程度是影響單臺(tái)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障電流特性 的主要因素。因此，針對(duì)匯集線路上風(fēng)電機(jī)組群，各臺(tái)機(jī)組所處相對(duì)地理位置和其感受的風(fēng) 速大小成為了影響單元機(jī)組之間對(duì)稱故障電流差異的兩個(gè)主要因素。其中，匯集線路距離 通常較短，其上所接風(fēng)電機(jī)組在空間上的分布范圍相對(duì)很小，這也就意味著匯集線路不同 位置處風(fēng)電機(jī)組所感受到的風(fēng)速差異不大。
[0039]因此，以下將分析不同地理位置處單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組及所接匯集線路上風(fēng)電機(jī)組群故 障電流的變化特性，包括瞬時(shí)故障電流的變化規(guī)律和其所含諧波量特性。
[0040] ?瞬時(shí)電流變化規(guī)律
[0041] 為了揭示極端故障場(chǎng)景下匯集線路上不同位置處風(fēng)電機(jī)組短路電流特性的差異 性，這里假定如圖1所示風(fēng)電場(chǎng)匯集線路上單元機(jī)組等間隔分布，相鄰風(fēng)電機(jī)組間線路長(zhǎng)度 為5km，離主變最近的1號(hào)風(fēng)電機(jī)組與中壓母線之間的線路長(zhǎng)度為10km，匯集線路全長(zhǎng)為 70km(極端情況考慮）。設(shè)定在匯集線路首端處發(fā)生三相對(duì)稱短路故障（持續(xù)時(shí)間為0.5s)， 且故障前后所有風(fēng)電機(jī)組均額定運(yùn)行(風(fēng)速為12m/s)。
[0042] 事實(shí)上，故障后匯集線路上不同位置處風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓跌落百分比差值均較 小，不超過(guò)1%。圖2為故障發(fā)生后1號(hào)、6號(hào)、12號(hào)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組提供的短路電流和流過(guò) 匯集線路短路電流的變化曲線。由圖中看出，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組、及其所接匯集線路總短路電流 的變化曲線基本相似。各風(fēng)機(jī)短路電流均于t = 0.21s(故障后5ms)達(dá)到最大幅值0.188kA (2.44倍額定電流），故障后穩(wěn)態(tài)電流幅值為0.111^\(1.45倍額定電流）；匯集線總電流于七= 0.21s達(dá)到最大幅值2.31kA(2.5倍額定電流值），故障后穩(wěn)態(tài)電流幅值1.33kA(l.45倍額定 電流）。
[0043] ?電流主要頻率分量分析
[0044] 針對(duì)上述匯集線路上風(fēng)電機(jī)組及其總短路電流瞬時(shí)值，以下將分析其電流諧波 含量及變化規(guī)律。圖3為故障期間1號(hào)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組故障電流與匯集線總電流的FFT頻 譜曲線(頻譜分辨率為2Hz)。
[0045] 由圖3可知，單臺(tái)永磁直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組所提供短路電流中主要包括的頻率分量為 工頻50Hz分量(幅值為97.76A)，而由永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組群構(gòu)成的匯集線總電流中主要包含 的頻率分量也為50Hz工頻量（幅值為1154A)，其幅值是單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組工頻電流量幅值的 11.8倍，接近12倍。
[0046] 由上述分析可見(jiàn)，若匯集線路上不同位置處風(fēng)電機(jī)組短路電流變化特性的差異很 小，其與風(fēng)電機(jī)組群短路電流的變化特性也基本相似，僅電流幅值大小有一定差異，即匯集 線路總短路電流等于單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組短路電流與匯集線路上風(fēng)電機(jī)組總臺(tái)數(shù)的乘積。這也就 意味著風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)一條集電線路上的風(fēng)電機(jī)組群可用一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等值。
[0047] 在上述風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)機(jī)組分群方法確定的前提下，如何按群進(jìn)行模型參數(shù)聚合等值是 進(jìn)一步需要解決的問(wèn)題。為解決該問(wèn)題，本發(fā)明從風(fēng)電場(chǎng)故障特性分析的角度出發(fā)，將集電 線路上風(fēng)電機(jī)組群等值分解為靜態(tài)頻率相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)等值模型部分和動(dòng)態(tài)低頻等值模型部 分，有效降低