風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)建模

《智能電網(wǎng)研究與應(yīng)用叢書(shū)》序

前言

第1章概述

第2章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其控制與保護(hù)

第3章動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間尺度與模型

第4章風(fēng)力機(jī)及風(fēng)的動(dòng)態(tài)建模

第5章風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣部分的建模

第6章風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)建模

第7章風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)等值建模

第8章模型的參數(shù)辨識(shí)與提取

第9章風(fēng)電模型工程應(yīng)用案例

附錄A風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

附錄B風(fēng)電機(jī)組故障保護(hù)參數(shù)

本書(shū)講述風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)建模方法，用于電網(wǎng)分析、風(fēng)電并網(wǎng)仿真以及風(fēng)電機(jī)組控制與保護(hù)的研究工作。建立采用當(dāng)前主流風(fēng)電機(jī)組參數(shù)的機(jī)組詳細(xì)模型，包括各種控制策略、保護(hù)及其整定值。在系統(tǒng)地分析風(fēng)電機(jī)組多時(shí)間尺度模型的基礎(chǔ)上，給出可用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)、機(jī)電暫態(tài)仿真的機(jī)理性降階模型和暫態(tài)穩(wěn)定分析模型；面向風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)控制和設(shè)計(jì)問(wèn)題，給出包含氣-彈-機(jī)-電耦合的風(fēng)電機(jī)組精細(xì)化模型。對(duì)比分析所建模型在不同控制策略下的響應(yīng)特性；論述風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)聚合模型的建模方法和分群原則，給出典型風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)聚合模型、中長(zhǎng)期模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證；論述基于RT-LAB和RTDS實(shí)時(shí)仿真器的風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場(chǎng)全工況動(dòng)態(tài)模型，以及控制器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真方法，結(jié)合多種實(shí)際案例，展現(xiàn)這些模型在大規(guī)模風(fēng)電工程中的應(yīng)用。

隨著大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量和數(shù)量的增加，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模理論與方法已成為基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究課題。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)模型的不同應(yīng)用目的，本項(xiàng)目分別提出適用于功率控制的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模方法、適用于低電壓穿越能力分析和檢測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模方法以及適用于功率平衡和頻率控制的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模方法。該研究以數(shù)學(xué)模型和等效建模方法的理論體系為基礎(chǔ)，以分群等效為技術(shù)路線(xiàn)，根據(jù)不同應(yīng)用給出相應(yīng)的分群原則和等效建模方法，并輔以仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其技術(shù)關(guān)鍵是（1）提出一種解決常用等效建模方法出現(xiàn)無(wú)功功率誤差的方法和風(fēng)電場(chǎng)功率控制的等效模型；（2）找到一種能準(zhǔn)確判斷風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)最易脫網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的指標(biāo)；（3）建立適用于中長(zhǎng)期過(guò)程分析的風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)化模型和常規(guī)發(fā)電機(jī)組模型，提出風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電場(chǎng)群的等效建模方法。該研究將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)入網(wǎng)分析與檢測(cè)、風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)在線(xiàn)動(dòng)態(tài)安全分析等都具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

隨著大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量和數(shù)量的增加，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等值建模理論與方法已成為基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究課題。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)模型的不同應(yīng)用目的，需要給出相應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法。項(xiàng)目的主要工作如下：首先，針對(duì)風(fēng)速波動(dòng)下定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)，提出了一種變參數(shù)等值方法。利用該方法建立的風(fēng)電場(chǎng)模型可有效解決無(wú)功功率誤差問(wèn)題；針對(duì)風(fēng)速波動(dòng)下變速速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)，進(jìn)行了風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)表征模型的適用性分析。同時(shí)深入探討了故障條件下雙饋機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的分群等值方法以及直驅(qū)永磁機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的單機(jī)表征等值方法。其次，提出了一種適用于低電壓穿越分析的風(fēng)電場(chǎng)等值方法，定義了風(fēng)電場(chǎng)最易脫網(wǎng)判斷指標(biāo)，對(duì)比了槳距角動(dòng)作分群方法和Crowbar動(dòng)作分群方法，結(jié)果表明Crowbar動(dòng)作分群方法更適用于雙饋機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力的分析。再次，搭建了反映頻率調(diào)節(jié)的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組控制模型，給出了適用于頻率分析的風(fēng)電場(chǎng)等值方法。結(jié)合吉林電網(wǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了切負(fù)荷條件下的等值方法驗(yàn)證。最后，為了提高變流器的容量，采用了變流器共母線(xiàn)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)并聯(lián)時(shí)的環(huán)流問(wèn)題進(jìn)行了研究。建立了環(huán)流的模型，分析了環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理和流通路徑，進(jìn)而提出了環(huán)流的控制策略。引入環(huán)流閉環(huán)，并對(duì)空間矢量調(diào)制技術(shù)做了改進(jìn)，通過(guò)占空比補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的抑制。為了應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓的跌落故障，要控制變流器提高機(jī)組的低電壓穿越能力。在分析了電網(wǎng)故障及其對(duì)機(jī)組影響的基礎(chǔ)上，提出控制策略緩解故障造成的功率不平衡和直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)。此外，由于電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，常規(guī)鎖相環(huán)會(huì)出現(xiàn)震蕩，因此對(duì)電網(wǎng)故障鎖相技術(shù)進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)室的永磁直驅(qū)風(fēng)電平臺(tái)上驗(yàn)證了變流器并聯(lián)運(yùn)行控制策略的有效性。該策略也可應(yīng)用于大功率的風(fēng)電變流器。

對(duì)于相同機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)等值的研究已有很多，有研究對(duì)民據(jù)三階DFIG簡(jiǎn)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力模型提及一種基于戴維南電路的雙饋風(fēng)電場(chǎng)等值法，將具有相似動(dòng)態(tài)特性的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)歸為同群，適于波動(dòng)的情況。而針對(duì)直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組等值簡(jiǎn)化模型進(jìn)行風(fēng)速分群，按機(jī)組位置聚類(lèi)，采用傳遞函數(shù)和電流控制電流源及利用等效電流源完成同群機(jī)組的等值處理等原則可降低直驅(qū)式風(fēng)電場(chǎng)模型的復(fù)。

然而針對(duì)混合風(fēng)電場(chǎng)等值研究卻鮮有文章。國(guó)外已經(jīng)建成了由鼠籠異步風(fēng)機(jī)和雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)組成的混合風(fēng)電場(chǎng)，采用聚合法進(jìn)行等值是當(dāng)前的普遍做法。一些適用于相同機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)的等值方法在一定條件下同樣可應(yīng)用于混合風(fēng)電場(chǎng)的等值研究。隨著風(fēng)電場(chǎng)的不斷擴(kuò)容，混合風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益日益突顯，開(kāi)展由鼠籠異步風(fēng)機(jī)、雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)及直驅(qū)永磁同步風(fēng)機(jī)組成的混合風(fēng)電場(chǎng)等值方法的研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義。