[发明专利]定速定桨风机并网功率模型建模方法

说明书

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，涉及定速定桨风机并网功率模型建模方法。

背景技术

并网型风力发电机组是目前风能大规模利用的主要设备,由于并网风电装机容量占电网总装机容量的比例逐步增大，风电装机对电网性能的影响已成为目前研究的重要课题，而风电并网引起的接入点电压闪变特性是目前研究风电并网电能质量的主要研究点之一。

对于电力系统而言，风电场或风力发电机组在其接入点往往被等效为功率源，因此建立风电系统并网功率全局通用仿真模型是研究并网电能质量特性的关键研究基础。

风力发电系统是典型的大系统，涉及到空气动力学、机械传动、电机学、自动控制等众多学科，由于多学科的交叉性，长期以来，针对定量描述风电并网功率特性的全局通用仿真模型的建模一直未能取得突破性进展。

目前研究风电并网相关课题往往是在假设并网功率源功率特性情况下进行的，研究成果并不能精确的匹配实际运行工况。

定速定桨风力发电机组由于其结构简单、性能可靠等优点在风电发展过程中的相当长时间占据主导地位，尽管目前MW级变速变桨风机成为风能设备的主流产品，但是在已投入并网运行的风电场中定速定桨风力发电机组所占的份额仍然不可忽视。因此研究定速定桨风力发电系统在闪变频域段内的并网功率特性，建立其并网特性全局通用仿真模型对于研究风电系统并网电能质量特性具有重要的指导意义。

发明内容

本发明提出一种定桨风机并网功率模型建模方法，该方法利用定速定桨风机转速基本恒定的特点，通过在其工作转速附近进行线性化的方法，利用等效滤波器的方式建立定桨风机并网功率滤波器模型。

本发明的技术方案是定桨风机并网功率模型建模方法。

风轮是风力发电机组将风能转化为机械能的装备，由于风轮巨大的转动惯量，转化的风功率中相对高频信号被风轮吸收掉，从而导致风轮的加速减速，而相对低频的能量通过传动环节传递到发电机转化为电能输出。假设传动环节为刚性环节，考虑传动能量损失，则能量转化关系可以表示为：

                                                   （1）

式中

表示气动功率;

表示并网有功功率;

表示传动损耗功率, 表示传动效率；

表示低速轴等效转动惯量;

表示低速轴转速。

而风轮吸收的能量可以表示为：

       （2）

并网有功功率可以表示为：

           （3）

其中

;

;

表示刚性齿轮箱传动比;

表示风轮气动力矩;

表示发电机电磁力矩；

表示发电机转速。

如图1所示，异步电机转速与电磁力矩呈现非线性关系，由于异步工作转速始终保持在额定转速附近，故在其异步电机任意工作点附近较小的邻域内，电磁力矩可以近似线性化为：

       （4）

式中

表示在处的导数。

将式(4)代入式(3)，方程两边同时求导可得：

         （5）

联立式(1-5)可知，定速定桨风力发电机组在工作点附近的邻域内并网有功功率与风轮气动功率的滤波特性可近似等效为：

        (6)

式中，当传动效率为常数时，并网有功功率与风轮气动功率的滤波特性可表示为线性滤波环节。

对于风功率风轮气动功率为：

                  (7)

  将式(7)代入式(6)可得，如图3所示，输入风功率与并网有功功率的等效滤波传递函数为：

         (8)。

由(8)可知，滤波器时间常数与传动效率、选取的工作点转速以及电机力矩特性有关，与风轮的气动特性无关；滤波器增益正比于传动效率和风能利用系数。在实际运行过程中，当风速发生变化时，由于传动效率和风能利用系数均会随工作点发生变化，因此输入风功率与并网有功功率的等效滤波传递函数具有非线性变化特性。

当10分钟平均风速一定时，瞬时风速可以描述为在十分钟平均风速附近波动。由于风轮巨大的转动惯量，风力发电机组基本可以保持在稳定的工作点附近较小的邻域内工作。此时由于传动效率和风能利用系数均近似为常数，则输入风功率与并网有功功率的等效滤波传递函数可以近似认为在较短时间段内为线性环节。