[发明专利]一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法

摘要

本发明公开了一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，针对风力发电机的结构和模型进行了详细的分析和阐述，基于风速的四分量模型确定了风速模型的修正方程式；在详细分析风力发电机输出机械功率的基础上提出了异步式风力发电机和双馈式风力发电机等不同类型的稳态潮流模型，在此基础上结合已有的潮流计算确定了不同类型风力发电机并网后的潮流计算模型，并根据实际的仿真需要，提出了异步风力发电机的简化处理模型和流程，通过研究风电并网后的系统潮流计算方法，有利于确定风电场的并网方案，并为进一步研究其对系统稳定性、可靠性等方面的工作打下了基础。

主权项

一种风力发电机组基本模型和潮流问题的研究方法，其特征是，包括以下过程：1)对风电场风力发电机组的结构和模型进行研究：所述风力发电机组进行并列连接，并共同接入电网系统；整个风电场的风力发电机组的能量转换过程是风能‑机械能‑电能，风力发电机组可分为两部分，一部分是将风能转化为机械能的风力机，另一部分是将机械能转为电能的发电机；风力发电过程是通过叶轮将风能转变为风轮的转动惯量即机械能，通过主轴的传动作用，经过齿轮箱的作用使得异步发电机转子达到合适的转速后，带动转子发电，并经励磁变流器将定子电能注入电网；2)基于风速的四分量模型确定风速模型的修正方程式：当前风速模型常采用国际通用的四分量模型，即包括基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四部分，基本风、阵风、渐变风、随机噪声风四部分之和组成了正常风力机的风速；正常风力机在轮毂高度所处的风速为Vw，在实际分析处理过程中需要对其进行修正，风速模型的修正方程式如式1所示：$V_w=V_{w0}{\left[\frac{H}{H_0}\right]}^{\mathrm{\α}}---\left(1\right)$式中：H为轮毂高度，H₀为测风高度，V_w0为测风高度的风速，α为高度修正系数；3)提出异步风力发电机的稳态潮流模型：3.1)风力发电机的机械输出功率采用第一种分析表达方式，如式2所示：P_m＝0.5ρSC_pV³ (2)式中，ρ为空气密度(kg/m³)；S为风力机叶片的扫掠面积(m²)；C_p为风力机的风能利用系数，可表达为叶尖速比的函数，V是风速；风力发电机的机械输出功率采用第二种分析表达方式，如式3所示：$P_m=\left\{\begin{array}{cc}0& V\<V_{\mathrm{cin}},V>V_{\mathrm{cout}}\\ \frac{V^3-{V_{\mathrm{cin}}}^3}{{V_r}^3-{V_{\mathrm{cin}}}^3}{P}_r& V_{\mathrm{cin}}\≤V\<V_r\\ P_r& V_r\≤V\≤V_{\mathrm{cout}}\end{array}\right.---\left(3\right)$式中，P_m和V分别为风力机轮毂处的风速和有功输出功率；V_cin、V_r、V_cout、P_r为分别表示为风力机切入风速、额定风速、切出风速、额定功率；3.2)将异步风力发电机的等效电路进行简化得到异步风力发电机的Γ型等值电路，Γ型等值电路的复功率公式如式4所示：$\begin{array}{c}\tilde{S}=\stackrel{\·}{U}\stackrel{*}{I}=\stackrel{\·}{U}\frac{-\stackrel{*}{U}}{j(x_1+x_2)+r_2/s}+j\frac{U^2}{x_m}-\\ \frac{U^2\frac{r_2}{s}}{{\left(\frac{r_2}{s}\right)}^2+{(x_1+x_2)}^2}+j(\frac{U^2}{{\left(\frac{r_2}{s}\right)}^2+{(x_1+x_2)}^2}+\frac{U^2}{x_m})=P+\mathrm{jQ}\end{array}---\left(4\right)$式中，x_m为励磁电抗；r_m为励磁电阻；r₁为定子电阻；x₁为定子电抗；x₂为转子电抗；r₂为转子电阻；s为转差率，s＝(n_s‑n)/n_s，n_s为同步转速，n为异步发电机转速，j为虚数单位，和分别为线电压和线电流；根据式4可知，异步风力发电机的有功功率和无功功率的方向是相反的，风力发电机组在发出有功功率的同时吸收无功功率；根据式3和式4可推导出相应异步风力发电机的转差率s及tgφ，具体表达分别如式5和式6所示：$s=\frac{U^2{r}_2-\sqrt{U^4{r}_2^2-4P^2{(x_1+x_2)}^2{r}_2^2}}{2P{(x_1+x_2)}^2}---\left(5\right)$$\mathrm{tg\φ}=\frac{Q}{P}=\frac{s^2(x_1+x_2)(x_m+x_1+x_2)+r_2^2}{r_2{x}_{m}s}---\left(6\right)$式中，r₁为定子电阻；x₁为定子电抗；Φ为功率因数角，s为转差率，Q为无功功率，P为有功功率；联立式5和式6，将转差率s进行消除，则无功功率表达为机械输出有功功率的函数如式7所示：$Q=\frac{2P^2{(x_1+x_2)}^2}{r_2^2{x}_m(-U^2{r}_2^2+\sqrt{U^4{r}_2^2-4P^2{(x_1+x_2)}^2{r}_2^2})}---\left(7\right)$从式7可知，风力发电机组所吸收的无功功率Q不仅与发电机组的有功功率P有关，而且与机端电压U也有密切关系；3.3)双馈式异步发电机稳态等值电路的表达式如式8所示：$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{I}}_1(r_1+j{x}_1)+({\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2)j{x}_m\\ \frac{{\stackrel{\·}{U}}_2}{s}={\stackrel{\·}{I}}_2(\frac{r_1}{s}+j{x}_2)+({\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2)j{x}_m\end{array}\right.---\left(8\right)$式中，为定子端电压；为定子电流；为转子绕组外接电源的电压；为转子电流；r₁和x₁分别为定子绕组的电阻和电抗；r₂和x₂分别为转子绕组的电阻和电抗；s为转差率；双馈式异步发电机注入系统总有功功率P_e由两部分组成，一部分是定子绕组发出的有功功率P_s，另一部分是转子绕组发出或吸收的有功功率P_r，双馈式异步发电机的无功功率由发电机定子侧发出或吸收的无功功率和变流器在发电机转子侧发出或吸收的无功功率组成，通过调节转子外加电源电压的幅值和相角，可以改变定子侧发出或吸收无功功率的大小，变速恒频风力发电机组的无功功率Q_e可以近似为定子绕组的无功功率Q_s，双馈式异步风力发电机的功率表达式如式9和式10所示：$P_r=\frac{r_r{x}_{\mathrm{ss}}^2(P_s^2+Q_s^2)}{x_m^2{\left|U_s\right|}^2}+\frac{2r_r{x}_{\mathrm{ss}}}{x_m^2}{Q}_s-s{P}_s+\frac{r_r{\left|U_s\right|}^2}{x_m^2}---\left(9\right)$$P_e=P_s+P_r=\frac{r_r{x}_{\mathrm{ss}}^2(P_s^2+Q_s^2)}{x_m^2{\left|U_s\right|}^2}+\frac{2r_r{x}_{\mathrm{ss}}}{x_m^2}{Q}_s+(1-s)P_s+\frac{r_r{\left|U_s\right|}^2}{x_m^2}---\left(10\right)$式中，x_ss＝x_s+x_m，r_m为励磁电阻，x_m为励磁电抗，P_e为总有功功率，P_s为定子绕组发出的有功功率，P_r为转子绕组发出或吸收的有功功率；4)对并网后的风力发电机潮流模型进行计算：4.1)结合上述异步风力发电机组的有功功率和无功功率及与电压、风速、转差率的关系，对含有异步式风力发电机组的电力系统进行潮流计算；4.2)风力发电机组功率因数设定值为cosφ，结合式11表达式：Q_s＝P_stgφ (11)可得如式12所示的表达式：$\begin{array}{c}{P}_e=P_s+P_r\\ =\frac{r_r{x}_{\mathrm{ss}}^2{P}_s^2}{x_m^2{\left|U_s\right|}^2}(1+{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\φ})+\\ (1+\frac{2r_r{x}_{\mathrm{ss}}\mathrm{tg\φ}}{x_m^2}-s)P_s+\frac{r_r{\left|U_s\right|}^2}{x_m^2}\end{array}---\left(12\right)$式中，P_e为总有功功率，P_s为定子绕组发出的有功功率，P_r为转子绕组发出或吸收的有功功率；结合式10和式12，在恒功率因数方式下的对含有双馈式风力发电机组的电力系统进行潮流计算；4.3)由于Q_e近似为Q_s，可将将Q_e以Q_s代入式(10)，得如式13所示表达式：$\begin{array}{c}{P}_e=P_s+P_r\\ =\frac{r_r{x}_{\mathrm{ss}}^2(P_s^2+Q_s^2)}{x_m^2{\left|U_s\right|}^2}+\frac{2r_r{x}_{\mathrm{ss}}}{x_m^2}{Q}_s+\\ (1-s)P_s+\frac{r_r{\left|U_s\right|}^2}{x_m^2}\end{array}---\left(13\right)$因转子变流器最大电流限制形成的运行范围表达式如式14所示：$P_s^2+{(Q_s+\frac{{\left|U_s\right|}^2}{x_{\mathrm{ss}}})}^2\≤\frac{x_m^2{\left|U_s\right|}^2}{x_{\mathrm{ss}}}{I}_{r\max }^2---\left(14\right)$式中，I_rmax为转子变流器最大电流限制值；结合式13和式14，在恒电压运行方式下的对含有双馈式风力发电机组的电力系统进行潮流计算；5)对异步风力发电机的模型进行简化处理：对式7进一步简化处理，可得如式15所示的公式：$Q=\frac{U^2}{x_m}+\frac{s^2{(x_1+x_2)}^2}{{r_2}^2+s^2{(x_1+x_2)}^2}{U}^2---\left(15\right)$传统的潮流计算公式如式16所示：$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔP}\\ \mathrm{\ΔQ}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}H& N\\ M& J\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ\θ}\\ \mathrm{\ΔU}/U\end{array}\right]---\left(16\right)$式中，ΔP和ΔQ分别表示注入有功功率和无功功率的不平衡量，ΔV和Δθ则分别表示为电压幅值和相角的修正量；结合式16对式15所示的潮流方程进行简化处理，简化潮流方程如式17所示：$\frac{\∂Q}{\∂U}=\frac{2U}{x_m}+U(1-\frac{U^2}{\sqrt{U^4-4{(x_1+x_2)}^2{P}^2}})---\left(17\right)$式中，x_m为励磁电抗，x₁为定子电抗，x₂为转子电抗，U为机端电压，Q为无功功率，P为有功功率。