基于转速分群的双馈机组风电场等值建模系统及方法

摘要

一种基于转速分群的双馈机组风电场等值建模系统及方法，该系统包括依次连接的风机运行信息提取单元、机组分群单元以及等值机参数计算单元；其方法为：首先风机运行信息提取单元从风场控制中心提取所有待等值风机故障初始时刻的转速、机械功率信息，用于后续计算；然后又机组分群单元将故障初始时刻机组的转速相近的机组划分到同一机群；最后由等值机参数计算单元采用基于容量加权的参数聚合方法，计算每一群等值为一台双馈机组的参数，从而得到风电场的被等值的多机电磁暂态等值模型；本发明系统及方法为大规模风能电磁暂态数值仿真计算及其接入电力系统对现有继电保护的影响研究提供基础条件。

主权项

一种基于转速分群的双馈机组风电场等值建模方法，所述等值建模方法采用的等值建模系统包括依次连接的风机运行信息提取单元、机组分群单元以及等值机参数计算单元；所述风机运行信息提取单元实现从风场控制中心提取风场内部所有双馈式风机的运行状态信息；所述机组分群单元的功能是根据各风机的转速信息将各机组分成若干个机群；所述等值机参数计算单元的功能是计算每个机群的等值机的参数，以此实现利用若干台等值机等值整个风场电磁暂态过程的目的；其特征在于：所述等值建模方法包括如下步骤：步骤一：风机运行信息提取单元从风场控制中心提取所有待等值风机故障初始时刻的转速、机械功率信息，用于后续计算；步骤二：机组分群单元将故障初始时刻机组的转速相近的机组划分到同一机群，即同群的风机必须满足式(1)所示的分群指标|ω_i(0_‑)‑ω_j(0_‑)|<ε (1)其中：ω_i(0_‑)和ω_j(0_‑)分别为第i台和第j台风机故障前的初始转速，ε为单个机群内风机故障前最大转速差的门槛值；具体分群实现方法如下：a.步骤一得到全部DFIG风机的转速数据样本集合为N，机组分群单元首先估计需要分成的机群数目K，并从N中选择任意K个机组的转速样本作为初始聚类中心；b.分别计算每个DFIG风机的转速与各聚类中心的距离并将该DFIG风机归类到距离其最近的聚类中心所在机群中；c.计算当前每个机群的DFIG风机的转速平均值a_i与准则函数E，计算公式如式(2)和式(3)；$a_i=\frac{1}{N_i}\underset{\xi \in g_i}{\Sigma }\xi ---\left(2\right)$$E=\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}\underset{\xi \in g_i}{\Sigma }{|\xi -a_i|}^2---\left(3\right)$其中：a_i为第i个机群中DFIG风机转速的平均值；g_i为第i个机群中所有DFIG风机的转速集合；ξ为g_i中的转速样本；N_i为第i个机群中机组的总数；E为准则函数；d.用a_i替代原来聚类中心，反复执行步骤b～d直到E收敛；e.若计算出来的某一机群内任意两个机组的转速不满足式(1)，则增大机群数目K，重复执行步骤b～d；若都满足，则分群结束；步骤三：等值机参数计算单元采用基于容量加权的参数聚合方法，计算每一群等值为一台双馈机组的参数，从而得到风电场的被等值的多机电磁暂态等值模型，具体计算方法如下：通过步骤二得到的某机群风机集合为M，其额定容量集合为S，其输入机械功率标幺值的集合为P_m，则该机群的等值机的额定容量与折算到自身基值下的机械功率标幺值按下式(4)和式(5)计算$S_e=\underset{i\in M}{\Sigma }{S}_i---\left(4\right)$$P_{\mathrm{me}}=\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{S_i}{S_e}{P}_{\mathrm{mi}}=\underset{i\in M}{\Sigma }{\rho }_i{P}_{\mathrm{mi}}---\left(5\right)$其中：S_e为等值机的额定容量；S_i为集合M中第i台风机的额定容量；P_me为等值机的机械功率标幺值；P_mi为集合M中第i台风机的机械功率标幺值；ρ_i为集合M中第i台风机容量所占的比值；1)等值机转子运动方程参数计算a.转子转动惯量计算，计算公式如式(6)$J_e==\underset{i\in M}{\Sigma }{\rho }_i{J}_i---\left(6\right)$其中：J_e为等值机的转子转动惯量；J_i为集合M中第i台风机的转子转动惯量；b.阻尼系数计算忽略所有双馈风电机组的转子运动阻尼，得到等值机的阻尼，计算公式如式(7)$D_e=\underset{i\in M}{\Sigma }\left(\frac{S_i}{S_e}{D}_i\right)=\underset{i\in M}{\Sigma }\left({\rho }_i{D}_i\right)---\left(7\right)$其中：D_e为等值机的阻尼系数；D_i为集合M中第i台风机的阻尼系数；2)等值机阻抗参数计算a.定转子抗阻计算，计算公式如式(8)、(9)、(10)、(11)$X_{\mathrm{s\sigma e}}=\frac{b_5}{a_5^2+b_5^2}---\left(8\right)$$R_{\mathrm{se}}=\frac{a_5}{a_5^2+b_5^2}---\left(9\right)$$X_{\mathrm{r\sigma e}}=\frac{b_r}{a_r^2+b_r^2}---\left(10\right)$$R_{\mathrm{re}}=\frac{a_r}{a_r^2+b_r^2}---\left(11\right)$其中：$a_s=\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{{\rho }_i{R}_{\mathrm{si}}}{R_{\mathrm{si}}^2+X_{\mathrm{s\sigma i}}^2},b_s=\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{{\rho }_i{X}_{\mathrm{s\sigma i}}}{R_{\mathrm{si}}^2+X_{\mathrm{s\sigma i}}^2},a_r=\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{{\rho }_i{R}_{\mathrm{ri}}}{R_{\mathrm{ri}}^2+X_{\mathrm{r\sigma i}}^2},b_r=\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{{\rho }_i{X}_{\mathrm{r\sigma i}}}{R_{\mathrm{ri}}^2+X_{\mathrm{r\sigma i}}^2};$X_sσe、X_rσe、R_se、R_re分别为等值机定转子电抗电阻；X_sσi、X_rσi、R_si、R_ri分别为集合M中第i台风机的定转子电抗电阻；b.等效互抗计算，计算公式如式(12)$X_{\mathrm{me}}=1/\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{{\rho }_i}{X_{\mathrm{mi}}}---\left(12\right)$其中：X_me为等值机等效互抗；X_mi为集合M中第i台风机的等效互抗；3)等值机变流器控制环节参数计算a.变流器控制器内部采用标幺值系统，等值机选择自身容量作为基值；b.闭环PI控制器中比例积分环节参数按下式(13)计算；$C_e=\left(\underset{i\in M}{\Sigma }{S}_i{C}_i\right)/\left(\underset{i\in M}{\Sigma }{S}_i\right)=\underset{i\in M}{\Sigma }{\rho }_i{C}_i---\left(13\right)$其中：C_e是指等值机的变流器的比例积分控制器中的比例增益与积分时间常数；C_i是指第i台风机的变流器的比例积分控制器中的比例增益与积分时间常数；4)等值机箱式变压器参数计算变压器统一采用的Γ型简化等效模型，忽略励磁支路导纳，等值机的箱式变压器容量取集合M中所有风机的箱式变压器容量之和，如式(14)$S_{\mathrm{Te}}=\underset{i\in M}{\Sigma }{S}_{\mathrm{Ti}}---\left(14\right)$式中：S_Te为等值机的箱式变压器容量；S_Ti为集合M中第i台风机的箱式变压器容量；阻抗参数计算如式(15)、(16)、(17)、(18)$X_{\mathrm{Te}}=\frac{b_T}{a_T^2+b_T^2}---\left(15\right)$$R_{\mathrm{Te}}=\frac{a_T}{a_T^2+b_T^2}---\left(16\right)$$B_{\mathrm{Te}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_n{B}_n---\left(17\right)$$G_{\mathrm{Te}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_n{G}_n---\left(18\right)$其中：${\rho }_{\mathrm{Ti}}=\frac{S_{\mathrm{Ti}}}{S_{\mathrm{Te}}},a_T=\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{{\rho }_{\mathrm{Ti}}{R}_{\mathrm{Ti}}}{R_{\mathrm{Ti}}^2+X_{\mathrm{Ti}}^2},b_T=\underset{i\in M}{\Sigma }\frac{{\rho }_{\mathrm{Ti}}{X}_{\mathrm{Ti}}}{R_{\mathrm{Ti}}^2+X_{\mathrm{Ti}}^2};$X_Te、R_Te、B_Te、G_Te分别为等值机的箱式变压器阻抗和励磁支路导纳；X_Ti、R_Ti、B_Ti、G_Ti分别为集合M中第i台风机的箱式变压器阻抗和励磁支路导纳。