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风电场动态等值及其在暂态稳定分析中的应用

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电气功率由输入风速决定.等值机电气功率是所有 被等值单机电气功率之和 这样.在聚合风力发电机 时.就考虑了发电机上不同输人风速的综合作用 为 了获得等值聚合风能.每个风机的输出功率可以从 其功率曲线和输入风之间的关系获得 所有风机的 输出功率之和是总的输出功率.假设等值风机的标 么功率曲线与单机的标么功率曲线相同.风场中的 等值风能可以通过等值功率曲线和输出功率之和计 算出来。 2.1 双馈感应发电机的聚合原则 风电场建模时.一般应用典型的DFIG参数.其 精确度需要进一步提高 本文将单机参数通过矩阵 运算进行聚合 获得等值机参数 发电单元聚合时所遵循的原则为:聚合前后发 电机的功率守恒:边界母线上的电压电流保持不变. 并且聚合横截面上的电流遵循基尔霍夫定律 DFIG 聚合l9时需要根据发电机容量进行归一化处理 2.2双馈感应发电机聚合算法 本节借鉴同步发电机同调概念.对同调概念进 行推广.将感应电机的滑差变量作为同调变量.利用 滑差同调对感应电机进行分群后.再利用本文算法 对双馈感应机群进行聚合 (1)发电机电抗参数的获取:感应发电机与同步 发电机具有统一的运行原理.通过分析发电机动态 变量的同调特性.同样可以使用同调原理对感应发 电机进行等值聚合,电磁动态方:程如式(2)所示( 为机端电压分量): 1= + 一0 ( 喘 ) 0 ! r ( ) 『I jE“] 0 0 (2) ㈣=鼢 Z] =卧 式(2)可简写成式(3)所示的符号矩阵形式,k 为第k台发电机: pE|∞Ic=M ^ F 自c£十G 03 机端电压交直轴分量简化形式可以表达如下: V ̄k=E 女irAt k l 4 感应发电机定子绕组内电动势和暂态电势的交 直轴分量关系可以简化如下: Edqk=E aqk+X ̄ jM (5) 对于同步发电机来说,由于其 变换参考轴是 其自身转子。而感应发电机进行 -(,转换时直接使用 一l 了公共参考系,单机电流矩阵表达式如式(6)所示:一l   ̄k-A kv kfk—A kE。 k=IAk v fk—Ak E (6) 南基尔霍夫定律和同调原理可知(7)式成立: I I A kv k l『EA kE A v A E。 k k 7 假设感应发电机共母线,则 = ,可得: A =∑A ;A = (8) 由等值机结构和单机结构相同可得等值机同步 电抗和暂态电抗: 1 1 e ) 对于式(2)的感应发电机的电气暂态方程 参数 ,Xet获取之后,要获取等值机方程,还必须求取暂 态开路时间常数 (2)发电机暂态时间常数的获取:将式(3)两边 乘以系数1 之后和方程(4)相加可得: 一1 『pE’m] 0 lpE,以_l: 。 0 唑 [l Ed  ]kJ +l[ O J l E+J  』Ok (10) 用矩阵符号表示.单机和等值机暂态电压方程 可以用式(11)表示: pE'tk} C kEtk} DkEtk| MkE ( I、 pE:^ ;C E趣 D E M E E 等值机电流可重写成如下形式: ;A -A -A Vdq ̄-A 嘶 (1 2) 式(12)与式(6)进行比较,可得等值机和单机定 子绕组电势之间关系: \E。 A Z ̄A kE虹 A A kE∞I N k {【 由 :A ’: f4 E 由 : A A E 由 =∑Ⅳ . 由 (13) 对上式两边求导可得: pE =EN ̄pE k^ pE r∞ N r kpE ki 014 假设同调机组包含m个感应发电机则可得下 式的感应发电机转子的暂态电压方程: pE 出l C …0 J ● ● ● : ’. : JL pE r k 0… E自 D-…0 EdqI ..・・0 E 、  J● - I ‘1 I‘l+ (15) 0…D E∞m O… E m 67 方程(3)、(4)可得: pE/=(NJ C J,N2 ,…,Ⅳ )(NJ…Nm)RE + (ⅣI D】, D2,…, D )(E出J…E ) _+ (16) tNlfM、,NjM2,…,N M )0Em_}、…E r 比较式(16)和式(1 1)可得式(17): C (Ⅳ. C,,Ⅳ1 ( ,…, C )(Ⅳ.…~ 、)“ (17) 南厅程(10)结构可得: Tt(k ̄m一 。1。 _ (18) L I1 方程(2)表达了感应发电机暂态方程.匕述推导 过程给 感应发电机暂态等值参数 (3)感应发电机转子动态参数的获取:双馈感应 发电机转子动态机电方程如式(19)所示: 7 I ps = 。 一 +D (1一 ) (19) 根据滑差同调定义.当感应发电机滑差同调时. 式(19) 的滑差偏差D 相同,上式直接相加可得 等值机转子动念参数:  l=∑ ;D =∑D (20) 2.3风电场电能采集系统的聚合 等值风力发电机运行在一个等值聚合的风场 f1.该等值风场通过对连接线和变 器进行等值变 换而得钊191 带等值风电场的交流电网如图1所示.. 外部Jx【电场电能收集系统可以通过式(21)计算。Z 是等值阻抗,B 是等值并联电容.. ¨ n 、 =∑ z /∑ ;日 ∑口 (21) ,r =I ,, =l m=l 式巾: 为风机群和交流电网之间的阻抗, 为风 机群和交流电网之间的并联电容:尸为功率. .风机群包含串联或并联以及其他联接形式的风 机。这 联接形式可以是以下几种联接方式 . 图1 带等值风电场的交流电网 Fig.1 Equivalent grid with a wind farm and collector system 2.3.1 干线联接 这种联接形式是2个或更多的风机串级联接存 输电卜线上面 这种联接方式和它的等值回路的描 述如 2所示. .这种联接形式中的总的功率损失和等效阻抗可 被F式计算: ∑m s :Jr= ;五: 一 (22) Ii=l2=13=j l;L:nl Zf 譬 图2连接在干线上面的风机 Fia.2 Wind turbines connected to the trunk line 式[}I:1 为风力发电机的数目 2.3.2馈线联接 考虑连接在同一节点的并联支路( 3).铒 一支路有自己的阻抗并且连接一个 力发电机甘羊 每一等值群分别包含n个风力发电机, 车 一 图3 3个机群的并联连接 Fig.3 Parallel connection of three—turbine groups 总的功率损失 和 ,叮以通过下式计镥 2 ∑m2Z m J; ; ; Il—__ [薹, ]一 ‘23 式中:n为总的风力发电机数口 2.3.3 35 kV母线上的发电机连接 号虑如图4所示的串联支路的 联连接.浚联 接反映了几个反馈的并联组合 总的功率损失 ... 和Z.可以通过式(24)¨ : 图4三串联机群的并联连接 Fig.4 Parallel—series connection of three—turbine groups 第7期 杨勇波等:风电场动态等值及其在暂态稳定分析中的应用 2 n + (窆 ) STod FjTzt;zT m=1 E=1 =1 (24) JL—∑n lI J  2.3.4干式变压器连接 联接例子如图5所示.干式变压器用于连接升 压与高压母线.属于未等值风电场系统级联接 等值 回路被归一化之后.回路阻抗和漏抗电压降落为原 始完整网络中单个变压器电压降的总和.有功、无功 损失等于单个变压器有功、无功损失总和。 1号风电机组 50号风电机组 被聚合的DFIG 图5风电场中的干式变压器连接 Fig.5 Representation of pad mount transformers within the wind farm. 等值变压器的阻抗与单个变压器阻抗关系为: ∑ 。 = 一一一 (25) n‰ 式中: 一为等值变压器的阻抗; 为原始风场 中的第 个变压器的阻抗;n 为变压器的总数。 3仿真效果展示 本文中6个并联连接的发电机群被等值为一个 等值发电单元.每个发电机群中含3台发电机组,如 图6所示。 每群发电机由3个发电单元组成.他们首先串 联连接然后并联连接.最后通过干式变压器连接于 35 kV的母线.再通过变压器连接于风电场出口的 220 kV高压交流母线 原始完整系统和简化等值系 统.系统正常运行时,在5 s时刻对风电场出口的高 压母线进行持续O.1 S的三相对称短路故障设置. PSCAD软件仿真结果展示在图7~10中。仿真结果 显示等值前后的动态性能具有较好的吻合度 4结语 本文主要的工作是提出了一种对双馈感应发电 0.570kV.—-三4. kV Zl 第1组 0.570kV.34-5kV ZI2 .第2组 0.570kV.一34・jw—— 第3组 220kV 0.570kV。,. 4l5kV—— 第4组 0.570 , 彳kv z] 第5组 0,570 kV-,_ l5 kv—— 2 第6组 图6带双馈感应发电机的风电场 Fig.6 Wind farm with DFIGs 罩 量 0.O 2J5 5,0 7.5 l0.0 12.5 15,0 17.5 2O.0 t/s 图7输入风的风速 Fig.7 Incoming wind speed 委 图8等值前后有功总和比较曲线 Fig.8 Sum of active power curves before and after the equivalence 机风电场进行等值降阶的新方法 该方法在不同风 速的风能输入下.用单个等值风机来等效风电场发 电系统的动态性能 在电力系统动态仿真时通过这 种等值化简.降低了电力系统模型阶数.减少了计算 时间。聚合方法考虑了传输、集电系统的模型.使用 了单机运行过程中的实时辨识参数.提高了等值聚 合精度.使暂态计算结果更符合实际系统的实际运 69 l 中国电力 第44卷 ^l‘/o >】I、 参考文献: [1]MIL1. AIS C, FESKE S.Wind if)rce 1 2:a blueptinl to achieve 1 2%{)I the world’s electricity from wiml power by 2020(;reeni)ea(。 and European Wind Energy Association lEB/OL ̄,.[2004—05—01].hitp: 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 l2.5 15.0 17.5 20.0 //www.ewea_lJfg/03pubhcatiflf1s,windlbree12.hh11. [2]RODR1GUEZ—AMENEDO J L,ARNA S,BURGOS J(:Atltonlati{ ‘图9等值前后无功总和曲线比较 Fig.9 Sum of reactive power curves before and offte the equivalence generation control of a wind farm with val‘ia1)le peed wind tu rbines 【J].IEEE Trans.Oil Energy Conversion,2002 1 7(2):279—284. f3 FE[JOo A E,C1I)RAS J、A thi rd n1der model for the doub[y—f.ed inductionmachinefJ].Electric Powe ̄’Systemsllesear(!h,2000,5(6): 40.O 。一等值风电场电压: 35.0 D一实际风电场电压 爿 竹 12l一127. 姆砖 坤舯 f4]EKANAYAKEJ【j_HO[ DSWOR…1 H I,.WU x.c/f .1)ynar,li(‘mo(1eli,’g ol doubly d induction generahn wind tmIifn( sl J J.IEEE Tn¨/sat’tions onPowerSystems,2003。18(2):803—809. 25.01 Il 20.04j 5.0 J 0.o』 一{i Ii [5]SLOOTWEG J G,POLINDER H,KI 1N(;W I Ftep)esenling w【l1I1 turbine electlieal generating systems in timdamental frequency simulations 0..0—2 丁. 5——5,0— 7  .5— 01.  0 21. 5—两 15 ・ 1.o 7  5 20..0  图10等值前后高压母线电压比较 [J].IEEETransactions 011 EnergyCOIlversion,2003,18(4):516—524. 『6]NUNES M V A,PFCAS J A,ZURN 1t}I,el f hdlue,lee ol tile v lJM)Ie speed wind generatols in transient stability IUtt gin oI the(!Oi+lX+entiol1ai Fig.1 0 Wind farm voltages before and after the equivalence generators integrated i[1 electrical idsf-Ii JEEE nalISa(_Iions Oil EnergyConversion 2004,19(4):692—701, 行情况 、烈馈感膻发电机风力发电单元.使用向量控 制可获得较高的电能厩量和较好的动念性能. .[7]SI OOq、WEG J( ,KL1NG W 1 Aggregah ‘I modeling”f wind patks iI _power system dynamics simulatkms I】 l F:Powel T ‘Il Confe)( f】¨ . 1/ologna Italy,2003:626—63 1. 水义所jj{模型将所有 发电单元聚合成一个 接受等伉风的等值发电单元.等值风米源于单机简 化模型干l1输入 与单机发电功葺罨之间的关系¨11线, 使 机 ,r以存任何输入风下而进行聚合 陔等值方法使带风电场运行的电力系统呵以方 便地存现有电力系统仿真软件进行仿真..本文的聚 合模型可以提供一个高精度捕述电力系统中风电场 动态响应的模型.可大幅度降低实际电力系统的仿 真阶数.减少仿 时间 [8 KUNDUll P.Power system stabiliD aml('O rlllol M I.Calil'otniu: MeGrawtlil1.1 994. [9]YANG Yong—lJ0,ZHA Xiao—ruing.Time domain ag ̄egatio)i ot ,erating units for shipboard power systems LC』//}Jr【lI Jt'IEEE At PEI :(: Wuhan.2009:l一4 (责任编辑李新捷) Dynamic equivalence of wind farms and its application to power system transient stability analysis YANG Yong—bo,JIANG Bo,YANG Hua’yun,AI Bing (Sichuan Electric Power Science Research Institute;Chengdu 6 1 007 1;China) Abstract:A ifdl model ef wind tarms is a high order model whieh is not appropriate tor online system security analysis atIf1 sta1)ilit) margin computation.A new dynamic equivalence method for wind rms with doubly fed induction ger】erators(DnGs)was presented.The DFIGs wcre aggregated to one single wind turbine unit to preserve the main dynamic characteristics under diferent wind speeds.The equivalent model has the same structure as the original system,which includes aggregation of wind turbines,DFIGs,energy t‘()uvening systems aud collector systems.The application of aggregation model to power system online simulation{?all optimize online computation time and itnpto P computational accuracy.The validity of the proposed method is proved by the simulation e.omparison study. Key words:wind farm;aggregation;doubly fed induction generator fDFIG);dynamic equivalence 欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告 70 

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