技术领域
[0001] 本
发明属于
风力发电技术领域，具体涉及一种双馈风力
发电机组无功输出范围的精确计算方法。
背景技术
[0002] 现有的双馈
风力发电机组无功输出范围计算方法忽略了网侧变流器滤波电感的无功损耗，认为
转子绕组输出的
无功功率即为送向
电网的无功功率，这种计算方法在无功输出较小时的误差可以接受，但在无功输出较大时，会造成较大的误差，使得计算的无功输出范围不准确。且目前的计算方法在最终确定机组无功输出范围时仅考虑转子侧变流器的
电流限制以及网侧变流器的容量限制，其他限制因素仅做了简单说明，无法准确揭示机组在全工况运行下的无功输出范围。
发明内容
[0003] 针对上述问题，本发明基于电网
电压定向下双馈风力发电机组的动态模型，考虑网侧变流器滤波电感的无功损耗，且网侧变流器无功输出范围考虑网侧变流器容量限制和最大运行电流两个因素，
定子无功输出范围考虑转子侧变流器容量、转子侧变流器运行电流以及DFIG容量三个因素的影响，实现了对双馈风电机组全工况运行情况下无功输出范围的精确计算。
[0004] 一种双馈风力发电机组无功输出范围的精确计算方法，包含如下步骤：
[0005] 步骤1)，建立dq
坐标系下DFIG的数学模型，并采用电网电压定向的方式分别推导DFIG的网侧变流器和转子侧变流器下相应表达式；
[0006] 步骤2)，根据DFIG参数，以风速为横坐标，划分DFIG的运行区域，得到其有功出力范围；
[0007] 步骤3)，网侧变流器考虑网侧变流器容量限制和其最大运行电流两因素，定子考虑转子侧变流器容量、转子侧变流器运行电流以及DFIG容量三个因素，分别推导其无功输出范围；
[0008] 步骤4)，根据全工况下DFIG的运行情况，结合无功组成两部分所考虑的因素，对全工况下DFIG的无功输出范围进行计算。
[0009] 进一步，DFIG的运行区域包括Cp恒定区、转速恒定区、功率恒定区，最低风速为
切入风速，最高风速为
切出风速，根据 得到DFIG在全工况下有功输出范围，其中，ρ＝1.225kg/m3，为空气
密度，R为风力机
叶轮半径，S为
叶片的截面积，vw为风速，Cp为
风能利用系数，Pt为风力机的机械功率，Po为风力机输出功率，Pt＝Po。
[0010] 进一步，网侧变流器无功输出范围下限由网侧变流器容量决定，在运行于接近有功输出极限时上限由变流器容量决定，而其余运行条件下由最大运行电流决定。
[0011] 进一步，定子无功输出范围上限由DFIG容量决定，在转速较低时其下限由转子侧变流器容量决定，转速较高时由DFIG容量决定。
[0012] 进一步，网侧变流器无功输出范围为Ag＝O1∩O2，
[0013] O1＝{(-∞,Qg11)∪(Qg12,+∞)}∩(Qg21,Qg22)
[0014] O2为：
[0015] 其中，Us为电网电压矢量幅值，Lg为网侧变流器滤波等效电感，ωs为定子绕组电压电流
角频率，SgN为网侧变流器额定容量，
[0016]
[0017]
[0018] 进一步，DFIG定子与电网交换无功范围为As＝O3∩O4∩O5，
[0019] O3为：O3＝{(-∞,Qs21)∪(Qs22,+∞)}∩(Qs11,Qs12)
[0020]
[0021]
[0022] O4为：
[0023] O5为：
[0024] 其中，Lm为励磁电感，SN为DFIG容量，Irmax为转子侧变流器运行最大电流。
[0025] 进一步，全工况下DFIG的无功输出范围为Ag+As。
[0026] 本发明与
现有技术相比，具有如下优点：
[0027] 1、本发明提出考虑网侧滤波电感对无功输出范围的影响，更加适应风电机组输出无功较大时滤波电感的影响，准确计算了风电机组的无功输出范围。
[0028] 2、本发明提出基于风电机组运行全工况下的无功输出范围计算模型，由此可根据风电机组不同的运行工况，考虑不同的影响因素，实现对无功输出范围的精确计算，不仅可以实现对整个风
电场或者分散式风电机组的无功输出范围精确计算，还可以为合理配置风电场无功补偿设备，机组无功参与系统调压以及进行合理调度提供依据。
附图说明
[0029] 图1为单台双馈风力发电机组结构示意图；
[0031] 图3为DFIG运行区域和有功出力范围示意图；
[0032] 图4为网侧变流器无功输出范围；
[0033] 图5为利用本发明的方法与现有方法计算网侧无功输出范围的结果对比图；
[0034] 图6为定子侧无功输出范围；
[0035] 图7为利用本发明的方法与现有方法计算定子侧无功输出范围的结果对比图。
具体实施方式
[0037] 本发明基于电网电压定向下双馈风力发电机组的动态模型，考虑网侧变流器滤波电感的无功损耗，且网侧变流器无功输出范围考虑网侧变流器容量限制和最大运行电流两个因素，定子无功输出范围考虑转子侧变流器容量、转子侧变流器运行电流以及DFIG容量三个因素的影响，实现了对双馈电机组全工况运行情况下无功输出范围的精确计算，为了便于理解，本发明以图1所示单台双馈风力发电机组为例，介绍双馈风力发电机组无功输出范围的精确计算方法。
[0038] 表1算例参数
[0039]
[0040] 图1所示的单台双馈风力发电机组具体参数如表1所示，采用
电动机惯例，变流器模型如图2所示，由现有dq坐标系下数学模型，经电网电压定向，也即ugd＝Us、ugq＝0，可得网侧变流器交流侧电压为
[0041]
[0042] 电网侧功率，即流入电网的功率为
[0043]
[0044] 交流侧功率，即网侧变流器输出功率为
[0045]
[0046] 其中，Us为电网电压矢量幅值，ugd、ugq为电网电压d、q轴分量；vgd、vgq为网侧变流器交流侧电压d、q轴分量；igd、igq为流入网侧变流器电流d、q轴分量，Rg、Lg为网侧变流器滤波等效
电阻与电感。
[0047] 转子侧变流器相关表达式同理可得，转子侧变流器转子电压为
[0048]
[0049] 定子输出功率为
[0050]
[0051] 转子输出功率为
[0052]
[0053] 其中，usd、usq、urd、urq为定子电压和转子电压d、q轴分量，ird、irq为转子电流d、q轴分量，Rs、Rr为定、转子绕组电阻，Ls、Lr、Lm为定子、转子、励磁电感，ωs为定子绕组电压电流角频率，ωr为转子绕组电压电流角频率。
[0054] 研究双馈风力发电机的出力极限，首先要划分双馈风力发电系统的运行区域，不同运行区域对应不同的运行状态。根据不同风速、转速下系统的运行状态可以将运行区域分为三个部分：Cp恒定区、转速恒定区、功率恒定区，最低风速为切入风速，最高风速为切出风速，如图3所示，根据 可得DFIG在全工况下有功输出范围。其中，ρ＝1.225kg/m3，为空气密度，R为风力机叶轮半径。S为叶片的截面积，vw为风速，Cp为
风能利用系数，Pt为风力机的机械功率，Po为风力机输出功率，忽略有功损耗和机械损耗，Pt＝Po。
[0055] 网侧变流器无功输出范围主要考虑网侧变流器容量限制和最大运行电流两个因素。
[0056] 限制①：网侧变流器不超过其额定容量，为
[0057]
[0058] 式(1)代入式(3)得到
[0059]
[0060] 忽略式(8)的一阶求导项得到式(9)，式(9)表现在电路结构中是滤波电阻和电感的功率损耗。
[0061]
[0062] 由于滤波电阻一般较小，忽略有功损耗，Pg′＝Pg，联立式(2)、(7)、(9)，且因为得到
[0063]
[0064] 式中，
[0065]
[0066] 解一元二次方程不等式组得：
[0067]
[0068] 此时网侧变流器与电网交换无功范围为O1(以上表达式为实数时)，当式(10)存在虚数解时，代表对应限制无需考虑。
[0069] O1＝{(-∞,Qg11)∪(Qg12,+∞)}∩(Qg21,Qg22) (12)
[0070] 其中，SgN为网侧变流器额定容量，为网侧变流器交流侧电流矢量。
[0071] 限制②：考虑GSC最大电流(一般为1.2倍额定电流)，为
[0072]
[0073] 其中，Igmax为网侧变流器最大运行电流。
[0074] 式(2)带入式(13)得到
[0075]
[0076] 记为O2，综上可得网侧变流器无功输出范围为Ag＝O1∩O2，如图4所示。与现有计算方法上下限的对比如图5示出。由图5可看出，网侧变流器无功输出范围下限由网侧变流器容量决定，在运行于接近有功输出极限时上限由变流器容量决定，而其余运行条件下由最大运行电流决定，因为考虑网侧滤波电感的原因，其上下限值均高于现有计算方法所推导的范围。
[0077] DFIG定子无功功率受转子侧变流器容量、转子侧变流器运行电流以及DFIG容量限制。
[0078] 限制①：转子侧变流器容量限制，得
[0079]
[0080] 式(4)代入式(6)，且因为ωs＝ωr/s，可得
[0081]
[0082] 忽略式(16)一阶求导项，可得
[0083]
[0084] 其中，为转子侧变流器交流侧电流矢量。
[0085] 忽略有功损耗，即Pr＝-sPs，联立式(5)、(15)、(17)，且 得到
[0086]
[0087] 式中，
[0088]
[0089] 可解得：
[0090]
[0091] 以上各式为实数时，可得到定子无功范围O3，当式(18)存在虚数解时，代表对应限制无需考虑。
[0092] O3＝{(-∞,Qs21)∪(Qs22,+∞)}∩(Qs11,Qs12) (20)
[0093] 限制②：转子侧变流器运行电流限制(一般为1.2倍额定电流)，得
[0094]
[0095] 式(5)代入式(21)，得
[0096]
[0097]
整理得定子无功输出范围如式(23)，记为O4。
[0098]
[0099] 限制③：DFIG容量SN，如式(24)，记为O5。
[0100]
[0101] 所以，DFIG定子与电网交换无功范围为As＝O3∩O4∩O5，如图6所示。现有技术一般考虑限制②计算无功输出范围，与本发明提出的精确计算方法对比由图7示出。由图7可见，定子无功输出范围由转子侧变流器容量和DFIG容量共同决定，其中，其输出范围上限由DFIG容量决定，在转速较低时其下限由转子侧变流器容量决定，转速较高时由DFIG容量决定，且本发明所提出的精确计算方法相较现有技术在全工况运行条件下更为精确。
[0102] 综上，DFIG无功输出范围为：Ag+As。
[0103] 由上述分析可以得到在特定运行情况下双馈风电机组的无功输出范围。以风速11m/s为例，计算该输出范围。此时其转差率为-0.2，最大风能追踪控制下，根据Ag、As表达式可得，Qgmax＝0.6360Mvar，Qgmin＝-0.4239Mvar，Qsmax＝1.1206Mvar，Qsmin＝-1.1206Mvar。也即此时双馈风电机组的无功输出范围为[-1.5445，1.7566]Mvar。
[0104] 此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
