文摘
风力发电以来间歇性和波动等特点,集成大型风力发电机在电网将使一个伟大的对系统的电压稳定性的影响。前端速度的影响,控制风力涡轮机(FSCWT)系统电压稳定性进行了研究。一个实际的模型风力涡轮机,包括FSCWTs,连接到一个地区电网Zhangye,甘肃省。首先,微分方程(拓扑)描述给出了风力发电机的动态特性,建立了系统的数学模型包括FSCWT。延续的方法是用来跟踪平衡解决方案的命,在给定参数间隔。在此基础上,无功功率变化的影响和风速波动对系统电压稳定性的分析通过分叉理论和时域仿真。霍普夫分岔结果表明(HB)和界定分歧(SNB)继承系统,表明这样的分支,是非线性动力学的本质,导致电压不稳定。更大的分岔参数的扰动问1,短时间电压崩溃和系统的稳定运行区域越小。随着风速的增加,系统电压的振幅也会逐渐提升,但HB点会提前出现,更有可能导致电压不稳定和进一步降低系统电压的稳定运行区域。
1。介绍
风力发电技术的快速发展,风能已成为越来越多的利用。作为电力系统的重要组成部分,新装机容量和风力涡轮机的总装机容量逐年增加(1,2]。到2019年底,中国的风力发电装机容量占系统总容量的10.5% (3];其中,风力发电的装机容量几乎占总装机容量的25%在甘肃等典型地区(4]。更好地利用风能资源,提高经济效益,越来越多的国内外风力发电系统在大容量的方向发展,超高压、远距离传输,大大增加的困难维持系统电压稳定。风力涡轮机的集成介绍了风速的波动和间接进入电力系统,这将不可避免地对集成系统的电压稳定的影响(5,6]。除此之外,系统的电压将被无功功率波动风速变化引起的。研究表明,在现代电力系统中,电压稳定事故突然比频率稳定度和同步运行稳定性7]。
风力涡轮机的新能源电力系统本质上是一个非线性系统(8,9),风力发电机的并网电压稳定将受到许多因素的影响,如自然风速的干扰和无功功率变化对风力涡轮机。改变电压稳定的风力涡轮机连接到地区电网的过程本质上是整个系统从一个稳定状态分岔。不同的分岔点的集合形成一个分岔超曲面。在此基础上,g . Aronovich和其他学者分岔理论引入电力系统电压稳定分析领域,这已成为一个强大的工具来研究动态系统的结构稳定性(10]。
国内外许多学者已经做了很多研究传统风力发电机的电压稳定与区域电网,并取得了一定的结果。在[11),通过双馈风力发电机的动态建模和仿真计算电力系统包括风力发电场,结果表明,适当的风力发电接入有利于提高区域电网的电压水平。当风电接入容量太大,它将导致穿越线路传输功率和电压不稳定的现象。在[12),风力发电机的并网电压稳定性与双馈感应发电机(DFIG)研究了基于分岔理论,和无功负荷节点的增加,系统中各种分岔现象就会发生,这将导致电压崩溃。随着风速的增加,系统的电压稳定裕度会越来越小。在[13),分岔理论用于分析直驱永磁同步发电机(PMSG)纳入一个三节点简单的电力系统,并注入的有功功率和无功功率补偿能力作为分岔参数的风力发电系统。结果表明,在缺乏无功补偿的情况下,系统运行在一个较低的电压水平当系统有效地补偿电容,和系统的每个节点的电压将会显著增加。大功率风电注入条件下,系统电压将会不稳定。
上述研究主要集中在分析传统的风力涡轮机的发电电压稳定与转换器连接到电网。这种涡轮机的典型特征之一是,他们很难提供无功功率和惯性支持的无功功率不足或不稳定的系统14),还有很多缺陷在处理电网故障。这主要是因为DFIG的变频器容量太小,防止电网电压凹陷。对PMSG的风力涡轮机(15),其动态响应和无功功率调节能力是有限的由于缺乏齿轮箱。综上所述,尽管分歧理论已经应用于并网电压的稳定性(即传统的风力涡轮机。DFIG和PMSG),它没有参与前端速度控制风力涡轮机(FSCWT)。在此基础上,它的现实意义,分析并网电压稳定的FSCWT利用分岔理论。
相比之下,FSCWT有很多优势,解决了上述问题。FSCWT的本质区别是,它使用一个叫WinDrive调节液力变矩器的速度在前端的涡轮发电机16),大大提高低电压穿越能力的风力涡轮机和增加无功功率输出的优势(17]。同时,EESG直接与电网耦合,可以提供一定的瞬态支持系统的故障或不稳定的访问系统。因此,本文提出了利用分岔理论研究区域电网的电压稳定与FSCWTs集成。
本文的其余部分组织如下:部分2上市电力系统的结构方程,介绍了不同的分岔,系统的动态微分方程与FSCWTs集成建模3、运行特点和动态等效模型给出了风电场的部分4,电压稳定分析FSCWT连接到地区电网模拟部分5。结论终于在部分6。
2。电力系统的微分方程
一般来说,电力系统的稳定性可由微分方程描述(DAE),由n维微分方程和米维代数方程。假定两组方程平滑整个分析,电力系统可以使用以下描述方程(18]: 在哪里x是一个n维微分状态变量,x∈Rn;y是一个米维代数状态变量,y∈R米;μ是一个k维变量也是一个分岔参数在结构稳定性分析中,μ∈Rk(k>1,k∈Z),f是一个微分方程描述系统的动态组件,然后呢每个节点的平衡方程。
所有解决方案属于(x0,y0,μ0)满足以下方程可以作为系统的平衡分:
因此,平衡解决方案可以表示为米= {(x,y,μ)/f(x,y,μ)= 0,(x,y,μ)= 0}。
可以看出,一般电力系统最大的优势是描述系统的动态行为与拓扑。研究电力系统的动态稳定性(所示1)、微分变换系统的平衡点(x0,y0,μ0)可以获得
微分代数方程描述系统的动态特性可以取而代之的是方程(3): 在哪里一个=Dxf(x0,y0),B=Dyf(x0,y0),C=Dxf(x0,y0),D=Dyf(x0,y0)。
这可以简化为
根据动力学理论,系统的动态稳定性可以由减少雅可比矩阵J:
对于给定的电力系统,当系统参数不断变化,通过一定的临界值,系统平衡点或周期轨道的数目将不可避免的改变。这时,系统将有一个分叉的现象。相应的参数值叫做分岔值,调用对应的平衡点分岔点(19]。因此,电力系统的不稳定通常归因于发生分岔点的系统参数空间,包括动态和静态分岔点。可以区分这两个分叉点所示的雅可比矩阵的特征值方程(6)。
2.1。解决静态分岔点
静态分岔主要关注的是行为改变的数量和稳定平衡系统随参数变化的点。的特征值J(μ0)λ一个(μ)=α一个(μ)+jβ一个(μ),α一个(μ),β一个(μ系统控制参数(的)是真实的功能一个= 1,2,…l)。根据动力学理论,当J(μ0左派和右派)特征值为零,零特征值的特征向量可以被定义,例如,∈Rn和∈Rn。因此,解决平衡问题的解决方案,该系统可以转化为解下列方程: 在哪里F(z,μ)= (fT(x,y,μ),(x,y,μ)]T平衡方程,而z= (xTyT]T代表状态变量。
因此,界定分歧(瑞士央行,静态分岔点)的系统可以通过使用牛顿迭代方法来解决方程(5)[20.]。
2.2。解决方案的动态分岔点
在系统运行过程中,一旦发生扰动,平衡态的系统和解决方案的数量平衡方程和控制参数的变化将会改变。对于一个给定的矢量控制μ,假设一个nonhyperbolic平衡点x0出现在平衡解决方案(x,y,μ),μ=μ0和x0满足(1),它位于表面的平衡的解决方案米。如果一对共轭复根零出现在真正的部分减少了雅可比矩阵J在方程(6),认为系统的结构稳定性的变化,导致动态分岔,霍普夫分岔的主要动态分岔点(21]。
总之,相对应的特征值的变化动态和静态分岔点显然是图中描述1。
(一)
(b)
3所示。FSCWT的动态建模
3.1。FSCWT的工作原理
FSCWT采用低速比变速箱的传动形式+液力变矩器速度控制+无刷电励磁同步发电机,其结构如图2。风力发电机的最大优势是液力变矩器WinDrive用于实现无级调速。风速的突然变化,液力变矩器的WinDrive可以承受这样的震惊和可以转换不同风速EESG的固定的输入速度,从而实现变速输入和恒速输出的目的。
分析风力发电机传动链系统的动态特性,它通常相当于multimass模型组成的弹簧和阻尼。这也申请FSCWT等效方法。结构的图在图提供的传动链3、转子速度和低速轴的特征可以描述在以下表格22]: 而转子转矩TR可以被描述为(23]
在图3的转矩风力轮和行星架满足
变矩器,泵轮和涡轮之间的动态平衡方程轮
从涡轮速度之间的关系和液力变矩器泵轮转速,可以得出结论,(24]
如果高速轴的惯性矩是忽视,高速轴的动态特性和同步发电机转子可以表示为(25]
3.2。建模的EESG
EESG,励磁系统可以表示为26]。
在本文中,基于同步发电机模型被选中为FSCWT稳定性分析(27),提供如下: 在哪里UC控制器的输出,K和c是等价的参数,每个参数和细节可以发现在28]:
4所示。运行特点和动态的风电场等值建模
4.1。网站为案例研究风电场的位置
本文选择龙源湖屏山风电场的案例研究。这个风力发电厂坐落在Zhangye屏山湖附近。总容量的风电场是50 MW,包括25 FSCWTs设计承受沙子吹和低温环境在中国西北29日]。
风电场连接到火车站在110千伏输电线路与线路长度80公里,然后连接到330 kV Zhangye变电站区域电力系统的拓扑结构如图4。
4.2。发电系统建模
图5礼物的结构图FSCWTs集成到地区电网。每个风力涡轮机配有升压变压器(35 kV / 2350 kVA)来提高风力发电机的端电压从0.69 kV 35 kV,然后被传输到110千伏站通过35 kV电缆。
鉴于,如图4区域电网,电网结构相对比较复杂,也是许多风力涡轮机组成的。由于大规模的风电场,仿真计算太复杂,这大大减少了仿真计算的效率。这是一个重要的条件FSCWT的同等待遇。这样的考虑,该地区包括龙源屏山风电场,Zhangye热电厂集成到330千伏Zhangye变电站被认为是如此。首先,通过等效建模系统简化,Zhangye热电厂是视为等效电源G1和风电场FSCWTs被视为等效电源G2。等效电路图如图6。
图6等效变换得到的线路图,节点1和节点2代表的并网点热电厂和风力涡轮机,分别。节点代表了330 kV Zhangye变电站,而节点4 FSCWT并网的风力发电场。和代表了等效电源G1的潜力和能力,分别。因此,和代表风力发电场的等价的潜力和能力,Pl和问l站的负荷有功功率和无功功率等效系统。电压和相应的相角的风力涡轮机连接到系统的表示和θ,分别。同样,等效电源的电压、相角G1被视为和θ1。节点1和节点之间的等效导纳3是表示 ,而作为节点节点3和4之间 。
接近实际的情况下,并网的IEEE第一基准模型等效发电机组成的G2 FSCWT [30.]:
网络代数方程包括FSCWT列出如下:
提供的电力网络负载并网系统
这里,动态负荷模型是由异步电动机和常数PQ权力。一旦表示有功负载的函数节点电压变化速率随时间和频率P李=P李(u我du我/ dtdδ/ dt),而无功负载表示为节点电压和频率的函数问李=问李(u我dδ/ dt),它可以得出结论
因此,根据方程(16)~ (19),状态方程描述系统的动态性能可以概括为
通过求解微分方程系统的状态和选择控制参数,影响系统的电压稳定,并网电压稳定性的详细模拟基于分岔的方法。
参数的值等效系统和负载模型提供了表1。
5。分岔分析FSCWT连接到区域电网
5.1。无功负载变化对电压稳定的影响
FSCWTs的新能源电力系统是一个典型的动态非线性系统。电压稳定的变化本质上是一个过程从一个稳定状态分岔或崩溃。
并网系统中,无功负载功率问1被选中作为分岔参数网格的一边,假设分岔参数问1= 2.1408,而风速V= 10 m / s,负载的有功功率P1= 0。因此,初始系统的平衡点可以用牛顿迭代法求解(20.),这是x= (δ米,ω, , ,Efd,θ, )= (2.947 0−0.463,0.26,3.11,0.118,0.97)。根据仿真,电压的曲线不同的控制参数问1在连接如图7。
鉴于,如图7系统上,可以发现两个分叉点的平衡的解决方案。一个是霍普夫分岔点,标记为H1,另一个标记为LP是界定分歧点。固体蓝线表明系统处于稳定状态,而虚线红线意味着系统处于一个不稳定的状态。因此,本文主要关注的上半身曲线,即yellow-shadow图的区域7。
进一步的数值分析表明,第一个李雅普诺夫系数是负的H1,这意味着系统操作在一个稳定的状态。相对应的状态参数分岔点H1和LP如表所示2。
一旦发生扰动和行为H1在曲线的变化相轨迹图和电压曲线可以描述数据8和9。从图可以看出8极限环出现在系统相轨迹图,和相应的现象是,电压随着时间的增加振荡t,如图9。此外,从图也清楚8有不确定性现象,即混乱。基于上述分析,可以得出结论,一个极限环的发生将不可避免地霍普夫分岔导致。
根据图7和表2,当系统在运营H1,相应的无功功率问1是1.294855 p.u。,和before this, the system is stable. However, once the system has interfered with a small interference, i.e.,问1从1.294855 p.u突然增加。1.39 p.u。,or 1.294855 p.u. to 1.49 p.u., or from 1.294855 p.u. to 1.59 p.u., the corresponding simulation results in time-domain are given in Figure10。
从图可以看出10,当系统受到小干扰(问1= 1.39),短时间内稳定运行后,总线电压在负载端将失去稳定,最终导致电压崩溃t= 0.57 s。如果该值的问1p.u增加到1.49。不断,很明显,系统的稳定运行时间将会缩短;在t= 0.24,系统电压将变得不稳定,进入崩溃。总之,稳定运行时间将变得越来越短的扰动无功功率(问1)增加,或即系统电压的稳定运行区域将逐步减少无功功率增加。
5.2。电压风速分岔分析变量
在操作过程中,稳定的区域电力系统包括FSCWTs不仅无功功率有关,还受风速波动。假定风速V= 10 m / s,初始系统的平衡点x= (δ米,ω, , ,Efd,θ, )= (3.403 0−0.467,0.392,0.208,0.416,0.708)。通过实现这种情况下MATCONT (31日),电压的曲线随风速变化V可以获得,如图11。
在图11,有两个霍普夫分岔点(H1和H2(LP)和两个界定分岔点1和LP2)曲线。每个分岔点的对应态参数表3。
实际上,FSCWT的断路器风速设计为25米/秒。根据图11和表3,当系统运行LP1,风速超过25米/秒,超过极限风速的风力涡轮机。操作区域超出额定风速的风力涡轮机被标记为红色,这也是一个不稳定的操作区域。而其余区域左侧是一个稳定运行区域虽然三个分叉点可用。这是因为LP的发生时间1和LP2晚于动态分岔点的吗H1和H2。
以上分析仅局限于单一参数分岔系统电压。的动态特性,以更好地反映FSCWT当连接到电网电压在连接点(V)和负载无功功率(问1)选择两个参数分岔分析。二维系统在不同风速下的曲线如图12。
从图12,很明显,分岔点的数量曲线是不同的,当风速是不同的。
当风速V达到15米/秒时,只有一个界定LP的分歧点3在曲线。随着风速降低到10 m / s,除了界定LP的分歧点2,一个霍普夫分岔点H2会发生在曲线。随着风速继续减少到5 m / s,没有额外的分岔点会发生除了一个霍普夫分岔点H1和一个界定LP的分歧点1,但分岔点的位置会移动到右边的曲线。结果表明,平衡解决方案的数量在不同的曲线不仅与风速有关,还与无功功率的变化变化。随着风速的增加,系统电压的振幅会稍有上升,已标有黑色椭圆图12。霍普夫分岔然而,系统将提前出现,这更有可能导致系统电压不稳定和进一步降低系统的稳定运行区域。同时,逐渐随着风速的增加,相应的无功功率值界定分歧点在每个曲线也减少,这将导致减少无功功率并网系统的能力。
6。结论
在这篇文章中,电压稳定的FSCWTs连接到地区电网进行了研究。整个过程不稳定系统电压的崩溃是使用分叉理论揭示了。系统分岔和电压崩溃临界点的确定在不同参数下的变化。分析和验证MATCONT仿真平台上进行结合时域仿真方法。可以得出以下结论:(1)分岔点的数量歧管系统的均衡解决方案不仅是风速的波动有关,而且与系统的无功功率的干扰。(2)当系统受到干扰小,电压波动。扰动越大的无功功率注入电网,短时间电压崩溃和系统的稳定运行区域越小。另一方面,系统的操作区域越小,系统的稳定运行时间越短,和早些时候系统会发生电压崩溃。简而言之,系统崩溃的时间越短。(3)从电压稳定分析使用两个参数模型,发现无功功率的值对应于界定分歧点LP在每个曲线将减少与风速的逐渐增加,这将导致减少无功功率容量FSCWTs并网系统。
命名法
| TR: | 转子转矩 |
| Tj: | 低速轴的输出转矩 |
| JR: | 风轮的惯性矩 |
| D1: | 低速轴的阻尼系数 |
| ωR: | 转子转速 |
| P1: | 功率吸收的风力涡轮机 |
| CP: | 功率系数 |
| 年代: | 区域被风力涡轮机 |
| ρ: | 空气密度 |
| ωj: | 行星载体速度 |
| 我Rj: | 的速度比变速箱 |
| Jt: | 惯性矩的太阳轮行星齿轮的轴 |
| J问: | 惯性矩的外部行星齿轮的齿轮 |
| ωB: | 液力变矩器泵轮转速 |
| ωT: | 涡轮液力变矩器的速度 |
| Tt: | 太阳轮的转矩 |
| TB: | 泵轮的转矩 |
| TG: | 输入扭矩的发电机 |
| T问: | 外齿轮的转矩 |
| TT: | 涡轮扭矩 |
| α: | 液力变矩器的转矩比 |
| λB: | 泵轮的扭矩系数 |
| ρ石油: | 油液力变矩器的密度 |
| D: | 圆的直径圆的液力变矩器 |
| 我Tq操作: | 的速度比涡轮机外部齿轮 |
| 我tq操作: | 太阳轮的速度比外部齿轮 |
| JG: | 惯性矩的发电机 |
| ωG: | 发电机的角速度 |
| Te: | 发电机的电磁转矩 |
| DG: | 高速轴的阻尼系数 |
| δ米: | 发电机的功率角 |
| ω: | 发电机的角频率 |
| , : | d,问设在瞬态生成器的潜力 |
| , : | d,问设在瞬态时间常数的一代 |
| 米,T米,D米: | 惯性,阻尼和输入扭矩的发电机 |
| xd,x问: | d,问设在电抗的发电机 |
| , : | d,问设在发电机的瞬态电抗 |
| , : | 终端电压和发电机的设定值 |
| Efd: | 励磁机输出电压 |
| T一个: | 励磁调节时间常数 |
| KE: | 励磁机不断自励磁场有关 |
| P0,问0: | 恒功率部分异步发电机 |
| P1,问1: | 主动和一个风电场无功功率注入 |
| P,问: | 积极从风电场无功功率输出 |
| K1,K2,K3,K4,K5,T: | 负载参数。 |
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这部分工作是支持Tianyou兰州交通大学青年人才提升计划,在甘肃的大学创新基金项目部分省级教育部门(没有。2020年- 036年),部分兰州交通大学青年科学基金项目的(没有。2019029)。