一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，包括：風速模擬模塊、風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊、以雙饋風力發(fā)電機為主體的風電場等效模擬模塊、控制系統(tǒng)模擬模塊、牽引變電站模擬模塊、牽引供電線路模擬模塊、交直型電力機車主電路模擬模塊以及交直型電力機車轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)。因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：滿足了對于交直機車負荷特性研究的模型需求，克服了傳統(tǒng)軟件對風電場在復雜負荷條件下的動態(tài)響應模擬不足的缺點，為解決電鐵負荷相關電能質(zhì)量問題與風電場在復雜負荷條件下的相應問題提供了有效工具。通過仿真，為解決在復雜負荷條件下如何提高電網(wǎng)供電可靠性這一問題提供了參考依據(jù)。
【專利說明】—種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，尤其是涉及一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)。
【背景技術】
[0003]電氣化鐵路的高速發(fā)展與風力發(fā)電等新能源的大規(guī)模接入，為電網(wǎng)引入了大量含以整流器與逆變器為代表的電力電子裝置的具有復雜隨機性的負荷與電源，給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來眾多干擾源。相比于其它器件如發(fā)電機、電動機等，電力電子裝置如整流器、逆變器等對電能質(zhì)量的要求較高，能夠承受的電壓范圍較小，過載能力較低。傳統(tǒng)仿真軟件基于常規(guī)電器元件建立的模型不足以精細模擬處于復雜負荷環(huán)境下風電機組的動態(tài)行為，并且缺少研究電氣化鐵路的模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術所存在的技術問題；提供了一種滿足了對于交直機車負荷特性研究的模型需求，克服了傳統(tǒng)軟件對風電場在復雜負荷條件下的動態(tài)響應模擬不足的缺點，為解決電鐵負荷相關電能質(zhì)量問題與風電場在復雜負荷條件下的相應問題提供了有效工具。通過仿真，為解決在復雜負荷條件下如何提高電網(wǎng)供電可靠性這一問題提供了參考依據(jù)的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，包括:
一風速模擬模塊:根據(jù)組合風速的模擬模塊原理，建立包括基本風、陣風、漸變風、噪聲風；
一風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊:根據(jù)輸入的風速、偏航角、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出軸端機械出力；
一個以雙饋風力發(fā)電機為主體的風電場等效模擬模塊，將風力機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換為電能；
一控制系統(tǒng)模擬模塊:能夠調(diào)整偏航系統(tǒng)、風力機槳距角和發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流；
一牽引變電站模擬模塊:采用交直型電鐵負荷常用的V/v結(jié)線與Scott結(jié)線，將三相交流電變?yōu)閱蜗嘟涣麟姴⒔祲海?br> 一牽引供電線路模擬模塊:采用常用的AT供電方式，將牽引變電站輸出的電能傳輸?shù)诫娏C車；
一交直型電力機車主電路模擬模塊:選用SS9型，并且做適當簡化，由受電弓從牽引供電網(wǎng)取電；
一交直型電力機車轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng):對機車速度進行控制。[0006]其中，風速模擬模塊、風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊、風電場等效模擬模塊依次連接；所述控制系統(tǒng)模擬模塊同時與風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊和風電場等效模擬模塊連接；所述牽引變電站模擬模塊、牽引供電線路模擬模塊、交直型電力機車主電路模擬模塊以及轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)依次連接；所述牽引變電站模擬模塊和風電場等效模擬模塊同時與電網(wǎng)連接。
[0007]在上述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，所述風速模擬模塊的具體工作步驟如下:利用模式識別辨識現(xiàn)場記錄的歷史時間風速數(shù)據(jù)庫，匹配最佳的曲線組合，多組數(shù)據(jù)聚類分析出多種風特征類型模型，建立基本風、陣風、漸變風、噪聲風數(shù)據(jù)庫，根據(jù)需要調(diào)用不同類型風速輸出。
[0008]在上述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，所述風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊的具體工作步驟如下:利用相似原理根據(jù)實驗測量的模型風機的轉(zhuǎn)速、風速、槳葉角和軸功率模型特性曲線，換算成實際風機的運行特性曲線,通過查表插值由風速、轉(zhuǎn)速、槳葉角輸入數(shù)據(jù)獲取實際風機軸功率輸出。
[0009]在上述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，所述風電場等效模擬模塊的具體工作步驟如下:利用概率統(tǒng)計平均原理，將多臺風機的隨機功率輸出平均等效為單臺等值風機，以統(tǒng)計均值功率輸出作為集合等效風機的功率輸出，單機波動的1/N，作為等效風機波動，其中N為總風機臺數(shù)；根據(jù)不同風速、轉(zhuǎn)速、槳葉角輸入數(shù)據(jù)下的轉(zhuǎn)換效率系數(shù)和發(fā)電機效率計算等效的電網(wǎng)有功功率輸出，并根據(jù)電網(wǎng)運行節(jié)點處的電壓調(diào)整無功功率輸出，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求。
[0010]在上述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)模擬模塊的具體工作步驟如下:利用現(xiàn)代控制理論建立多輸入多輸出狀態(tài)方程控制系統(tǒng)模型，實現(xiàn)偏航系統(tǒng)控制、風力 機槳距角控制、轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的開關狀態(tài)控制、發(fā)電機輸出的有功和無功功率以及機械轉(zhuǎn)速的控制，運行狀態(tài)檢測和撬杠保護信號輸出。
[0011]在上述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，所述牽引變電站模擬模塊的具體工作步驟如下:按照實際v/v與Scott牽引變壓器接線構(gòu)造模型，簡化變電站中的測量以及保護元件，將由電網(wǎng)取得的三相交流電變?yōu)閱蜗嘟涣麟娸斎霠恳╇娤到y(tǒng)。
[0012]在上述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，所述牽引供電線路模擬模塊的具體工作步驟如下:采用AT供電方式，模擬在牽引變電站引出的單相交流電經(jīng)過的輸電線路上每隔一段距離添加自耦變壓器吸流的原理構(gòu)成供電回路，為電流流向負荷以及流回牽引變電站提供通道。
[0013]在上述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，交直型電力機車主電路模擬模塊的具體工作步驟如下:模擬交直機車負荷，從牽引供電系統(tǒng)取得27.5kV單相交流電，通過車載變壓器降壓至1.5kV，再通過整流器得到直流電，之后輸入直流電機，以模擬交直型機車的實際工作情況。
[0014]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:滿足了對于交直機車負荷特性研究的模型需求，克服了傳統(tǒng)軟件對風電場在復雜負荷條件下的動態(tài)響應1?擬不足的缺點，為解決電鐵負荷相關電能質(zhì)量問題與風電場在復雜負荷條件下的相應問題提供了有效工具。通過仿真，為解決在復雜負荷條件下如何提高電網(wǎng)供電可靠性這一問題提供了參考依據(jù)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0015]附圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
[0017]實施例:
首先，介紹一下本發(fā)明的具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu):
本發(fā)明在于填補傳統(tǒng)模型中關于電鐵負荷模型的空白，并且克服傳統(tǒng)軟件對風電機組在隨機波動擾動時對動態(tài)過程模擬時存在的問題，由物理特性的角度在PSCAD上建模。具體包括:
(1)根據(jù)組合風速的模型原理，建立包括基本風、陣風、漸變風、噪聲風的風速模型；
(2)建立風能收集以及傳動系統(tǒng)模型，根據(jù)輸入的風速、偏航角、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出軸端機械出力；
(3)建立以雙饋風力發(fā)電機為主體的風電場等效模型，將風力機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換為電能；
(4)建立能夠調(diào)整偏航系統(tǒng)、風力機槳距角和發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的控制系統(tǒng)模型；
(5)建立牽引變電站模型，選用交直型電鐵負荷常用的V/v結(jié)線與Scott結(jié)線，將三相交流電變?yōu)閱蜗嘟涣麟姴⒔祲海?br> (6)建立牽引供電線路模型，選用常用的AT供電方式，將牽引變電站輸出的電能傳輸?shù)诫娏C車；
(7)建立交直型電力機車主電路模型，選用SS9型，并且做適當簡化，由受電弓從牽引供電網(wǎng)取電；
(8)建立交直型電力機車轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)，對機車速度進行控制。
[0018]模型建立于國際運用廣泛的電磁暫態(tài)軟件PSCAD/EMTDC平臺上，采用了分模塊搭建的方式，使用方便，可用于研究大規(guī)模風電場與電鐵負荷接入電力系統(tǒng)后對電網(wǎng)的影響及其相互作用，為改善電網(wǎng)運行狀態(tài)提供設計與研究的工具。
[0019]以下是結(jié)合上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個具體實施例:
結(jié)合圖1說明模型的結(jié)構(gòu)和功能:1.2風速模型基于組合風即基本風、陣風、漸變風、噪聲風的原理實現(xiàn)風速模擬，輸出風速給1.3風力機與傳動系統(tǒng)模型，而1.3風力機與傳動系統(tǒng)模型參考了國內(nèi)廣泛使用的FD-77機組建立了多質(zhì)量塊模型，實現(xiàn)對偏航信號、槳距角調(diào)節(jié)和風速的動態(tài)響應，進而輸出機械功率到1.4發(fā)電機和逆變器模型。1.5風力機系統(tǒng)控制模型對偏航系統(tǒng)、風力機槳距角、轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的開關狀態(tài)進行控制，進而調(diào)整發(fā)電機輸出的有功功率、無功功率以及機械轉(zhuǎn)速。1.2風速模型、1.3風力機與傳動系統(tǒng)模型、1.4發(fā)電機和逆變器模型與1.5風力機系統(tǒng)控制模型共同構(gòu)成風力發(fā)電機組模型，在此基礎上調(diào)整參數(shù)，得到風電場等效模型。
[0020]另一方面，1.6牽引變電站有電網(wǎng)獲取三相交流電，由于其結(jié)線方式(V/v結(jié)線或Scott結(jié)線)，輸出降壓后的單相交流電進入1.7牽引供電網(wǎng)，其采用AT供電方式，具體來說，就是每IOkm左右在接觸網(wǎng)與正饋線之間并入一臺自耦變壓器，并且使其中點與鋼軌相接。AT供電方式有以下優(yōu)點——供電能力大、電壓損失小、供電距離長、工程造價低等。1.7牽弓I供電網(wǎng)將電能輸送至1.8 (SS9交直型電力機車主電路)，通過車載變壓器再次降壓接入三段橋整流器得到直流電為直流電機提供能量。
[0021]SS9交直型機車采用晶閘管無極弱磁調(diào)速。簡化起見，模型不考慮弱磁控制。對于串勵直流牽引電機，控制對象是轉(zhuǎn)速，控制變量為電樞電壓與勵磁電流，由于不考慮弱磁，勵磁電流與電樞電流相同，而電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩由電樞電流大小決定，為得到速度及轉(zhuǎn)矩的共同平衡，需要采用1.9轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0022]1.6牽引變電站、1.7牽引供電網(wǎng)、1.8(SS9交直型電力機車主電路)、1.9轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)共同構(gòu)成SS9交直型電力機車模型。
[0023]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，包括: 一風速模擬模塊:根據(jù)組合風速的模擬模塊原理，建立包括基本風、陣風、漸變風、噪聲風； 一風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊:根據(jù)輸入的風速、偏航角、槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速輸出軸端機械出力； 一個以雙饋風力發(fā)電機為主體的風電場等效模擬模塊，將風力機輸入的機械功率轉(zhuǎn)換為電能； 一控制系統(tǒng)模擬模塊:能夠調(diào)整偏航系統(tǒng)、風力機槳距角和發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流； 一牽引變電站模擬模塊:采用交直型電鐵負荷常用的V/v結(jié)線與Scott結(jié)線，將三相交流電變?yōu)閱蜗嘟涣麟姴⒔祲海? 一牽引供電線路模擬模塊:采用常用的AT供電方式，將牽引變電站輸出的電能傳輸?shù)诫娏C車； 一交直型電力機車主電路模擬模塊:選用SS9型，并且做適當簡化，由受電弓從牽引供電網(wǎng)取電； 一交直型電力機車轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng):對機車速度進行控制； 其中，風速模擬模塊 、風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊、風電場等效模擬模塊依次連接；所述控制系統(tǒng)模擬模塊同時與風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊和風電場等效模擬模塊連接；所述牽引變電站模擬模塊、牽引供電線路模擬模塊、交直型電力機車主電路模擬模塊以及轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)依次連接；所述牽引變電站模擬模塊和風電場等效模擬模塊同時與電網(wǎng)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，所述風速模擬模塊的具體工作步驟如下:利用模式識別辨識現(xiàn)場記錄的歷史時間風速數(shù)據(jù)庫，匹配最佳的曲線組合，多組數(shù)據(jù)聚類分析出多種風特征類型模型，建立基本風、陣風、漸變風、噪聲風數(shù)據(jù)庫，根據(jù)需要調(diào)用不同類型風速輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，所述風能收集以及傳動系統(tǒng)模擬模塊的具體工作步驟如下:利用相似原理根據(jù)實驗測量的模型風機的轉(zhuǎn)速、風速、槳葉角和軸功率模型特性曲線，換算成實際風機的運行特性曲線，通過查表插值由風速、轉(zhuǎn)速、槳葉角輸入數(shù)據(jù)獲取實際風機軸功率輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，所述風電場等效模擬模塊的具體工作步驟如下:利用概率統(tǒng)計平均原理，將多臺風機的隨機功率輸出平均等效為單臺等值風機，以統(tǒng)計均值功率輸出作為集合等效風機的功率輸出，單機波動的1/N，作為等效風機波動，其中N為總風機臺數(shù)；根據(jù)不同風速、轉(zhuǎn)速、槳葉角輸入數(shù)據(jù)下的轉(zhuǎn)換效率系數(shù)和發(fā)電機效率計算等效的電網(wǎng)有功功率輸出，并根據(jù)電網(wǎng)運行節(jié)點處的電壓調(diào)整無功功率輸出，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)模擬模塊的具體工作步驟如下:利用現(xiàn)代控制理論建立多輸入多輸出狀態(tài)方程控制系統(tǒng)模型，實現(xiàn)偏航系統(tǒng)控制、風力機槳距角控制、轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的開關狀態(tài)控制、發(fā)電機輸出的有功和無功功率以及機械轉(zhuǎn)速的控制，運行狀態(tài)檢測和撬杠保護信號輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，所述牽引變電站模擬模塊的具體工作步驟如下:按照實際V/v與Scott牽引變壓器接線構(gòu)造模型，簡化變電站中的測量以及保護元件，將由電網(wǎng)取得的三相交流電變?yōu)閱蜗嘟涣麟娸斎霠恳╇娤到y(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，所述牽引供電線路模擬模塊的具體工作步驟如下:采用AT供電方式，模擬在牽引變電站引出的單相交流電經(jīng)過的輸電線路上每隔一段距離添加自耦變壓器吸流的原理構(gòu)成供電回路，為電流流向負荷以及流回牽引變電站提供通道。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種風電場等效模擬模塊與交直機車及其供電系統(tǒng)，其特征在于，交直型電力機車主電路模擬模塊的具體工作步驟如下:模擬交直機車負荷，從牽引供電系統(tǒng)取得27.5kV單相交流電，通過車載變壓器降壓至1.5kV，再通過整流器得到直流電，之后輸入直流 電機，以模擬交直型機車的實際工作情況。
【文檔編號】H02J3/38GK103793563SQ201410034251
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】劉鵬, 劉路, 周柯, 金慶忍, 孫志媛, 劉會金, 曹玉順, 鄧俊杰, 時慶 申請人:廣西電網(wǎng)公司電力科學研究院, 武漢大學