大规模风电场的静态及动态等值方法

大规模风电场的静态及动态等值方法引言：工程实际中,风电并网对电网的影响经常是“场”，即若干台“机”集聚后对电网的综合效应。

因此,建立能够精确反映风电场运行特性的模型是进行所有其它相关问题研究的基础。

通常,大规模风电基地包含几千台风电机组,针对每台机组对风电场进行详细建模的任务相当繁琐，同时会导致潮流难于收敛，并且大大延长仿真时间，对系统分析软件计算规模提出更高要求。

同时复杂的风电场模型对运行调度部门进行日常方式安排和安全稳定措施控制研究也很不方便。

因此，对大规模风电场进行等值计算分析，对于工程实际很有意义。

风电场常用等值方法风电场常用等值方法有两种。

等值方法1如图1 所示。

图1 等值方法1图1把风电场等值成1台风电机和1台发电机，等值风电机组的容量等于所有风电机组容量的代数和，其输入为平均风速。

等值参数的计算公式如下：式中：MM为风电机组台数，下标eq表示等值后；S、P、C、H、K、D、Z G、Z T、v分别表示容量、有功功率、补偿电容、惯性时间常数、轴系刚度系数、轴系阻尼系数、发电机阻抗、机端变压器阻抗和风速。

等值方式2如图2所示。

图2 等值方法2等值方式2中，把风电场等值为1台发电机，保留所有风力机和风速模型，叠加风力机的机械转矩Tusm，并把其作为等值发电机的输入。

等值参数的计算公式如下：当风机间风速差异较大时，风速波动下采用等值方式1会出现有功功率和无功功率误差，而等值方式2仅会出现无功功率误差；故障条件下等值方式1、2都会出现有功功率和无功功率误差，其误差大小与故障持续时间、故障前风电机组的风速有关，此时等值方式2的等值精度优于等值方式1。

故障条件下，常用等值方法与分类方法相结合，这样可以显著提高风电场动态等值模型的精度。

风电场机组稳态等值：为了对含有风电场的电力系统进行传统的潮流分析,需要考虑不同类型风电场在潮流程序中的节点类型，理想的情况是将风电机组的稳态等值电路添加在潮流程序中,得到相应的滑差、有功和无功,从而求得修正方程式中的有功、无功不平衡量,进而修改雅克比矩阵,进行后续迭代计算。

但是,这种基于风电机组稳态等值电路的考虑无功变化的等值方法复杂了潮流程序,对于现有的工程分析软件难于实现。

同时,对于一定规模的风电场来说,由于大量机组聚集后的整体效应,整体无功波动随滑差的变化较小。

随着双馈机和全变流直驱机等具有交流励磁性能的机组成为主流机组,将风电场内机组转而等效为功率因数恒定的PQ节点或者是无功有一定限制的Pv节点,在工程实际中是可以接受的。

在对风电场进行稳态等值时,根据风电场不同的控制方式,相应采用PQ或PV节点类型；对于一些混合型风电场,例如定速异步机与双馈机混合型风电场,若全场采用恒功率因数控制方式,则可将风电场等值为PQ节点;若其中双馈机采用恒电压控制方式,则可将风电场转而等效为PQ和Pv两节点。

从系统分析角度来说,重点关注的是风电并网对输电系统的影响,因此针对整个风电场内的集电系统详细建模是没有必要的。

潮流计算时应根据风电机组的排列把风电场内部的集电线路等效成1个等值阻抗,其中风电场内部的集电线路分直埋电缆和架空线路两种。

由于电缆线路和架空线路参数差别大,应根据集电线路的种类对风电场内部的集电线路进行等值"直埋电缆的充电电容较大,一般是架空线路20一25倍,相当于在线路中并联了无功补偿设备,从而使风电场集电线路末端输出功率的功率因数与风电机组相差很大。

同时,对于大规模风电场来说,内部的电气接线是有一定规模的,这对于全网的无功平衡将起到一定作用。

因此,在对风电场进行等值时,应考虑风电场内部电气接线的等值。

因此，在稳态模型中，详细的风电场等效模型可以等效为图3 所示。

图3 风电场稳态等值示意图其中,风电场的等值节点类型根据风电场采用恒功率因数还是恒电压控制模式,相应地选用PQ节点和Pv节点。

风电场内部架空线与直埋电缆的等值阻抗与导纳等效在单机变与风场主变之间。

基于戴维南电路的双馈风电场等值方法设双馈风电场有图4所示的结构。

等值的要求是使用等效模型后，稳态及外部电网发生故障后PCC的电压、电流以及功率动态响应曲线与等值前保持一致。

具体的等值过程在此不再阐述，最终的等值风电场结构如图5所示。

图5 等值风电场结构风电场动态等值的多机表征：使用K-means算法，把所有风电机组的机群分类指标和分类数K输入到K-means算法中，得到机群分类指标的K个分群，每个分类指标对应一台风电机组，从而得到风电场的风机分群结果。

对等值模型进行参数计算，等值后K台风机表征的风电场模型结构图如图6所示。

图6 风电场等值结构图按分组投切电容器补偿等值的风电场模型：图7 分组投切电容器补偿的风电场等值模型双馈机组风电场的动态等值模型设风电场由N台相同型号的双反馈风电机组组成，利用SVM和等值前风电组的桨距角动作情况把风电机组分成三个分群，并把每个机群合并成一台等值风电机组，得出三台等值风电机组表征的风电场模型。

等值后结构如图8所示。

具体参数计算略。

图8 三机表征的风电场模型直驱永磁机组风电场的动态等值建模方法：设风电场由N 台相同型号的永磁同步风电机组组成，把所有风电机组等值成一台等值风电机组，等值后的风电场结构如图9所示。

图9 直驱永磁机组风电场等值模型国内外对风电场静、动态等值方法主要有如下几种：1、PQ 简化模型法。

假设风电场功率因数为已知量，tan Q P ϕ=，计算出无功功率，然后将风电场节点作为PQ 节点。

该法的局限是认为风电场的功率因数与单台风电机组的功率因数相同，并未考虑风电场内部集电系统的影响，当风电场规模较大时可能带来较大计算误差。

2、利用异步电机稳态等值电路RX 模型来进行潮流迭代，把异步电机的滑差表示成机端电压和有功功率的函数。

即在给定初始滑差和风速的条件下，由等值电路写出等值阻抗,将异步机组等效为阻抗型负荷加入到潮流计算程序中进行迭代计算。

RX 模型法充分考虑了风电的输出功率特性,但该法迭代次数较多,收敛速度慢,不适于含大规模风电基地系统的稳态潮流计算分析。

3、文献【1】提出了一种改进的电力系统潮流计算中风电场节点的考虑方法,认为当风速给定时,风电场节点的有功为已知量,而无功只是电压的函数,相当于只考虑风电场无功的静态电压特性。

4、在静态分析的层面提出风电场输出功率的合成计算方法,得到如下结论:①风电场内集电线路不同时,风电场的等值方法不同。

对所有风电机组,可忽略风速分布不同所引起的各机组输出功率变化对潮流计算的影响,得到风电场总的输出功率即可得到确定的潮流计算结果。

②可根据风电场风电机组参数把风电场等值成1台或多台风电机组,并将其分别视为PQ节点进行潮流计算。

5、针对风电场内的集电系统,提出风电场的实际拓扑结构、风电场内集电线路长短、集电系统的类型(架空线、直埋电缆等)均会对风电场内电气接线的等值造成影响。

并提出了先对风电场内机组进行归类,再对场内电气接线进行等值的思路。

（以上为静态等值方法的几种主要思路。

）6、基于容量加权的参数聚合方法，其借鉴了传统动态等值中相关机群动态识别!网络化简和参数聚合的办法。

7、基于同步发电机传递函数概念的多台定速异步机等值的参数辨识方法。

采用最小二乘法计算等值风电机的同步电抗、暂态电抗和转子时间常数。

该方法在精度上能满足要求,但方法过于复杂,并不适用于工程实际中大型风电基地的建模。

8、文献【2】认为风电模型基本模块应包含风速模型、风机模型、发电机模型和控制模型，同时认为在一个风电场内各台风电机组的联系紧密,在系统处于扰动过程中,各台机组的反应十分相似,只要单机模型足够精确,在工程上完全可以采用诸如加权求和的方法近似模拟。

对于同一风电场内多种型号机组并存的情况,可以采用多个集成模型模拟整个风电场。

9、改进加权法的恒速风力发电机参数聚合实用化方法。

该法只针对定速异步机,有一定的局限性。

10、将同调等值理论应用于风电场等值,该方法针刘某一特定故障下的风电机组转速偏差响应特性,将风电场内机组进行划分,然后按分组对机组参数进行简单聚合。

11、基于风电场输出特性的等值算法，将风电场输出特性作为衡量风电场等值参数的标准。

该方法将风电场并网点工况写入到优化目标函数中,采用遗传算法寻优,对风电场参数进行拟合。

该法的缺点是遗传算法寻优不一定是全局最优,同时遗传算法仿真时问较长,对于工程应用中的大规模风电基地的等值并不适用。

以上风电场等值方法,都从风电场本身的电气特性出发,对场内机组参数进行等值聚合，忽略了风电场电气特性与其接入近区系统之间的藕合关系,并没有充分考虑风电场接入后对系统安全稳定带来的影响。

同时用于等值的风电场拓扑结构与工程实际并不符合,等值算例的规模局限于几台至十几台风电机组,与实际工程中需要的大规模风电场等值模型差距较大。

说明：通过查询相关资料，找到一篇论文，其阐述了一种大规模风电集中接入电网的风电场建模方法，具体内容见附件2。

参考文献：【1】王伟胜，申洪. 电力系统潮流计算中风电场节点的考虑方法【J】. 华北电力大学学报，2002,31（2）；150-153【2】雷亚洲，Gordon.L. 国外风力发电电导则及动态模型简介【J】. 电网技术，2005,29(12);27-32。