基于容量加權(quán)等值的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)建模研究

文 | 周專，呂盼，宋新甫，張?jiān)鰪?qiáng)，劉建亮

基于容量加權(quán)等值的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)建模研究

文 | 周專，呂盼，宋新甫，張?jiān)鰪?qiáng)，劉建亮

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模逐漸增加。風(fēng)力發(fā)電和常規(guī)能源發(fā)電相比，綠色無(wú)污染，且取之不盡，用之不竭，但由于風(fēng)速是隨機(jī)波動(dòng)的，風(fēng)力發(fā)電具有間歇波動(dòng)性。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性區(qū)別于常規(guī)風(fēng)電機(jī)組，隨著電網(wǎng)中風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電運(yùn)行特性對(duì)電網(wǎng)的影響將不斷增大，風(fēng)電在電網(wǎng)中的作用不能被忽略。為了研究含大容量風(fēng)電場(chǎng)的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定性以及采取何種控制措施等問(wèn)題，建立有效的風(fēng)電場(chǎng)模型很有必要。

然而，由于單個(gè)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的不斷增大，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)往往有數(shù)十甚至上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，若對(duì)每一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)建模，會(huì)極大地增加電力系統(tǒng)模型的復(fù)雜度，導(dǎo)致仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響計(jì)算的收斂性。因此在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真建模時(shí)，有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化、等值。本文以等值機(jī)與單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的功率轉(zhuǎn)換特性不變?yōu)樵瓌t，以被等值的風(fēng)電機(jī)組同群風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)一致原則，提出了容量加權(quán)等值的方法，采用該方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)進(jìn)行等值。運(yùn)用PSASP程序?qū)Φ戎登昂箫L(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，等值前后風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行點(diǎn)特性一致，等值算法能夠準(zhǔn)確反映風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的并網(wǎng)特性。本文對(duì)含風(fēng)電場(chǎng)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析以及控制策略的研究具有重要的參考意義。

風(fēng)電場(chǎng)建模概況

風(fēng)電場(chǎng)建模可以分為詳細(xì)建模和等值建模。詳細(xì)建模是通過(guò)建立風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)機(jī)組的模型并聯(lián)接架空線或電纜等集電系統(tǒng)模型而搭建起來(lái)的。隨著風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)和風(fēng)電場(chǎng)容量的不斷增大，這一建模手段由于過(guò)于繁雜的建模過(guò)程和過(guò)長(zhǎng)的仿真時(shí)間而不再實(shí)用。為了減少計(jì)算量，節(jié)省仿真時(shí)間，有必要采用等值建模手段。

目前，大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法有以下四種：①將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)等值為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，其容量等于所有風(fēng)電機(jī)組容量之和。②只考慮風(fēng)電機(jī)組的功率－風(fēng)速曲線，計(jì)算等效風(fēng)速作為風(fēng)電場(chǎng)的輸入，從而得到風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率。③利用現(xiàn)代的動(dòng)態(tài)等值方法如同調(diào)等值法、模式等值法，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)受到干擾后具有相同或接近動(dòng)態(tài)特性的機(jī)組分組，同組的風(fēng)電機(jī)組等效成一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，從而得到用多臺(tái)機(jī)表征的風(fēng)電場(chǎng)等值模型。④利用風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分組，同組風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行參數(shù)等值，用多臺(tái)機(jī)表征風(fēng)電場(chǎng)。

由于大型風(fēng)電場(chǎng)占地面積廣、風(fēng)電機(jī)組數(shù)量多，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速分布并不均勻，各風(fēng)電機(jī)組處于不同的運(yùn)行點(diǎn)，因此方法①和方法② 采用的單機(jī)等值法會(huì)帶來(lái)較大誤差；方法③的分組依據(jù)是風(fēng)電場(chǎng)遭受較大干擾或故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，適用于暫態(tài)過(guò)程分析，而在風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出特性起主導(dǎo)作用的因素則是風(fēng)速和風(fēng)向；方法④建立的等值模型精度較高，但大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速變化差異大，有可能導(dǎo)致分組過(guò)多，仿真時(shí)間變長(zhǎng)，且機(jī)組間風(fēng)速變化往往具有連續(xù)性，導(dǎo)致分組指標(biāo)不明顯。

風(fēng)電機(jī)組參數(shù)等值

一、風(fēng)電機(jī)組參數(shù)等值

風(fēng)電機(jī)組參數(shù)等值的原則是保證等值機(jī)的風(fēng)電機(jī)組與單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電機(jī)組的功率轉(zhuǎn)換特性不變，轉(zhuǎn)速及槳距角的調(diào)節(jié)特性不變。風(fēng)電機(jī)組參數(shù)包括風(fēng)速和轉(zhuǎn)速。

由于風(fēng)電機(jī)組的功率輸出，受風(fēng)速、葉尖速比和葉片半徑等因素的影響，風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率輸出方程為：

式中，Vwi為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速，n為被等值機(jī)群的風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。此時(shí)保證了等值風(fēng)電場(chǎng)掃風(fēng)面積為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組面積相加。

式中，Ai為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的掃風(fēng)面積。等值前后風(fēng)電機(jī)組葉片的半徑相等，由公式（1）知，風(fēng)電機(jī)組輸出機(jī)械功率為風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速立方成正比關(guān)系，為保證被等值機(jī)群風(fēng)電機(jī)組輸出的機(jī)械功率之和與等值機(jī)風(fēng)電機(jī)組輸出的機(jī)械功率相等，令：

式中，Ωri為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速。等值風(fēng)電機(jī)組的葉尖速比為：

該等值方法保證了等值機(jī)風(fēng)電機(jī)組與被等值機(jī)群風(fēng)電機(jī)組的最優(yōu)葉尖速比相等。此時(shí)等值機(jī)的轉(zhuǎn)速特性不變，從而保證了等值機(jī)后風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、槳距角變化規(guī)律和單臺(tái)風(fēng)電機(jī)的一致性。通過(guò)上述公式的轉(zhuǎn)換，可以得出等值機(jī)的機(jī)械輸出功率基本等于被等值風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械輸出功率之和。由此可得在理論推導(dǎo)上，該方法能有效、較精確地對(duì)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速和轉(zhuǎn)速等值。

二、風(fēng)電機(jī)組及控制參數(shù)等值

風(fēng)電場(chǎng)是由數(shù)十甚至上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組組成，單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組通過(guò)箱變、架空線路或電纜并入集電線。

由圖1可以得出，風(fēng)電場(chǎng)中注入PCC點(diǎn)的功率為風(fēng)電場(chǎng)中運(yùn)行機(jī)組的實(shí)際功率之和。在對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值時(shí)要保證等值機(jī)的輸出功率等于風(fēng)電場(chǎng)中所有風(fēng)電機(jī)組的輸出功率之和。

由圖2可以看出，風(fēng)電場(chǎng)的等值機(jī)同樣是接在PCC點(diǎn)。因此等值機(jī)的容量、注入電網(wǎng)有功功率、無(wú)功功率為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組之和。

式（6）中SG、PG、QG分別為等值機(jī)的容量、有功功率和無(wú)功功率，Si、Pi、Qi分別為風(fēng)電場(chǎng)中單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量、有功功率和無(wú)功功率，n為等值風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)。

由于該等值方法是對(duì)同機(jī)群進(jìn)行等值（機(jī)組型號(hào)、容量相同），因此等值機(jī)的容量可表示為公式（7）。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)示意圖

圖2 等值風(fēng)電場(chǎng)示意圖

對(duì)于等值機(jī)中的控制參數(shù)等值，如慣性時(shí)間常數(shù)H、剛性系數(shù)K、阻尼系數(shù)D計(jì)算公式為：

S、X為變壓器的容量和阻抗，控制參數(shù)除功率測(cè)量的放大系數(shù)之外，其它控制參數(shù)在等值前后一致。功率測(cè)量模塊的系數(shù)按下式等值：

式中Kp為功率測(cè)量模塊的比例系數(shù)。

如圖2所示，等值機(jī)通過(guò)升壓變、架空線路或電纜接入PCC點(diǎn)。等值線路參數(shù)可以表示為圖3所示：

如圖3所示，線路的等值阻抗可以通過(guò)一系列的串并聯(lián)計(jì)算得到。

其中，通過(guò)串并聯(lián)計(jì)算疊加獲得當(dāng)前一串風(fēng)電機(jī)組的等值電抗參數(shù)，再將n組等值阻抗計(jì)算結(jié)果做并聯(lián)計(jì)算得到總的阻抗值。

仿真驗(yàn)證

圖3 線路等值阻抗示意圖

表1 不同出力下的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

表2 不同功率因數(shù)的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

表3 短路電流計(jì)算結(jié)果

本文以某風(fēng)電場(chǎng)為例進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量201MW，風(fēng)電機(jī)組型號(hào)為某公司生產(chǎn)的 SL-3000/113，風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)為67臺(tái)，通過(guò)35 kV 線路共6回線，線路總長(zhǎng)60km。五回線路中每回線路風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)為10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，其它7臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在另一回線路上20 型線路長(zhǎng)度為0.358 km，共有14 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組采用恒功率因數(shù)控制。在PSASP程序中，分別對(duì)詳細(xì)模型和等值模型進(jìn)行仿真分析。

一、潮流計(jì)算結(jié)果比較

分別對(duì)兩種建模方法進(jìn)行的潮流計(jì)算，所得結(jié)果如下表所示：

表1、表2分別為在不同出力情況和不同功率因數(shù)情況下，靜態(tài)集電線路等值方法和詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)在35kV匯流母線處的有功功率、無(wú)功功率和電壓值。結(jié)果表明等值模型與詳細(xì)模型的比較誤差較小，算法準(zhǔn)確有效。

二、短路電流計(jì)算結(jié)果比較

分別對(duì)兩種建模方法進(jìn)行的潮流計(jì)算，所得結(jié)果如下表所示：

表3為風(fēng)電不同建模情況的三相短路電流比較，由表可知，短路電流計(jì)算結(jié)果詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果較等值風(fēng)電場(chǎng)偏小，因?yàn)榈戎碉L(fēng)電場(chǎng)在一定程度上考慮了集電線路，但是在做了簡(jiǎn)化假設(shè)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)得出等值模型，所以計(jì)算短路電流比詳細(xì)風(fēng)電場(chǎng)偏大。

通過(guò)仿真算例的驗(yàn)證，在對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，采用容量加權(quán)等值的方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值建模，可以有效的減少建模數(shù)據(jù)、工作量及提高了數(shù)據(jù)計(jì)算的收斂性，且不影響對(duì)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性的模擬。

結(jié)論

本文采用按容量加權(quán)等值的方法對(duì)風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行聚合，并采用同群風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓相等假設(shè)，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部集電線路作等值。通過(guò)對(duì)某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)，運(yùn)用PSASP程序，進(jìn)行等值模型與詳細(xì)模型的穩(wěn)態(tài)計(jì)算對(duì)比驗(yàn)證，并采用穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比得出，采用容量加權(quán)等值的方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值建模，可以有效的減少建模數(shù)據(jù)、工作量及提高了數(shù)據(jù)計(jì)算的收斂性，且不影響對(duì)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行特性的模擬，保證了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)建模的準(zhǔn)確性和不失真性。

(作者單位 : 周專、呂盼、宋新甫、張?jiān)鰪?qiáng):國(guó)網(wǎng)新疆電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院；劉建亮:國(guó)網(wǎng)新疆電力公司奎屯供電公司)