基于容量加權等值的大規模風電場建模研究

文 | 周專，呂盼，宋新甫，張增強，劉建亮

基于容量加權等值的大規模風電場建模研究

文 | 周專，呂盼，宋新甫，張增強，劉建亮

隨著風力發電技術的發展，并網風電場的規模逐漸增加。風力發電和常規能源發電相比，綠色無污染，且取之不盡，用之不竭，但由于風速是隨機波動的，風力發電具有間歇波動性。風電機組運行特性區別于常規風電機組，隨著電網中風電裝機容量的不斷增大，風電運行特性對電網的影響將不斷增大，風電在電網中的作用不能被忽略。為了研究含大容量風電場的電力系統安全穩定性以及采取何種控制措施等問題，建立有效的風電場模型很有必要。

然而，由于單個風電場裝機容量的不斷增大，風電場內往往有數十甚至上百臺風電機組，若對每一臺風電機組進行詳細建模，會極大地增加電力系統模型的復雜度，導致仿真時間過長，影響計算的收斂性。因此在對風電場進行仿真建模時，有必要對風電場進行簡化、等值。本文以等值機與單臺風電機組的功率轉換特性不變為原則，以被等值的風電機組同群風電機組運行點一致原則，提出了容量加權等值的方法，采用該方法對風電機組的參數進行等值。運用PSASP程序對等值前后風電場進行仿真，仿真結果表明，等值前后風電場并網運行點特性一致，等值算法能夠準確反映風電場機組的并網特性。本文對含風電場電網的安全穩定分析以及控制策略的研究具有重要的參考意義。

風電場建模概況

風電場建?？梢苑譃樵敿毥：偷戎到?。詳細建模是通過建立風電場內每臺機組的模型并聯接架空線或電纜等集電系統模型而搭建起來的。隨著風電場中風電機組的臺數和風電場容量的不斷增大，這一建模手段由于過于繁雜的建模過程和過長的仿真時間而不再實用。為了減少計算量，節省仿真時間，有必要采用等值建模手段。

目前，大規模風電場等值建模方法有以下四種：①將整個風電場等值為單臺風電機組，其容量等于所有風電機組容量之和。②只考慮風電機組的功率－風速曲線，計算等效風速作為風電場的輸入，從而得到風電場的輸出功率。③利用現代的動態等值方法如同調等值法、模式等值法，對風電場受到干擾后具有相同或接近動態特性的機組分組，同組的風電機組等效成一臺風電機組，從而得到用多臺機表征的風電場等值模型。④利用風速對風電機組進行分組，同組風電機組進行參數等值，用多臺機表征風電場。

由于大型風電場占地面積廣、風電機組數量多，場內風速分布并不均勻，各風電機組處于不同的運行點，因此方法①和方法② 采用的單機等值法會帶來較大誤差；方法③的分組依據是風電場遭受較大干擾或故障時風電機組的動態特性，適用于暫態過程分析，而在風電場穩態運行過程中，對風電場輸出特性起主導作用的因素則是風速和風向；方法④建立的等值模型精度較高，但大型風電場內風速變化差異大，有可能導致分組過多，仿真時間變長，且機組間風速變化往往具有連續性，導致分組指標不明顯。

風電機組參數等值

一、風電機組參數等值

風電機組參數等值的原則是保證等值機的風電機組與單臺風電機組風電機組的功率轉換特性不變，轉速及槳距角的調節特性不變。風電機組參數包括風速和轉速。

由于風電機組的功率輸出，受風速、葉尖速比和葉片半徑等因素的影響，風電機組的機械功率輸出方程為：

式中，Vwi為單臺風電機組的風速，n為被等值機群的風電機組臺數。此時保證了等值風電場掃風面積為單臺風電機組面積相加。

式中，Ai為單臺風電機組的掃風面積。等值前后風電機組葉片的半徑相等，由公式（1）知，風電機組輸出機械功率為風電機組轉速立方成正比關系，為保證被等值機群風電機組輸出的機械功率之和與等值機風電機組輸出的機械功率相等，令：

式中，Ωri為單臺風電機組的轉速。等值風電機組的葉尖速比為：

該等值方法保證了等值機風電機組與被等值機群風電機組的最優葉尖速比相等。此時等值機的轉速特性不變，從而保證了等值機后風電機組轉速、槳距角變化規律和單臺風電機的一致性。通過上述公式的轉換，可以得出等值機的機械輸出功率基本等于被等值風電機組的機械輸出功率之和。由此可得在理論推導上，該方法能有效、較精確地對風電機組的風速和轉速等值。

二、風電機組及控制參數等值

風電場是由數十甚至上百臺風電機組組成，單臺風電機組通過箱變、架空線路或電纜并入集電線。

由圖1可以得出，風電場中注入PCC點的功率為風電場中運行機組的實際功率之和。在對風電場進行等值時要保證等值機的輸出功率等于風電場中所有風電機組的輸出功率之和。

由圖2可以看出，風電場的等值機同樣是接在PCC點。因此等值機的容量、注入電網有功功率、無功功率為單臺風電機組之和。

式（6）中SG、PG、QG分別為等值機的容量、有功功率和無功功率，Si、Pi、Qi分別為風電場中單臺風電機組的容量、有功功率和無功功率，n為等值風電機組臺數。

由于該等值方法是對同機群進行等值（機組型號、容量相同），因此等值機的容量可表示為公式（7）。

圖1 風電場示意圖

圖2 等值風電場示意圖

對于等值機中的控制參數等值，如慣性時間常數H、剛性系數K、阻尼系數D計算公式為：

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

式中Kp為功率測量模塊的比例系數。

如圖2所示，等值機通過升壓變、架空線路或電纜接入PCC點。等值線路參數可以表示為圖3所示：

如圖3所示，線路的等值阻抗可以通過一系列的串并聯計算得到。

其中，通過串并聯計算疊加獲得當前一串風電機組的等值電抗參數，再將n組等值阻抗計算結果做并聯計算得到總的阻抗值。

仿真驗證

圖3 線路等值阻抗示意圖

表1 不同出力下的穩態仿真結果

表2 不同功率因數的穩態仿真結果

表3 短路電流計算結果

本文以某風電場為例進行了仿真驗證。該風電場裝機容量201MW，風電機組型號為某公司生產的 SL-3000/113，風電機組臺數為67臺，通過35 kV 線路共6回線，線路總長60km。五回線路中每回線路風電機組臺數為10臺風電機組，其它7臺風電機組在另一回線路上20 型線路長度為0.358 km，共有14 臺風電機組，風電機組采用恒功率因數控制。在PSASP程序中，分別對詳細模型和等值模型進行仿真分析。

一、潮流計算結果比較

分別對兩種建模方法進行的潮流計算，所得結果如下表所示：

表1、表2分別為在不同出力情況和不同功率因數情況下，靜態集電線路等值方法和詳細風電場在35kV匯流母線處的有功功率、無功功率和電壓值。結果表明等值模型與詳細模型的比較誤差較小，算法準確有效。

二、短路電流計算結果比較

分別對兩種建模方法進行的潮流計算，所得結果如下表所示：

表3為風電不同建模情況的三相短路電流比較，由表可知，短路電流計算結果詳細風電場計算結果較等值風電場偏小，因為等值風電場在一定程度上考慮了集電線路，但是在做了簡化假設的基礎上推導得出等值模型，所以計算短路電流比詳細風電場偏大。

通過仿真算例的驗證，在對大規模風電場進行仿真計算時，采用容量加權等值的方法對風電場進行等值建模，可以有效的減少建模數據、工作量及提高了數據計算的收斂性，且不影響對實際風電場運行特性的模擬。

結論

本文采用按容量加權等值的方法對風電機組動態參數進行聚合，并采用同群風電機組機端電壓相等假設，對風電場內部集電線路作等值。通過對某地區風電場，運用PSASP程序，進行等值模型與詳細模型的穩態計算對比驗證，并采用穩態和暫態的計算結果對比得出，采用容量加權等值的方法對風電場進行等值建模，可以有效的減少建模數據、工作量及提高了數據計算的收斂性，且不影響對實際風電場運行特性的模擬，保證了對風電場建模的準確性和不失真性。

(作者單位 : 周專、呂盼、宋新甫、張增強:國網新疆電力公司經濟技術研究院；劉建亮:國網新疆電力公司奎屯供電公司)