風力發電場的規劃及其等效模型

摘 要：風力發電有其自身的特點和規律，在當前世界范圍內的新能源發展和節能減排的環保政策背景之下，我國的風力發電的接入電網規劃提上了議事日程，并以此規劃為前提，建構了風力發電場接入的電網規劃模型，在對相關指標的科學評價之下，使風力發電場的等效模型具有實用價值和功能。

關鍵詞：風力發電場；規劃；等效模型

隨著國際范圍內的能源問題和環境問題日益突出，風能作為一種清潔能源、低碳綠色能源而被人們所關注。我國的風電裝機容量已經超過千萬千瓦，未來的發展趨勢將會有更多的風電裝機容量，在這個趨勢預測前提下，在風電大規模接入電網的條件下，我國的電網工作要進行科學合理的統籌規劃，要在風電并網的思路下，合理地設計風力發電的規劃，并建構有效的等效模型，以實現對風能的最大化利用。

1 DFIG風力發電場的系統分析

風力發電以典型的可再生能源發電模式被不斷開發和應用，在電力電子技術不斷進步和成熟的條件下，背靠背變流器勵磁裝置的DFIG成為了風力發電場的主流機型，DFIG風力發電場系統目前研究的重點在于風電場系統的穩定性以及大型風電場的等值方法等，并在我國智能電網不斷推進的形勢下，以風力發電為主的分布式電源并網容量顯現出不斷增大的趨勢和傾向。本文以DFIG的數學等效模型為著眼點，探討DFIG發電場系統的等效模型，并對其加以改進，從而系統地驗證DFIG發電場系統的能力。

1.1 DFIG風力發電場的物理架構系統分析

在DFIG風力發電場的物理架構之中，其物理構件主要有風力機、發電機和雙向變流器，它采用類似于感應電動機結構和參數的雙饋發電機，這種雙饋式風力發電場的架構及功率分布，如下圖所示：

雙饋式風力發電場架構及功率分布圖

1.2 風力發電系統的模型

基于風力發電的規律及特點，可以建構風力發電模型，為風力發電接入電網規劃奠定基礎。

（1）風速模型

經過大量的實測得出相關的實測數據，對這些實測數據加以分析可以得知，風速的變化近似服從于Weibull分布，由此可以得到概率密度函數，用公式可以表述為：

在上式中，c表示韋伯爾分布的尺度參數；k表示形狀參數。

（2）風力發電機組出力模型

風力發電機組的出力模型，主要涉及兩個概念，即：發電功率P和風速v，這兩者之間的關系可以用以下公式加以表述和描繪：

在上式之中，v主要表示風機輪轂部位的風速；Vet表示切入風速；V∞表示切出風速；Vt表示額定風速；Pt表示風機額定輸出功率。

2 風力發電接入網規劃相關指標分析

2.1 風力發電利用指標

為了開發我國的新能源，電網企業要將風電進行全額收購，為了充分體現出風力發電網絡的輸送性能，可以運用風力發電利用指標加以描繪和表示：

Q=F/P

在上式之中，F代表風力發電場實際負荷狀態下的出力數據；P代表風力發電場的可出力數據。考慮到風力發電場出力數據與風速的分段關系，可以運用函數變量公式，對風力發電出力的期望值，進行計算，其計算公式為：

E[f（x，ξ）]=Σθf（x，ξ）

在上式之中，x代表風力發電場規劃方案；ξ代表風速的隨機變量；f（x，ξ）是目標函數，它代表風力發電場出力；θ代表變量ξ的分布函數。

2.2 風力發電綜合指標

在風力發電接入網的規劃之中，存在風力發電最大化利用和最小化建設成本之間的矛盾沖突，因而，可以建構風力發電綜合指標，其公式可以表達為：

Z=CQ/L

在上述公式之中，Q代表風力發電利用指標；L代表風力發電建設成本；C代表系數。

3 風力發電場并網規劃模型構建

3.1 能源法視角下的傳統確定性規劃模型

如果在模型構建時不考慮風力發電的隨機性，而是按照最大出力的規劃原則，在確保電力安全傳輸的前提下，力求建設成本最低，則可以構建如下風力發電場規劃模型：

在上述公式之中，我們可以看到，minf（x）表示風力發電的建設最小成本；gj（x）≤0表示風力發電場的約束條件。

3.2 風力發電出力的隨機性規劃模型

考慮到風力發電存在隨機變化的狀態，傳統的、確定性的公式已經無法真實表達風力發電場的實時狀態，因而，需要在風力發電場的規劃模型中，將出力隨機變化值納入到公式之中。具體表達如下：

在上述公式之中，ξ表示風力發電出力的隨機變量；minf（x，ξ）代表風力發電場最小建設成本；gj（x，ξ）≤0代表風力發電線路的約束條件。

3.3 風力發電場的機會約束規劃模型

這是在考慮約束條件中涵蓋有隨機變量的條件下，基于機會約束規劃，而構建的風力發電場規劃模型，可以用如下公式加以表達：

在上式之中，ξ表示風力發電場出力的隨機變量；f（x，ξ）表示兼顧經濟性指標E、風電利用指標 Q；maxf（x，ξ）代表最大化綜合指標；gj（x，ξ）≤0代表線路約束條件。

參考文獻

[1]蘭宏光.變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤研究[D].沈陽建筑大學，2013.

[2]王沐晗.基于LabVIEW的風電機組仿真研究[D].華北電力大學，2012.

（作者單位：中廣核風電有限公司內蒙古分公司）