CN102254092B - 一种含双馈风电机组的大型风电场动态等值方法 - Google Patents

Abstract

一种含双馈风电机组的大型风电场动态等值方法，包括如下步骤：步骤a：读入各风机的输入数据，包括：风机的模型参数；风机的输入风速；风机的风功率特性；所研究的扰动信息：风速扰动或电气故障；步骤b：根据各风机输入风速的特性对风机进行分群，同群的风机被等值在一起，计算等值机的输入风速；步骤c：输出风电场动态等值的计算结果，包括：风机的分群信息；等值机的模型参数；等值机的输入风速曲线。本发明的有益效果如下：本发明充分考虑了风机输入风速对等值计算的影响，并根据输入风速的特性来对风机进行分群，从而提高了等值计算的精度。

Description

一种含双馈风电机组的大型风电场动态等值方法

技术领域

本发明属于电力仿真建模领域，具体涉及一种含双馈风电机组的大型风电场集中接入电网的动态等值方法。

背景技术

近年来，风力发电得到迅猛发展。随着越来越多的大型风电场开始接入电网，必须对大型风电场接入电网所带来的影响开展深入研究。风电场中风电机组数目众多，如果对每台机组分别进行详细建模，则微分方程的个数将会显著增加，仿真时间就会过长；而对风电场进行动态等值可显著减少模型的阶数和仿真时间，同时能够正确反映风电场对系统的影响。文献一《一种大规模风电集中接入电网的风电场等值建模方法》（专利申请公布号：CN 101882167 A）提出了适合鼠笼式异步风电机组的动态等值方法；与鼠笼式异步风电机组相比，双馈风电机组具有显著的优良特性，如有功功率和无功功率的解耦控制等，从而得到越来越广泛的应用；本文主要研究双馈风电机组的动态等值问题。最常用的等值方法是将输入风速相近的风机等值在一起；但是在实现该方法时必须解决两个问题：其一是如何对输入风速的相近性进行量化；其二是如何计算输入等值机的输入风速。文献二《Equivalent Models of Wind Farms by Using Aggregated Wind Turbines and Equivalent Winds》（Engergy Conversion and Management 2009年3月号第50卷第3期第691页）提出通过等值风速法来解决这两个问题：将所有风机等值为一台机，从而避免了风速的划分问题，并通过风机的风功率曲线计算出输入等值机的等值风速。

文献二的等值风速法简单地将所有风机等值在一起，并没有对输入风速的相近性进行量化，这将导致动态等值计算的结果无法满足工程应用的要求，具体原因如下。图1所示为双馈风电机组典型的风功率曲线（文献三《PSD-BPA暂态稳定程序用户手册》中国电力科学研究院2007）；图中                                                

和

分别表示风机的切入风速和切出风速，

是风电机组的额定风速，

 是风电机组的额定有功出力；和

之间曲线代表风机的最大功率跟踪特性，而当风速高于

时，风机将通过调节桨矩角把输出功率限制在额定功率值

。

由图1可知：当在输入风速高于额定风速和输入风速低于额定风速的两种不同情况下，风机具有完全不同的动态响应和控制特性，如果把处于这两种不同情况下的风机等值在一起将会造成大的偏差；另一方面，如果两台风机的输入风速的平均值比较接近，但是如果其中一台的输入风速的瞬时值与其平均值偏差很大，而另一台的输入风速的瞬时值与其平均值偏差很小，则将它们等值在一起也会造成大的偏差。所以在等值计算时必须首先对输入风速的相近性进行量化，否则等值后的模型将无法正确反应风电场对系统的影响。

发明内容

对于含双馈风电机组的大型风电场集中接入电网的动态等值问题，本发明针对现有技术的不足（没有充分考虑风机输入风速对等值计算的影响），提出了新的解决方案：首先根据输入风速的特性对风机进行分群，而同群的机组将被等值为一台机；之后将计算输入等值机的等值风速。其中的基本假设为：

（1） 风电场中所有风电机组均为同型号的双馈风电机组；

（2）在研究大型风电场集中接入电网的动态等值问题时，忽略风电场内部各机组与并网点电气接线之间的差异（文献二）。

本发明所提的解决方案如图2所示，其中包括如下具体步骤：

a 读入各风机的输入数据，包括：

（1） 风机的模型参数；

（2） 风机的输入风速；

（3） 风机的风功率特性；

（4） 所研究的扰动信息：风速扰动或电气故障等；

b 根据各风机输入风速的特性对风机进行分群，同群的风机被等值在一起，计算等值机的输入风速；

c 输出风电场动态等值的计算结果，包括：

（1） 风机的分群信息；

（2） 等值机的模型参数；

（3） 等值机的输入风速曲线。

步骤b中的算法包括以下内容：

（1）对风机进行分群，将型号相同且风速相近的风机定义为一群，其中包含如下内容：

<1>计算每一风机的输入风速的平均值和方差

输入风速平均值的计算公式如式（1）：

                           (1)                  

其中，是仿真的开始时刻，

是仿真的结束时刻，

是t时刻的风速值，和

之间共有n+1个仿真时刻。

本发明在对风机的分群标准中引入方差的指标，用于量化输入风速的瞬时值与其平均值偏差之间的偏差值。方差指标中需要考虑两个因素：首先需要区分正、负偏差值之间的差别；其次在计算方差时还需要区分不同仿真时刻下偏差之间的偏差，为此，在方差公式中引入一个权重值，它在不同的仿真时刻应有不同的取值。综合以上，需要分别计算正半方差

和负半方差

；其中正半方差

的计算公式是：

                         (2)

其中，

由式（1）给出，

是在

和

之间所有满足

的时刻；而t时刻的权重值

由式（3）给出：

                        (3)

其中，

，从而使得

；

的值越大，则不同时刻权重值的差别越小，而当

时可以放大不同时刻的权重值之间的差别，

是用于计算的预设值。

类似地，得到负半方差

的计算公式如下：

                         (4)

其中，

是

和

时刻之间的风速的平均值，

是在

和

之间所有满足

的时刻，而

由式（3）给出。

〈2〉按照平均风速值和方差对风机分群

基本的原则是：对于输入风速的正半方差和负半方差的值都小的风机，其输入风速的瞬时值与平均风速值之间的偏差小，故可以采用较为宽松的分群标准；而对于输入风速的正半方差或负半方差的值大的风机，其输入风速的瞬时值与平均风速值之间的偏差大，故应采用较为严格的分群标准。

本发明通过定义正半方差的阀值

和负半方差的阀值来界定输入风速的方差值的大小。对于满足

且的风机采用宽松的分群标准：将切入风速和额定风速之间均分为N群，而将额定风速和切出风速之间均分为M群，按输入风速的平均值最多可将风机分为N+M群；N和M的值越大，等值的精度越高，但是计算时间也会相应变长。

对于

或者

的风机采用严格的分群标准：即同一群中任意两台风机（编号为i和j）的平均风速值和方差必须同时满足式（5）、式（6）和式（7）所示的三个条件。

                         （5）

其中，是编号为i的风机的平均风速值，

是编号为j的风机的平均风速值，

是风速偏差的阀值；

                      （6）

其中，

是编号为i的风机的正半方差值，是编号为j的风机的正半方差值，

是预设的偏差阀值；

                      （7）

其中，

是编号为i的风机的负半方差值，

是编号为j的风机负半方差值，

是预设的偏差阀值。

本发明中各参数的取值应根据工程实际要求来设置，建议采用如下的值：N=2，M=2，Ｋ=0.5，

，

，

，

，

。

〈3〉汇总风机的分群信息

根据之前的计算结果，得到风电场全部风机的分群信息；同群的风机将被等值为一台机；在标幺值系统下，等值机拥有与单台该型风力发电机相同的模型，而等值机的额定容量等于其所代表的各台风机的额定容量之和。

（2）采用文献二中的方法计算输入每一群风机的等值机的输入风速, 计算过程如下：

〈1〉对于每一台风机，根据输入风速和风机的风功率曲线（如图1所示），求取该机的输出功率； 

〈2〉对各风机的输出功率求和；

〈3〉求取等值机的风功率曲线，该曲线为各风机的风功率曲线的叠加；在标幺值系统下，等值机的模型参数与单台机的模型参数是相同的，所以它们的风功率曲线也是相同的；

〈4〉通过等值机的风功率曲线和各风机的输出功率之和求得输入等值机的等值风速。

本发明的有益效果如下：本发明充分考虑了风机输入风速对等值计算的影响，并根据输入风速的特性来对风机进行分群，从而提高了等值计算的精度；本发明解决了含双馈风电机组的大型风电场集中接入电网的动态等值问题，它显著减少了模型的阶数和仿真时间，同时能够正确反映风电场对系统的影响。

附图说明

图1为典型的风功率曲线。

图2为含双馈风电机组的大型风电场集中接入电网的动态等值方案。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明做进一步详细描述，但是本发明不限于所给出的例子。本发明所提的解决方案如图2所示，其中包括如下具体步骤：

a 读入各风机的输入数据，包括：

（1） 风机的模型参数；

（2） 风机的输入风速；

（3） 风机的风功率特性；

（4） 所研究的扰动信息：风速扰动或电气故障等；

b 根据各风机输入风速的特性对风机进行分群，同群的风机被等值在一起，计算等值机的输入风速；

c 输出风电场动态等值的计算结果，包括：

（1） 风机的分群信息；

（2） 等值机的模型参数；

（3） 等值机的输入风速曲线。

步骤b中的算法包括以下内容：

（1）对风机进行分群，将型号相同且风速相近的风机定义为一群，其中包含如下内容：

<1>计算每一风机的输入风速的平均值和方差

输入风速平均值的计算公式如式（1）；本发明在对风机的分群标准中引入方差的指标，用于量化输入风速的瞬时值与其平均值偏差之间的偏差值。方差指标中需要考虑两个因素：首先需要区分正、负偏差值之间的差别；其次在计算方差时还需要区分不同仿真时刻下偏差之间的偏差，为此，在方差公式中引入一个权重值，它在不同的仿真时刻应有不同的取值。综合以上，需要分别计算正半方差

和负半方差

；其中正半方差的计算公式是（2），而负半方差的计算公式是（4）。

〈2〉按照平均风速值和方差对风机分群

基本的原则是：对于输入风速的正半方差和负半方差的值都小的风机，其输入风速的瞬时值与平均风速值之间的偏差小，故可以采用较为宽松的分群标准；而对于输入风速的正半方差或负半方差的值大的风机，其输入风速的瞬时值与平均风速值之间的偏差大，故应采用较为严格的分群标准。

本发明通过定义正半方差的阀值

和负半方差的阀值

来界定输入风速的方差值的大小。对于满足

且的风机采用宽松的分群标准：将切入风速和额定风速之间均分为N群，而将额定风速和切出风速之间均分为M群，按输入风速的平均值最多可将风机分为N+M群；N和M的值越大，等值的精度越高，但是计算时间也会相应变长。

对于

或者

的风机采用严格的分群标准：即同一群中任意两台风机（编号为i和j）的平均风速值和方差必须同时满足式（5）、式（6）和式（7）所示的三个条件。

本发明中各参数的取值应根据工程实际要求来设置，建议采用如下的值：N=2，M=2，Ｋ=0.5，

，

，

，

，

。

〈3〉汇总风机的分群信息

根据之前的计算结果，得到风电场全部风机的分群信息；同群的风机将被等值为一台机；在标幺值系统下，等值机拥有与单台该型风力发电机相同的模型，而等值机的额定容量等于其所代表的各台风机的额定容量之和。

（2）采用文献二中的方法计算输入每一群风机的等值机的输入风速, 计算过程如下：

〈1〉对于每一台风机，根据输入风速和风机的风功率曲线（如图1所示），求取该机的输出功率； 

〈2〉对各风机的输出功率求和；

〈3〉求取等值机的风功率曲线，该曲线为各风机的风功率曲线的叠加；在标幺值系统下，等值机的模型参数与单台机的模型参数是相同的，所以它们的风功率曲线也是相同的；

〈4〉通过等值机的风功率曲线和各风机的输出功率之和求得输入等值机的等值风速。

Claims (2)

1.一种含双馈风电机组的大型风电场动态等值方法，包括如下步骤：

步骤a：读入各风机的输入数据，包括：风机的模型参数；风机的输入风速；风机的风功率特性；所研究的扰动信息；风速扰动或电气故障；

步骤b：根据各风机输入风速的特性对风机进行分群，同群的风机被等值在一起，计算等值机的输入风速；

步骤c：输出风电场动态等值的计算结果，包括：风机的分群信息；等值机的模型参数；等值机的输入风速曲线；

其特征在于：所述步骤b）中根据各风机输入风速的特性对风机进行分群以及将同群的风机等值的过程如下：

（1）计算每一风机的输入风速的平均值和方差

输入风速平均值的计算公式如式（1）：

$\stackrel{\&OverBar;}{v}=\frac{\underset{t=t_0}{\overset{t_n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_t}{n+1}---\left(1\right)$

其中，t₀是仿真的开始时刻，t_n是仿真的结束时刻，v_t是t时刻的风速值，t₀和t_n之间共有n+1个仿真时刻；

方差的计算包括正半方差σ₊和负半方差σ_-的计算，其中正半方差σ₊的计算公式是：

${\mathrm{\&sigma;}}_{+}=\sqrt{\frac{\underset{t\&Element;{\mathrm{\&sigma;}}_{+}}{\mathrm{\&Sigma;}}{w}_t{(v_t-\stackrel{\&OverBar;}{v})}^2}{\underset{t=t_0}{\overset{t_n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_t}}---\left(2\right)$

其中，

由式（1）给出，t∈σ₊是在t₀和t_n之间所有满足

的时刻；而t时刻的权重值w_t由式（3）给出：

$w_t=\frac{1.0}{1.0+\frac{t}{K}}---\left(3\right)$

其中，K＞0，从而使得0＜w_t≤1；K的值越大，则不同时刻权重值的差别越小，而当1＞K＞0时可以放大不同时刻的权重值之间的差别，K是用于计算w_t的预设值；

负半方差σ的计算公式如下：

${\mathrm{\&sigma;}}_{-}=\sqrt{\frac{\underset{t\&Element;{\mathrm{\&sigma;}}_{-}}{\mathrm{\&Sigma;}}{w}_t{(v_t-\stackrel{\&OverBar;}{v})}^2}{\underset{t=t_0}{\overset{t_n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_t}}---\left(4\right)$

其中，

是t₀和t_n时刻之间的风速的平均值，t∈σ是在t₀和t_n之间所有满足

的时刻，而w_t由式（3）给出；

（2）按照平均风速值和方差对风机分群

对于满足σ₊＜σ_thp1且σ_-＜σ_thn1的风机采用宽松的分群标准：将切入风速和额定风速之间均分为N群，而将额定风速和切出风速之间均分为M群；

对于σ₊≥σ_thp1或者σ_-≥σ_thn1的风机采用严格的分群标准：即同一群中编号为i和j的任意两台风机的平均风速值和方差必须同时满足式（5）、式（6）和式（7）所示的三个条件；

$|\stackrel{\&OverBar;}{v_i}-\stackrel{\&OverBar;}{v_j}|<v_{\mathrm{th}}---\left(5\right)$

其中，σ_thp1为正半方差的阀值，σ_thn1为负半方差的阀值，

是编号为i的风机的平均风速值，

是编号为j的风机的平均风速值，v_th是风速偏差的阀值；

|σ_i+-σ_j+|＜σ_thp2          （6）

其中，σ_i+是编号为i的风机的正半方差值，σ_j+是编号为j的风机的正半方差值，σ_thp2是预设的偏差阀值；

|σ_i--σ_j-|＜σ_thn2        （7）

其中，σ_i-是编号为i的风机的负半方差值，σ_j-是编号为j的风机负半方差值，σ_thn2是预设的偏差阀值；

（3）汇总风机的分群信息

根据计算结果，得到风电场全部风机的分群信息；同群的风机将被等值为一台机；在标幺值系统下，等值机拥有与单台该型风力发电机相同的模型，而等值机的额定容量等于其所代表的各台风机的额定容量之和。

2.根据权利要求1所述的一种含双馈风电机组的大型风电场动态等值方法，其特征在于，N=2，M=2，Ｋ=0.5，v_th＝0.1，σ_thp1＝0.2，σ_thp2＝0.1，σ_thn1＝0.2，σ_thn2＝0.1。

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