CN103219725A

CN103219725A - 一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法

Info

Publication number: CN103219725A
Application number: CN2013100266388A
Authority: CN
Inventors: 袁蓉; 章汉军; 周荣虎; 赵成强; 仇跃东; 熊西林; 苏沛轩; 刘进兴; 胡祖伟; 黄滇生; 杨文波
Original assignee: Dali Power Supply Bureau Of Yunnan Power Grid Corp
Current assignee: Dali Power Supply Bureau Of Yunnan Power Grid Corp; Dali Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-07-24

Abstract

一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法，通过分析风电场的运行特点和实时监控系统能够测得的物理量，提取出决定机组运行状态的支持向量输入到支持向量机中，通过建立新的核函数将机组分为四类，完成机组的初步分群。结合风电场的地理位置信息，确定所有机组的同调群划分最终结果。本发明在仿真软件中搭建详细模型图和等值模型图，分析等值误差，通过与传统的单机等值方法对比发现，本发明提出的等值方法误差更小，更能满足工程实际的要求。

Description

一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法

技术领域

本发明属于风电场运行与规划技术领域，具体地说是介绍一种能适用于多种场合的风电场等值模型。

背景技术

随着越来越多大容量风电场的建设和运行，风电在我国电力系统中所占的比重将逐步增加，大容量风电场与电力系统之间的相互作用和影响也将随之加大。如何较准确地分析风电场对电网的动、暂态运行特性影响以及电网故障下风电场的暂态运行性能显得很重要。风电场等值建模的研究是分析上述问题的基础。对于大型风电场，若用详细模型进行大容量风电场并网运行的动、暂态特性计算，需要对每一台风力发电机组、风电场的内部电网以及主系统进行多次反复的迭代求解。在风力发电机组台数较多、内电网较复杂和主系统较大的情况下，数据准备量和计算量是非常可观的，有时很难得到问题的解。为了减轻大规模风电场的数据准备和计算负担，很有必要对整个风电场进行等值建模。现有的等值方法未结合风机的运行特点对实时运行数据进行分析，对于某些地势不均匀的山地风电场来说等值误差一般都比较大。

发明内容

本发明通过分析风电场实际运行时的特点，提出了一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法，可适用于不同场合下由不同类型机组组成的风电场，具体包括以下步骤：

（1）运用同调等值法，采用支持向量机对机组进行同调群划分；

（2）确定支持向量机的两个重要要素：支持向量和核函数；

（3）对多个采样时刻的数据进行处理，统计每类机群号出现的次数，得到机组的同调群划分初步结果；

（4）结合风电场的地理位置信息，给出同调群划分的最终结果；

（5）选择另一组采样数据对上述结果进行验证，每个季节风的特征即大小风模式的不同，得到的同调群划分结果也会相应地有所不同；

（6）计算等值参数时分开考虑不同类型的机组，首先将每个同调群中的机组按照类型进行归类，对双馈型机组和普通异步型机组分别计算其等值参数；

（7）在Simulink中对得到的等值模型进行验证，计算等值误差并对模型进行适当的调整。

本发明在所述步骤（2）中，支持向量的确定方法为：山地风电场中每台风机的运行状态多变且差异很大，同调群划分必须运用实时运行数据；分析实时监控系统能够测得的物理量，将风速和有功功率作为支持向量输入到支持向量机中；避开传统的几种核函数，建立一种新的核函数，将一段时间内风速和有功功率变化相近的机组归为一类，物理概念清晰，使用简单。

本发明在所述步骤（4）中，首先将风电场的地理位置信息表作为基础数据输入到等值程序中，方便后来使用。

本发明在所述步骤（5）中，大小风模式下的机组运行特征差异必然很大，若采用同样的模型势必会带来很大的误差；对不同的模式分开考虑，会减小等值时的误差。

本发明在所述步骤（6）中，普通异步型机组的等值参数计算方法研究较为成熟，采用最小二乘参数辨识法进行计算比容量加权法的精度有所提高；而双馈机组风电场运行方式多变，兼顾复杂性和等值误差，选择容量加权法计算；通过对单台风机的特性分析可以知道，风机需要等值的参数包括机组固定参数、额定容量、风速和风电场内部参数；这里运用风速-有功功率的反函数来计算等值风速，运用串并联电路知识计算风电场内部参数。

本发明在所述步骤（7）中，在仿真软件中分别搭建详细模型和等值模型的仿真图，在正常运行情况下、风速扰动下和故障情况下观察风电场出口母线处的电压、有功功率和无功功率曲线，计算等值误差，对某些误差超过允许范围的等值结果，可适当进行调整，最终将误差限制在工程允许范围内。

本发明所达到的有益效果：

本发明提出了一种新的风电场等值方法，通过对机组运行特性进行分析，提炼出影响机组运行状态的实时数据，对这些数据进行处理得到多机表征的风电场等值模型。该模型能适用于多种不同的场合，既可用在地势不规则的山地风电场，也可用在地势平坦的平原或海上风电场中。结合传统分类方法中的地理位置信息，又在其基础上进行创新，与传统的单机等值方法比较发现，本发明的等值方法误差更小，更能满足工程实际的要求。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步解释。

附图说明

图1为风电场等值建模的整个步骤；

图2为机组同调群划分的流程图；

图3为双馈型风电场等值模型图，普通异步型风电场与其类似；

图4为双馈型风电场模型验证时详细模型和等值模型在不同运行工况下的仿真结果，普通异步型风电场与其类似。

具体实施方式

一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法，本发明步骤包括：

（2）确定支持向量机的两个重要要素：支持向量和核函数；

见图1所示，

山地风电场的风机排列不规则，风速差异较大，借鉴同调等值法的多机等值思想，首先进行同调群划分。支持向量机原理简单，推广性能好，误差小，使用方便，被用作同调群划分的方法，运用支持向量机时最重要的两点是支持向量的确定以及核函数的选取；

机组的运行状态随风速不断变化，同调群划分必须结合实时数据。风电场实时监控系统能够测得的物理量包括：风机状态、风速、有功功率、无功功率、电网频率、机端电压、电流、功率因数、叶轮转速、电机转速、总发电量、总发电时间、总维护时间、总故障时间、无功电量、环境温度、齿轮箱温度、电机温度、齿轮轴承温度、发电机轴温度等。风速不仅可以反映风力发电机组所在位置的地形情况，还可以反映风力作用在风机上的情况、相邻机组的相互影响情况以及不同风向下机组的运行情况，所以风速被选作支持向量之一是很有必要的。另外，风力发电机组在大小风下运行的主要表现形式是有功功率和电机转速。在机组惯性时间常数一定的情况下，转速大小近似与风速变化量成正比，风速变化情况基本可以反映出电机的转速变化情况。因此，将有功功率选作机组划分的另一个依据；

采用不同的核函数得到的分类结果将会不一样，本发明采用的核函数形式为

，其中，ΔV_i,j和ΔP_i,j是每台风机的风速和有功变化值，Δv和Δp是整个风电场风速和有功变化的平均值。这样的核函数使用简单，物理概念明确；

采集风电场某两个时刻所有风机的风速和有功功率数据（其中的某两个时刻是为了计算出风速和有功功率变化值），将它们输入到支持向量机中，通过建立的核函数将所有风机分成四类，这样风速在一段时间内变化相近的风力发电机组和有功功率在一段时间内变化相近的风力发电机组会被归到同一类中；

风电场的风速是不断变化的，仅由两个时刻划分出的同调群结果并不一定是准确的，因此选取的采样点一般会有20个左右，依次记录下20次的分类结果，将结果出现次数最多的同调群序号作为该机组的同调群划分结果；

对于某些分类结果出现次数相同的机组，参考与其地理位置相似机组的划分结果，在编写程序时首先会将机组按照实际地理位置分成若干组，当出现上述情况下可运用地理位置信息表得出该机组的同调群划分结果；

（7）重新选取20个采样时刻对前面的划分结果进行验证，一般来说，同一个季节的自然风会有一定的规律，相应地，每台风机接收到的风速也会呈现出一定的规律性，每个季节得到的同调群划分结果是类似的，因此，对一个具体风电场来说只要给出每个季节中某一天的风速采样值，便可近似得到该风电场一年的同调群划分结果，具体同调群划分流程图见图2；

（8）接下来要进行的是每个机群等值参数的计算。由于双馈风机和普通异步风机的运行原理和控制方式不同，不能将两者一起考虑。在计算等值参数时需要判断机组类型，将双馈机组和普通异步机组分别划分为一类。对普通异步机组采用最小二乘参数辨识法计算参数，而双馈机组风电场运行方式多变，在运用最小二乘法参数辨识时，需考虑不同运行方式对传递函数的影响，增加了等值的复杂性。另外，不同的运行方式也会给优化算法的输入输出关系和参数确定带来影响。所以，就目前的研究情况来看，兼顾复杂性和等值误差，选择按容量加权法；

需要注意的是，由于山地风电场每台风机的风速差异都很大，不能直接采用平均风速作为每个机群的等值风速。首先根据风电场的实际情况拟合出风速-有功功率曲线，近似列出每段曲线的表达式，运用风速-有功功率函数的反函数推出每个机群的等值风速。

另外，风电场集电系统的等值也是一个不容忽视的问题。本发明将内部电网的功率损耗用一个等效阻抗来表示，该等效阻抗的大小根据风电机组接入系统的线路布局来确定，变压器和线路则按照一般的电路基础知识进行计算。

（9）将风机台数任意的风电场按照上述步骤分成四个机群，计算得到每个机群的参数后，还需对等值结果进行验证。在Simulink中分别搭建风电场的详细模型（即对每一台机组分别建模）和等值模型（即由本发明得到的模型）。分别在正常运行情况下和扰动情况下（风速波动和故障）监测风电场出口母线处的电压、有功功率和无功功率曲线，分析等值模型的误差大小并对模型进行适当修正。

该实例选取云南大理的马鞍山风电场对整个等值过程做一个详细的展示，具体实施步骤为：

（1）如图2所示，从提供的2011年3月22日采集到的马鞍山风电场运行数据中提取20个采样时刻的风速和有功功率值，形成风速和有功功率矩阵。

（2）在MATLAB中编写程序，按照构造的核函数形式将所有的机组分成四类，每台机组会有20个不同的划分结果，统计四类序号出现的次数，将次数最多的划分结果作为该机组的同调群划分初步结果。

（3）按照风电场中风机的地理位置图形成地理位置信息表，对某些四类序号出现次数相同的机组参考其相邻机组的同调群划分结果。如1号机组的20次划分结果为：1类出现6次，2类出现6次，3类出现3次，4类出现5次，1类和2类出现的次数最多且相同，无法给出其同调群号，这时就看地理位置信息表中它与哪台机组相近，用其同调群号作为1号机组的同调群划分结果。

（4）重新选取另外20个采样时刻，对上述的划分结果进行验证。将机组编号分别放在四个变量中，并统计每类同调群号中的机组数量。

（5）将每类机组按照双馈型和普通异步型分成两类，由于马鞍山风电场都是双馈型机组，且是同一种型号，不存在这个问题，直接进行容量加权法计算等值参数即可。需要进行等值的固定参数包括定子电阻、定子电抗、转子电阻、转子电抗、励磁电抗、转子惯性时间常数和转差率。其他需要等值的参数还有额定容量和风速、电网的内部参数等。

（6）由于马鞍山风电场的机组型号是一致的，会简便很多，得到每个同调群的有功功率后，运用风速-有功功率的反函数计算得到等值风速。根据风机接入电网的方式，可由串并联电路知识得到风电场的内部参数。整个过程见图1。

（7）最后进行模型验证工作。选用Simulink作为仿真工具，受仿真时间的限制，一般参与仿真的风机台数不超过10台。任意选取马鞍山风电场的8台机组：28、29、33、35、40、45、46和52号机组，分别搭建详细模型和等值模型（如图3所示），观察两种模型在正常运行状态下、风速扰动下和故障情况下风电场出口母线处的电压、有功功率和无功功率曲线，如图4所示。

（8）分析等值模型的误差，并与传统的单机等值法进行对比，分析误差来源并进行适当修正。

Claims

1.一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法，其特征在于，步骤包括：

（2）确定支持向量机的两个重要要素：支持向量和核函数；

2.根据权利要求1所述的一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法，其特征在于：在所述步骤（2）中，支持向量的确定方法为：山地风电场中每台风机的运行状态多变且差异很大，同调群划分必须运用实时运行数据；分析实时监控系统能够测得的物理量，将风速和有功功率作为支持向量输入到支持向量机中；避开传统的几种核函数，建立一种新的核函数，将一段时间内风速和有功功率变化相近的机组归为一类。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时运行数据的风电场等值建模方法，其特征在于：在所述步骤（4）中，首先将风电场的地理位置信息表作为基础数据输入到等值程序中。