CN105785792A - 一种仿真风电基地出力时空特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿真风电基地出力时空特性的方法，适用于电力系统全过程动态仿真；所述方法包括基于风速长时间波动的风电机组出力特性模拟及考虑风速和风向因素在内的风电基地出力特性模拟；风电机组出力特性模拟是用分段斜坡函数的形式模拟风的随机波动过程，经风能－机械能－电能的转化得到长时间波动的风电功率注入电网；风电基地出力特性模拟是由构造的风速风向—功率曲线和测风塔获取的风速和风向序列，仿真模拟风电基地时空特性。本发明能够对规模大到整个风电基地出力的时空特性，小到单台风力发电机出力的长时间波动性进行模拟，从而为研究风电的动态特性及接入电力系统后对电网功率平衡、频率和电压稳定的影响提供有效的仿真分析手段。

Description

一种仿真风电基地出力时空特性的方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真建模领域，更具体涉及一种在电力系统全过程动态仿真中反映风电基地出力时空特性的方法。

背景技术

随着风力发电技术的快速发展，风电装机容量不断攀升，接入电网的容量和电压等级都在不断地提高，源网协调和送出消纳问题越来越突出。提升大型风电基地稳定性和运行控制水平，提升电网接纳风力发电的能力，破解大型风电基地技术瓶颈刻不容缓。而现有大型风电基地的控制是基于简化的出力特性分析和电气条件假设的，因而运行控制较为粗放，考虑因素不够全面，调节资源未能充分利用，控制偏差大，不利于电力系统安全稳定和经济运行。

近年来，国内外正在逐步开展风电的电磁暂态和机电暂态的计算模型和计算方法研究，但适用于大型电力系统仿真分析的风电模型仍不成熟，特别是在大规模风电基地的长时间(分钟级、小时级)尺度和空间尺度的特性模拟方面，相关研究尚未开展，这使得针对新能源并网后的电网调频/调峰策略和提高动态电压稳定性等问题的研究，由于缺乏仿真计算工具而难以开展。

一些国外大型电力系统分析软件，如DIgSILENT/PowerFactory、PSLF、PSS/E，只具有单个风电机的电磁暂态或机电暂态仿真计算功能，并不具备大规模风电基地系统级的仿真功能，无法模拟风电分钟级的随机波动性；且由于发电机控制系统等相关模型的差异，这些软件难以应用于我国并网实际工程研究。

国内具有自主知识产权、且广泛应用于电力系统工程实际的大型电力系统分析软件(如PSD-BPA电力系统分析程序包、PSASP电力系统分析综合程序)中都还不具备大规模风电基地的时空特性仿真模拟功能。由于我国电网中风电装机容量不断增加，其对电网长时间运行特性的影响也就越大，电网仿真亟需在数学建模和仿真方法上实现对风电基地出力时空特性的仿真计算，以便于全面地分析风电开发利用与电网的相互影响，为电网的规划、运行提供实用化的计算工具。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿真风电基地出力时空特性的方法，能够对规模大到整个风电基地出力的时空特性，小到单台风力发电机出力的长时间波动性进行模拟，从而为研究风电的动态特性及接入电力系统后对电网功率平衡、频率和电压稳定的影响提供有效的仿真分析手段。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种仿真风电基地出力时空特性的方法，适用于电力系统全过程动态仿真；所述方法包括：

(1)根据风速长时间波动，模拟风电机组出力特性；

(2)根据风速和风向，模拟风电基地出力特性。

所述步骤(1)中，通过分段斜坡函数模拟风的随机波动过程，经风能－机械能－电能的转化得到波动的风电功率注入电网进行风电机组出力特性模拟。

所述模拟风电机组出力特性的过程包括：

(1-1)根据实测或预测的风速数据设置多段斜坡的节点坐标，构造风速波动曲线；

(1-2)将所述风速波动曲线上每一时刻的风速值作为风电机组模型的输入；

(1-3)将风速输入到风电机组原动机控制模型中，风能转化为风机的机械功率P_Mx，并注入到风机发电机和换流器的控制模型中，最终转化为电功率P_gen注入电网。

所述步骤(2)中通过构造的风速风向—功率曲线和测风塔获取的风速和风向序列，实现风电基地出力特性的仿真模拟。

所述风电基地出力特性的模拟过程包括：

(2-1)根据风电基地所在地区的空间因素，构造风速风向—功率曲线；

(2-2)由测风塔获取一段时间内的风速和风向序列；

(2-3)对序列中每一个点的风速和风向，在风速风向－功率曲线上获取其对应的功率值作为测风塔所在区域风电机组的功率P_Mx；

(2-4)将风电机组的功率注入到风机发电机和换流器的控制模型中，最终转化为电功率P_gen注入电网。

所述风速波动曲线是以实测或预测的风速数据为参考，在平面直角坐标系中设置多段斜坡函数的各节点坐标；

所述平面直角坐标系横轴为时间T，单位为秒或分钟；其纵轴为风速V_Wx，单位为米每秒；

所述各节点为每两段斜坡的交点，其坐标格式为(T_i，V_Wi)；

所述每段斜坡的斜率K是通过该段斜坡的起始点坐标(T₁，V_W1)和终止点坐标(T₂，V_W2)计算求得的，即K＝(V_W2-V_W1)/(T₂-T₁)；

通过设置分散的节点坐标的形式构造一段连续时间内的风速波动曲线。

所述步骤(1-2)中的任意时刻t对应的风速值的计算过程包括：

(1-2-1)遍历各节点，找出时刻t所处的斜坡段，即T_i〈t〈T_i+1；

(1-2-2)计算步骤(1-2-2)中段斜坡的斜率，K_t＝(V_Wi+1-V_Wi)/(T_i+1-T_i)；

(1-2-3)计算时刻t对应的风速值，V_Wt＝V_Wi+K_t×(t-T_i)。

将风速输入风电机组模型后，完成风能－机械能P_Mx－电能P_gen的转化，最终注入电网的过程是由电力系统全过程动态仿真软件中现有的通用风电机组模型实现的，该模型包含原动机控制模块，发电机模块和换流器控制模块。

构造风速风向—功率曲线是通过风功率预测、现场实测或成熟软件的分析计算后，考虑了地理环境、气象条件、地表粗糙度和尾流效应的空间因素。

所述步骤(2-1)中风速风向－功率曲线以列表的形式体现；

所述表格的横表头为风速V_Wx，单位米每秒，数值大于0，从低到高排列；

所述表格的纵表头为风向V_D，单位度，数值大于0，但小于或等于360，从低到高排列；

所述表格的内容为功率P_Mx，单位兆瓦，数值大于0，对于每一个风速及风向值，均有一个功率值与之相对应；

通过设置风速风向与功率的对应表的形式，构造风速风向－功率曲线，体现风电基地的空间特性。

由测风塔获取一段时间内的风速、风向序列是把测风塔所在区域的风电场内风机归为一组，将测风塔测得的一段时间内的风速、风向作为这些风电机组的输入，其它测风塔的风速、风向则作为相应其它风电机组的输入；该一段时间为离散的时间点，其间隔由测风塔的采样时间决定；由实际测风塔的风速、风向序列，体现要研究的风电机组的时间特性。

所述步骤(2-3)中通过查表和插值对序列中每一个点的风速和风向，在风速风向－功率曲线上获取对应的功率值，其过程包括：

(2-3-1)遍历横表头的风速值，找出该点的风速V_Wx所处的区间，即风速值V_Wi<V_Wx<V_Wi+1；

(2-3-2)遍历纵表头的风向值，找出该点的风向V_Dx所处的位置，即风向值V_Dj-1<V_Dx<V_Dj，则将该点风向定为V_Dj；

(2-3-3)根据风向值和风速值所在区间，定位表格中的功率P_Mx所在区间，即p_Mi,j<P_Mx<P_Mi+1,j；

(2-3-4)用插值的方法计算该点风速、风向对应的功率值，

$P_{Mx}=P_{Mi,j}+\frac{P_{Mi+1,j}-p_{Mi,j}}{V_{Wi+1}-V_{Wi}}\&times;(V_{Wx}-V_{Wi});$

根据查表得到的功率值P_Mx直接作为测风塔所在区域风电机组的功率P_Mx，并注入风机发电机和换流器控制模型。

所述风电机组的功率P_Mx注入风机发电机和换流器控制模型，最终转化为电功率P_gen注入电网的过程是由电力系统全过程动态仿真软件中现有的通用风电机组模型实现的。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下有益效果：

利用本发明的方法能够对规模大到整个风电基地出力的时空特性，小到单台风力发电机出力的长时间波动性进行模拟，从而为研究风电的动态特性及接入电力系统后对电网功率平衡、频率和电压稳定的影响提供有效的仿真分析手段；

本技术方案以电力系统全过程动态仿真软件中现有的通用风电机组模型为基础，从其输入量着手，在不改变原有风机模型的基础上，将考虑了时间和空间因素的风速、风向信息注入到原动机模型，或将相应的风功率信息注入到发电机模型，实现了对风电基地时空特性的模拟，并保证了原有风电模型结构的完整性和功能的持续性；

且本方法适应性和可扩展性强，可以对风电基地所在地区的地理环境、气象条件、地表粗糙度和尾流效应，以及不断扩展的多种空间因素进行分析计算，或应用风功率的预测手段和现场实测手段，获取多种多样的风速风向－功率曲线，作为体现风电基地时空特性的基础数据，进而输入到现有风电模型中进行时空特性的仿真模拟分析。

附图说明

图1为本发明实施例的方法模拟示意图；

图2为本发明实施例的分段斜坡函数形式模拟的风速长时间波动示意图；

图3为本发明实施例的假设的用于表征风速风向－功率曲线的风速、风向与功率的对应关系表示意图；

图4为本发明实施例的假设的测风塔测得的一段时间内的风速、风向序列示意图。

具体实施方式

本发明提供一种在电力系统全过程动态仿真中反映风电基地出力时空特性的方法，仿真方法的示意图如图1所示，由图1虚线左侧部分可知，该方法包含基于风速长时间波动的风电机组出力特性模拟，及考虑风速和风向因素在内的风电基地出力特性模拟两部分内容。图1虚线右侧部分为电力系统全过程动态仿真软件中现有的通用风电机组模型。

其中，基于风速长时间波动的风电机组出力特性模拟方法是用分段斜坡函数的形式模拟风的随机波动过程，根据实测或预测的风速数据设置风速波动曲线，风电机组模型以该风速为输入，经过风能－机械能－电能的转化输出长时间波动的电功率到电网。

考虑风速和风向因素在内的风电基地出力特性模拟方法是通过构造风速风向—功率曲线将风电基地所在地区的地理环境、气象条件等空间因素考虑在内，再由测风塔获取一段时间内的风速、风向序列来体现风电基地的时间特性，两者配合得到功率序列注入风电机组模型并最终转化为电功率注入电网，间接实现对风电基地时空特性的仿真模拟。

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例一：

本发明提供的实施例一为基于风速长时间波动的风电机组出力特性模拟的实施例，如图2所示为本发明提供的一种分段斜坡函数形式模拟的风速长时间波动示意图。

在该实施例一中，平面直角坐标系中横坐标表示时间T，单位为秒(s)，纵坐标表示风速V_W单位为米每秒(m/s)。设置的风速波动曲线有3段斜坡，包括起始点和终止点在内共4个节点，坐标分别为(T₀，a)、(T₁，b)、(T₂，c)、(T₃，d)。3段斜坡的斜率分别为K₀＝(b-a)/(T₁-T₀)、K₁＝(c-b)/(T₂-T₁)、K₂＝(d-c)/(T₃-T₂)。当计算某一时刻t对应的风速值V_Wt时，首先判断t所处的斜坡段，例如处在节点(T₁，b)、(T₂，c)之间的斜坡段，则风速V_Wt＝b+K₁×(t-T₁)。

实施例二：

本发明提供的实施例二为一种用风速、风向与功率的对应关系表形式体现的风速风向－功率曲线的实施例，如图3所示为一种假设的用于表征风速风向－功率曲线的风速、风向与功率的对应关系表。

在该实施例二中，表格的横表头为风速V_W，单位为米每秒(m/s)，数值从3到15，间隔为1；表格的纵表头为风向V_D，单位为度(°)，数值从60到360，间隔为60；表格的内容为功率P_M，单位兆瓦(MW)，数值大于0。对于一组确定的风速、风向值，由风向所在行和风速所在列能够唯一确定一个功率值与之相对应。该风速、风向与功率的对应表间接表达了风速风向－功率曲线，体现风电基地的空间特性。

实施例三：

本发明提供的实施例三为一种假定的由测风塔测得的风速、风向序列的实施例，如图4所示为一种假设的测风塔测得的一段时间内的风速、风向序列。

在该实施例三中，所假定的测风塔采样时间为10分钟，共测得14组风速、风向数值，构成一个以10分钟为间隔的离散的风速、风向序列，每一点的格式为(T_x，V_Wx，V_Dx)，分别表示时间、风速值、风向值。

实施例四：

本发明提供的实施例四为采用查表和插值的方式，计算测风塔得到的风速、风向序列中的每一个点在风速风向－功率曲线上所对应的功率值的实施例。

在该实施例四中，对实施例三中假定的测风塔得到的风速、风向序列中的某一个点(T_x，V_Wx，V_Dx)，查找并计算其在实施例二中所假设的风速、风向与功率的对应关系表内的功率值P_Mx，步骤如下：

S1、遍历实施例二中横表头的风速值，找出该点的风速V_Wx所处的区间，即风速值V_Wi<V_Wx<V_Wi+1；

S2、遍历实施例二中纵表头的风向值，找出该点的风向V_Dx所处的位置，即风向值V_Dj-1<V_Dx<V_Dj，并将该点风向定为V_Dj，即V_Dx＝V_Dj；

S3、根据风向值和风速值所在区间，定位实施例二中的功率P_Mx所在区间，即p_Mi,j<P_Mx<P_Mi+1,j；

S4、用插值的方法计算该点风速、风向对应的功率值，

$P_{Mx}=P_{Mi,j}+\frac{P_{Mi+1,j}-p_{Mi,j}}{V_{Wi+1}-V_{Wi}}\&times;(V_{Wx}-V_{Wi}).$

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仿真风电基地出力时空特性的方法，适用于电力系统全过程动态仿真；其特征在于：所述方法包括：

(1)根据风速长时间波动，模拟风电机组出力特性；

(2)根据风速和风向，模拟风电基地出力特性。

2.如权利要求1所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，通过分段斜坡函数模拟风的随机波动过程，经风能－机械能－电能的转化得到波动的风电功率注入电网进行风电机组出力特性模拟。

3.如权利要求2所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述模拟风电机组出力特性的过程包括：

(1-1)根据实测或预测的风速数据设置多段斜坡的节点坐标，构造风速波动曲线；

(1-2)将所述风速波动曲线上每一时刻的风速值作为风电机组模型的输入；

(1-3)将风速输入到风电机组原动机控制模型中，风能转化为风机的机械功率P_Mx，并注入到风机发电机和换流器的控制模型中，最终转化为电功率P_gen注入电网。

4.如权利要求1所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过构造的风速风向-功率曲线和测风塔获取的风速和风向序列，实现风电基地出力特性的仿真模拟。

5.如权利要求4所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述风电基地出力特性的模拟过程包括：

(2-1)根据风电基地所在地区的空间因素，构造风速风向-功率曲线；

(2-2)由测风塔获取一段时间内的风速和风向序列；

(2-3)对序列中每一个点的风速和风向，在风速风向－功率曲线上获取其对应的功率值作为测风塔所在区域风电机组的功率P_Mx；

(2-4)将风电机组的功率注入到风机发电机和换流器的控制模型中，最终转化为电功率P_gen注入电网。

6.如权利要求3所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述风速波动曲线是以实测或预测的风速数据为参考，在平面直角坐标系中设置多段斜坡函数的各节点坐标；

所述平面直角坐标系横轴为时间T，单位为秒或分钟；其纵轴为风速V_Wx，单位为米每秒；

所述各节点为每两段斜坡的交点，其坐标格式为(T_i，V_Wi)；

所述每段斜坡的斜率K是通过该段斜坡的起始点坐标(T₁，V_W1)和终止点坐标(T₂，V_W2)计算求得的，即K＝(V_W2-V_W1)/(T₂-T₁)；

通过设置分散的节点坐标的形式构造一段连续时间内的风速波动曲线。

7.如权利要求6所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述步骤(1-2)中的任意时刻t对应的风速值的计算过程包括：

(1-2-1)遍历各节点，找出时刻t所处的斜坡段，即T_i〈t〈T_i+1；

(1-2-2)计算步骤(1-2-2)中段斜坡的斜率，K_t＝(V_Wi+1-V_Wi)/(T_i+1-T_i)；

(1-2-3)计算时刻t对应的风速值，V_Wt＝V_Wi+K_t×(t-T_i)。

8.如权利要求5所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述步骤(2-1)中风速风向－功率曲线以列表的形式体现；

所述表格的横表头为风速V_Wx，单位米每秒，数值大于0，从低到高排列；

所述表格的纵表头为风向V_D，单位度，数值大于0，但小于或等于360，从低到高排列；

所述表格的内容为功率P_Mx，单位兆瓦，数值大于0，对于每一个风速及风向值，均有一个功率值与之相对应；

通过设置风速风向与功率的对应表的形式，构造风速风向－功率曲线，体现风电基地的空间特性。

9.如权利要求5或8所述的一种仿真风电基地出力时空特性的方法，其特征在于：所述步骤(2-3)中通过查表和插值对序列中每一个点的风速和风向，在风速风向－功率曲线上获取对应的功率值，其过程包括：

(2-3-1)遍历横表头的风速值，找出该点的风速V_Wx所处的区间，即风速值V_Wi<V_Wx<V_Wi+1；

(2-3-2)遍历纵表头的风向值，找出该点的风向V_Dx所处的位置，即风向值V_Dj-1<V_Dx<V_Dj，则将该点风向定为V_Dj；

(2-3-3)根据风向值和风速值所在区间，定位表格中的功率P_Mx所在区间，即p_Mi,j<P_Mx<P_Mi+1,j；

(2-3-4)用插值的方法计算该点风速、风向对应的功率值，

$P_{Mx}=P_{Mi,j}+\frac{P_{Mi+1,j}-P_{Mi,j}}{V_{Wi+1}-V_{Wi}}\&times;(V_{Wx}-V_{Wi});$

根据查表得到的功率值P_Mx直接作为测风塔所在区域风电机组的功率P_Mx，并注入风机发电机和换流器控制模型。