CN106383947A - 风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法 - Google Patents

Abstract

风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，涉及电力系统仿真建模技术领域。本发明是为了解决现有的集电网络等值参数的获取方法精度低，并且获取的等值参数只能保证稳态过程中的等效，在暂态过程中存在误差的问题。搭建具备完整集电网络风电场的仿真模型，根据该风电场的仿真模型以及风电场内的风速数据和分群指标确定每个分群风电机组的位置，获得某个分群聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗，获得电阻和电感，然后根据等值前某群风电机组对应电缆或架空线对地电容的无功功率等于该群风电机组等值成一台机组对应等值电缆或架空线对地电容的无功功率，获得该台等值机对应的对地等值电容。它用于计算风电场集电网络动态等值参数。

Description

风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法

技术领域

本发明涉及风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，属于电力系统仿真建模技术领域。

背景技术

随着风电并网规模的不断增加，其对电力系统的影响日益显著。而一个大型风电场往往包含数百台风电机组，若建立具备完整集电网络和所有风电机组详细暂态的风电场仿真模型，将会大大增加仿真模型的复杂度和运行时间。在分析风电场的整体特性及大规模接入对电力系统的影响时，一般采用其等值模型，即将一个风电场用一台或多台容量倍增的等值机组代替。大型风电场的拓扑多种多样，如何获取等值机对应的集电网络动态等值参数是风电场等值建模研究需要解决的关键问题之一。

目前为止，风电场多机等值集电网络等值参数的获取方法主要有以下三类：

(1)基于等值前后集电网络损耗相等的原则计算等值电阻和等值电感。该方法在多机等值时，一般需要先进行复杂的网络变换将串并联混合的拓扑变为纯并联网络，再根据等值前后损耗相等的原则计算任意机组聚合成等值机后对应的等值阻抗。

(2)近似认为等值机组与并网点之间的电压差等于等值前风电机组以有功出力为权重的加权平均电压差计算等值电阻和等值电感。该方案在集电网络拓扑复杂，规模较大的情况下会导致较大的等值误差。

(3)以等值前后网络短路阻抗相等为原则计算等值电阻和等值电感，该方案适用于纯并联网络，不考虑风电场内部风电机组有功功率和无功功率分布的情况，误差较大。

一般认为集电网络的对地电容较小，可以用该群内风电机组对应集电网络对地电容求和的方式计算等值对地电容。

现有的风电场多机等值集电网络等值参数的获取方法存在以下缺陷：目前集电网络等值阻抗的获取无法兼顾精度和计算量的问题，且一般采取稳态条件下，获取的等值阻抗代替动态等值阻抗，只能保证稳态过程中的等效，在暂态过程中将会导致一定的误差。

发明内容

本发明是为了解决现有的集电网络等值参数的获取方法精度低，并且获取的等值参数，只能保证稳态过程中的等效，在暂态过程中存在误差的问题。现提供风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法。

风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、搭建具备完整集电网络风电场的仿真模型，根据风电场内的风速数据和分群指标确定每个分群风电机组的位置，然后采用公式：

获得第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}，k为正整数，

式中，为第k台等值机对应等值电缆或架空线等值阻抗的始端电压，为风电场并网点的电压，为注入第k群风电机组对应电缆或架空线的总电流，为流经等值电容的电流，i和j均为正整数，分别代表行和列；

步骤二、根据步骤一中获得的第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}结合公式：

获得该等值阻抗Z_{eq_k}的电阻为R_{eq_k}和电感为L_{eq_k},

式中，f为电网频率；

步骤三、获得第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}，

其中，获取第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}的具体方法为：

根据具备完整集电网络风电场的仿真模型以及风电场内的风速数据确定每个分群风电机组的位置后，根据公式：

获取第k群风电机组对应电缆或架空线的对地电容C_i,j产生的无功功率Q_{loss1_Ck}，

式中，为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的始端电压，C_i,j为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的对地电容，为第i排第j+1列风电机组对应集电网络阻抗的末端电压，假设风电场具有m行n列的风电机组，m,n均为正整数，如果j＝n,等于

将第k群风电机组聚合成第k台等值机后，根据公式：

获取第k台等值风电机组对应等值电缆或架空线的等值对地电容C_{eq_k}产生的无功功率Q_{loss2_Ck}，根据公式3中的第k群风电机组对应电缆或架空线的对地电容C_i,j产生的无功功率Q_{loss1_Ck}和公式4中的第k台等值风电机组对应等值电缆或架空线的等值对地电容C_{eq_k}产生的无功功率Q_{loss2_Ck}相等，获得第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}为：

步骤四、根据步骤二获得的第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}的电阻R_{eq_k}与电感L_{eq_k}和步骤三获得的第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}，从而获得风电场集电网络的动态等值参数。

本发明的有益效果为：

搭建的一个具备完整集电网络风电场的仿真模型，风电机组通过机端升压变压器和集电网络后，经风电场变压器，输电线路和等效电网相连，测量风电场的并网点电压和风电场内所有风电机组经机端升压变换器后的有功功率P_i,j(t)、无功功率Q_i,j(t)、风电机组对应集电网络阻抗的始端电压的信息，然后根据风电场内的风速数据和分群指标划分风电机组，确定属于每个分群风电机组的位置，获得某个群聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_eq，根据该阻抗Z_eq获得电阻和电感，

然后根据某群风电机组对应等值电缆或架空线等值前的无功功率等于该群风电机组等值成一台机组对应等值电缆或架空线的无功功率，获得该台等值机对应的对地等值电容。由此获得全部风电场集电网络动态等值参数。

结果表明，通过该方法获得的风电场集电网络动态等值参数不需要近似，不需要复杂的网络变换和公式推导，物理含义明确，原理简单，准确度高，且可以方便的实现暂态过程中等值阻抗的计算。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法的流程图；

图2为具体实施方式一所述的具备完整集电网络风电场内部结构的示意图；

图3为具体实施方式一所述的分组后，等值风电场内部结构的示意图；

图4为具体实施方式一所述的具备完整集电网络风电场仿真模型的示意图；

图5为仿真实验的风速数据图；

图6为具体实施方式一所述的分组后，等值风电场仿真模型的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图6具体说明本实施方式，本实施方式所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、搭建具备完整集电网络风电场的仿真模型，其风电场内部结构的示意图如图2所示，根据风电场内的风速数据和分群指标确定每个分群风电机组的位置，完成分组后，等值风电场内部结构的示意图如图3所示，然后采用公式：

获得第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}，k为正整数。

式中，为第k台等值机对应等值电缆或架空线等值阻抗的始端电压，为风电场并网点的电压，为注入第k群风电机组对应电缆或架空线的总电流，为流经等值电容的电流，i和j均为正整数，分别代表行和列；

步骤二、根据步骤一中获得的第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}结合公式：

获得该等值阻抗Z_{eq_k}的电阻为R_{eq_k}和电感为L_{eq_k},

式中，f为电网频率；

步骤三、获得第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}，

其中，获取第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}的具体方法为：

将具备完整集电网络风电场的仿真模型中风电场划分为多个群后，根据公式：

获取第k群风电机组对应电缆或架空线的对地电容C_i,j产生的无功功率Q_{loss1_Ck}，

式中，为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的始端电压，C_i,j为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的对地电容，为第i排第j+1列风电机组对应集电网络阻抗的末端电压，假设风电场具有m行n列的风电机组，m,n均为正整数，如果j＝n,等于

将第k群风电机组聚合成第k台等值机后，根据公式：

获取第k台等值风电机组对应等值电缆或架空线的等值对地电容C_{eq_k}产生的无功功率Q_{loss2_Ck}，根据公式3中的第k群风电机组对应电缆或架空线的对地电容C_i,j产生的无功功率Q_{loss1_Ck}和公式4中的第k台等值风电机组对应等值电缆或架空线的等值对地电容C_{eq_k}产生的无功功率Q_{loss2_Ck}相等，获得第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}为：

步骤四、根据步骤二获得的第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}的电阻R_{eq_k}与电感L_{eq_k}和步骤三获得的第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}，从而获得风电场集电网络的动态等值参数。

本实施方式中，首先，搭建的一个具备完整集电网络风电场的仿真模型，其风电场内部结构的示意图如图2所示。风电机组通过机端升压变压器和集电网络后，经风电场变压器，输电线路和等效电网相连，测量风电场的并网点电压和风电场内所有风电机组经机端升压变换器后的有功功率P_i,j(t)、无功功率Q_i,j(t)、风电机组对应集电网络阻抗的始端电压的信息，然后根据风电场内的风速数据和将分群指标划分风电机组，确定属于每个分群风电机组的位置，获得某个群聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_eq，根据该阻抗Z_eq获得电阻和电感，完成分组后，等值风电场内部结构的示意图如图3所示。

然后根据某群风电机组对应等值电缆或架空线等值前的无功功率等于该群风电机组等值成一台机组对应等值电缆或架空线的无功功率，获得该台等值机对应的对地等值电容。由此获得全部风电场集电网络动态等值参数。

实施例：

风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、搭建的一个3行6列风电场的具备完整集电网络风电场的仿真模型，如图4所示。其中，附图标记1表示电网，附图标记2表示一号15km输电线，附图标记3表示30km输电线，附图标记4表示二号15km输电线，附图标记5表示110/35KV的容量为300MVA变压器，附图标记6表示故障模块，附图标记7表示测量模块，附图标记8表示3行6列风电场。

风电机组通过机端升压变压器和集电网络后，经风电场变压器，输电线路和等效电网相连，仿真参数如表1所示。70s时风机并网点处发生三相接地短路故障，0.1s后故障清除。确定属于每个分群风电机组的位置后，测量风电场的并网点电压和风电场内所有风电机组经升压变后的有功功率(P_i,j(t))、无功功率(Q_i,j(t))、第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的始端电压的信息。

表1 仿真参数

步骤2、本算例在某3×6风电场5月19日至5月26日，每隔5分钟测得的2017组风速数据中，随机选取了，如图5所示的30组进行等值实验。若以12m/s作为分群指标划分风电机组，等值风电场仿真模型如图6所示。以第6组风速的第2群(群内风电机组的风速全部大于12m/s)为例，该群风电机组的位于为第3排的第1-6列。则根据公式1，该群聚合成的等值机在第69s时对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_2}可表示为：

式中，为风电场并网点的电压，由测量得到。根据公式2，对应等值电缆或架空线阻抗Z_{eq_2}的电阻为R_{eq_2}，电感为L_{eq_2}，可表示为：

式中，f为电网频率，为第2台等值机等值阻抗的始端电压，根据公式6，可表示为：

式中，S_3,j(t)为第3排第j列风电机组经机端升压变后的复功率，其实部为该风电机组对应的有功功率(P_3,j(t))，虚部为该风电机组对应的无功功率(Q_3,j(t))，瞬时值可由测量得到。

为属于第2群风电机组经机端升压变后的复功率之和。为第2群风电机组对应电缆或架空线的总电流，根据公式7，可表示为：

式中，为第2排第j列风电机组经机端升压变后的端口电压，即第3排第j列风电机组对应集电网络阻抗的始端电压，由测量得到。为流经等值电容的电流，若等值电缆或架空线采用Π型等值电路，根据公式8，则可表示为：

等值前，根据公式3，属于第2群风电机组对应的等值电缆或架空线对地电容产生的无功功率Q_{loss1_C2}(69)为：

式中，C_3,j为第3排第j列风电机组对应集电网络阻抗的对地电容，为第3排第j+1列风电机组对应集电网络阻抗的末端电压。值得注意的是，当j＝6,等于

等值后，根据公式4，属于第2群风电机组对应的等值电缆或架空线对地电容产生的无功功率Q_{loss2_C2}(69)为：

根据等值前后集电网络对地电容产生的无功功率相等，由公式5，第2台等值机对应的对地等值电容C_{eq_2}可表示为：

根据公式1至公式8，可以分别计算出第2台等值机组对应的集电网络的等值电阻、电感和对地电容。即得到风电场集电网络动态等值参数。

步骤3、采用实际风速数据，搭建图4所示的风电场带完整集电网络的详细模型和如图6所示的带等值集电网络的等值模型进行仿真，图6中，附图标记9表示一号集电网络等值阻抗，附图标记10表示一号等值变压器，附图标记11表示一号常数，附图标记12表示一号等值风机，附图标记13表示一号终端，附图标记14表示二号集电网络等值阻抗，附图标记15表示二号等值变压器，附图标记16表示二号常数，附图标记17表示二号等值风机，附图标记18表示二号终端。

根据等值前后集电网络有功功率和无功功率损耗的相对误差，分析验证等值参数在动态过程和稳态过程中的准确性。具体地，可以根据至少一组检测风速，对具备完整集电网络风电场的仿真模型进行故障仿真试验，测得具备完整集电网络风电场的仿真模型对应的实际网损，再根据分群指标得到等值模型，得到等值集电网络的等值网损，将测得具备完整集电网络风电场的仿真模型对应的实际网损和分组后，具备等值集电网络的等值网损进行比较，计算其相对误差判断等值阻抗计算的精确度。

本算例在某3×6风电场5月19日至5月26日，每隔5分钟测得的，如2017组风速数据中，随机选取了图5所示的30组进行等值实验。故障点位置为风电场出口处，风电场与无穷大系统相连，仿真参数同上文。为展示本文方法计算的准确度，随机选取了第6组风速进行了基于等值前后集电网络功率损耗相等的原则计算等值参数(方法1)，基于等值机组与并网点之间的电压差等于等值前风电机组以有功出力为权重的加权平均电压差的原则计算等值参数(方法2)和本文方法计算得到的等值参数(方法3)，方法1和方法2均采用稳态过程中的等值参数代替暂态等值参数。三种方法的计算结果对应的等值风电场仿真模型的网损与具备完整集电网络风电场仿真模型的实际网损的相对误差结果分别如表2和表3所示。

表2 三种方法集电网络等值参数计算方法结果的对比(第6组风速数据)

表3 三种方法集电网络等值参数计算方法集电网络损耗结果的对比(第6组风速数据)

由表2和表3可知，采用本发明的动态等值参数的快速计算方法(方法3)，可以方便的实现暂态过程中等值参数的计算，且相对于具备完整集电网络的风电场集电网络损耗的误差最小，不需要近似，不需要复杂的网络变换和公式推导，物理含义明确，原理简单，准确度高。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法作进一步说明，本实施方式中，第k台等值机等值阻抗的始端电压的计算公式为：

式中，S_i,j(t)为第i排第j列风电机组经机端升压变压器后的复功率，S_i,j(t)的实部为有功功率P_i,j(t)，S_i,j(t)的虚部为无功功率Q_i,j(t)，为第k群风电机组经机端升压变压器后的复功率之和，为注入第k群风电机组对应电缆或架空线的总电流。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法作进一步说明，本实施方式中，注入第k群风电机组对应电缆或架空线的总电流的计算公式为：

式中，为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的始端电压。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的风电场集电网络动态等值参数的快速计算方法作进一步说明，本实施方式中，流经等值电容的电流的计算公式为：

式中，ω为电网的角频率。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法作进一步说明，本实施方式中，所述方法还包括以下步骤：

采用实际风速数据，搭建风电场带有完整集电网络的模型和带有等值集电网络的等值模型，对完整集电网络的模型和等值集电网络的等值模型进行仿真，根据公式：，

计算仿真后完整集电网络的模型和等值集电网络的等值模型中的有功功率和无功功率损耗的相对误差E，验证步骤一到步骤四中获得的风电场集电网络的动态等值参数在动态过程和稳态过程中的准确性，

式中，S_{PCC_DE}为具备完整集电网络风电场仿真模型并网点处的复功率，为具备完整集电网络风电场仿真模型所有风电机组经机端升压变压器后的复功率之和，S_{PCC_EQ}为分组后的等值风电场仿真模型并网点处的复功率，为分组后的等值风电场仿真模型所有风电机组经机端升压变压器后的复功率之和。

Claims (5)

1.风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、搭建具备完整集电网络风电场的仿真模型，根据风电场内的风速数据和分群指标确定每个分群风电机组的位置，然后采用公式：

获得第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}，k为正整数，

式中，为第k台等值机对应等值电缆或架空线等值阻抗的始端电压，为风电场并网点的电压，为注入第k群风电机组对应电缆或架空线的总电流，为流经等值电容的电流，i和j均为正整数，分别代表行和列；

步骤二、根据步骤一中获得的第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}结合公式：

获得该等值阻抗Z_{eq_k}的电阻为R_{eq_k}和电感为L_{eq_k},

式中，f为电网频率；

步骤三、获得第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}，

其中，获取第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}的具体方法为：

根据具备完整集电网络风电场的仿真模型以及风电场内的风速数据确定每个分群风电机组的位置后，根据公式：

获取第k群风电机组对应电缆或架空线的对地电容C_i,j产生的无功功率Q_{loss1_Ck}，

式中，为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的始端电压，C_i,j为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的对地电容，为第i排第j+1列风电机组对应集电网络阻抗的末端电压，假设风电场具有m行n列的风电机组，m,n均为正整数，如果j＝n,等于

将第k群风电机组聚合成第k台等值机后，根据公式：

获取第k台等值风电机组对应等值电缆或架空线的等值对地电容C_{eq_k}产生的无功功率Q_{loss2_Ck}，根据公式3中的第k群风电机组对应电缆或架空线的对地电容C_i,j产生的无功功率Q_{loss1_Ck}和公式4中的第k台等值风电机组对应等值电缆或架空线的等值对地电容C_{eq_k}产生的无功功率Q_{loss2_Ck}相等，获得第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}为：

步骤四、根据步骤二获得的第k群风电机组聚合成的等值机在t时刻对应的集电网络等值阻抗Z_{eq_k}的电阻R_{eq_k}与电感L_{eq_k}和步骤三获得的第k台等值机对应的对地等值电容C_{eq_k}，从而获得风电场集电网络的动态等值参数。

2.根据权利要求1所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，其特征在于，第k台等值机等值阻抗的始端电压的计算公式为：

式中，S_i,j(t)为第i排第j列风电机组经机端升压变压器后的复功率，S_i,j(t)的实部为有功功率P_i,j(t)，S_i,j(t)的虚部为无功功率Q_i,j(t)，为第k群风电机组经机端升压变压器后的复功率之和，为注入第k群风电机组对应电缆或架空线的总电流。

3.根据权利要求2所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，其特征在于，注入第k群风电机组对应电缆或架空线的总电流的计算公式为：

式中，为第i排第j列风电机组对应集电网络阻抗的始端电压。

4.根据权利要求1所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，其特征在于，流经等值电容的电流的计算公式为：

式中，ω为电网的角频率。

5.根据权利要求1所述的风电场集电网络动态等值参数的快速获取方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

采用实际风速数据，搭建风电场带有完整集电网络的模型和带有等值集电网络的等值模型，对完整集电网络的模型和等值集电网络的等值模型进行仿真，根据公式：

计算仿真后完整集电网络的模型和等值集电网络的等值模型中的有功功率和无功功率损耗的相对误差E，验证步骤一到步骤四中获得的风电场集电网络的动态等值参数在动态过程和稳态过程中的准确性，

式中，S_{PCC_DE}为具备完整集电网络风电场仿真模型并网点处的复功率，为具备完整集电网络风电场仿真模型所有风电机组经机端升压变压器后的复功率之和，S_{PCC_EQ}为分组后的等值风电场仿真模型并网点处的复功率，为分组后的等值风电场仿真模型所有风电机组经机端升压变压器后的复功率之和。