CN108804742A - 一种大规模风电场等值模型及其构建方法和应用 - Google Patents

一种大规模风电场等值模型及其构建方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于风力发电技术领域，公开了一种大规模风电场等值模型及其构建方法和应用，运用同调等值法，考虑风速产生的尾流效应和时滞效应，对大型风电场中不同型号的双馈风力发电机组进行区域划分，并利用加权等值法以及风电场电气接线等效模型，将同一区域的风力发电机等值为一台风电机模型；利用不考虑尾流效应和时滞效应的等值模型与原系统模型进行比较，证实了风电场模型以及电气接线等效模型等值方法的正确性。

Description

一种大规模风电场等值模型及其构建方法和应用
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，尤其涉及一种大规模风电场等值 模型及其构建方法和应用。
背景技术
随着风电场的规模越来越大，其随机变化功率对接入电网的影响 也越来越受到重视。风电场通常由几十台甚至上百台风电机组组成， 每一台风电机组都由风机、发电机、电力电子变换器及其控制器组成， 需用一个十几阶的模型来描述其动态特性。如果每一台风电机组都采 用详细模型，风电场的模型就会达到上千阶，这样庞大的模型接入电 力系统进行仿真计算，必然会造成“维数灾”，计算量很大且难以收 敛。因此，有必要对大规模风电场进行等值建模，将实际风电场内的 风电机组等值为单台或若干台风力发电机，从而简化模型的复杂程度， 缩短计算时间。
综上所述，现有技术存在的问题是：在进行等值建模的过程中， 风电场内风电机组的区域划分很难确定，不同的划分方法依据的原理 不同且与实际模型的误差也存在差异。而且针对大型风电场，风机数 量众多，不同机组之间存在着空间分布效应，在进行等值分析时需要 综合考虑时滞效应和尾流效应，从而使等值结果更加精确合理。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种综合考虑风电场内 尾流效应与时滞效应的大规模风电场等值模型的构建方法。
本发明是这样实现的：运用同调等值法，考虑风速产生的尾流效 应和时滞效应，对大型风电场中不同型号的双馈风力发电机组进行区 域划分，并利用加权等值法以及风电场电气接线等效模型，将同一区 域的风力发电机等值为一台风电机模型；利用不考虑尾流效应和时滞 效应的等值模型与原系统模型进行比较，证实了风电场模型以及电气 接线等效模型等值方法的正确性。所述大规模风电场等值模型包括：
风电机组等值模型，等值机的额定容量和额定有功功率：
式中，Si(i＝1,...,n)为每台发电机的额定容量；Pi(i＝1,...,n)为每台 发电机的额定有功功率；n为等效发电机的总数；
风电场电气接线系统等值模型，机端变压器的等值变压器容量和 等值电抗容量为：
式中，STi为每台风力发电机的机端变压器容量；XTi为每台机端 变压器的电抗。
进一步，所述风电机组等值模型中：等值发电机的阻抗参数通过 容量加权平均法求得，加权系数为：
等值发电机的转子转动惯量和惯性时间常数用容量加权法求解；
式中，Ji(i＝1,...,n)为每台发电机转子的转动惯量；Ti(i＝1,...,n)为每 台发电机的惯性时间常数；
发电机的定子电抗Xsi，转子电抗Xri以及励磁电抗Xmi的计算公式 为：
进一步，所述风电场电气接线系统等值模型等效补偿电容为：
式中，Ci为每台风力发电机的补偿电容；
Ili为纵向连接支路电流，Zli为相应的支路阻抗(i＝1,...,n)；
其中，每条线路的电流表示为：
则每一条支路的功率损耗为：
总功率损耗表示为：
纵向连接的n台风力发电机等效为1条支路的风力发电机后，功 率损耗为：
式中，ILS为纵向连接等效支路的总电流，ZLS为纵向连接等效支 路的总阻抗；
得出纵向连接等效支路的总阻抗为：
进一步，所述风电场电气接线系统等值模型横向连接，Zki为相 应的支路阻抗，Iki为流过横向连接支路阻抗的电流(i＝1,...,n)；
其中每条支路的功率损耗为：
总功率损耗表示为：
横向连接的n台风力发电机等效为1条支路的风力发电机后，功 率损耗为：
式中，IKS为纵向连接等效支路的总电流，ZKS为纵向连接等效支 路的总阻抗；
由功率损耗相等可知，横向连接等效支路的总阻抗为：
本发明的另一目的在于提供一种利用所述大规模风电场等值模 型的风力发电机。
本发明运用同调等值法，考虑风速产生的尾流效应和时滞效应， 对大型风电场中不同型号的双馈风力发电机组进行区域划分，并利用 加权等值法以及风电场电气接线等效模型，将同一区域的风力发电机 等值为一台风电机模型；利用不考虑尾流效应和时滞效应的等值模型 与原系统模型进行比较，证实了风电场模型以及电气接线等效模型等 值方法的正确性；另外，通过考虑实际风电场中尾流效应和时滞效应 的影响时等值模型与原系统模型的比较，验证了不同风况下等值方法 的正确性，为风电场并网研究提供了更为可靠的参考模型。
附图说明
图1是本发明实施例提供的尾流效应模型(Jensen模型)示意图。
图2是本发明实施例提供的风力发电机纵向连接示意图。
图3是本发明实施例提供的风力发电机横向连接示意图。
图4是本发明实施例提供的风电场接线图。
图5是本发明实施例提供的等值风电场接线图。
图6是本发明实施例提供的西风忽略时滞效应时PCC(Point of CommonCoupling)点功率示意图，图中：(a)原模型和等值模型的有 功功率；(b)原模型和等值模型的无功功率。
图7是本发明实施例提供的西风考虑时滞效应时PCC点示意图， 图中：(a)原模型和等值模型的有功功率；(b)原模型和等值模型的无 功功率。
图8是本发明实施例提供的西风发生短路时PCC点功率示意图， 图中：(a)原模型和等值模型的有功功率；(b)原模型和等值模型的无 功功率。
图9是本发明实施例提供的西南风考虑时滞效应时PCC点功率示 意图，图中：(a)原模型和等值模型的有功功率；(b)原模型和等值模 型的无功功率。
图10是本发明实施例提供的西南风考虑时滞效应时PCC点功率 示意图，图中：(a)原模型和等值模型的有功功率；(b)原模型和等值 模型的无功功率。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具 体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
1风电场等值模型的建立
由于风速随机性、间歇性和波动性的特点导致风力发电场的输出 功率不稳定，风电并网电力系统稳定性分析和控制技术成为当今最主 要的问题之一。此方面由于受到实际生产安全的制约，仅限于在大型 电力系统软件中进行仿真实验分析，故风电场仿真与实际情况必须有 较强的吻合，需要综合考虑多方面因素的影响。风电场通常由数十甚 至上千的风力发电机构成，直接研究如此庞大的风电系统计算量会非 常大。因此需要根据研究问题不同将风电场等效为单台或若干台风力 发电机，从而简化复杂程度，缩短计算时间。
1.1风速模型
为了精确描述风速随机性和间歇性的特点，将用4种成分的风来 模拟风速v：基本风vA、阵风vB、渐变风vC和随机风vD。
v＝vA+vB+vC+vD (1)
在风电场中，风力机从吹向叶片上的风速中获得能量，使得后排 的风力机获得的风速大小会受到前排风力机的影响，这就是尾流效应。 尾流效应的大小与风电场的排列方式，风力发电机之间的距离以及地 表粗糙程度等因素有关。为了精确的描述风力发电场的等效模型，须 考虑到尾流效应所产生功率损耗的影响。
对于平坦地形的尾流效应，一般采用Jensen模型，如图1所示。 图1中x为沿风速方向两个风电机组的距离，r和rx分别是叶轮半径 和尾流半径，v0、vT，vx分别是自然风速、通过风轮后的风速和受尾 流效应影响后的风速。
前排风力机的风速与受尾流效应的后排风力机风速的基本数学 表达式为：
式中，
k＝kw(σG+σ0)/vA (3)
式(2)、(3)中，CT是风力发电机组的推力系数，一般取0.2；k是 尾流效应引起风速减小的衰减系数；σ0、σG分别是自然湍流和风力机 组产生湍流的均方差；vA是平均风速；kw是常数，通常计算公式为 kw＝0.5/ln(h/z0)，h为轮毂高度，Z0为所研究风电场的地层表面粗糙度， 不同地理条件下的粗糙度从1×10-4～5不等。
为减小尾流效应的影响，风力发电机间距相对较大。当风速变化 时，每台风力发电机接收变化风速的时间不同，因此，在建立等效模 型时需要考虑到风速的时滞效应。假设前排风力发电机接收变化风速 的时间为t0，则后排风力发电机接收到相同风速的时间为：
t1＝t0+x/vx (4)
式中，x为沿风速方向两个风机的距离；vx为受尾流效应后后排 风机接收到的风速。
正是由于尾流效应和时滞效应，使大型风电场中的每个风力发电 机所接收到的风速及接受风速的时间有所差异，因此，将尾流效应以 及时滞效应考虑在内更符合实际情况的风速，使等值模型的仿真数据 更精确。
2风电场的等值模型
2.1机组的划分
风电场的模型简化原则就是将处于相同或相近运行点的机组进 行合并处理，利用单台或多台风机模拟相关的风力发电机组群。风电 场机组的运行情况主要由风速决定，风速的差异将直接影响风力发电 机组的有功功率输出、转速变化以及电压的差异。因此，利用同调等 值法，根据尾流效应，将相同风速的风力发电机组等效为一台风力发 电机，从而将庞大的风电场机群等效为由几台风力发电机运行的风电 场，从而实现模型的简化。
2.2风电机组等值模型
等值机的额定容量和额定有功功率：
式中，Si(i＝1,...,n)为每台发电机的额定容量；Pi(i＝1,...,n)为每台 发电机的额定有功功率；n为等效发电机的总数。
等值发电机的阻抗参数可以通过容量加权平均法求得，加权系数 为：
等值发电机的转子转动惯量和惯性时间常数用容量加权法求解。
式中，Ji(i＝1,...,n)为每台发电机转子的转动惯量；Ti(i＝1,...,n)为每 台发电机的惯性时间常数。
发电机的定子电抗Xsi，转子电抗Xri以及励磁电抗Xmi的计算公式 均为：
2.3风电场电气接线系统等值模型
风电场内部的电气接线系统主要由风力发电机各自的补偿电容、 机端变压器和电缆组成。机端变压器的等值变压器容量和等值电抗容 量为：
式中，STi为每台风力发电机的机端变压器容量；XTi为每台机端 变压器的电抗。
等效补偿电容为：
式中，Ci为每台风力发电机的补偿电容。
风力发电机组间的接线方式不同则等效方式不同，其接线方式主 要分为纵向连接和横向连接。纵向连接结构如图2所示。其中，Ili为 纵向连接支路电流，Zli为相应的支路阻抗(i＝1,...,n)。
其中，每条线路的电流可表示为：
则每一条支路的功率损耗为：
总功率损耗可表示为：
纵向连接的n台风力发电机等效为1条支路的风力发电机后，功 率损耗为：
式中，ILS为纵向连接等效支路的总电流，ZLS为纵向连接等效支 路的总阻抗。
由电缆上功率损耗相等的原则，得出纵向连接等效支路的总阻抗 为：
横向连接方式如图3所示。其中，Zki为相应的支路阻抗，Iki为 流过横向连接支路阻抗的电流(i＝1,...,n)。
其中每条支路的功率损耗为：
总功率损耗可表示为：
横向连接的n台风力发电机等效为1条支路的风力发电机后，功 率损耗为：
式中，IKS为纵向连接等效支路的总电流，ZKS为纵向连接等效支 路的总阻抗。
由功率损耗相等可知，横向连接等效支路的总阻抗为：
2.4误差分析
为了验证模型的准确性，定义有功平均偏差量EP和无功平均偏差 量EQ为：
式中，n为每步积分计算序列号；N为总的仿真步长；Pen和Pbn为 等值前后的第n步积分风电场输出的有功功率；Qen和Qbn为等值前后 的第n步积分风电场输出的无功功率。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1考虑到实际情况的风电场容量及构成，用额定容量不同的25 台变速恒频双馈风力发电机的组成的风电场为例，在Matlab/Simulink 仿真平台上进行建模仿真。风电场的构造如图4所示，即由每行每列 各5台风力发电机，其中前2列额定容量为1.25MW，后3列额定容 量为1.5MW。其他参数见表1。
综合考虑风力发电场内部尾流效应的影响及占地面积等因素，设 定每列风力发电机间距为210m，每行风力发电机间距为140m。当风 向不同时，同一风电场中的同一台风机所接收到的风速不同，所以风 电场的等效方式也应根据不同风向来区分。因此，分别考虑迎面风速 为西风和西南风两种情况下风力发电场机群的等值情况。
表1不同容量风电机组的电气参数
为了更为准确的比较原风电场与等值风电场的运行状况及精确 度，不同风向的仿真都做如下3种情况的研究，并在每种情况下将等 值模型与原模型进行比较：
(1)仅考虑尾流效应时，风电场风速变化对输出功率的影响， 判断等效模型的可行性；
(2)考虑尾流效应和时滞效应时，风电场风速变化对输出功率 的影响；
(3)线路发生三相短路。
1.1风速方向为西风
风速西风，则假设每排风力发电机的迎风速相同，将每排风力发 电机分别等效为一个风力发电机，等值模型为5台风力机，如图5所 示。假设第1排风力发电机的迎风速为V1，通过尾流效应计算得到第 2列迎风速为0.933V1，第3到第5列应风速依次为0.871V1、0.8122V1、 0.7576V1。
忽略时滞效应时，原系统模型和等值模型在并网点的有功功率、 无功功率的动态响应过程曲线如图6所示。由误差分析公式计算得出， 有功功率误差为ExP1＝0.40％，无功功率误差为ExQ1＝1.27％。可见，当 忽略时滞效应时，等值模型和原系统模型的误差非常小，说明等值方 法的精度很高，具有很强的适用性。
考虑时滞效应，1～5排风力发电机获得能量时刻分别为0s、20s、 41s、63s、83s，动态响应过程曲线如图7所示。由误差分析公式计 算得出，有功功率误差为ExP2＝0.92％，无功功率误差为ExQ2＝3.08％。 由此可以看出，对无功功率造成的影响相对较大。由于等值机与原系 统每排的风速和延时相同，除了随机风造成的影响外，几乎没有差别。 从图6、图7中可以看出，由于时滞效应的影响，功率相对平滑，在 阵风和渐变风的影响下波动较小，符合实际情况。
假设在3s时风电场与电网连接的110kV双回线路的其中一条线 路发生三相短路故障，如图4。短路时间为0.5s，动态响应过程曲线 如图8。计算有功功率误差为ExP3＝3.08％，无功功率误差为ExQ3＝3.99％。
发生三相短路时，等值模型相对原系统模型对故障处理的时间都 在3.5s时刻。但等值模型在故障时刻和恢复时刻的波动较大，从而导 致误差略大。由于电网发生短路的稳定性与风电场接入点的短路容量 大小有关，当等值的风电机组容量升高时，在电压控制作用下，短路 容量也应相应的提高。鉴于此，将短路容量适当调高后，再次仿真得 出短路时有功功率误差为ExP3’＝0.88％，无功功率误差为ExQ3’＝0.97％。
1.2风速方向为西南风
若为西南风，则按照图5虚线部分划分为五个区域，如同上一 个小节所述，假设第1排风力发电机的迎风速为V1，同样按照迎风方 向计算得第2排到第5排的迎风速依次为0.938V1、0.88V1、0.825V1、0.744V1，并将相同风速的风力发电机组等效为一台风力发电机。当 忽略时滞效应时，仿真得到相对于原系统的等效模型有功功率误差为 EnP1＝0.42％，无功功率误差为EnQ1＝1.48％。由此可见，当迎风向为西 南风且忽略时滞效应时，等值模型的精度相对较高。
考虑时滞效应时，因为迎风面为三角形，可知原系统模型每台风 力发电机的迎风速推迟的时间各不相同。设第一排第一列的风机编号 为G11，第一排第二列的风机编号为G12，以此类推，按照风力机分 布对所有风机编号如表2所示。假设第1台风力机延时为0s，按照风 速及风电机之间的间距可计算出其他风力机延时时间，见表2。
表2原系统模型各风力发电机延时
如按照风速为西风时的等值方法将相同风速的风电机组等值为 一台风力发电机，且等值模型的延时与对角线上的风力机相等，则仿 真结果如图9所示，并计算得出有功功率误差为EnP2＝12.33％，无功 功率误差为EnQ2＝12.23％。同样，在3s时风电场与电网连接的110kV 双回线路的其中一条线路上发生三相短路故障，短路时间为0.5s，计 算得到，有功功率误差为EnP3＝3.95％，无功功率误差为EnQ2＝4.89。
从仿真图像及功率误差可以看出，当考虑时滞效应时，原系统中 相邻风电机组的延时相差不大，但将同一风速下的风机等值为同一台 风机时，其中多数风机的延时效果与原系统中的延时相差比较大，所 以等值模型与原系统的误差较大，输出功率无法较好的吻合。但最后 延时产生的影响结束时，等值模型与原系统的功率最终值是相同的。 因此，在考虑时滞效应的情况下，不能仅仅利用同调原理将风速近似 的风电机组等效为一台风力发电机，需要同时考虑延时近似和风速近 似两个因素，响应地增加等值风力发电机的数量。
基于以上论述，将原系统中同一风速下，延时差值在20s左右的 风力发电机等值为一台风电机，同一风速下的风力发电机最多等效为 1～2台风电机，得到风机分组情况如表3所示，即等值模型共有8台 风电机。风速延时取其平均值，可得到每组风力发电机的风速延时如 表3所示，将等值模型与原系统模型再进行仿真比较，仿真结果如图 10所示。
计算得出有功功率误差为EnP2＝2.35％，无功功率误差为EnQ2＝4.3％。 同样，假设在3s时风电场与电网连接的110kV双回线路的其中一条 线路上发生三相短路故障，短路时间为0.5s，并按照表3分组进行仿 真，计算得到有功功率误差为EnP3＝1.08％，无功功率误差为EnQ3＝1.89％。 改进模型的误差在允许范围内，模型具有较高的适用性。
表3等值风机模型分组及相应延时
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大规模风电场等值模型，其特征在于，所述大规模风电场等值模型包括：
风电机组等值模型，等值机的额定容量和额定有功功率：
式中，Si(i＝1,...,n)为每台发电机的额定容量；Pi(i＝1,...,n)为每台发电机的额定有功功率；n为等效发电机的总数；
风电场电气接线系统等值模型，机端变压器的等值变压器容量和等值电抗容量为：
式中，STi为每台风力发电机的机端变压器容量；XTi为每台机端变压器的电抗。
2.如权利要求1所述的大规模风电场等值模型，其特征在于，所述风电机组等值模型中：等值发电机的阻抗参数通过容量加权平均法求得，加权系数为：
等值发电机的转子转动惯量和惯性时间常数用容量加权法求解；
式中，Ji(i＝1,...,n)为每台发电机转子的转动惯量；Ti(i＝1,...,n)为每台发电机的惯性时间常数；
发电机的定子电抗Xsi，转子电抗Xri以及励磁电抗Xmi的计算公式为：
3.如权利要求1所述的大规模风电场等值模型，其特征在于，所述风电场电气接线系统等值模型等效补偿电容为：
式中，Ci为每台风力发电机的补偿电容；
Ili为纵向连接支路电流，Zli为相应的支路阻抗(i＝1,...,n)；
其中，每条线路的电流表示为：
则每一条支路的功率损耗为：
总功率损耗表示为：
纵向连接的n台风力发电机等效为1条支路的风力发电机后，功率损耗为：
式中，ILS为纵向连接等效支路的总电流，ZLS为纵向连接等效支路的总阻抗；
得出纵向连接等效支路的总阻抗为：
4.如权利要求1所述的大规模风电场等值模型，其特征在于，所述风电场电气接线系统等值模型横向连接，Zki为相应的支路阻抗，Iki为流过横向连接支路阻抗的电流(i＝1,...,n)；
其中每条支路的功率损耗为：
总功率损耗表示为：
横向连接的n台风力发电机等效为1条支路的风力发电机后，功率损耗为：
式中，IKS为纵向连接等效支路的总电流，ZKS为纵向连接等效支路的总阻抗；
由功率损耗相等可知，横向连接等效支路的总阻抗为：
5.一种利用权利要求1所述大规模风电场等值模型的风电场调节方法，其特征在于，所述风电场调节方法运用同调等值法，考虑风速产生的尾流效应和时滞效应，对大型风电场中不同型号的双馈风力发电机组进行区域划分，并利用加权等值法以及风电场电气接线等效模型，将同一区域的风力发电机等值为一台风电机模型；利用不考虑尾流效应和时滞效应的等值模型与原系统模型进行比较，证实了风电场模型以及电气接线等效模型等值方法的正确性。
6.一种利用权利要求1～4任意一项所述大规模风电场等值模型的风力发电机。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李芸: "大规模风电场参与调频的控制策略研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅱ辑》 *

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