風(fēng)電場(chǎng)不同應(yīng)用的動(dòng)態(tài)等效建模方法研究

隨著大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量和數(shù)量的增加，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等值建模理論與方法已成為基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究課題。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)模型的不同應(yīng)用目的，需要給出相應(yīng)的風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法。項(xiàng)目的主要工作如下：首先，針對(duì)風(fēng)速波動(dòng)下定速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)，提出了一種變參數(shù)等值方法。利用該方法建立的風(fēng)電場(chǎng)模型可有效解決無功功率誤差問題；針對(duì)風(fēng)速波動(dòng)下變速速機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)，進(jìn)行了風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)表征模型的適用性分析。同時(shí)深入探討了故障條件下雙饋機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的分群等值方法以及直驅(qū)永磁機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的單機(jī)表征等值方法。其次，提出了一種適用于低電壓穿越分析的風(fēng)電場(chǎng)等值方法，定義了風(fēng)電場(chǎng)最易脫網(wǎng)判斷指標(biāo)，對(duì)比了槳距角動(dòng)作分群方法和Crowbar動(dòng)作分群方法，結(jié)果表明Crowbar動(dòng)作分群方法更適用于雙饋機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越能力的分析。再次，搭建了反映頻率調(diào)節(jié)的直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組控制模型，給出了適用于頻率分析的風(fēng)電場(chǎng)等值方法。結(jié)合吉林電網(wǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了切負(fù)荷條件下的等值方法驗(yàn)證。最后，為了提高變流器的容量，采用了變流器共母線并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)并聯(lián)時(shí)的環(huán)流問題進(jìn)行了研究。建立了環(huán)流的模型，分析了環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理和流通路徑，進(jìn)而提出了環(huán)流的控制策略。引入環(huán)流閉環(huán)，并對(duì)空間矢量調(diào)制技術(shù)做了改進(jìn)，通過占空比補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)流的抑制。為了應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓的跌落故障，要控制變流器提高機(jī)組的低電壓穿越能力。在分析了電網(wǎng)故障及其對(duì)機(jī)組影響的基礎(chǔ)上，提出控制策略緩解故障造成的功率不平衡和直流母線電壓波動(dòng)。此外，由于電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，常規(guī)鎖相環(huán)會(huì)出現(xiàn)震蕩，因此對(duì)電網(wǎng)故障鎖相技術(shù)進(jìn)行了研究。在實(shí)驗(yàn)室的永磁直驅(qū)風(fēng)電平臺(tái)上驗(yàn)證了變流器并聯(lián)運(yùn)行控制策略的有效性。該策略也可應(yīng)用于大功率的風(fēng)電變流器。

隨著大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)容量和數(shù)量的增加，風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模理論與方法已成為基礎(chǔ)性和應(yīng)用性研究課題。針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)模型的不同應(yīng)用目的，本項(xiàng)目分別提出適用于功率控制的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模方法、適用于低電壓穿越能力分析和檢測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模方法以及適用于功率平衡和頻率控制的風(fēng)電場(chǎng)動(dòng)態(tài)等效建模方法。該研究以數(shù)學(xué)模型和等效建模方法的理論體系為基礎(chǔ)，以分群等效為技術(shù)路線，根據(jù)不同應(yīng)用給出相應(yīng)的分群原則和等效建模方法，并輔以仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。其技術(shù)關(guān)鍵是（1）提出一種解決常用等效建模方法出現(xiàn)無功功率誤差的方法和風(fēng)電場(chǎng)功率控制的等效模型；（2）找到一種能準(zhǔn)確判斷風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)最易脫網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的指標(biāo)；（3）建立適用于中長(zhǎng)期過程分析的風(fēng)電機(jī)組簡(jiǎn)化模型和常規(guī)發(fā)電機(jī)組模型，提出風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電場(chǎng)群的等效建模方法。該研究將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)入網(wǎng)分析與檢測(cè)、風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)在線動(dòng)態(tài)安全分析等都具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于相同機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)等值的研究已有很多，有研究對(duì)民據(jù)三階DFIG簡(jiǎn)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力模型提及一種基于戴維南電路的雙饋風(fēng)電場(chǎng)等值法，將具有相似動(dòng)態(tài)特性的雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)歸為同群，適于波動(dòng)的情況。而針對(duì)直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組等值簡(jiǎn)化模型進(jìn)行風(fēng)速分群，按機(jī)組位置聚類，采用傳遞函數(shù)和電流控制電流源及利用等效電流源完成同群機(jī)組的等值處理等原則可降低直驅(qū)式風(fēng)電場(chǎng)模型的復(fù)。

然而針對(duì)混合風(fēng)電場(chǎng)等值研究卻鮮有文章。國(guó)外已經(jīng)建成了由鼠籠異步風(fēng)機(jī)和雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)組成的混合風(fēng)電場(chǎng)，采用聚合法進(jìn)行等值是當(dāng)前的普遍做法。一些適用于相同機(jī)型風(fēng)電場(chǎng)的等值方法在一定條件下同樣可應(yīng)用于混合風(fēng)電場(chǎng)的等值研究。隨著風(fēng)電場(chǎng)的不斷擴(kuò)容，混合風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益日益突顯，開展由鼠籠異步風(fēng)機(jī)、雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)及直驅(qū)永磁同步風(fēng)機(jī)組成的混合風(fēng)電場(chǎng)等值方法的研究具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)當(dāng)前主流風(fēng)機(jī)類型雙饋感應(yīng)風(fēng)機(jī)和直驅(qū)永磁同步風(fēng)機(jī)的建模做了簡(jiǎn)介，同時(shí)概述了風(fēng)電場(chǎng)常規(guī)潮流、隨機(jī)潮流和概率潮流計(jì)算。從風(fēng)速的等值、風(fēng)電場(chǎng)的分群及風(fēng)電場(chǎng)常用等值方法三方面重點(diǎn)評(píng)述了風(fēng)電場(chǎng)的等值，此外，結(jié)合專家系統(tǒng)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化算法能有效提高風(fēng)電場(chǎng)等值模型的精度。然而，隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的近一步擴(kuò)大，對(duì)混合風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法開展研究將會(huì)是今后的趨勢(shì)。2100433B

風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)等值就是在保證風(fēng)電場(chǎng)對(duì)研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)影響不變的條件下，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化的過程。

風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法風(fēng)速等值方法

當(dāng)遭遇同種風(fēng)影響時(shí)可用等值風(fēng)速驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。最常用的風(fēng)速等值根據(jù)切入風(fēng)速整合風(fēng)機(jī)，明確劃分切入風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)，通常有平均風(fēng)速法和風(fēng)-功率曲線法。當(dāng)風(fēng)速差異較小可對(duì)風(fēng)速進(jìn)行線性平均，忽略風(fēng)速及風(fēng)功率間的非線性關(guān)系。三次均方根風(fēng)速等值法不計(jì)及風(fēng)功率利用系數(shù)對(duì)等值的影響，可提高等值準(zhǔn)確性。如風(fēng)速差異較大，常采用風(fēng)功率曲線求取等值風(fēng)速，能減小等值模型階數(shù)及仿真時(shí)間。有文獻(xiàn)依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)平均風(fēng)速作為整體等效風(fēng)速建立了風(fēng)電場(chǎng)“等效風(fēng)速一輸出功率”等值模型。因風(fēng)速、風(fēng)向間的馬爾可夫性，利用一階自回歸簡(jiǎn)化模型對(duì)風(fēng)向量時(shí)間序列建模，利用馬爾可夫鏈調(diào)制的風(fēng)速時(shí)間序列形成合成風(fēng)速，建立計(jì)及風(fēng)向影響的風(fēng)速模型。也有文獻(xiàn)針對(duì)脈動(dòng)風(fēng)速，利用Von Karman連續(xù)譜密度函數(shù)和自回歸模型，建立基于譜密度分析的風(fēng)速模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建虛擬風(fēng)電場(chǎng)，較好處理了模擬過程的非連續(xù)性和模擬時(shí)間的局限性，為今后等值風(fēng)速的研究提供基礎(chǔ) 。

風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法風(fēng)電場(chǎng)的分群原則

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組數(shù)量多、占地廣、運(yùn)行點(diǎn)不同、場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速分布不均的大型風(fēng)電場(chǎng)不適宜將其簡(jiǎn)單等值為單臺(tái)風(fēng)機(jī)四。為此，風(fēng)電場(chǎng)的合理分群必不可少，且分群的優(yōu)劣直接影響等值的效果。

按輸入風(fēng)速不同對(duì)風(fēng)電場(chǎng)分群較為常見，但大型風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速差異大、機(jī)組間風(fēng)速變化有連續(xù)性易導(dǎo)致分組過多，分組指標(biāo)不明顯。依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)遭受較大干擾或故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)輸出特性起主導(dǎo)作用的因素除了風(fēng)速還有風(fēng)向。有研究提及了一種由風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)速和風(fēng)向構(gòu)成的三維相關(guān)系數(shù)矩陣對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分群的方法，能根據(jù)不同風(fēng)速、風(fēng)向快捷分群，適用風(fēng)速風(fēng)向均波動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)。針對(duì)雙饋式風(fēng)電場(chǎng)，利用風(fēng)速、轉(zhuǎn)速差異作為特征變量對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分群，可提高分群精度。依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)各雙饋發(fā)電機(jī)受系統(tǒng)故障影響程度不同識(shí)別出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)相近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)暫態(tài)電壓特性的聚類分群方法。

針對(duì)同型風(fēng)機(jī)風(fēng)電場(chǎng)，機(jī)群劃分與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)布局及風(fēng)電場(chǎng)所處地形密切相關(guān)。對(duì)于地形復(fù)雜、布局不規(guī)則的風(fēng)電場(chǎng)，按風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)相近原則劃分較按地理位置簡(jiǎn)單劃分的結(jié)果往往更準(zhǔn)確。

風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法風(fēng)電場(chǎng)常用等值方法

早期常用聚合法將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)簡(jiǎn)單等值為單臺(tái)風(fēng)機(jī)，往往忽略尾流效應(yīng)的影響，等值誤差較大?；?qū)⒕哂邢嗤L(fēng)速的風(fēng)機(jī)等值為一臺(tái)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)再驅(qū)動(dòng)同等容量的等值異步發(fā)電機(jī)，這樣的多機(jī)等值模型能有效降低風(fēng)電場(chǎng)的復(fù)雜性 。

（1）容量加權(quán)單機(jī)等值法

容量加權(quán)單機(jī)等值法通常忽略連接風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)相鄰風(fēng)力機(jī)組電纜線路阻抗的影響，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過出口變壓器接于同一母線時(shí)以發(fā)電機(jī)容量為權(quán)

值確定等值發(fā)電機(jī)的參數(shù)。

（2）改進(jìn)容量加權(quán)單機(jī)等值法

改進(jìn)容量加權(quán)單機(jī)等值法改進(jìn)了容量權(quán)值系數(shù)，較前者提高了等值精度，對(duì)于單機(jī)等值更能體現(xiàn)大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)、暫態(tài)特性。

（3）基于同調(diào)等值的加權(quán)等值法

該法的使用前提是風(fēng)電機(jī)組類型、機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均需相同，并假設(shè)所有機(jī)組并聯(lián)于同一母線上且不考慮風(fēng)速差異的影響?；诎l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同擺的同調(diào)等值法包括相關(guān)機(jī)群識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)和相關(guān)機(jī)群參數(shù)聚合，能在簡(jiǎn)化參數(shù)聚合程序的基礎(chǔ)上滿足精度要求并節(jié)省仿真時(shí)間。

（4）參數(shù)變換單機(jī)等值法

參數(shù)變換單機(jī)等值法通過引入虛擬阻抗進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和反變換，最終將多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等值為單臺(tái)風(fēng)機(jī)，可在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)不同的情況下獲得最高的等值精度，能更精確地表示風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)等值和內(nèi)部連接情況。

（5）單機(jī)表征法

單機(jī)表征法把風(fēng)電場(chǎng)等值成一臺(tái)風(fēng)機(jī)和一臺(tái)發(fā)電機(jī)，其輸入為平均風(fēng)速，等效容量為整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)容量代數(shù)和，適用風(fēng)電機(jī)組間風(fēng)速差異較小的情況。針對(duì)風(fēng)速差異較大的風(fēng)電場(chǎng)則保留所有風(fēng)速模型和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，疊加風(fēng)力機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩為等值發(fā)電機(jī)的輸入，將風(fēng)電場(chǎng)等值為一臺(tái)發(fā)電機(jī)，但仍存在無功誤差。

（6）變尺度降階多機(jī)等值法

變尺度降階多機(jī)等值法是在均勻布置的矩形風(fēng)電場(chǎng)中，假設(shè)每一排風(fēng)機(jī)具有相同風(fēng)速及它們運(yùn)行在相同運(yùn)行點(diǎn)后將參數(shù)完全一致的每行(列)風(fēng)力機(jī)組等效為一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方法，等值風(fēng)機(jī)的容量和有功功率即每行(列)風(fēng)機(jī)的代數(shù)和。如計(jì)及尾流效應(yīng)，需將運(yùn)行狀態(tài)相近的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等值。

（7）輸出特性等值法

現(xiàn)有的等值方法中等值參數(shù)主要是根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)并聯(lián)計(jì)算或?qū)μ囟ü收线M(jìn)行曲線擬合求得，并沒有利用風(fēng)電場(chǎng)輸出特性進(jìn)行校正。為此有文獻(xiàn)將風(fēng)電場(chǎng)輸出特性引入，求解籠型風(fēng)電場(chǎng)的等值參數(shù)，稱為風(fēng)電場(chǎng)輸出特性等值法。風(fēng)電場(chǎng)的輸出特性包含風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)端口電壓、功率、電流等信息，可以通過兩種方法獲取。對(duì)于已投運(yùn)的風(fēng)電場(chǎng)，通過實(shí)測(cè)記錄風(fēng)電場(chǎng)在不同風(fēng)速下的輸出信息，所有風(fēng)速下風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)端口運(yùn)行信息的集合即可作為風(fēng)電場(chǎng)輸出特性參與計(jì)算。若無法實(shí)測(cè)，可以通過理論計(jì)算近似求取風(fēng)電場(chǎng)端口特性。只要已知風(fēng)電場(chǎng)連接方式和機(jī)組參數(shù)，理論上風(fēng)電場(chǎng)的輸出特性就可以計(jì)算，適合各種條件下求取風(fēng)電場(chǎng)的輸出特性，能對(duì)籠型異步發(fā)電機(jī)組成的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行等值建模，準(zhǔn)確求取等值機(jī)同步電抗、暫態(tài)電抗和轉(zhuǎn)子慣性時(shí)間常數(shù)等參數(shù)。

（8）主成分分析等值法

有研究指出了一種采用運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)等值模型的新方法，使用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論對(duì)大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用主成分分析法找到最能表征風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行行為的因子，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)降階處理并利用支持向量機(jī)法搭建整體風(fēng)電場(chǎng)模型，考慮了風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模大小、地貌地形、機(jī)組布置、機(jī)組類型及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速分布等因素，較全面地對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了多機(jī)等值建模。

風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法參數(shù)優(yōu)化算法

結(jié)合參數(shù)優(yōu)化算法的風(fēng)電場(chǎng)等值方法具有更高的模型精度，并能相應(yīng)減小等值誤差。對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組有功和無功控制進(jìn)行簡(jiǎn)化等值建模后通過增加變異操作方式的自適應(yīng)粒子群算法，擴(kuò)大轉(zhuǎn)子電流的種群數(shù)量，在大范圍轉(zhuǎn)子電流種群中更好擇優(yōu)，找尋合適的轉(zhuǎn)子電流有功分量值，有效提高雙饋風(fēng)機(jī)等值建模的準(zhǔn)確性。將單機(jī)等值模型的參數(shù)進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼形成染色體，再經(jīng)過“雙親四子”的交

叉操作和自適應(yīng)變異操作，去粗取精，獲得最合適的有功功率數(shù)值。遺傳算法在多次迭代后產(chǎn)生的最優(yōu)結(jié)果，縮小偏差，但迭代次數(shù)過多。