大規(guī)模并網(wǎng)型風電場等值建模研究現(xiàn)狀

曹張潔，向榮，譚謹，王曉茹

（西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031）

由于自然條件等的約束，我國風能資源多分布于西北內陸地區(qū)，這些地區(qū)往往遠離大負荷所在地，為了開發(fā)這些豐富的清潔可再生能源，就必須要走大基地開發(fā)、并網(wǎng)輸出的路線，即在風能資源豐富的空曠地區(qū)建立起大規(guī)模的風力發(fā)電基地。同時，我國東部沿海等地區(qū)也蘊藏著可觀的海上風能資源，一系列海上風電場的建設項目也逐步被納入規(guī)劃。因此，對由數(shù)十上百甚至上千臺風電機組所組成的大規(guī)模風電場進行建模，將龐大復雜的風電場系統(tǒng)等值為某個便于計算分析的風電場模型，在實際的風電并網(wǎng)中有著十分重要的意義。而隨著大規(guī)模風電場的不斷開發(fā)和建設，對其接入電網(wǎng)的等值模型的研究在很長一段時間內都將成為熱點。

在含有大規(guī)模風電場接入的電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行和一系列穩(wěn)定性分析中，針對不同的研究目的，可以從對各種類型風電機組的數(shù)學模型的具體分析出發(fā)，通過合理地組合或簡化建立起相應的等值模型，進而利用經(jīng)過驗證的可靠的風電場等值模型來進行含大規(guī)模風電場接入的電力系統(tǒng)仿真，大大簡化仿真過程，減少計算的時間，提高分析速度和效率。

1 風電場等值建模思想

1.1 風電并網(wǎng)問題

在發(fā)展風力發(fā)電的最初，人們便認識到，將風能作為產(chǎn)生電能的原動力，風的隨機波動性和間歇性將不可避免地影響到電力系統(tǒng)的正常運行。文獻[1]針對這一客觀事實，就并網(wǎng)型風電場對電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)電壓（電能質量）、電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響進行了討論，闡述了風電并網(wǎng)后電網(wǎng)可能產(chǎn)生的某些特性。

當風力發(fā)電在某個區(qū)域的電力來源中所占的比重相對較大時，風電場與電力系統(tǒng)之間的相互關系也將變得尤為重要。在研究中不僅要考慮遠距離輸電可能產(chǎn)生的問題，更應當考慮由于風的不確定因素而對整個風電場出力所造成的影響以及當電力系統(tǒng)受到各種擾動或遭遇各種故障狀況時風電場會做出的各種反應。

隨著風電場中所包含的風力發(fā)電機組數(shù)量的增多，當將風電直接并入大電網(wǎng)時，由風能本身的間歇性和不確定性等所可能對電網(wǎng)帶來的影響必然也越來越大。因此，無論是穩(wěn)態(tài)運行時的潮流計算還是動態(tài)的穩(wěn)定性問題，都需要有一個可靠的風電場模型來進行相關的電力系統(tǒng)分析。

簡言之，風力發(fā)電較傳統(tǒng)發(fā)電方式所存在的特殊性決定了對風電并網(wǎng)問題進行深入探索和研究的必要性。

1.2 風電機組模型

目前還沒有一個可以適用于各種仿真分析的標準風電場模型。要建立風電場模型，一般先從單個風電機組的模型出發(fā)。由電力系統(tǒng)基本的潮流分析和穩(wěn)定性研究入手，可分別建立風電機組的穩(wěn)態(tài)模型和動態(tài)模型。穩(wěn)態(tài)模型一般只適用于電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行時的分析，范圍相對狹窄；而動態(tài)模型可以反映如風速、電網(wǎng)電壓、頻率等更多外界物理量的變化，對研究風電并網(wǎng)的穩(wěn)定性問題具有更大的研究價值，因此也獲得了較多的關注。而從風力發(fā)電的實際應用來看，又可將風力發(fā)電機組分為脫網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩種。前者主要應用于無電網(wǎng)地區(qū)，其模型的建立已較為成熟[2]；后者則是與電網(wǎng)直接相連，即并網(wǎng)供電，該技術已被全世界廣泛認可并一直處于不斷地研究和完善中，本文便是基于并網(wǎng)型風電場的模型展開討論的。

由于雙饋感應發(fā)電機（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）具有較強的變速恒頻運行能力，且能參與電力系統(tǒng)的無功功率調節(jié)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，實現(xiàn)高效、優(yōu)質的發(fā)電以及發(fā)電機安全、便捷地并網(wǎng)，目前已經(jīng)成為大規(guī)模風力發(fā)電中普遍采用的風力發(fā)電機。

文獻[3]在考慮風電并網(wǎng)的穩(wěn)定性問題時對雙饋風力發(fā)電機動態(tài)模型進行了研究，文獻[4]給出了適用于諧波分析的雙饋風力發(fā)電機（風輪機、發(fā)電機、控制部分）的數(shù)學模型?；谖墨I[5]中所提出的雙饋異步風力發(fā)電機機電暫態(tài)數(shù)學模型，相關研究人員又先后建立了雙饋異步風電機組的動態(tài)模型，以雙饋異步發(fā)電機容量為約束條件，導出了雙饋異步風電機組在不同風速下的無功功率調控能力[6]，以及基于PSCAD/EMTDC仿真平臺的兩相旋轉坐標系下的雙饋感應風電機組電磁暫態(tài)模型[7]。

1.3 風電場建模

由文獻[8]可知，對風電并網(wǎng)，無論是潮流計算還是暫態(tài)穩(wěn)定研究，均可用兩種方法來考慮對風電場進行建模。1）采用具體模型，即將風電場中每個風力機的詳細模型通過一定的連接方式組合起來，此方法包括了眾多的線路和節(jié)點，且需要非常完整的各個風力機的相關參數(shù)。這樣的具體模型不僅可以確定風電場對電力系統(tǒng)的功率注入，也可用來確定風電場內部的電壓及電流關系。2）從整個風電場對電網(wǎng)的影響出發(fā)，將風電場看成一個整體來進行研究，即可將一個大規(guī)模的風電場簡化為幾臺或者單臺風力發(fā)電機組的模型來分析風電場對電網(wǎng)的影響，此時，往往不需要考慮風電場的內部情況。

隨著對風電場建模研究的不斷深入，更多的等值建模思想和建模方法被提出并經(jīng)過了相關驗證，下文將對其進行簡要的介紹。

2 大規(guī)模風電場等值建模

2.1 風電場穩(wěn)態(tài)等值建模

風電場穩(wěn)態(tài)模型的主要用于電力系統(tǒng)潮流計算分析，同時也可作為穩(wěn)定性分析的初始狀態(tài)。研究系統(tǒng)潮流時，關鍵是考慮風電場總的注入功率。

一個風電場模型的建立往往是基于單個風力發(fā)電機組模型所實現(xiàn)的，而對于各種類型的單個風力發(fā)電機組的靜態(tài)模型研究已經(jīng)相對具體和成熟，故對單個風力發(fā)電機組的數(shù)學模型將不在此贅述，而從基本的等值方法入手來討論風電場的穩(wěn)態(tài)模型。

在理想條件下，假設風電場上每臺風力機接受同一個方向吹來的速度相同的風力，此時，對所有同型號的風力機來說，可以將相同的風能轉化為等量的電能，即每臺風力發(fā)電機組的出力相同。于是，風電場等值模型的視在功率為：

其中Si，j=Pi，j+jQi，j，i，j為每臺風力發(fā)電機組所在的位置編號。

此時將風電場等值為了一臺風力發(fā)電機，即可考慮將風電場視為PQ節(jié)點或RX節(jié)點來對風電接入的電力系統(tǒng)進行潮流計算[9]，將有功功率和無功功率作變量處理，迭代求解。另外，在將風電機組作RX節(jié)點處理時，通過不斷的迭代修改異步機的滑差也可達到潮流計算的目的[10]。

而在實際風電場中，由于風電機組的位置分布以及風速空間分布不同和尾流效應的影響，不同風速和風向使風電場總功率輸出差異很大，故不能對所有風力機的輸出功率進行簡單的加和。在討論風速分布不同的情況下，文獻[11]提出應根據(jù)風電機組變壓器高壓側的功率因數(shù)對風電機組進行等值，并對風電場內部集電系統(tǒng)（直埋電纜、架空線路兩種情況）進行了等值。

當需要考慮風能分布模型時，常見的風電場風速尾流模型Jenson模型和Lissaman模型分別模擬了平坦地形和非均勻風速場的尾流情況，而這兩種模型均只考慮了相鄰上游風力機對下游風力機所產(chǎn)生的尾流效應。文獻[12]在Jenson模型的基礎上又提出了含有風速切變的Jenson模型和一種考慮相鄰多臺風力機對其下游某一風力機均有尾流影響的具體的尾流效應模型。

在變風速風電場中，在應用風能模型得到各臺風力機的風速時，通常可根據(jù)由風力機制造商提供的風力機的功率特性曲線來確定每臺風力機的輸出功率，然后可考慮用加權求和法來對整個風電場的出力進行計算[13-14]。

2.2 風電場動態(tài)等值建模

在含風電接入的電力系統(tǒng)中，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)安全運行的一個重要舉措。由于風力發(fā)電本身的特殊性，在建立風電場模型時就需要根據(jù)不同的研究目的來確定單機模型的選取和等值方法的確定。同靜態(tài)模型一樣，假定整個風電場上各臺風力機類型已經(jīng)確定，下面討論不同的等值。

在研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定性時，風電場建模也主要從具體模型和變尺度模型兩個方面入手[15]。具體模型即包括了風電場中的每臺風力機、補償電容器、升壓變壓器以及內部電網(wǎng)詳細模型等。因此一個完整的風電場模型就是由所有單個風電機組模型所組成，當總的單機數(shù)很大時，風電場模型所包含的組成部分和所需的信息量也就相當龐大，模型研究也就相對較為復雜。

變尺度的等值方法則同研究穩(wěn)態(tài)模型時容量加權求和的思路相近，即將運行條件相同或相近的風電機組等效為一臺風力發(fā)電機組，根據(jù)其動態(tài)模型結合風速模型和相關的控制系統(tǒng)模型計算出各自的輸出功率后進行求和，從而得到整個風場的出力。

在進行加和時，首先必須對所有風力機進行劃分，即根據(jù)地形、風速、風向以及風力機本身的型號等將風電場進行變尺度簡化。在矩形布置的風場內，可考慮將每一列或每一排的風力機等效為一臺風力機，此時便把風電場等值為了多臺風力機，再將這多臺風力機經(jīng)過風場內部網(wǎng)絡的連接構建出一個較原風電場簡化了的多風力機等值模型。另外，當風電機組安裝位置不規(guī)則時，雙饋風電機組劃分機群可以用發(fā)電機的機械暫態(tài)數(shù)學模型方程組的特征根為依據(jù)，該特征根決定了電機在電壓發(fā)生小擾動時的動態(tài)特性，將特征根相近的一組異步電機劃分為一個機群[16]。

利用變尺度簡化的思想所建立起的風電場綜合模型要求必須可以較為準確地描述出風電場在正常狀態(tài)下的運行動作以及在受擾動情況下的動作，而此處的動作即指風電場在公共節(jié)點處與電力系統(tǒng)的有功及無功交換。因此，在研究短期電壓穩(wěn)定性和電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定等方面時可考慮采用風電場的綜合模型。

基于綜合等值的思想，文獻[17]首先建立了考慮初始平均風速、驟降成分、陣風成分和渦流四部分的風速綜合模型，基于此風速模型則可以不考慮尾流效應模型。在通過風速模型計算出風電場中每臺風力機的風速后，進而討論定速及變速風力機不同的功率集中方法，即分別采用機械功集中和電功率集中的方法，其流程簡圖如圖1和圖2所示。

圖1 定速風電場等值方法

圖2 變速風電場等值方法

另外，文獻[18]提出的將由雙饋感應風力發(fā)電機組成的風電場等效為一個運行于等效的組合風力機網(wǎng)絡中的組合風力機也是基于了變尺度的簡化思想。另外，風電場模型還可在一定的假設或條件限定下通過建立降階模型來達到簡化的目的[19]。

當根據(jù)研究目的確定了相應的風電場等值模型后，對等值參數(shù)的正確求解也是保證模型精度的一個關鍵。通常可先由單機數(shù)學模型確定風電場等值參數(shù)，再通過不同的方法對等值參數(shù)進行求解，工程上一般常用的方法有按容量加權、按優(yōu)化算法等值、最小二乘參數(shù)辨識等。另外，在求解風電場恒速發(fā)電機動態(tài)等值參數(shù)時，文獻[20]借鑒了基于簡單加權法求解等值同步發(fā)電機組及其調節(jié)系統(tǒng)和異步電動機負荷詳細模型等值參數(shù)的方法[21]，得出了基于改進加權法的風力發(fā)電機參數(shù)聚合的實用方法。

2.3 風電并網(wǎng)一些新型等效方法

隨著對風電并網(wǎng)研究的不斷深入和拓展，風電場建模的思想和方法也在不斷地完善和創(chuàng)新中。在一些傳統(tǒng)的等值建模方法的基礎上，根據(jù)研究目的和風電場實際應用的條件和環(huán)境，人們正試圖將等值建模的思路進行一定的延伸和擴展。文獻[22]便提出了基于風電場輸出特性的等值算法，對由鼠籠式異步發(fā)電機組成的風電場進行了動態(tài)等值建模。與此同時，對一些新型建模方法的研究也已經(jīng)開始為人們所關注，如采用模糊神網(wǎng)絡、專家系統(tǒng)對風力機系統(tǒng)進行建模，對風電場考慮采用基于Agent的建?？刂品椒ǖ取?/p>

2.4 仿真軟件中的風力機模型

到目前為止，還沒有一個關于風電場模型的評價標準，而人們應用較為普遍的驗證方法便是在仿真軟件中利用已有的風力機模型或模塊建立起風電場的仿真模型，然后將通過一系列仿真計算得到的結果與實際結果或相關數(shù)據(jù)進行比較，進而對模型的可靠性進行鑒定和評估。

隨著風電并網(wǎng)的迅速發(fā)展，眾多國內外電力系統(tǒng)分析軟件在更新中都開始加入一些風力機模型或風電場模型，用于含風電接入的電力系統(tǒng)的各種仿真計算。

在Matlab 7.8.0（R2009a）的Simulink仿真模型庫中，可用于風電場的風力機模塊包括一個可變槳距的風輪機模型、一個雙饋感應電機的穩(wěn)態(tài)模型和一個鼠籠式感應電機的穩(wěn)態(tài)模型。而在其實例（Demos）中，還可以找到若干搭建好的風力機或風電場模型。

由西門子PTI電力技術咨詢公司的PSS/E仿真軟件中，基于FORTRAN語言也已開發(fā)出了專門的風力機軟件包，專門用于風電場特性及其并網(wǎng)的相關研究[23]。在PSS/E32版最新模型庫中不僅包含了4種經(jīng)典的風力發(fā)電機模型，還有相應的風速模型、風輪機模型和電氣控制模型等可用于風電場模型的搭建。

關于PSS/E平臺中風力機模型的相關介紹和使用在文獻[24]中有簡要的敘述，為某些特定的風電場建模仿真和測試研究提供了一個可靠方便的途徑。

在由加拿大開發(fā)的可用于電力系統(tǒng)暫態(tài)模擬仿真的軟件PSCAD/EMTDC中同樣可以找到同步電機和鼠籠式感應電機等風力機模塊。

3 結語

在風力發(fā)電迅速發(fā)展的今天，對于大規(guī)模風電場接入電網(wǎng)的研究也日漸成熟，然而要建立起一個可有效地用于電力系統(tǒng)分析的等值模型，還需要在已有的理論和實踐經(jīng)驗積累的基礎上，進行更多的探索和創(chuàng)新。利用現(xiàn)有的仿真軟件中的風力機模型，并通過適應于不同研究目的的等值方法，來對大規(guī)模的風電場進行建模，一旦相關的仿真模型得到了驗證，便可將所得的等值模型應用到各種風電并網(wǎng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)或動態(tài)分析中去，無論是理論研究，還是實際應用，這都將更好地推動風電并網(wǎng)技術的發(fā)展。

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