加權容量法在風電場多機等值中的應用

付兆遠，許志元，王萬寶，周迎新，吳長靜

（1.濟南供電公司，山東 濟南 250012；2.棗莊供電公司，山東 棗莊 277000）

0 引言

風電技術的成熟和裝備水平的發(fā)展使風力發(fā)電成為目前技術最為成熟、商業(yè)化前景最為廣闊的新能源技術。目前中國風電并網(wǎng)總裝機容量居世界第一，2012年風電發(fā)電量超過核電發(fā)電量成為中國第三大電源［1］。國家政策支持、風力發(fā)電技術的不斷成熟使得風電成為新能源的領路者。

風電場的快速發(fā)展對局部地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行與控制產(chǎn)生了較大程度的不利影響。風電場低電壓穿越特性、反調峰特性等嚴重影響了地區(qū)電網(wǎng)的風電接納能力［2］。大容量風電場的接入對地區(qū)電網(wǎng)的影響已成為近來研究的熱點問題之一。

風電場普遍存在機組數(shù)量多、分布范圍廣的特點，每臺風電機組的風能利用能力均不相同，如果詳細考慮每臺風電機組對地區(qū)電網(wǎng)的影響，會大大增加電網(wǎng)的分析計算工作量。電力系統(tǒng)潮流計算、繼電保護整定等普遍考慮的是風電場的群體行為而不關注單臺機組的運行狀態(tài)，因此風電場的等值簡化對電力系統(tǒng)分析尤為重要［3］。本文將使用加權容量法對復雜的風電場進行簡化建模［4］，通過仿真分析電網(wǎng)發(fā)生典型故障時，風電場等值機與風電場詳細模型的輸出變化，進而驗證風電場等值在電力系統(tǒng)分析計算中應用的可靠性。

1 容量加權法原理

普通風電場由數(shù)十到上百臺風電機組模型，在系統(tǒng)分析計算時，不必考慮每臺機組的輸出特性，只要能準確模擬整個風電場對外輸出特性即可滿足系統(tǒng)分析計算的要求。機組容量、同步電抗是穩(wěn)態(tài)計算的不需條件，暫態(tài)計算時需要額外考慮機組轉子時間常數(shù)、暫態(tài)電抗等。等值計算時，根據(jù)機組本身特性、風速條件等將風電場劃分為N個集群，分別計算每個集群的等值參數(shù)。

工程計算中，常忽略風機至變壓器的電纜阻抗，認為集群內所有風電機組通過變壓器接于統(tǒng)一母線上，即計算時系統(tǒng)網(wǎng)絡中只考慮變壓器阻抗、發(fā)電機阻抗。

對第i個風電機組集群進行等值時，等值機容量、有功功率應為該集群中所有風電機組的容量和有功功率之和。

容量加權系數(shù)

同樣按照容量加權法計算得出等值機組的電氣參數(shù)、掃風面積、風能利用系數(shù)、風速

式中：Xm表示風電場某個集群內第m臺風電機組的某一電氣參數(shù)，Xeqi為等值機中與Xm對應的參數(shù)，Am、Cpm、νwm分別表示第i個機群內第m臺風力機的掃風面積、風能利用系數(shù)和風速。

一般來講，同一集群中風電機組所處風速相差不大，此時等值機風速可簡化為

2 多臺風機等值系統(tǒng)建模

算例風電場采用21臺雙饋感應風力發(fā)電機組，機組額定電壓為0.69 kV，分別經(jīng)升壓變壓器接至中壓母線，考慮到地形地貌和風能資源的分布特點，風電機組經(jīng)3條集電線路接至風電場升壓變電站，升壓至110 kV與外網(wǎng)相連如圖1所示。其中，集電線路1上有3臺2 MW風電機組，集電線路2上裝8臺2 MW風電機組，集電線路3上裝10臺2 MW風電機組。

圖1 算例風電場示意圖

使用DigSILENT/PowerFactory軟件建模，該軟件是德國DIgSILENT Gmbh公司開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件，包含了潮流、短路計算、機電暫態(tài)及電磁暫態(tài)計算等一系列計算功能，其風電機組電氣部分包括雙饋感應電機、變頻器模型及風速、機械傳動系統(tǒng)、空氣動力學部分及風電機組的控制系統(tǒng)。

為驗證加權容量法在風電場等值計算中的有效性，在本算例中以集電線路Line2上的8臺2 MW風電機組為例，在DigSILENT/PowerFactory中建立8臺風機模型，8臺風機分別通過變壓器連接至HV母線上。 等值機的繞組時間常數(shù)、掃風面積等參數(shù)按上節(jié)所述加權容量法的原則求得。等值后的風電場如圖2所示。

圖2 風電場等值結構

基于所建立的仿真模型，0 s時高壓母線HV發(fā)生故障。在母線MV處測量母線電壓、電流、有功功率及視在功率。

為了說明等值方法的合理性，給出相對誤差和平均相對誤差的計算公式式中，M為采樣點數(shù)。

3 仿真分析

為了使更加詳細地分析加權容量法所建立模型的適用性，仿真中考慮以下3種風電場情況：1）所有風機在同一風速條件下運行。2）不同風電機組集群在不同風速條件下運行，處于集電線路上的3臺機組處于風速為15 m/s的環(huán)境中，處于集電線路2上的8臺機組處于11 m/s的風速環(huán)境中，集電線路3上裝設的風電機組仿真風速為8 m/s，按照加權容量法計算出的等值機風速為11.3 m/s。3）風機在變風速條件下運行，詳細模型和等值機模型的穩(wěn)態(tài)運行風速都設置為11 m/s，在t=-0.4 s時陣風開始，持續(xù)時間為2 s，幅值為6 m/s。同時仿真中詳細考慮了高壓母線HV的故障情況，包括三相故障、單相故障、兩相故障及兩相接地故障。

3.1 機端高壓母線三相短路時等值風機的輸出功率分析

在上述建模工作的基礎上，以不同集群風速不同的情況為例來分析等值機與風電場集群詳細模型的輸出差別。按照上述風速仿真條件，考察用來描述電源的4個主要特征電氣量，即視在功率、有功功率、電流、機端電壓。由于在機端發(fā)生三相短路的條件下，風電場機群對電網(wǎng)的影響最大，考慮極端情況，短路地點設置在機組出口處，此時詳細模型與等值機模型輸出圖形如圖3所示。

圖3 等值前后風電場運行曲線比較

從仿真圖形中可以看出，風電場等值模型與詳細模型的輸出電氣量基本重合，等值機可以較好地模擬系統(tǒng)的暫態(tài)過程。此時對相同風速條件、風速變化時進行仿真，并利用式6計算其平均相對誤差，結論如表1所示。

表1 高壓母線三相短路時等值前后輸出量的平均相對誤差 %

從表1可以得出：對風電集群機組做等值計算后，等值電源的4個主要電氣特征量與詳細模型吻合程度很高，為得出一般性結論，現(xiàn)對機端母線其他類型的故障做進一步分析。

3.2 機端高壓母線發(fā)生其他故障時等值風機輸出電流變化分析

3.1中仿真條件為機端高壓母線發(fā)生三相短路故障，為進一步分析等值風機的輸出特征，現(xiàn)對高壓母線發(fā)生A相接地、BC相間短路、BC短路接地3種情況進行進一步分析。仿真結論如表2所示。

表2 高壓母線不同類型故障時等值前后輸出電流的平均相對誤差 %

4 結語

由以上仿真可看出，使用加權容量法計算出的風電場等值模型的輸出視在功率、有功功率、機端電壓和電流與詳細模型吻合程度很高。考慮風電場故障條件下的暫態(tài)特性時，風電場等值模型計算出的電源4個主要特征量變化曲線與星系模型基本吻合，誤差滿足工程計算的要求。使用加權容量法進行風電機群等值分析對電氣設備選型、繼電保護整定具有很強的實用意義。

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