淺析用于風(fēng)電場(chǎng)聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變換

孫露

摘 要：由于風(fēng)具有隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組的空間分布也呈現(xiàn)隨機(jī)性，因此風(fēng)電場(chǎng)聚合建模中各方向風(fēng)電機(jī)組的聚合成了研究重點(diǎn)之一。文章的研究對(duì)象主要是輻射形結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)，并針對(duì)性地一套風(fēng)電場(chǎng)聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變換的處理方法。該變換方法適用于定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，且能增加聚合模型的精度。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；聚合模型；輻射形；網(wǎng)絡(luò)變換

引言

一般風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組有很多個(gè)，從幾十臺(tái)到上百臺(tái)不等，但是發(fā)電效率只能相當(dāng)于一個(gè)普通的火力發(fā)電機(jī)，因而風(fēng)電場(chǎng)的模型階數(shù)要超過(guò)一千。由于模型的復(fù)雜程度和風(fēng)電場(chǎng)容量的大小不是相匹配，因而電力系統(tǒng)的仿真效率會(huì)受到一定的影響。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的整體特性比場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)機(jī)組的具體動(dòng)態(tài)對(duì)電網(wǎng)的影響大得多。當(dāng)前，我國(guó)的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)大多數(shù)采用的是聚合等效模型。風(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)重要組成部分是集電網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)大部分已經(jīng)建好的風(fēng)電場(chǎng)大部分采用的輻射形布局的內(nèi)部鏈接方法，這種方式相對(duì)于其他的方式的總成本要低很多。文章主要針對(duì)輻射形的風(fēng)電場(chǎng)聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變換進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了兩種變換方法，即集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換和單阻抗等效變換。

1 集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法

為了方便風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)任意位置上機(jī)組的聚合，需要將風(fēng)電機(jī)組之間輻射形的混聯(lián)結(jié)構(gòu)變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)，從而使得不同機(jī)組的分群更加簡(jiǎn)便。集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法的原則是變換前后由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的幅值和相位不能發(fā)生變化。在風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)和集電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟约皡?shù)時(shí)，變換步驟如下：

下面以圖1為例具體講解集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換步驟。該變換是從輻射形連接的尾部開(kāi)始，逐步逐級(jí)地向PCC進(jìn)行。圖中線路阻抗Zl1-Zl4表示的是集電網(wǎng)絡(luò)。

圖1 輻射形連接示意圖（定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)組）

1.1 首先要算出風(fēng)電機(jī)組所在支路的穩(wěn)態(tài)等值阻抗Zn（n表示機(jī)組的序號(hào)）。定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)支路上的穩(wěn)態(tài)等值阻抗可以根據(jù)圖2所示的等值電路計(jì)算。圖3表示的是雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組的等值電路。這里只考慮了由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的機(jī)組端口電壓，而沒(méi)有考慮雙饋感應(yīng)電極轉(zhuǎn)子側(cè)的等效電壓。值得一提的是，在計(jì)算Z1的阻抗時(shí)，需要將線路阻抗Zn合并到Z1中。

圖2 定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)組等值電路圖

圖3 雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組等值電路圖

1.2 然后將風(fēng)電機(jī)組之間的混聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧儾⒙?lián)結(jié)構(gòu)。具體的變換方法是將線路中的阻抗Zli（i不小于2）分解成i個(gè)Zli，n（n=1，2，3……，i）串聯(lián)到原來(lái)與Zli相連的i個(gè)風(fēng)電機(jī)組支路中。以Zl2為例，其變換的方法如圖4所示。

圖4 Zl2的網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)化變換示意圖

圖中等值阻抗Z1和Z2的端電壓的計(jì)算公式如下：

U2=U3（Z1//Z2）/（Zl2+Z1//Z2） （1）

適中符合“//”表示并聯(lián)關(guān)系。變換之后的Z1和Z2的端電壓計(jì)算如下：

UZ1=U3Z1/（Zl2，1+Z1） UZ2=U3Z1/（Zl2，2+Z2） （2）

前面提到集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法的原則是變換前后由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的幅值和相位不能發(fā)生變化。因而UZ1、UZ2的大小要與U2相等，從而可以求得Zl2，1和Zl2，2的值，具體如下：

Zl2，1=Zl2Z1/Z1//Z2 Zl2，2=Zl2Z2/Z1//Z2 （3）

1.3 對(duì)已經(jīng)完成并聯(lián)變換的風(fēng)電機(jī)組所在的支路等值阻抗Zn（n=1，2，3，…，n）進(jìn)行修正。修正之后的值用Zn'表示，修正公式如下：

Zn′=Zn+Zli，n，n=1，…，i （4）

1.4 將修正之后的等值阻抗Zn'代入到步驟2中，然后在進(jìn)行下一個(gè)線路阻抗Zl（i+1）的變換。

循環(huán)進(jìn)行上述步驟，將混聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧儾⒙?lián)結(jié)構(gòu)，各風(fēng)電機(jī)組之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)變換之后的純并聯(lián)結(jié)構(gòu)

由于該種變換的依據(jù)是風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，但是實(shí)際上動(dòng)態(tài)過(guò)程中的風(fēng)電機(jī)組的等值阻抗是有一定的變化的，因此該種網(wǎng)絡(luò)變換在動(dòng)態(tài)過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差。風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)滑差受風(fēng)速的影響很大，但是同一型號(hào)的機(jī)組在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的滑差變化的趨勢(shì)基本一致。因而并聯(lián)化變換誤差的大小與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速的均一性是成正比的，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速差別越大，并聯(lián)變換的誤差就越大，反之則越小。因此并聯(lián)化變換的誤差大小很難對(duì)其進(jìn)行定量研究，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體的情況來(lái)分析。

2 集電網(wǎng)絡(luò)的單阻抗等效方法

當(dāng)已知的風(fēng)電場(chǎng)條件不滿足幾點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)化變換的條件時(shí)，可以選擇對(duì)其進(jìn)行單阻抗等效變換，同樣可以將風(fēng)電場(chǎng)的接線方式變化為純并聯(lián)結(jié)構(gòu)。集電網(wǎng)絡(luò)的單阻抗等效變換方式如圖6所示。圖中的等效阻抗Zeq的計(jì)算直接、簡(jiǎn)單，只需要知道功率的量測(cè)數(shù)據(jù)，不需要知道其他數(shù)據(jù)。風(fēng)電場(chǎng)中PCC上可以測(cè)量的是電壓U、電流I、輸出功率S。其中S=P+jQ。因而，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率Si=Pi+jQi是可以測(cè)量的，進(jìn)而可以計(jì)算出風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)n臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總輸出功率，其值與PCC上輸出功率S的差值就是內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)的損耗。等效Zeq的大小可以根據(jù)公式（5）來(lái)計(jì)算。

Zeq=（■Si-S）/（I*I*） （8）

式中的“*”表示的是共軛關(guān)系。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的所有風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過(guò)變換之后都可以并聯(lián)到圖6中的虛擬母線上，之后可以變換之后機(jī)組分群的結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)的聚合。

單阻抗等效變換相對(duì)于并聯(lián)化變換來(lái)講，理論上是不存在穩(wěn)態(tài)的誤差。但是由于該種變換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中集電網(wǎng)絡(luò)的功率損耗是變化的，所以依然存在一定的誤差。對(duì)該誤差進(jìn)行定量分析的難度很大，在應(yīng)用單阻抗等效變換的方法時(shí)，需要對(duì)其動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章針對(duì)輻射形風(fēng)電聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變化進(jìn)行了詳細(xì)地分析，提出了集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換和單阻抗等效變換兩種方法。這兩種方法可以將輻射形的混聯(lián)結(jié)構(gòu)的接線變化到全部并聯(lián)與PCC的結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)任意風(fēng)電機(jī)組的聚合。如果風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)、集電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皡?shù)都已知，那么可以采用集電并聯(lián)化變換方式，前提是保證變換前后的風(fēng)電機(jī)組端口電壓不變；如果這些參數(shù)未知或者不全時(shí)，可以采用單阻抗等效變換方法。

參考文獻(xiàn)

[1]李輝，趙斌，史旭陽(yáng)，等.含不同風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)運(yùn)行特性仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（13）：1-7.

[2]黃梅，萬(wàn)航羽.在動(dòng)態(tài)仿真中風(fēng)電場(chǎng)模型的簡(jiǎn)化[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（9）：147-152.

[3]包能勝，徐軍平，倪維斗，等.大型風(fēng)電場(chǎng)失速型機(jī)組等值建模的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28（11）：1284-1289.

摘 要：由于風(fēng)具有隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組的空間分布也呈現(xiàn)隨機(jī)性，因此風(fēng)電場(chǎng)聚合建模中各方向風(fēng)電機(jī)組的聚合成了研究重點(diǎn)之一。文章的研究對(duì)象主要是輻射形結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)，并針對(duì)性地一套風(fēng)電場(chǎng)聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變換的處理方法。該變換方法適用于定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，且能增加聚合模型的精度。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；聚合模型；輻射形；網(wǎng)絡(luò)變換

引言

一般風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組有很多個(gè)，從幾十臺(tái)到上百臺(tái)不等，但是發(fā)電效率只能相當(dāng)于一個(gè)普通的火力發(fā)電機(jī)，因而風(fēng)電場(chǎng)的模型階數(shù)要超過(guò)一千。由于模型的復(fù)雜程度和風(fēng)電場(chǎng)容量的大小不是相匹配，因而電力系統(tǒng)的仿真效率會(huì)受到一定的影響。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的整體特性比場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)機(jī)組的具體動(dòng)態(tài)對(duì)電網(wǎng)的影響大得多。當(dāng)前，我國(guó)的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)大多數(shù)采用的是聚合等效模型。風(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)重要組成部分是集電網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)大部分已經(jīng)建好的風(fēng)電場(chǎng)大部分采用的輻射形布局的內(nèi)部鏈接方法，這種方式相對(duì)于其他的方式的總成本要低很多。文章主要針對(duì)輻射形的風(fēng)電場(chǎng)聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變換進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了兩種變換方法，即集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換和單阻抗等效變換。

1 集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法

為了方便風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)任意位置上機(jī)組的聚合，需要將風(fēng)電機(jī)組之間輻射形的混聯(lián)結(jié)構(gòu)變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)，從而使得不同機(jī)組的分群更加簡(jiǎn)便。集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法的原則是變換前后由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的幅值和相位不能發(fā)生變化。在風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)和集電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟约皡?shù)時(shí)，變換步驟如下：

下面以圖1為例具體講解集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換步驟。該變換是從輻射形連接的尾部開(kāi)始，逐步逐級(jí)地向PCC進(jìn)行。圖中線路阻抗Zl1-Zl4表示的是集電網(wǎng)絡(luò)。

圖1 輻射形連接示意圖（定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)組）

1.1 首先要算出風(fēng)電機(jī)組所在支路的穩(wěn)態(tài)等值阻抗Zn（n表示機(jī)組的序號(hào)）。定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)支路上的穩(wěn)態(tài)等值阻抗可以根據(jù)圖2所示的等值電路計(jì)算。圖3表示的是雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組的等值電路。這里只考慮了由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的機(jī)組端口電壓，而沒(méi)有考慮雙饋感應(yīng)電極轉(zhuǎn)子側(cè)的等效電壓。值得一提的是，在計(jì)算Z1的阻抗時(shí)，需要將線路阻抗Zn合并到Z1中。

圖2 定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)組等值電路圖

圖3 雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組等值電路圖

1.2 然后將風(fēng)電機(jī)組之間的混聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧儾⒙?lián)結(jié)構(gòu)。具體的變換方法是將線路中的阻抗Zli（i不小于2）分解成i個(gè)Zli，n（n=1，2，3……，i）串聯(lián)到原來(lái)與Zli相連的i個(gè)風(fēng)電機(jī)組支路中。以Zl2為例，其變換的方法如圖4所示。

圖4 Zl2的網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)化變換示意圖

圖中等值阻抗Z1和Z2的端電壓的計(jì)算公式如下：

U2=U3（Z1//Z2）/（Zl2+Z1//Z2） （1）

適中符合“//”表示并聯(lián)關(guān)系。變換之后的Z1和Z2的端電壓計(jì)算如下：

UZ1=U3Z1/（Zl2，1+Z1） UZ2=U3Z1/（Zl2，2+Z2） （2）

前面提到集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法的原則是變換前后由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的幅值和相位不能發(fā)生變化。因而UZ1、UZ2的大小要與U2相等，從而可以求得Zl2，1和Zl2，2的值，具體如下：

Zl2，1=Zl2Z1/Z1//Z2 Zl2，2=Zl2Z2/Z1//Z2 （3）

1.3 對(duì)已經(jīng)完成并聯(lián)變換的風(fēng)電機(jī)組所在的支路等值阻抗Zn（n=1，2，3，…，n）進(jìn)行修正。修正之后的值用Zn'表示，修正公式如下：

Zn′=Zn+Zli，n，n=1，…，i （4）

1.4 將修正之后的等值阻抗Zn'代入到步驟2中，然后在進(jìn)行下一個(gè)線路阻抗Zl（i+1）的變換。

循環(huán)進(jìn)行上述步驟，將混聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧儾⒙?lián)結(jié)構(gòu)，各風(fēng)電機(jī)組之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)變換之后的純并聯(lián)結(jié)構(gòu)

由于該種變換的依據(jù)是風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，但是實(shí)際上動(dòng)態(tài)過(guò)程中的風(fēng)電機(jī)組的等值阻抗是有一定的變化的，因此該種網(wǎng)絡(luò)變換在動(dòng)態(tài)過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差。風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)滑差受風(fēng)速的影響很大，但是同一型號(hào)的機(jī)組在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的滑差變化的趨勢(shì)基本一致。因而并聯(lián)化變換誤差的大小與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速的均一性是成正比的，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速差別越大，并聯(lián)變換的誤差就越大，反之則越小。因此并聯(lián)化變換的誤差大小很難對(duì)其進(jìn)行定量研究，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體的情況來(lái)分析。

2 集電網(wǎng)絡(luò)的單阻抗等效方法

當(dāng)已知的風(fēng)電場(chǎng)條件不滿足幾點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)化變換的條件時(shí)，可以選擇對(duì)其進(jìn)行單阻抗等效變換，同樣可以將風(fēng)電場(chǎng)的接線方式變化為純并聯(lián)結(jié)構(gòu)。集電網(wǎng)絡(luò)的單阻抗等效變換方式如圖6所示。圖中的等效阻抗Zeq的計(jì)算直接、簡(jiǎn)單，只需要知道功率的量測(cè)數(shù)據(jù)，不需要知道其他數(shù)據(jù)。風(fēng)電場(chǎng)中PCC上可以測(cè)量的是電壓U、電流I、輸出功率S。其中S=P+jQ。因而，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率Si=Pi+jQi是可以測(cè)量的，進(jìn)而可以計(jì)算出風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)n臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總輸出功率，其值與PCC上輸出功率S的差值就是內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)的損耗。等效Zeq的大小可以根據(jù)公式（5）來(lái)計(jì)算。

Zeq=（■Si-S）/（I*I*） （8）

式中的“*”表示的是共軛關(guān)系。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的所有風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過(guò)變換之后都可以并聯(lián)到圖6中的虛擬母線上，之后可以變換之后機(jī)組分群的結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)的聚合。

單阻抗等效變換相對(duì)于并聯(lián)化變換來(lái)講，理論上是不存在穩(wěn)態(tài)的誤差。但是由于該種變換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中集電網(wǎng)絡(luò)的功率損耗是變化的，所以依然存在一定的誤差。對(duì)該誤差進(jìn)行定量分析的難度很大，在應(yīng)用單阻抗等效變換的方法時(shí)，需要對(duì)其動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章針對(duì)輻射形風(fēng)電聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變化進(jìn)行了詳細(xì)地分析，提出了集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換和單阻抗等效變換兩種方法。這兩種方法可以將輻射形的混聯(lián)結(jié)構(gòu)的接線變化到全部并聯(lián)與PCC的結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)任意風(fēng)電機(jī)組的聚合。如果風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)、集電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皡?shù)都已知，那么可以采用集電并聯(lián)化變換方式，前提是保證變換前后的風(fēng)電機(jī)組端口電壓不變；如果這些參數(shù)未知或者不全時(shí)，可以采用單阻抗等效變換方法。

參考文獻(xiàn)

[1]李輝，趙斌，史旭陽(yáng)，等.含不同風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)運(yùn)行特性仿真研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（13）：1-7.

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摘 要：由于風(fēng)具有隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組的空間分布也呈現(xiàn)隨機(jī)性，因此風(fēng)電場(chǎng)聚合建模中各方向風(fēng)電機(jī)組的聚合成了研究重點(diǎn)之一。文章的研究對(duì)象主要是輻射形結(jié)構(gòu)的風(fēng)電場(chǎng)，并針對(duì)性地一套風(fēng)電場(chǎng)聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變換的處理方法。該變換方法適用于定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)和雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)，且能增加聚合模型的精度。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；聚合模型；輻射形；網(wǎng)絡(luò)變換

引言

一般風(fēng)電場(chǎng)中的風(fēng)電機(jī)組有很多個(gè)，從幾十臺(tái)到上百臺(tái)不等，但是發(fā)電效率只能相當(dāng)于一個(gè)普通的火力發(fā)電機(jī)，因而風(fēng)電場(chǎng)的模型階數(shù)要超過(guò)一千。由于模型的復(fù)雜程度和風(fēng)電場(chǎng)容量的大小不是相匹配，因而電力系統(tǒng)的仿真效率會(huì)受到一定的影響。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)的整體特性比場(chǎng)內(nèi)每臺(tái)機(jī)組的具體動(dòng)態(tài)對(duì)電網(wǎng)的影響大得多。當(dāng)前，我國(guó)的大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)大多數(shù)采用的是聚合等效模型。風(fēng)電場(chǎng)的一個(gè)重要組成部分是集電網(wǎng)絡(luò)，我國(guó)大部分已經(jīng)建好的風(fēng)電場(chǎng)大部分采用的輻射形布局的內(nèi)部鏈接方法，這種方式相對(duì)于其他的方式的總成本要低很多。文章主要針對(duì)輻射形的風(fēng)電場(chǎng)聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變換進(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了兩種變換方法，即集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換和單阻抗等效變換。

1 集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法

為了方便風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)任意位置上機(jī)組的聚合，需要將風(fēng)電機(jī)組之間輻射形的混聯(lián)結(jié)構(gòu)變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)，從而使得不同機(jī)組的分群更加簡(jiǎn)便。集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法的原則是變換前后由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的幅值和相位不能發(fā)生變化。在風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)和集電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟约皡?shù)時(shí)，變換步驟如下：

下面以圖1為例具體講解集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換步驟。該變換是從輻射形連接的尾部開(kāi)始，逐步逐級(jí)地向PCC進(jìn)行。圖中線路阻抗Zl1-Zl4表示的是集電網(wǎng)絡(luò)。

圖1 輻射形連接示意圖（定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)組）

1.1 首先要算出風(fēng)電機(jī)組所在支路的穩(wěn)態(tài)等值阻抗Zn（n表示機(jī)組的序號(hào)）。定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)支路上的穩(wěn)態(tài)等值阻抗可以根據(jù)圖2所示的等值電路計(jì)算。圖3表示的是雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組的等值電路。這里只考慮了由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的機(jī)組端口電壓，而沒(méi)有考慮雙饋感應(yīng)電極轉(zhuǎn)子側(cè)的等效電壓。值得一提的是，在計(jì)算Z1的阻抗時(shí)，需要將線路阻抗Zn合并到Z1中。

圖2 定速感應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)組等值電路圖

圖3 雙饋感應(yīng)電機(jī)機(jī)組等值電路圖

1.2 然后將風(fēng)電機(jī)組之間的混聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧儾⒙?lián)結(jié)構(gòu)。具體的變換方法是將線路中的阻抗Zli（i不小于2）分解成i個(gè)Zli，n（n=1，2，3……，i）串聯(lián)到原來(lái)與Zli相連的i個(gè)風(fēng)電機(jī)組支路中。以Zl2為例，其變換的方法如圖4所示。

圖4 Zl2的網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)化變換示意圖

圖中等值阻抗Z1和Z2的端電壓的計(jì)算公式如下：

U2=U3（Z1//Z2）/（Zl2+Z1//Z2） （1）

適中符合“//”表示并聯(lián)關(guān)系。變換之后的Z1和Z2的端電壓計(jì)算如下：

UZ1=U3Z1/（Zl2，1+Z1） UZ2=U3Z1/（Zl2，2+Z2） （2）

前面提到集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)化變換方法的原則是變換前后由電網(wǎng)電壓產(chǎn)生的風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓的幅值和相位不能發(fā)生變化。因而UZ1、UZ2的大小要與U2相等，從而可以求得Zl2，1和Zl2，2的值，具體如下：

Zl2，1=Zl2Z1/Z1//Z2 Zl2，2=Zl2Z2/Z1//Z2 （3）

1.3 對(duì)已經(jīng)完成并聯(lián)變換的風(fēng)電機(jī)組所在的支路等值阻抗Zn（n=1，2，3，…，n）進(jìn)行修正。修正之后的值用Zn'表示，修正公式如下：

Zn′=Zn+Zli，n，n=1，…，i （4）

1.4 將修正之后的等值阻抗Zn'代入到步驟2中，然后在進(jìn)行下一個(gè)線路阻抗Zl（i+1）的變換。

循環(huán)進(jìn)行上述步驟，將混聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧儾⒙?lián)結(jié)構(gòu)，各風(fēng)電機(jī)組之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 經(jīng)過(guò)變換之后的純并聯(lián)結(jié)構(gòu)

由于該種變換的依據(jù)是風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，但是實(shí)際上動(dòng)態(tài)過(guò)程中的風(fēng)電機(jī)組的等值阻抗是有一定的變化的，因此該種網(wǎng)絡(luò)變換在動(dòng)態(tài)過(guò)程中會(huì)存在一定的誤差。風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)滑差受風(fēng)速的影響很大，但是同一型號(hào)的機(jī)組在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的滑差變化的趨勢(shì)基本一致。因而并聯(lián)化變換誤差的大小與風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)速的均一性是成正比的，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速差別越大，并聯(lián)變換的誤差就越大，反之則越小。因此并聯(lián)化變換的誤差大小很難對(duì)其進(jìn)行定量研究，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體的情況來(lái)分析。

2 集電網(wǎng)絡(luò)的單阻抗等效方法

當(dāng)已知的風(fēng)電場(chǎng)條件不滿足幾點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)化變換的條件時(shí)，可以選擇對(duì)其進(jìn)行單阻抗等效變換，同樣可以將風(fēng)電場(chǎng)的接線方式變化為純并聯(lián)結(jié)構(gòu)。集電網(wǎng)絡(luò)的單阻抗等效變換方式如圖6所示。圖中的等效阻抗Zeq的計(jì)算直接、簡(jiǎn)單，只需要知道功率的量測(cè)數(shù)據(jù)，不需要知道其他數(shù)據(jù)。風(fēng)電場(chǎng)中PCC上可以測(cè)量的是電壓U、電流I、輸出功率S。其中S=P+jQ。因而，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率Si=Pi+jQi是可以測(cè)量的，進(jìn)而可以計(jì)算出風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)n臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總輸出功率，其值與PCC上輸出功率S的差值就是內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)的損耗。等效Zeq的大小可以根據(jù)公式（5）來(lái)計(jì)算。

Zeq=（■Si-S）/（I*I*） （8）

式中的“*”表示的是共軛關(guān)系。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的所有風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過(guò)變換之后都可以并聯(lián)到圖6中的虛擬母線上，之后可以變換之后機(jī)組分群的結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)的聚合。

單阻抗等效變換相對(duì)于并聯(lián)化變換來(lái)講，理論上是不存在穩(wěn)態(tài)的誤差。但是由于該種變換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中集電網(wǎng)絡(luò)的功率損耗是變化的，所以依然存在一定的誤差。對(duì)該誤差進(jìn)行定量分析的難度很大，在應(yīng)用單阻抗等效變換的方法時(shí)，需要對(duì)其動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章針對(duì)輻射形風(fēng)電聚合建模的內(nèi)部集電網(wǎng)絡(luò)變化進(jìn)行了詳細(xì)地分析，提出了集電網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)變換和單阻抗等效變換兩種方法。這兩種方法可以將輻射形的混聯(lián)結(jié)構(gòu)的接線變化到全部并聯(lián)與PCC的結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)任意風(fēng)電機(jī)組的聚合。如果風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)、集電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皡?shù)都已知，那么可以采用集電并聯(lián)化變換方式，前提是保證變換前后的風(fēng)電機(jī)組端口電壓不變；如果這些參數(shù)未知或者不全時(shí)，可以采用單阻抗等效變換方法。

參考文獻(xiàn)

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