近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的非機(jī)理等效建模

吳 峰，徐 丹，秦 川，鞠 平

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的非機(jī)理等效建模

吳 峰，徐 丹，秦 川，鞠 平

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

為了建立準(zhǔn)確的近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)等效模型，提出了非機(jī)理建模方法。基于傳遞函數(shù)建立非機(jī)理等效模型，描述輸入、輸出的非線性關(guān)系。提出解耦參數(shù)辨識(shí)方式，并運(yùn)用蟻群算法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。在Matlab/Simulink中搭建由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、潮流發(fā)電機(jī)組和波浪發(fā)電機(jī)組組成的近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的相量模型，采集發(fā)電場(chǎng)模型在風(fēng)速、潮流流速、波浪以及電壓擾動(dòng)影響下的輸入輸出數(shù)據(jù)。根據(jù)輸入、輸出數(shù)據(jù)建立傳遞函數(shù)模型，辨識(shí)模型參數(shù)，根據(jù)所得參數(shù)計(jì)算等效模型輸出。等效模型輸出與仿真模型輸出的誤差較小，驗(yàn)證了非機(jī)理等效建模方法在近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)建模中的可行性。

近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)；非機(jī)理等效建模；傳遞函數(shù)；解耦方式；蟻群算法；參數(shù)辨識(shí)

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)利用風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)，融合波浪能和潮流能發(fā)電裝置，構(gòu)建綜合的發(fā)電單元，能夠有效地提高近?？稍偕茉吹睦眯屎涂煽啃?。隨著可再生能源和海洋強(qiáng)國(guó)兩大國(guó)家重大發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，可以預(yù)計(jì)，不久的將來(lái)將會(huì)有大量近海可再生能源發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)運(yùn)行[1]，必然對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重要影響，建立準(zhǔn)確的近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)等效模型是含大規(guī)模近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)的電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析的基礎(chǔ)[2-4]。

等效建模方法有機(jī)理建模和非機(jī)理建模。近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的機(jī)理建模是以單個(gè)綜合發(fā)電單元為對(duì)象，詳細(xì)模擬組成綜合發(fā)電單元的各發(fā)電裝置及其相互連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型[5]。機(jī)理建模主要基于發(fā)電系統(tǒng)各部分的物理機(jī)理，需要知道發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而在近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)中這些參數(shù)的獲取較為困難。近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的非機(jī)理建模通常將發(fā)電場(chǎng)看作灰箱，甚至黑箱，重點(diǎn)關(guān)注發(fā)電場(chǎng)的輸入/輸出特性。非機(jī)理模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)辨識(shí)方便，尚未在近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的建模中得到應(yīng)用，但在風(fēng)電場(chǎng)建模和光伏陣列中成功應(yīng)用[6-8]，因此，對(duì)于同樣通過(guò)電力電子變換器并入電網(wǎng)的近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的建模具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

文獻(xiàn)[9]考慮尾流效應(yīng)，采用基于等效最大功率曲線的建模方法建立風(fēng)電場(chǎng)模型，雖然該模型精度相對(duì)于未考慮尾流效應(yīng)的模型有所提高，但誤差仍不可忽視。鑒于等效最大功率曲線建模方法的精度限制，以及機(jī)理建模過(guò)程中需要知道發(fā)電系統(tǒng)的詳細(xì)參數(shù)，而這些參數(shù)難以獲得，筆者提出的傳遞函數(shù)模型作為一種非機(jī)理模型，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)建模與分析，其較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)描述能力[10]，使其能夠很好地反映研究對(duì)象輸入、輸出之間的非線性關(guān)系。

本文首先基于傳遞函數(shù)建立近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的非機(jī)理等效模型，綜合考慮風(fēng)速、潮流流速、波浪，以及端口電壓的變化對(duì)發(fā)電場(chǎng)輸出功率的影響；然后，提出近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)的解耦參數(shù)辨識(shí)方法，獲取非機(jī)理等效模型的參數(shù)；最后，在Matlab/Simulink中搭建近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的詳細(xì)模型，通過(guò)仿真分析，驗(yàn)證等效模型的有效性。

1 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)等效模型

文獻(xiàn)[11]中提出了一種融合近海風(fēng)電、波浪能發(fā)電以及潮流能發(fā)電的綜合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了綜合發(fā)電場(chǎng)可能的3種并網(wǎng)方式。綜合考慮高效性和經(jīng)濟(jì)性，本文以第一種并網(wǎng)方式(即風(fēng)力發(fā)電和潮流發(fā)電均采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)DFIG、波浪能發(fā)電采用直線永磁式發(fā)電機(jī)LPMG，分別經(jīng)過(guò)升壓并聯(lián)接入電網(wǎng))下的綜合發(fā)電場(chǎng)為例，建立等效模型。

1.1 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)傳遞函數(shù)等效模型結(jié)構(gòu)

近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)隨著近?？稍偕茉?如風(fēng)速、潮流流速、波浪)，以及端口電壓的變化而變化。近?？稍偕茉粗饕绊懓l(fā)電場(chǎng)的平衡點(diǎn)，而電壓變化會(huì)激勵(lì)綜合發(fā)電場(chǎng)的暫態(tài)過(guò)程。

圖1 有功功率非機(jī)理模型結(jié)構(gòu)Fig. 1 Non-mechanism equivalent model of active power

將輸入的近?？稍偕茉春筒⒕W(wǎng)點(diǎn)電壓作為模型的輸入變量，近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)的輸出功率作為模型的輸出變量，構(gòu)建近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的非機(jī)理模型。其中，系統(tǒng)非機(jī)理模型的傳遞函數(shù)方程結(jié)構(gòu)是根據(jù)實(shí)際物理關(guān)系選擇的，電壓模型為二次方關(guān)系，風(fēng)速模型為三次方關(guān)系，潮流模型為三次方關(guān)系，波浪模型為二次方關(guān)系?；趥鬟f函數(shù)的有功功率等效模型結(jié)構(gòu)如圖1所示，無(wú)功功率等效模型結(jié)構(gòu)依此類(lèi)似。

圖1中模型結(jié)構(gòu)的詳細(xì)表達(dá)式為

P=fpu(U)[fpw(Vw)+fpt(VT)+fpwa(Awa)]

(1)

其中

(2)

式中：P——近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)輸出的有功功率；fpu(U)——電壓跌落引起的有功動(dòng)態(tài)響應(yīng)；fpw(Vw)——風(fēng)速波動(dòng)引起的有功動(dòng)態(tài)響應(yīng)；fpt(VT)——潮流變化引起的有功動(dòng)態(tài)響應(yīng)；fpwa(Awa)——波浪變化引起的有功動(dòng)態(tài)響應(yīng)；Pw0——風(fēng)速波動(dòng)引起的有功動(dòng)態(tài)響應(yīng)初始值；PT0——潮流變化引起的有功動(dòng)態(tài)響應(yīng)初始值；Pwa0——波浪變化引起的有功動(dòng)態(tài)響應(yīng)初始值；U——近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓；U0——電壓穩(wěn)態(tài)值；Vw——輸入風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速；Vw0——風(fēng)速初始值；VT——輸入潮流能發(fā)電機(jī)組的潮流流速；VT0——潮流流速初始值；Awa——輸入波浪能發(fā)電機(jī)組的波高；Awa0——波高初始值；Hu(s)、Hw(s)、HT(s)、Hwa(s)——傳遞函數(shù)。

傳遞函數(shù)的形式類(lèi)似，以Hu(s)為例，傳遞函數(shù)方程為

(3)

式中：bm、bm-1、…、b0、an-1、…、a0——系數(shù)，m≤n，且b0=a0。

由近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)傳遞函數(shù)等效模型，可以得出以下結(jié)果。

a.各傳遞函數(shù)分別表示電壓和風(fēng)速、潮流、波浪的波動(dòng)對(duì)輸出功率的影響。當(dāng)近?？稍偕茉春桶l(fā)電場(chǎng)端口電壓保持恒定不變時(shí)，P=Pw0+PT0+Paw0。

b.傳遞函數(shù)方程階數(shù)越高，對(duì)模型動(dòng)態(tài)特性的描述能力越強(qiáng)。但模型階數(shù)越高，參數(shù)的辨識(shí)難度越大?？紤]以上條件，傳遞函數(shù)模型一般取3階。其中，潮流流速變化緩慢，取2階即可滿(mǎn)足精度要求。

c.一般來(lái)說(shuō)，可再生能源引起的功率動(dòng)態(tài)變化比電壓引起的變化慢得多，相當(dāng)于與風(fēng)速、潮流、波浪有關(guān)的傳遞函數(shù)比與電壓有關(guān)的傳遞函數(shù)增加一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，即傳遞函數(shù)分母多1階，為保持模型階數(shù)不變，則分母階數(shù)不變，分子減少1階。其中，波浪能發(fā)電包括波高到波浪力和波浪力到功率兩部分，因此傳遞函數(shù)模型分子取3階、分母取3階才能描述波浪能發(fā)電兩部分的模型要求。

需要指出的是，近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)通常通過(guò)電力電子變換器并入電網(wǎng)運(yùn)行[12-15]，對(duì)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)具有隔離作用，近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的整體動(dòng)態(tài)特性主要取決于內(nèi)部電力電子裝置及其控制器，在有功、無(wú)功解耦下，通過(guò)PI控制對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行跟蹤。其控制結(jié)構(gòu)主要由傳遞函數(shù)模型和各種限制環(huán)節(jié)構(gòu)成。當(dāng)電網(wǎng)故障不發(fā)生在發(fā)電場(chǎng)接入點(diǎn)附近時(shí)，近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的端口電壓通常不會(huì)發(fā)生較大的變化，這時(shí)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)限幅，模式切換等沒(méi)有動(dòng)作，發(fā)電場(chǎng)的總體動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)出較強(qiáng)的線性特性，可以采用模型(1)(2)所建立的多階線性傳遞函數(shù)模型逼近近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性；當(dāng)電網(wǎng)故障發(fā)生在近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)接入點(diǎn)附近時(shí)，該發(fā)電場(chǎng)控制器的各個(gè)非線性環(huán)節(jié)以及低電壓穿越動(dòng)作，這種情況下模型(1)(2)就不再適用，其等效建模有待進(jìn)一步研究。

1.2 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)傳遞函數(shù)模型參數(shù)辨識(shí)方法

在近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)端口電壓變化時(shí)，由于電力電子變換器及其控制器響應(yīng)快，輸出功率動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)快于近?？稍偕茉淳徛兓鸬妮敵龉β首兓Ｋ?，可認(rèn)為發(fā)電場(chǎng)端口電壓發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，發(fā)電場(chǎng)內(nèi)部控制系統(tǒng)主要響應(yīng)電壓變化，并且動(dòng)態(tài)時(shí)間很短，可忽略該段時(shí)間內(nèi)近?？稍偕茉吹淖兓?，即風(fēng)速、潮流流速、波高保持不變。系統(tǒng)未發(fā)生故障時(shí)，近?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)的輸出功率主要隨一次能源變化而變化，發(fā)電機(jī)處于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，端電壓基本保持不變。由此，可以對(duì)等效模型的參數(shù)進(jìn)行解耦辨識(shí)。

近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)傳遞函數(shù)模型的參數(shù)辨識(shí)步驟如下：

a.保持發(fā)電場(chǎng)的輸入風(fēng)速、潮流和波高不變，并且b0=a0，則

(4)

改變發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，辨識(shí)得出近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)輸出功率與端口電壓的等效模型：

(5)

b.保持端口電壓不變，由于b0=a0，則

(6)

輸入變化的風(fēng)速、潮流流速和波浪數(shù)據(jù)，辨識(shí)得反映輸入可再生能源與其輸出功率之間關(guān)系的等效模型：

(7)

c.將2個(gè)模型(式(5)、式(7))合并可得完整的發(fā)電場(chǎng)傳遞函數(shù)等效模型。

1.3 近海可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)非機(jī)理模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)

將模型的相對(duì)誤差Eref和均方根誤差[6]RMES作為評(píng)價(jià)非機(jī)理模型準(zhǔn)確性的指標(biāo)：

(8)

式中：y——實(shí)測(cè)輸出有功值或無(wú)功值；ymx——計(jì)算所得有功值或無(wú)功值；N——采樣總點(diǎn)數(shù)。

相對(duì)誤差Eref值越接近0，模型越精確，參數(shù)越合理；均方根誤差RMES值越小，擬合效果越好。但有時(shí)y表示無(wú)功值時(shí)接近于0，造成相對(duì)誤差較大，這時(shí)采用均方根誤差做指標(biāo)較為合理。

2 基于蟻群算法的參數(shù)辨識(shí)

在確定等效模型的結(jié)構(gòu)和建模方法后，為使模型能夠準(zhǔn)確地描述近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性，必須獲得準(zhǔn)確的模型參數(shù)，因此，選擇高效可靠的參數(shù)辨識(shí)算法對(duì)于模型的建立至關(guān)重要。

非線性系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)主要是將參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題，即，尋找一組最優(yōu)的參數(shù)向量θ*，使誤差目標(biāo)函數(shù)值E達(dá)到最小[16]。在綜合發(fā)電場(chǎng)的傳遞函數(shù)等效模型參數(shù)辨識(shí)中，θ=[bm,bm-1,…,b0,an-1,…,a0]，誤差目標(biāo)函數(shù)為

(9)

式中：n′——等效模型階次；θ——待辨識(shí)的參數(shù)；Ym——實(shí)測(cè)的有功值或無(wú)功值(即真實(shí)值)；Y——根據(jù)等效模型計(jì)算得出的有功值或無(wú)功值。

蟻群優(yōu)化算法是模擬自然界中真實(shí)蟻群覓食行為而提出的一種新型模擬進(jìn)化類(lèi)優(yōu)化算法。近年來(lái)，蟻群算法廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)領(lǐng)域。具體步驟如下[17-19]：(a)初始化。將蟻群在解空間內(nèi)按照一定方式作初始分布。(b)根據(jù)蟻群所處解空間位置的優(yōu)劣，決定當(dāng)前蟻群的信息量分布。(c)根據(jù)當(dāng)前蟻群散布的總信息量分布情況，以及上一循環(huán)中信息量的揮發(fā)情況，求出各子區(qū)間內(nèi)應(yīng)有的蟻數(shù)分布。(d)根據(jù)各子區(qū)間內(nèi)應(yīng)有的蟻群分布狀況和當(dāng)前蟻群分布狀況之間的差別，決定蟻群的移動(dòng)方向，并加以移動(dòng)，最終可得到新的解空間定義域。然后通過(guò)同樣的方法，對(duì)新的解空間定義域進(jìn)行優(yōu)化，逐步縮小尋優(yōu)空間，最終使解空間趨向一個(gè)很小的定義域，得到最優(yōu)解。(e)在蟻群做完一次整體移動(dòng)之后，又可回到第(b)步，如此往復(fù)，直到產(chǎn)生最優(yōu)解為止[20]。

3 仿 真 驗(yàn) 證

在Matlab/Simulink中搭建近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的詳細(xì)模型，驗(yàn)證該發(fā)電場(chǎng)傳遞函數(shù)模型對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的描述能力。

圖2 近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of hybrid offshore renewable energy generation system

仿真系統(tǒng)如圖2所示。近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)由2條輸電線路并入無(wú)窮大系統(tǒng)運(yùn)行，其中可再生能源綜合發(fā)電場(chǎng)由16個(gè)綜合發(fā)電單元構(gòu)成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和潮流發(fā)電機(jī)組均采用雙饋發(fā)電機(jī)，容量為1.5 MW，機(jī)組參數(shù)RS=0.007 06，XS=0.171，RL=0.005，XL=0.156，Xm=2.9，Hg=5.04(各參數(shù)均為標(biāo)幺值)，功率基準(zhǔn)值SB=1.5 MW，電壓基準(zhǔn)值為元件所在電壓等級(jí)的平均額定電壓；波浪發(fā)電機(jī)組采用直線永磁式發(fā)電機(jī)，容量為1.5 MW，機(jī)組參數(shù)RS=0，XS=0.031，Rg=0.001 5，Xg=0.15，Xm=2.9，φ=23，λ=0.1(各參數(shù)均為標(biāo)幺值)，功率基準(zhǔn)值SB=1.5 MW，電壓基準(zhǔn)值為元件所在電壓等級(jí)的平均額定電壓。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、潮流發(fā)電機(jī)組、波浪發(fā)電機(jī)組并聯(lián)接入25 kV母線，再通過(guò)輸電線路和升壓變壓器接入120 kV無(wú)窮大系統(tǒng)。

3.1 非機(jī)理模型建立

a.在輸入風(fēng)速保持恒速8 m/s、潮流流速保持2 m/s、波高保持0.5 m時(shí)，系統(tǒng)120 kV高壓輸電線路中點(diǎn)設(shè)置三相短路故障，電壓跌落0.1 pu，故障持續(xù)時(shí)間為0.1 s，故障引起可再生能源發(fā)電場(chǎng)端口電壓波動(dòng)如圖3所示。將端口電壓作為輸入，風(fēng)電場(chǎng)輸出有功、無(wú)功功率作為輸出，辨識(shí)得傳遞函數(shù)等效模型(模型參數(shù)如表1所示)。發(fā)電場(chǎng)詳細(xì)模型與等效模型輸出的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 擾動(dòng)電壓

Fig. 3 Voltage disturbance

圖4 電網(wǎng)故障擾動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

Fig. 4 Dynamic response curves under disturbance of system fault

表1 參數(shù)的辨識(shí)結(jié)果

注：P-U、Q-U分別為電壓擾動(dòng)下的傳遞函數(shù)模型參數(shù)；P-Vw、Q-Vw分別為風(fēng)速波動(dòng)下風(fēng)速-風(fēng)功率的傳遞函數(shù)模型參數(shù)；P-VT、Q-VT分別為潮流流速波動(dòng)下潮流流速-潮流功率的傳遞函數(shù)模型參數(shù)；P-Vwa、Q-Vwa分別為波高變化下波高-波浪功率的傳遞函數(shù)模型參數(shù)。

由圖4可以看出近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)能夠快速響應(yīng)端口電壓波動(dòng)，輸出功率在故障切除0.2 s內(nèi)即可恢復(fù)，并且三階傳遞函數(shù)模型能夠較準(zhǔn)確地描述端口電壓跌落引起的輸出功率動(dòng)態(tài)變化。

b.保持電網(wǎng)中無(wú)故障，同時(shí)輸入變化的風(fēng)速、潮流和波浪，風(fēng)速波動(dòng)如圖5所示，潮流變化如圖6所示，波浪變化如圖7所示。測(cè)量各發(fā)電機(jī)端口的輸出功率，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、潮流能發(fā)電機(jī)組和波浪能發(fā)電機(jī)組的輸出功率分別相加，得到3種類(lèi)型發(fā)電機(jī)的功率總加，利用3種類(lèi)型的總加功率分別對(duì)綜合發(fā)電場(chǎng)中的風(fēng)力發(fā)電、潮流能發(fā)電和波浪能發(fā)電部分進(jìn)行模型參數(shù)辨識(shí)。

圖5 風(fēng)速波動(dòng)

Fig. 5 Wind speed

圖6 潮流流速變化

Fig.6 Tidal current speed

圖7 波浪變化

Fig.7 Wave elevation

將風(fēng)速作為輸入，風(fēng)力發(fā)電輸出有功、無(wú)功功率作為輸出，辨識(shí)得傳遞函數(shù)等效模型(參數(shù)見(jiàn)表1)。發(fā)電場(chǎng)詳細(xì)模型與等效模型輸出的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 風(fēng)速擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.8 Dynamic response curves under disturbance of wind speed

將潮流流速作為輸入，潮流能發(fā)電輸出有功、無(wú)功功率作為輸出，辨識(shí)得傳遞函數(shù)等效模型(參數(shù)見(jiàn)表1)。發(fā)電場(chǎng)詳細(xì)模型與等效模型輸出的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 潮流流速擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.9 Dynamic response curves under disturbance of tidal current speed

將波高作為輸入，波浪能發(fā)電輸出有功、無(wú)功功率作為輸出，辨識(shí)得傳遞函數(shù)等效模型(參數(shù)見(jiàn)表1)。發(fā)電場(chǎng)詳細(xì)模型與等效模型輸出的仿真結(jié)果如圖10所示。

由圖4、圖8、圖9和圖10看到，在系統(tǒng)側(cè)短路故障和近?？稍偕茉醋兓?，2類(lèi)模型仿真結(jié)果雖然細(xì)節(jié)上有所差異，但等效模型輸出和詳細(xì)模型輸出大體保持一致。

表1為傳遞函數(shù)模型的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果和模型準(zhǔn)確度的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。由表1的相對(duì)誤差和均方根誤差可見(jiàn)，有功功率相對(duì)誤差較小，無(wú)功功率由于數(shù)值接近0，導(dǎo)致相對(duì)誤差較大，但均方根誤差很小，具有較高精度。因此，在電網(wǎng)系統(tǒng)遠(yuǎn)端發(fā)生故障造成端口電壓變化和近?？稍偕茉醋兓那闆r下，傳遞函數(shù)模型能夠較好地描述近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)。

圖10 波浪擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.10 Dynamic response curves under disturbance of waves

3.2 非機(jī)理模型驗(yàn)證

輸入可再生能源波動(dòng)曲線如圖5～7所示，系統(tǒng)120 kV高壓輸電線路60 s時(shí)設(shè)置三相短路故障，使電壓跌落0.1 pu，故障持續(xù)0.1 s。電壓擾動(dòng)如圖3所示，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.11 Dynamic response curves

由圖11仿真結(jié)果可見(jiàn)，在近?？稍偕茉春碗妷和瑫r(shí)變化的部分，傳遞函數(shù)模型有功、無(wú)功輸出與詳細(xì)模型輸出大體保持一致，相對(duì)誤差分別為1.07%和39.37%，均方根誤差分別為0.017和0.018。有功相對(duì)誤差較小，無(wú)功值由于接近于0而造成相對(duì)誤差較大，但均方根誤差很小，精度較高。因此，在系統(tǒng)故障造成端口電壓不發(fā)生較大變化時(shí)，近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)響應(yīng)電壓和近?？稍偕茉赐瑫r(shí)變化的動(dòng)態(tài)為二者單一變化下動(dòng)態(tài)的疊加，采用解耦建模法建立的傳遞函數(shù)模型能夠準(zhǔn)確地描述發(fā)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)。

需要指出的是，基于傳遞函數(shù)的等效模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活，在實(shí)際系統(tǒng)的等效建模中，可根據(jù)風(fēng)電機(jī)組、潮流發(fā)電機(jī)組、波浪發(fā)電機(jī)組控制器參數(shù)、集電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼皡?shù)等的差異，對(duì)所建立的傳遞函數(shù)模型結(jié)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整。

4 結(jié) 語(yǔ)

筆者提出反映電壓和近?？稍偕茉磾_動(dòng)下近?？稍偕茉淳C合發(fā)電場(chǎng)的非機(jī)理等效模型，該模型基于傳遞函數(shù)，著重描述發(fā)電場(chǎng)的整體動(dòng)態(tài)特性，具有模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建模簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。針對(duì)電壓變化時(shí)發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)快于可再生能源變化下發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，提出了解耦建模方法，提高了模型參數(shù)的精度。仿真算例表明，該模型能夠較好地等效近?？稍偕茉窗l(fā)電場(chǎng)在電網(wǎng)擾動(dòng)和近?？稍偕茉床▌?dòng)條件下的整體動(dòng)態(tài)。

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Non-mechanism equivalent modeling of hybrid offshore renewable energy conversion farm

WU Feng，XU Dan，QIN Chuan，JU Ping

(CollegeofEnergyandElectricalEngineering，HohaiUniversity，Nanjing211100，China)

In order to establish an accurate equivalent model of a hybrid offshore renewable energy conversion farm，a non-mechanism equivalent modeling method is proposed.Based on transfer functions，a non-mechanism equivalent model was developed to describe the nonlinear relation between inputs and outputs. Then the decoupling parameter identification method was applied to the model，and parameters of transfer functions were identified using the ant colony algorithm. Furthermore，a phasor model of a hybrid offshore renewable energy conversion farm，consisting of wind，tidal，and wave turbines，was built in Matlab/Simulink. With the model，the input and output data of the farm were acquired under the influences of wind，tidal，wave，and voltage disturbances. Finally，a transfer function model was built based on the collected data，and model parameters were identified. With the obtained parameters，the outputs of the equivalent model were calculated. The error between outputs of the equivalent model and the simulation model is very small，verifying the feasibility of the non-mechanism equivalent model in building the hybrid offshore renewable energy conversion farm.

hybrid offshore renewable energy conversion farm； non-mechanism equivalent modeling； transfer function； decoupling method； ant colony algorithm； parameter identification

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.01.012

2016-04-12

國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金 (51422701)；國(guó)家自然科學(xué)基金 (51137002)

吳峰(1977—)，男，江蘇南通人，教授，博士，主要從事可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制研究。E-mail：wufeng@hhu.edu.cn

TM743；TM614

A

1000-1980(2017)01-0082-08