基于RTDS風(fēng)電場等值建模若干問題的解決方案

蔡文超　楊炳元

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基于RTDS風(fēng)電場等值建模若干問題的解決方案

蔡文超楊炳元

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010080）

本文闡述了風(fēng)電場等值建模的典型方法，指出了不同建模方法的特點。本文提出一種新的大容量風(fēng)電場等值建模方法，針對不同問題給出等值的解決方案，還提出一種基于RTDS的單機(jī)容量加權(quán)等值方案、并在考慮風(fēng)力機(jī)組尾流效應(yīng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)含有不同類型風(fēng)機(jī)等值的解決方案。其中分析了等值結(jié)果的有效性，等值過程中指出RTDS平臺何時需要跨rack運(yùn)行并指出使用傳輸線模型的注意事項。結(jié)果顯示，解決方案合理對解決實際問題具有重要意義。

RTDS；風(fēng)電場等值；尾流效應(yīng)；雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)；永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

隨著并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的容量日益增大，風(fēng)電將成為電力系統(tǒng)的重要組成部分，大規(guī)模風(fēng)電的接入將對電網(wǎng)的動、暫態(tài)產(chǎn)生顯著影響[1-3]。風(fēng)電場等值模型的建立有助于對含有大規(guī)模風(fēng)電接入的電網(wǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及各種穩(wěn)定性問題的分析研究。因此，對大容量風(fēng)電場進(jìn)行等值建模，將復(fù)雜的風(fēng)電場系統(tǒng)等值為精確且宜于計算分析的風(fēng)電場模型，對大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電場的研究有著十分重要的意義。

常用的電力系統(tǒng)分析商業(yè)軟件有RTDS（real time digital simulator）、BPA、EMTP/ATP、PSLF、EUROSTAG、PSS/E、PSASP、PSCAD/EMTDC和通用的仿真軟件Matlab/Simulink等。軟件中自帶的元件庫中電力系統(tǒng)元件模型具有相對的適用性（如各種類型風(fēng)力機(jī)元件模型），大多都需要重新設(shè)置參數(shù)。且都會根據(jù)實際需要進(jìn)行簡化，這些簡化也就限制了風(fēng)力機(jī)動態(tài)行為的研究。由于缺少合適的模型，所以使風(fēng)電接入系統(tǒng)的仿真研究有困難，難以正確評價風(fēng)力發(fā)電場對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及繼電保護(hù)動作性能的影響[4]。文獻(xiàn)[5]介紹了利用降階變尺度多機(jī)等值法等值風(fēng)場，但沒有涉及尾流效應(yīng)對風(fēng)場的影響。文獻(xiàn)[6]對比了利用不同等值方法建立風(fēng)場模型，但未能考慮風(fēng)電場內(nèi)機(jī)組不同類型時的等值。文獻(xiàn)[7]得出對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行分群，建立雙饋風(fēng)場多機(jī)等值模型，可以提高風(fēng)場模型精度的結(jié)論并確定分群指標(biāo)，驗證結(jié)論正確。基于RTDS風(fēng)場建模中研究場內(nèi)不同類型機(jī)組組成的風(fēng)電場等值問題，目前國內(nèi)現(xiàn)有文獻(xiàn)較少。

本文通過分析現(xiàn)有等值方法，借助RTDS平臺特有功能給出不同需求下的風(fēng)場等值的解決方案?？紤]風(fēng)場實際接線方式，在RTDS平臺上將風(fēng)場等值為一個或多個大容量風(fēng)電機(jī)組，通過若干聯(lián)絡(luò)線連接到升壓變電站，升壓后接入電網(wǎng)。使用單機(jī)容量加權(quán)等值法等值雙饋風(fēng)場；設(shè)計考慮遮擋面積的尾流效應(yīng)RTDS模塊；使用變尺度降階等值法運(yùn)用多rack將不同地理位置、不同類型的機(jī)組等值并考慮尾流效應(yīng)。因為多rack的使用和傳輸線相關(guān)，故給出運(yùn)用多rack仿真和RTDS傳輸線使用的注意事項。本文所介紹的方法大大簡化風(fēng)電場模型的搭建。

1 風(fēng)電場典型等值方法及特點

大規(guī)模的風(fēng)電場通常由多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成。在等值建模過程中，如果對場內(nèi)的每臺發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建模，將導(dǎo)致模型復(fù)雜，仿真時間長且現(xiàn)有部分仿真軟件也無法進(jìn)行如此龐大的計算。因此，需要對風(fēng)電場進(jìn)行簡化等值處理。目前典型的風(fēng)電場等值方法有：①容量加權(quán)單機(jī)等值法；②改進(jìn)加權(quán)單機(jī)等值法；③參數(shù)變換單機(jī)等值法；④變尺度降階多機(jī)等值法[8]。各種方法的特點和適用范圍見表1[5-6,9-12]。

表1 各等值方法特點及適用范圍

2 基于RTDS平臺的風(fēng)電場等值

RTDS仿真系統(tǒng)性能優(yōu)良，具有其他軟件不可比擬的閉環(huán)物理實驗?zāi)芰蛯崟r仿真能力。結(jié)合RTDS的特點，本文涉及一種新的大容量風(fēng)電場等值建模方法。在RTDS中，風(fēng)力機(jī)組采用小步長 （1.5～2.5ms）實時仿真，其他電力系統(tǒng)元件采用大步長（50ms）實時仿真，于是必然要用到小步長與大步長的接口變壓器，從而選擇具有特殊能力的接口變壓器（rtds_vsc_IFCTRF1）。該接口變壓器模型與普通電力變壓器模型不同，其具有功率放大能力。通過調(diào)節(jié)其控制菜單namsc中的控制名，可在不影響接口變壓器原邊所接風(fēng)電機(jī)組任何輸出特性的基礎(chǔ)上，整倍數(shù)放大接口變壓器副邊輸出的傳輸功率，從而達(dá)到用一臺風(fēng)力機(jī)的詳細(xì)模型仿真所處相同運(yùn)行工況的多臺風(fēng)力機(jī)組的目的。運(yùn)用RTDS軟件平臺的該特殊功能可把一個風(fēng)電場等效為多臺風(fēng)力機(jī)的組合，從而能夠詳實仿真風(fēng)電場的分布特性（如風(fēng)力機(jī)尾流效應(yīng)等）。為此，本文通過這種方法，改變接口變壓器的這種功率放大倍數(shù)來提高風(fēng)電場的容量，實現(xiàn)大規(guī)模大容量風(fēng)電場模型的搭建。

2.1 容量加權(quán)單機(jī)等值解決方案

在電力系統(tǒng)研究工作中，經(jīng)常會遇到研究風(fēng)場外部變化情況而簡化風(fēng)場內(nèi)部的問題，如系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)線的繼電保護(hù)、系統(tǒng)潮流分析等。這種情況可應(yīng)用RTDS單機(jī)容量加權(quán)等值。

設(shè)風(fēng)場總裝機(jī)容量為96MW，場內(nèi)35kV集電線上接有48臺2MW風(fēng)機(jī)。搭建單機(jī)容量為2MW的雙饋風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的額定風(fēng)速為12m/s；葉輪半徑35m；風(fēng)輪中心高度70m。該方法未能考慮風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)。監(jiān)測風(fēng)電場35kV出口處的、、的波形，如圖1所示。

風(fēng)機(jī)以額定功率運(yùn)行，由圖1可知平均有功功率為95.2MW，風(fēng)場額定有功輸出96MW，功率偏差的主要因素為風(fēng)力機(jī)組的箱式變壓器損耗，考慮到這些因素，根據(jù)波形圖和測量數(shù)據(jù)可知此等值模型與預(yù)期相符。

圖1 風(fēng)場35kV出口處P、Q、U波形

2.2 考慮尾流效應(yīng)風(fēng)場等值解決方案

尾流效應(yīng)是指在風(fēng)電場內(nèi)，風(fēng)能經(jīng)過前面的風(fēng)電機(jī)組時，鑒于阻擋、地表因素造成風(fēng)速降低，使后面的風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速以及接受風(fēng)的角度受到影響，對后面機(jī)組的發(fā)電量造成了影響[14]。受尾流效應(yīng)作用，使處于不同行或不同列的風(fēng)力機(jī)輸入風(fēng)速不同，機(jī)群處于不同運(yùn)行點，影響了風(fēng)電機(jī)組的功率輸出。

針對這種問題，本文采用變尺度降階多機(jī)等值法。將風(fēng)電場中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)按區(qū)域劃分，無尾流效應(yīng)影響的機(jī)組處于相同運(yùn)行點劃分為一個區(qū)域，受尾流效應(yīng)影響的風(fēng)電機(jī)組劃為另一區(qū)域。區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的參數(shù)、設(shè)置具有相似性，把每一個區(qū)域內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組等值為單臺大容量的風(fēng)機(jī)。

風(fēng)機(jī)之間的間距大小、所處地形的不同及前排風(fēng)機(jī)對后排風(fēng)機(jī)的遮擋面積都會影響尾流效應(yīng)的強(qiáng)弱。本文采用一種考慮遮擋面積的尾流效應(yīng)Jensen模型[13]并在RTDS上搭建尾流效應(yīng)風(fēng)速模塊。風(fēng)場總裝機(jī)容量96MW，將其分成兩個區(qū)域（兩排），第一排風(fēng)機(jī)不受尾流影響，由文獻(xiàn)[13-14]可確定尾流效應(yīng)公式。rot為風(fēng)機(jī)葉輪半徑；為風(fēng)輪中心高度；為風(fēng)場所處位置地面粗糙程度，當(dāng)?shù)乇砥教箷r，取0.001～0.01m/c，計算公式如下：

受風(fēng)機(jī)尾流效應(yīng)影響，后一臺的風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速為

（2）

式中，0為第一臺風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速；T為推力系數(shù)，可在制造企業(yè)給出的推力擬合曲線中查到[4]。

風(fēng)向確定時遮擋情況分3種：不遮擋、完全遮擋、部分遮擋。遮擋面積為定值可以根據(jù)風(fēng)場實際數(shù)據(jù)計算出來，本文計算設(shè)風(fēng)機(jī)間距為300m。為第臺風(fēng)機(jī)處第臺風(fēng)輪的遮擋面積與第臺風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積之比，設(shè)置可變。

本文采用兩臺風(fēng)機(jī)等值風(fēng)場，當(dāng)風(fēng)向確定、場內(nèi)機(jī)組的位置已知，由動量守恒定律，得出第二臺風(fēng)機(jī)的輸入風(fēng)速：

（3）

考慮遮擋面積的尾流效應(yīng)RTDS平臺Jensen模型原理如圖2所示。

圖2 RTDS尾流效應(yīng)Jensen模型原理圖

兩臺風(fēng)機(jī)風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速對比如圖3所示。0為第一臺風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速，20為第二臺風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速。

圖3 受尾流影響風(fēng)速對比圖

不同風(fēng)場地表組粗糙度和不同，對風(fēng)速的影響不同，圖4為地表粗糙度不同時（遮擋系數(shù)相同為0.1201）對后排風(fēng)機(jī)風(fēng)速影響的對比圖，0為不受尾流影響輸入風(fēng)速，20為地表粗糙度為0.005時受尾流影響第二排風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速，22為地表粗糙度為0.01時受尾流影響第二排風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速。

圖4 地表粗糙度不同時風(fēng)速對比圖

圖5為（遮擋系數(shù)）不同時對風(fēng)速的影響，0為不受尾流影響輸入風(fēng)速，20為=0.1201時第二臺風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速，22為=0.3301時第二臺風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速。

圖5 遮擋系數(shù)不同時風(fēng)速對比圖

分析圖3至圖5可知，受尾流效應(yīng)影響后對風(fēng)速的影響較大但風(fēng)的變化趨勢不明顯。地表粗糙度越大，受尾流效應(yīng)影響第二排輸入風(fēng)速越低；受前一排風(fēng)機(jī)遮擋越大，第二排輸入風(fēng)速越低。

考慮尾流效應(yīng)的RTDS等值示意圖如圖6所示。風(fēng)場35kV出口處、、波形如圖7所示。

圖6 考慮尾流效應(yīng)的RTDS風(fēng)場等值示意圖

圖7 單機(jī)容量加權(quán)等值與考慮尾流效應(yīng)等值風(fēng)場出口處P、Q、U對比圖

利用RTDS COMTRADE Playback功能，將單機(jī)容量加權(quán)等值模型和考慮尾流效應(yīng)等值、、對比，如圖7所示。

由圖7可知，為89.33MW。由于尾流效應(yīng)的影響，使得第二排風(fēng)速有所下降，導(dǎo)致輸出有功偏低，無功和電壓水平基本相一致，更接近于風(fēng)場實際運(yùn)行情況。地表粗糙度低，風(fēng)機(jī)相互遮擋小風(fēng)機(jī)后排輸入風(fēng)速大，風(fēng)場輸出效率高。利用這個結(jié)論，對風(fēng)電場選址、風(fēng)機(jī)位置安排具有十分重要意義。與傳統(tǒng)的單機(jī)等值模型相比，此方法的等值模型能更準(zhǔn)確地反映風(fēng)電場并網(wǎng)點的有功功率和無功功率特性，適用于大型雙饋機(jī)組風(fēng)電場的動態(tài)等值建模。

2.3 含有不同類型風(fēng)機(jī)組成風(fēng)電場等值的解決方案

大型風(fēng)電場可能由不同類型的風(fēng)電機(jī)組構(gòu)成，不能應(yīng)用上述的容量加權(quán)單機(jī)等值法。針對這種情況，本文提出一種同一風(fēng)場內(nèi)含有不同類型風(fēng)機(jī)（如雙饋、直驅(qū)），同時計及尾流效應(yīng)的解決方案。此方案采用降階變尺度多機(jī)等值法，在等值建模過程中將不同區(qū)域、不同類型的風(fēng)機(jī)分別等效為一臺大容量風(fēng)機(jī)。其中，既有雙饋型又有直驅(qū)型風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量為96MW，由24臺單機(jī)容量為2MW的雙饋風(fēng)機(jī)和24臺單機(jī)容量2MW的直驅(qū)風(fēng)機(jī)組成，尾流效應(yīng)模型與2.2節(jié)所述一致，直驅(qū)風(fēng)機(jī)在第一排，雙饋風(fēng)機(jī)在第二排。

RTDS的一個rack處理能力有限且風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部含有大量小步長模塊占用更多的資源，在等值過程中，如果多臺風(fēng)機(jī)在一個子系統(tǒng)下（單一rack仿真）搭建有步長溢出的可能（ERROR-TIME STEP OVERLOW received from rack*……），解決步長溢出的辦法就有兩種：①增大步長，但增大步長影響仿真實時性；②跨rack仿真，跨rack是本文推薦使用的方法。下面指出跨rack仿真時的主要注意事項。

在RTDS中跨rack仿真的惟一實現(xiàn)方法是，通過架空線（或電纜）將不同的子系統(tǒng)連接起來。在RTDS的架空線模型中有行波傳輸線模型（travelling wave models）和p型（PI section models）等效模型，行波傳輸線模型的等效類型有frequency dependent（頻率制約）等效和Bergeron等效，只有線路極其短時必須使用p型模型，其余全部推薦行波傳輸線模型建模。在RTDS跨rack中必須使用行波傳輸線模型，p型等值模型是不允許出現(xiàn)在跨rack中的。

使用哪種模型由線路的長短決定，關(guān)系為

式中，為時間步長（time step），為光速。一般時間步長為50ms對應(yīng)的線路長度為15km，小于15km的必須使用p型等效模型，大于15km使用行波傳輸線模型。在等值過程中一定要注意線路的長短，進(jìn)行多rack仿真時避免在小于15km的線路上進(jìn)行分離子系統(tǒng)。RTDS等值模型分兩個子系統(tǒng)搭建，直驅(qū)風(fēng)機(jī)在第一個子系統(tǒng)中使用rack1運(yùn)行，雙饋風(fēng)機(jī)在第二個子系統(tǒng)使用rack2運(yùn)行。其35kV出口處、、波形與單機(jī)容量加權(quán)模型的波形對比，如圖8所示。

圖8 不同類型風(fēng)機(jī)組合模型與單機(jī)容量加權(quán)模型、、對比圖

由圖8可知，不同風(fēng)機(jī)組合模型較單機(jī)模型功率輸出較低，吸收無功消耗較大，電壓畸變明顯。造成有功較低的主要原因為35kV的集電線充當(dāng)跨rack的架空線，場內(nèi)的架空線、變壓器等元器件消耗了部分有功以及尾流效應(yīng)的影響。電壓畸變吸收無功較多是直驅(qū)風(fēng)機(jī)的控制特性造成的，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組采用雙PWM全功率變流器的控制，主要分為機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器控制。在網(wǎng)側(cè)直接控制其電流和頻率對出口電壓的影響較大。而DFIG的定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)通過雙PWM變流器連接到電網(wǎng)上。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過轉(zhuǎn)子勵磁電流的大小和頻率達(dá)到功率解耦控制，而定子直接接在網(wǎng)側(cè)對出口電壓的影響波動小。雙饋風(fēng)機(jī)和直驅(qū)風(fēng)機(jī)組成風(fēng)場發(fā)出的無功和單一類型風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)場不一致，在研究時應(yīng)注意此問題。

3 結(jié)論

結(jié)合等值建模典型方法給出針對不同問題的風(fēng)場等值解決方案，通過監(jiān)測風(fēng)場35kV出口處的功率和電壓得出等值的合理性。建立單機(jī)容量加權(quán)等值模型，此模型為理想狀態(tài)下的風(fēng)場，能夠體現(xiàn)出風(fēng)電場的穩(wěn)態(tài)特性，適合于不研究場內(nèi)故障下的等值建模?？紤]尾流影響所得到的各機(jī)組輸入風(fēng)速，更加客觀地描述了實際情況下各風(fēng)機(jī)輸入風(fēng)速。結(jié)果表明，尾流效應(yīng)降低了風(fēng)電場輸出功率的能力，與實際風(fēng)場運(yùn)行狀態(tài)更接近。風(fēng)場含有不同類型風(fēng)機(jī)等值中采用降階變尺度多機(jī)等值，可以得出結(jié)論：含直驅(qū)風(fēng)機(jī)的風(fēng)場出口電壓波動較明顯，無功水平較低，等值模型更接近多種類型風(fēng)機(jī)組成的風(fēng)場實際運(yùn)行情況。本文將RTDS等值過程中遇到的實際問題做了詳細(xì)的解答，對進(jìn)一步研究大規(guī)模并網(wǎng)風(fēng)電場的等值建模具有實際意義。

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Solution of Some Problems in Equivalent Modeling of Wind Farm based on RTDS

Cai Wenchao Yang Bingyuan

(Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080)

The typical method of equivalent modeling of wind farm is expounded, and the characteristics of different modeling methods are pointed out. A new equivalent modeling method for large capacity wind farm is proposed, and the solution to the problem is given. Based on RTDS, a single machine capacity weighting scheme is proposed, and the solution of equivalent wind turbine equivalent is realized based on the consideration of wind turbine wake effect. The validity of the equivalent results is analyzed. When the RTDS platform is in the process of equivalence, it is pointed out that the rack platform needs to run and points out the matters needing attention in the transmission line model. The results show that the solution is of great significance to solve practical problems.

RTDS; equivalent modeling of wind farm; wake effects; double-fed induction generator; direct-driven wind turbine generators

蔡文超（1991-），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。