文 | 周专，吕盼，宋新甫，张增强，刘建亮

基于容量加权等值的大规模风电场建模研究

文 | 周专，吕盼，宋新甫，张增强，刘建亮

随着风力发电技术的发展，并网风电场的规模逐渐增加。风力发电和常规能源发电相比，绿色无污染，且取之不尽，用之不竭，但由于风速是随机波动的，风力发电具有间歇波动性。风电机组运行特性区别于常规风电机组，随着电网中风电装机容量的不断增大，风电运行特性对电网的影响将不断增大，风电在电网中的作用不能被忽略。为了研究含大容量风电场的电力系统安全稳定性以及采取何种控制措施等问题，建立有效的风电场模型很有必要。

然而，由于单个风电场装机容量的不断增大，风电场内往往有数十甚至上百台风电机组，若对每一台风电机组进行详细建模，会极大地增加电力系统模型的复杂度，导致仿真时间过长，影响计算的收敛性。因此在对风电场进行仿真建模时，有必要对风电场进行简化、等值。本文以等值机与单台风电机组的功率转换特性不变为原则，以被等值的风电机组同群风电机组运行点一致原则，提出了容量加权等值的方法，采用该方法对风电机组的参数进行等值。运用PSASP程序对等值前后风电场进行仿真，仿真结果表明，等值前后风电场并网运行点特性一致，等值算法能够准确反映风电场机组的并网特性。本文对含风电场电网的安全稳定分析以及控制策略的研究具有重要的参考意义。

风电场建模概况

风电场建模可以分为详细建模和等值建模。详细建模是通过建立风电场内每台机组的模型并联接架空线或电缆等集电系统模型而搭建起来的。随着风电场中风电机组的台数和风电场容量的不断增大，这一建模手段由于过于繁杂的建模过程和过长的仿真时间而不再实用。为了减少计算量，节省仿真时间，有必要采用等值建模手段。

目前，大规模风电场等值建模方法有以下四种：①将整个风电场等值为单台风电机组，其容量等于所有风电机组容量之和。②只考虑风电机组的功率－风速曲线，计算等效风速作为风电场的输入，从而得到风电场的输出功率。③利用现代的动态等值方法如同调等值法、模式等值法，对风电场受到干扰后具有相同或接近动态特性的机组分组，同组的风电机组等效成一台风电机组，从而得到用多台机表征的风电场等值模型。④利用风速对风电机组进行分组，同组风电机组进行参数等值，用多台机表征风电场。

由于大型风电场占地面积广、风电机组数量多，场内风速分布并不均匀，各风电机组处于不同的运行点，因此方法①和方法② 采用的单机等值法会带来较大误差；方法③的分组依据是风电场遭受较大干扰或故障时风电机组的动态特性，适用于暂态过程分析，而在风电场稳态运行过程中，对风电场输出特性起主导作用的因素则是风速和风向；方法④建立的等值模型精度较高，但大型风电场内风速变化差异大，有可能导致分组过多，仿真时间变长，且机组间风速变化往往具有连续性，导致分组指标不明显。

风电机组参数等值

一、风电机组参数等值

风电机组参数等值的原则是保证等值机的风电机组与单台风电机组风电机组的功率转换特性不变，转速及桨距角的调节特性不变。风电机组参数包括风速和转速。

由于风电机组的功率输出，受风速、叶尖速比和叶片半径等因素的影响，风电机组的机械功率输出方程为：

式中，Vwi为单台风电机组的风速，n为被等值机群的风电机组台数。此时保证了等值风电场扫风面积为单台风电机组面积相加。

式中，Ai为单台风电机组的扫风面积。等值前后风电机组叶片的半径相等，由公式（1）知，风电机组输出机械功率为风电机组转速立方成正比关系，为保证被等值机群风电机组输出的机械功率之和与等值机风电机组输出的机械功率相等，令：

式中，Ωri为单台风电机组的转速。等值风电机组的叶尖速比为：

该等值方法保证了等值机风电机组与被等值机群风电机组的最优叶尖速比相等。此时等值机的转速特性不变，从而保证了等值机后风电机组转速、桨距角变化规律和单台风电机的一致性。通过上述公式的转换，可以得出等值机的机械输出功率基本等于被等值风电机组的机械输出功率之和。由此可得在理论推导上，该方法能有效、较精确地对风电机组的风速和转速等值。

二、风电机组及控制参数等值

风电场是由数十甚至上百台风电机组组成，单台风电机组通过箱变、架空线路或电缆并入集电线。

由图1可以得出，风电场中注入PCC点的功率为风电场中运行机组的实际功率之和。在对风电场进行等值时要保证等值机的输出功率等于风电场中所有风电机组的输出功率之和。

由图2可以看出，风电场的等值机同样是接在PCC点。因此等值机的容量、注入电网有功功率、无功功率为单台风电机组之和。

式（6）中SG、PG、QG分别为等值机的容量、有功功率和无功功率，Si、Pi、Qi分别为风电场中单台风电机组的容量、有功功率和无功功率，n为等值风电机组台数。

由于该等值方法是对同机群进行等值（机组型号、容量相同），因此等值机的容量可表示为公式（7）。

图1 风电场示意图

图2 等值风电场示意图

对于等值机中的控制参数等值，如惯性时间常数H、刚性系数K、阻尼系数D计算公式为：

S、X为变压器的容量和阻抗，控制参数除功率测量的放大系数之外，其它控制参数在等值前后一致。功率测量模块的系数按下式等值：

式中Kp为功率测量模块的比例系数。

如图2所示，等值机通过升压变、架空线路或电缆接入PCC点。等值线路参数可以表示为图3所示：

如图3所示，线路的等值阻抗可以通过一系列的串并联计算得到。

其中，通过串并联计算叠加获得当前一串风电机组的等值电抗参数，再将n组等值阻抗计算结果做并联计算得到总的阻抗值。

仿真验证

图3 线路等值阻抗示意图

表1 不同出力下的稳态仿真结果

表2 不同功率因数的稳态仿真结果

表3 短路电流计算结果

本文以某风电场为例进行了仿真验证。该风电场装机容量201MW，风电机组型号为某公司生产的 SL-3000/113，风电机组台数为67台，通过35 kV 线路共6回线，线路总长60km。五回线路中每回线路风电机组台数为10台风电机组，其它7台风电机组在另一回线路上20 型线路长度为0.358 km，共有14 台风电机组，风电机组采用恒功率因数控制。在PSASP程序中，分别对详细模型和等值模型进行仿真分析。

一、潮流计算结果比较

分别对两种建模方法进行的潮流计算，所得结果如下表所示：

表1、表2分别为在不同出力情况和不同功率因数情况下，静态集电线路等值方法和详细风电场在35kV汇流母线处的有功功率、无功功率和电压值。结果表明等值模型与详细模型的比较误差较小，算法准确有效。

二、短路电流计算结果比较

分别对两种建模方法进行的潮流计算，所得结果如下表所示：

表3为风电不同建模情况的三相短路电流比较，由表可知，短路电流计算结果详细风电场计算结果较等值风电场偏小，因为等值风电场在一定程度上考虑了集电线路，但是在做了简化假设的基础上推导得出等值模型，所以计算短路电流比详细风电场偏大。

通过仿真算例的验证，在对大规模风电场进行仿真计算时，采用容量加权等值的方法对风电场进行等值建模，可以有效的减少建模数据、工作量及提高了数据计算的收敛性，且不影响对实际风电场运行特性的模拟。

结论

本文采用按容量加权等值的方法对风电机组动态参数进行聚合，并采用同群风电机组机端电压相等假设，对风电场内部集电线路作等值。通过对某地区风电场，运用PSASP程序，进行等值模型与详细模型的稳态计算对比验证，并采用稳态和暂态的计算结果对比得出，采用容量加权等值的方法对风电场进行等值建模，可以有效的减少建模数据、工作量及提高了数据计算的收敛性，且不影响对实际风电场运行特性的模拟，保证了对风电场建模的准确性和不失真性。

(作者单位 : 周专、吕盼、宋新甫、张增强:国网新疆电力公司经济技术研究院；刘建亮:国网新疆电力公司奎屯供电公司)