风电场不同应用的动态等效建模方法研究

随着大型并网风电场容量和数量的增加，风电场动态等值建模理论与方法已成为基础性和应用性研究课题。针对风电场模型的不同应用目的，需要给出相应的风电场等值建模方法。项目的主要工作如下：首先，针对风速波动下定速机组风电场，提出了一种变参数等值方法。利用该方法建立的风电场模型可有效解决无功功率误差问题；针对风速波动下变速速机组风电场，进行了风电场单机表征模型的适用性分析。同时深入探讨了故障条件下双馈机组风电场的分群等值方法以及直驱永磁机组风电场的单机表征等值方法。其次，提出了一种适用于低电压穿越分析的风电场等值方法，定义了风电场最易脱网判断指标，对比了桨距角动作分群方法和Crowbar动作分群方法，结果表明Crowbar动作分群方法更适用于双馈机组风电场低电压穿越能力的分析。再次，搭建了反映频率调节的直驱永磁风电机组控制模型，给出了适用于频率分析的风电场等值方法。结合吉林电网数据，进行了切负荷条件下的等值方法验证。最后，为了提高变流器的容量，采用了变流器共母线并联的结构，并对并联时的环流问题进行了研究。建立了环流的模型，分析了环流产生的机理和流通路径，进而提出了环流的控制策略。引入环流闭环，并对空间矢量调制技术做了改进，通过占空比补偿，实现对环流的抑制。为了应对电网电压的跌落故障，要控制变流器提高机组的低电压穿越能力。在分析了电网故障及其对机组影响的基础上，提出控制策略缓解故障造成的功率不平衡和直流母线电压波动。此外，由于电网发生故障时，常规锁相环会出现震荡，因此对电网故障锁相技术进行了研究。在实验室的永磁直驱风电平台上验证了变流器并联运行控制策略的有效性。该策略也可应用于大功率的风电变流器。

随着大型并网风电场容量和数量的增加，风电场动态等效建模理论与方法已成为基础性和应用性研究课题。针对风电场模型的不同应用目的，本项目分别提出适用于功率控制的风电场动态等效建模方法、适用于低电压穿越能力分析和检测的风电场动态等效建模方法以及适用于功率平衡和频率控制的风电场动态等效建模方法。该研究以数学模型和等效建模方法的理论体系为基础，以分群等效为技术路线，根据不同应用给出相应的分群原则和等效建模方法，并辅以仿真和实验验证。其技术关键是（1）提出一种解决常用等效建模方法出现无功功率误差的方法和风电场功率控制的等效模型；（2）找到一种能准确判断风电场内最易脱网运行风电机组的指标；（3）建立适用于中长期过程分析的风电机组简化模型和常规发电机组模型，提出风电场及风电场群的等效建模方法。该研究将对风电场入网分析与检测、风电场接入系统规划与设计、电力系统在线动态安全分析等都具有重要的科学意义和应用价值。

对于相同机型风电场等值的研究已有很多，有研究对民据三阶DFIG简化风力发电机的动力模型提及一种基于戴维南电路的双馈风电场等值法，将具有相似动态特性的双馈感应发电机归为同群，适于波动的情况。而针对直驱永磁风电机组等值简化模型进行风速分群，按机组位置聚类，采用传递函数和电流控制电流源及利用等效电流源完成同群机组的等值处理等原则可降低直驱式风电场模型的复。

然而针对混合风电场等值研究却鲜有文章。国外已经建成了由鼠笼异步风机和双馈感应风机组成的混合风电场，采用聚合法进行等值是当前的普遍做法。一些适用于相同机型风电场的等值方法在一定条件下同样可应用于混合风电场的等值研究。随着风电场的不断扩容，混合风电场的经济效益日益突显，开展由鼠笼异步风机、双馈感应风机及直驱永磁同步风机组成的混合风电场等值方法的研究具有一定现实意义。

对当前主流风机类型双馈感应风机和直驱永磁同步风机的建模做了简介，同时概述了风电场常规潮流、随机潮流和概率潮流计算。从风速的等值、风电场的分群及风电场常用等值方法三方面重点评述了风电场的等值，此外，结合专家系统和模糊神经网络等优化算法能有效提高风电场等值模型的精度。然而，随着风电场规模的近一步扩大，对混合风电场等值建模方法开展研究将会是今后的趋势。2100433B

风电场的动态等值就是在保证风电场对研究系统动态影响不变的条件下，对风电场进行简化的过程。

风电场等值建模方法风速等值方法

当遭遇同种风影响时可用等值风速驱动风机。最常用的风速等值根据切入风速整合风机，明确划分切入风速的标准，通常有平均风速法和风-功率曲线法。当风速差异较小可对风速进行线性平均，忽略风速及风功率间的非线性关系。三次均方根风速等值法不计及风功率利用系数对等值的影响，可提高等值准确性。如风速差异较大，常采用风功率曲线求取等值风速，能减小等值模型阶数及仿真时间。有文献依据风电场平均风速作为整体等效风速建立了风电场“等效风速一输出功率”等值模型。因风速、风向间的马尔可夫性，利用一阶自回归简化模型对风向量时间序列建模，利用马尔可夫链调制的风速时间序列形成合成风速，建立计及风向影响的风速模型。也有文献针对脉动风速，利用Von Karman连续谱密度函数和自回归模型，建立基于谱密度分析的风速模型，并在此基础上构建虚拟风电场，较好处理了模拟过程的非连续性和模拟时间的局限性，为今后等值风速的研究提供基础 。

风电场等值建模方法风电场的分群原则

对于风电机组数量多、占地广、运行点不同、场内风速分布不均的大型风电场不适宜将其简单等值为单台风机四。为此，风电场的合理分群必不可少，且分群的优劣直接影响等值的效果。

按输入风速不同对风电场分群较为常见，但大型风电场风速差异大、机组间风速变化有连续性易导致分组过多，分组指标不明显。依据风电场遭受较大干扰或故障时风电机组的动态特性，对风电场输出特性起主导作用的因素除了风速还有风向。有研究提及了一种由风电机组、风速和风向构成的三维相关系数矩阵对风电机组进行分群的方法，能根据不同风速、风向快捷分群，适用风速风向均波动的风电场。针对双馈式风电场，利用风速、转速差异作为特征变量对风电场进行动态分群，可提高分群精度。依据风电场内各双馈发电机受系统故障影响程度不同识别出电压动态响应相近的风力发电机组是基于双馈风力发电机暂态电压特性的聚类分群方法。

针对同型风机风电场，机群划分与风电场内风机布局及风电场所处地形密切相关。对于地形复杂、布局不规则的风电场，按风电机组运行点相近原则划分较按地理位置简单划分的结果往往更准确。

风电场等值建模方法风电场常用等值方法

早期常用聚合法将整个风电场简单等值为单台风机，往往忽略尾流效应的影响，等值误差较大。或将具有相同风速的风机等值为一台，每台风机再驱动同等容量的等值异步发电机，这样的多机等值模型能有效降低风电场的复杂性 。

（1）容量加权单机等值法

容量加权单机等值法通常忽略连接风电场内相邻风力机组电缆线路阻抗的影响，当风力发电机组通过出口变压器接于同一母线时以发电机容量为权

值确定等值发电机的参数。

（2）改进容量加权单机等值法

改进容量加权单机等值法改进了容量权值系数，较前者提高了等值精度，对于单机等值更能体现大容量风力发电机组的动、暂态特性。

（3）基于同调等值的加权等值法

该法的使用前提是风电机组类型、机端电压、转子转速均需相同，并假设所有机组并联于同一母线上且不考虑风速差异的影响。基于发电机转子同摆的同调等值法包括相关机群识别、网络化简和相关机群参数聚合，能在简化参数聚合程序的基础上满足精度要求并节省仿真时间。

（4）参数变换单机等值法

参数变换单机等值法通过引入虚拟阻抗进行参数计算和反变换，最终将多台风力发电机组等值为单台风机，可在风力发电机组参数不同的情况下获得最高的等值精度，能更精确地表示风电机组的参数等值和内部连接情况。

（5）单机表征法

单机表征法把风电场等值成一台风机和一台发电机，其输入为平均风速，等效容量为整个风电场所有风机容量代数和，适用风电机组间风速差异较小的情况。针对风速差异较大的风电场则保留所有风速模型和风力发电机，叠加风力机的机械转矩为等值发电机的输入，将风电场等值为一台发电机，但仍存在无功误差。

（6）变尺度降阶多机等值法

变尺度降阶多机等值法是在均匀布置的矩形风电场中，假设每一排风机具有相同风速及它们运行在相同运行点后将参数完全一致的每行(列)风力机组等效为一台风力发电机的方法，等值风机的容量和有功功率即每行(列)风机的代数和。如计及尾流效应，需将运行状态相近的风电机组进行等值。

（7）输出特性等值法

现有的等值方法中等值参数主要是根据电机结构并联计算或对特定故障进行曲线拟合求得，并没有利用风电场输出特性进行校正。为此有文献将风电场输出特性引入，求解笼型风电场的等值参数，称为风电场输出特性等值法。风电场的输出特性包含风电场并网端口电压、功率、电流等信息，可以通过两种方法获取。对于已投运的风电场，通过实测记录风电场在不同风速下的输出信息，所有风速下风电场并网端口运行信息的集合即可作为风电场输出特性参与计算。若无法实测，可以通过理论计算近似求取风电场端口特性。只要已知风电场连接方式和机组参数，理论上风电场的输出特性就可以计算，适合各种条件下求取风电场的输出特性，能对笼型异步发电机组成的风电场进行等值建模，准确求取等值机同步电抗、暂态电抗和转子惯性时间常数等参数。

（8）主成分分析等值法

有研究指出了一种采用运行数据构建风电场等值模型的新方法，使用统计学理论对大型并网风电场实时运行数据进行分析，利用主成分分析法找到最能表征风电场运行行为的因子，对风电场降阶处理并利用支持向量机法搭建整体风电场模型，考虑了风电场的规模大小、地貌地形、机组布置、机组类型及风电场内风速分布等因素，较全面地对风电场进行了多机等值建模。

风电场等值建模方法参数优化算法

结合参数优化算法的风电场等值方法具有更高的模型精度，并能相应减小等值误差。对双馈风电机组有功和无功控制进行简化等值建模后通过增加变异操作方式的自适应粒子群算法，扩大转子电流的种群数量，在大范围转子电流种群中更好择优，找寻合适的转子电流有功分量值，有效提高双馈风机等值建模的准确性。将单机等值模型的参数进行实数编码形成染色体，再经过“双亲四子”的交

叉操作和自适应变异操作，去粗取精，获得最合适的有功功率数值。遗传算法在多次迭代后产生的最优结果，缩小偏差，但迭代次数过多。