大规模风电场动态等值建模研究

摘要

新能源的开发利用业已成为世界各国能源发展的重要版块，其中风力发电技术相对成熟，因而发展势头十分迅猛，世界范围内风电装机容量不断提升，与传统火力发电厂供电模式不同，风力发电厂输出电能的随机性及波动性明显，电力系统中风电渗透率的持续增涨必然对大电网的安全稳定工作产生影响。为了分析风电场并网运行对电力系统的潮流、电能质量及调度等影响，首先应对风电场的建模进行研究。对于大型风电基地，内部可能运行数百架风机，如果针对每一台工作中的风机都进行详细建模，逐个分析，不仅增加了分析的时间成本，同时也是不必要的，因为对风电场并网过程的分析，只关心风电场视作一个整体对电力系统将产生哪些影响。所以在对风电场建模时，考虑将风电场做相应的等值转化处理。本文就DFIG型风电机组所构成的风电场，分析了风电场在不同情况下的建模方法，并应用所建模型仿真对比了风电场并网过程中的暂态特性。
　　首先，论述了课题研究背景及发展现状，体现了对风电场建模研究的必要性，还对双馈感应式异步风力发电机的基本组成及工作原理进行了介绍；对常用的风速模型—风速四分量模型、尾流效应模型、风力机模型等均予以介绍；还对风场内风机连接的拓扑结构以及并网过程进行了论述，为风电场建模打下了理论基础。
　　其次，对以往经常使用的风电场建模方法及依据做了简单介绍，综合分析各种建模方法的利弊，本文决定采用基于机组聚类的多机等值方法进行建模，并选取聚类方法中使用最广范的K-均值聚类法对风机进行分组。本文提出以风机输入风速为分群依据，首先应掌握详细的风速数据，即风场内各机组的时时输入风速值，在综合考虑风速、风向变化、机组排列情况及尾流效应影响下，将输入风速相近的机组聚合成一台等值风机，最后将风电场内所有风机等效成数台等值机。有关依据输入风速作为机组分群依据的建模研究已有很多，因此本文研究的侧重点则放在对各机组输入风速值的精确求取上；当风场内部分机组风速记录仪出现故障，使得对应机组输入风速数据错误或缺失时，提出建立线性回归方程，找出风场内每台机组间输入风速的联系，便可得到缺失的风速值；此外本文还考虑了目前我国风力发电发展所面临的一个实际问题，即风电场发出电量无法完全被大电网吸纳，进而出现风电场“空转弃风”情况，即人为降低风电场发电量（部分机组空转、停机或增大叶轮桨距角），风能利用效率降低。当空转弃风发生时，之前所述的根据输入风速对机组进行聚类分组的方法就会失效，此种情况下，本文提出了选取风能利用系数作为机组聚类依据，建立风电场多机等值模型。
　　再次，对风电场整体等值参数、等值机组参数的求取方法进行了论述，包含发电机参数、轴系参数、变压器及补偿电容器参数等；对风电场整体集电系统的等值，针对风电场常用拓扑结构：干线式及放射式连接方式的集电系统，等值阻抗的求取方法进行了分析；应用MATLAB/SIMULINK软件建立了风电场并网详细模型及多机等效并网模型，通过编程实现不同风速、风向、机组排列及尾流效应作用下，各机组输入风速值的计算，并得出风机间尾流效应强弱受风速、风向的变化而发生改变，进而影响风电场功率输出能力。风速缺失时运用MATLAB软件建立各机组间输入风速线性回归模型，便可得出缺失风速值；当空转弃风现象出现时，选取风能利用系数作为机组分群依据对风电场进行多机等值建模。经过对比得出风电场详细模型与多机等值模型，论证了以上建模方法的可行性及优越性。

目录

声明

1引言

1.1课题研究背景及意义

1.2课题研究现状

1.3本文的主要研究内容

2 DFIG型风电机组模型

2.1 DFIG型风机工作原理

2.2 DFIG型风电机组模型

2.3本章小结

3风速模型及尾流效应

3.1风速模型

3.2尾流效应模型

3.3风速缺失时缺失数据的求取

3.4风速的时滞

3.5算例仿真

3.6本章小结

4机组分群聚类方法及等值参数计算

4.1多机等值方法

4.2机组分群依据

4.3 K-均值聚类算法

4.4风电场等值参数计算

4.5风场拓扑结构

4.6风电场集电系统的等值

4.7本章小结

5风电场多机等值建模

5.1输入风速值的求取

5.2选取风能利用系数作为聚类指标

5.3本章小结

结论

参考文献

附录A 某风电场并网主接线图

附录B 风速四分量模型

附录C 不同风速分量对风电场输出特性影响仿真模型

附录D 风电场并网详细模型

附录E 选取Cp和Wr为分组依据的风电场多机等值并网模型

附录F 内蒙古伊禾晤愫风电场2015.6.9时测风速数据

在学研究成果

致谢