一种大规模风电集中接入电网的风电场等值建模方法

摘要

本发明公开一种大规模风电集中接入电网的风电场等值建模方法，具体涉及一种大规模风电集中接入电网的风电场等值建模方法。基于接入电网的各风电场并网点之间的电气距离、场内风电机组拓扑分布、机型和控制模式，采用同调机群识别聚类方法来确定同调风电机群，将一个同调风电机群等值为一个风电机组，采用加权等效参数聚合方法求出等值风电机组各项动态电气参数，根据静态等值理论近似等效为等值机串接等值阻抗形式，并求出相关的静态参数，基于得到的风电场等值形式在PSD-BPA仿真平台中开发实现风电场等值模型。本方案解决了现有技术中风电场等值建模问题，为电网运行方式分析以及调度控制提供了风电并网仿真工具。

说明书

技术领域

本发明属于一种电力系统仿真建模领域，具体涉及一种大规模风电集中接入电网的风电场等值建模方法。

背景技术

为了实现低碳、环保、绿色以及可持续发展的宏伟能源战略，我国近几年大力发展可再生能源，针对可再生能源出台了一系列的标准和政策，在国家层面上给予强有力支持，可再生能源得到了长足发展。尤其是风电，在我国三北等地区风电场规划、建设以及并网运行等一系列的项目都正在开展。我国风电呈现“以大规模集中接入、远距离输送、大范围消纳”为主，“以大规模分散接入，就地消纳”为辅的特点，大容量集中接入、远距离输送以及风电电源本身的出力、控制特性等都决定了风电并网会对电网运行产生较大影响，且这种影响具有不同于常规电源的特殊性。在酒泉、吉林等地区已并网的风电对电网安全稳定运行的影响已经凸显，且随着并网规模、容量的加大，这种影响将进一步加剧，尤其是在不久将来以酒泉地区为代表的若干千万千瓦级风电基地的并网运行。迫切需要研究风电的特性，明确并网后对电网运行特性的影响，千万千瓦级风电基地集中接入在国际上属首创，没有任何经验可以借鉴，这就要求我国自主研发风电接入电网分析与控制的核心技术。

研究风电接入电网的分析与控制需基于良好的仿真分析工具来完成。我国常用的PSD-BPA和PSASP等软件中已建立了典型风电机组的静态和动态模型，通过此仿真分析工具能初步掌握风电机组并网后对电网静态特性以及暂态功角稳定影响。在工程实际中，风电并网对电网的影响更多是从“场”角度体现，即若干台“机”集聚后对电网的综合效应。以较大主流单机容量1.5MW为例，如酒泉地区千万千万级风电基地，将有近6667台风电机组，如分析对电网影响时每台机组都要建立详细的静态、动态模型以及风电场内部每台机组详细的接线方式都要仿真建模，这将是巨大的工作量，不但对于运行人员来说维护极不方便，且对于研究并网影响来说这也是没有必要的。

发明内容

针对现有技术中大规模风电并网分析需要风电场等值方法及合理性有待检验、或实现不方便等不足的问题，本发明提供一种实用的等值方法，将若干台风电机组集聚并具有详细接线形式的场模型等效为风电场等值模型，本方案使等值前后风电场对电网的影响趋于一致，且程序实现以及维护方便，具体方案如下：一种大规模风电集中接入电网的风电场等值建模方法，其特征在于，基于接入电网的各风电场并网点之间的电气距离、风电场内各个风电机组的拓扑分布、风电机组的类型和风电机组的控制模式，进行以下步骤：

A、采用同调机群识别聚类方法来确定并网风电场内所有风电机组的同调风电机群；

B、将一个同调风电机群等值为一个风电机组，采用加权等效参数聚合方法求出等值风电机组各项动态电气参数；

C、根据电网络静态等值理论对同调风电机群以及相应的电气接线进行近似等效，简化为以等值机串接等效阻抗并入电网的静态等效形式，并求出相关的静态参数；

D、基于得到的风电场等值形式以及相应的动态、静态参数，在PSD-BPA仿真平台中开发实现风电场等值模型。

本发明的另一优选方案：所述步骤A同调机群识别聚类方法为：

(1)、首先按风电场与并网点之间电气距离划分初步同调风电机群；

(2)、在上步划分的基础上，根据风电机组类型以及风电机组电气控制模式对初步同调风电机群再次划分；

(3)、在上步划分的基础上，根据风电场内拓扑接线形式对得到的同调风电机群再划分，得到最终同调风电机群分类。

本发明的另一优选方案：所述步骤B中的电气参数包括：惯性时间常数、阻尼系数、定子电阻/电抗、转子电阻/电抗、激磁电抗、初始运行滑差参数以及风电机组电气控制系统参数，所述电气参数利用加权等效参数聚合方法求取。

本发明的另一优选方案：所述步骤C的风电场静态等值方法为：

(1)首先设所有风电机组注入集电线路的电流幅值和相位相等；

(2)其次根据并联电容器组的补偿或者按照风电机组出力惯例，将风电机组的功率因数定为1；

(3)然后进行静态等值，静态等值包括以下步骤：

1)、等值机的容量为同调机群各个风电机组容量之和；

2)、求出同调风电机群内部各分段集电线路的损耗，将各分损耗值相加得到集电线路总损耗；

3)、求出等值机串接等效阻抗形式的等效阻抗的损耗；

4)、利用2、3两步所得损耗值相等的关系，推导出集电线路等值阻抗和等值并联电纳；

5)、基于2、3上述集电线路等值阻抗推导原理，利用变压器实际损耗与等值接线的损耗相等的关系，推出等值变压器的阻抗。

本发明的另一优选方案：所述步骤D中的仿真平台采用PSD-BPA仿真平台。

本发明提出的等值建模方法综合考虑风电场并网点电气距离以及场内风电机组拓扑分布、类型和控制模式等相关信息，运用实用同调风电机群识别聚类方法来确定同调风电机群；采用加权等效的参数聚合方法求取等值机的动态参数，以电网络静态等值理论为基础求取风电场静态等值模型，在PSD-BPA仿真平台中集成开发了此风电场等值模型，本方案解决了现有技术中风电场并入电网时各种影响、故障的仿真，并为电网运行方式以及调度中心提供用于风电并网分析提供了方便。

附图说明

图1为风电场等值建模流程图。

图2风电场中实际接线形式

图3风电场接线形式的等值模型

图4风电场中各风电机组和单元变压器接线形式

图5风电场中变压器接线等形式

图6详细风电场和无穷大母线连接的简单系统

图7详细风电场和西北主网连接的复杂系统

图8不同风电出力时风电场等值与详细风电场模型SVC补偿容量对比(接入西北网)

图9不同风电出力时风电场等值与详细风电场模型的并网点无功对比(接入西北网)

图10去掉SVC后，风电不同出力时风电场等值与详细风电场模型的并网点无功对比(接入西北网)

图11风电不同出力时风电场等值与详细风电场模型的并网点有功对比(接入西北网)

图12并网点三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网线路有功变化对比(接入西北网)

图13并网点三相短路，风电场等值与详细风电场模型的安康1J发电机功角变化对比，参考机为靖远5J(接入西北网)

图14并网点三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网点(PCC)电压变化对比(接入西北网)

图15嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网线路无功变化对比(接入西北网)

图16嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网线路有功变化对比(接入西北网)

图17嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网点(PCC)电压变化情况对比(接入西北网)

图18嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的安康1J发电机功角变化对比，参考机为靖远5J(接入西北网)

具体实施方式

本发明所说的同调机群即为系统受到扰动后具有相近动态特性的某些发电机，本发明认为综合并网点之间电气距离、风电机组类型、控制模式以及风电机组拓扑分布等信息可以决定机群的同调性。如图1所示，针对电网内并网的多个风电场，根据电网内各风电场并网点之间的电气距离、风电场内各个机组的拓扑分布、风电机组的类型、风电机组的有功/无功等控制模式，采用同调机群识别聚类方法来确定并网风电场内所有风电机组的同调风电机群。首先确定各信息的权重，采用按层次递归推进的归类方法将风电场内的所有风电机组进行同调风电机群识别，其中优先考虑风电场并网点之间电气距离信息，计算各个风电场并网点之间的电气距离，将电气距离较小风电场的归为一类，如：将并网点在同一个升压变电站低压侧的风电场归为一类同调风电机群。

在前步基础上，再考虑风电机组类型以及风电机组控制模式进行进一步归类，如先以双馈机、直驱、异步等类型来对风电场机组进归类，再针对各个机型的电气控制模式来进一步归类，如：根据双馈机型的风电机组变频器有功、无功以及低电压穿越等控制模式再归类。

最后，在归类后的同调风电机群中再根据各个风电机组内的电气距离或拓扑接线形式，继续划分同调风电机群类别，如：将连接到同一集电线路以及集电线路连接同一台并网升压变低压侧的风电机组归为一类，完成同调风电机群最后归类。

完成上述步骤后，将同调风电机群等值为一台风电机组，针对于风电机组的各项电气参数：包括惯性时间常数、阻尼系数、定子电阻/电抗、转子电阻/电抗、激磁电抗和初始运行滑差参数以及风电机组电气控制系统参数，同时还可包括与机组变频器控制相关的参数等，采用加权等效参数聚合方法来求解出等值风电机组相应的动态等值参数。

其中同调风电机群等值风电机组的加权参数聚合法为：

(1)先算出等值机的惯性常数、阻尼系数聚合：

根据转子摇摆方程，同调风电机群为G，且可假定其中的风电机组j(j＝1，2..N)的摇摆方程为：

$T_j\frac{{\mathrm{d\omega }}_j}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{mj}}-P_{\mathrm{ej}}-D_j({\omega }_j-1)$

式中：T_j，D_j，P_mj，P_ej分别为第j台发电机的惯性常数、阻尼系数、机械功率和电磁功率，各参数值均以其自身额定容量S_j为基值的标幺值。

将N台同调机运动方程相叠加，由于鼠笼异步风电机组转速相同(即ω_j＝ω)，利用加权可得到聚合后的以等值机容量S_G(各台单机容量之和)为基值容量的等值机摇摆方程：

$\underset{\forall j\in G}{\Sigma }\left(\frac{S_j}{S_G}{T}_j\right)\frac{\mathrm{d\omega }}{\mathrm{dt}}=\underset{\forall j\in G}{\Sigma }\left\{\frac{S_j}{S_G}\right[P_{\mathrm{mj}}-D_j(\omega -1)-P_{\mathrm{ej}}\left]\right\}$

则合成等值机的转子摇摆方程为：

$T_G\frac{\mathrm{d\omega }}{\mathrm{dt}}=P_{\mathrm{mG}}-P_{\mathrm{eG}}-D_G(\omega -1)$

式中：参数应是以合成等值机容量S_G为基值容量时的等值机参数，

令：${\rho }_j=\frac{S_j}{\underset{\forall j\in G}{\Sigma }{S}_j},$则$T_G=\frac{\underset{\forall j\in G}{\Sigma }\left(S_j{T}_j\right)}{\underset{\forall j\in G}{\Sigma }{S}_j}=\underset{j\in G}{\Sigma }{\rho }_j{T}_j,$$D_G=\frac{\underset{\forall j\in G}{\Sigma }\left(S_j{D}_j\right)}{\underset{\forall j\in G}{\Sigma }{S}_j}=\underset{j\in G}{\Sigma }{\rho }_j{D}_j.$其中，T_G，D_G分别为聚合后等值机的惯性常数、阻尼系数(以聚合后等值机容量为基值)的标幺值。

(2)再算出等值机阻抗参数聚合

异步发电机模型采用考虑转子回路电磁暂态过程和转子机械暂态过程(三阶)，每台异步发电机的等值电路采用T型等值电路。因N台异步发电机都在同一母线上并列运行，故可将N个并联电路等值化简为一个等值电路，根据加权求和法可得异步发电机定子阻抗聚合参数：

$R_{\mathrm{sG}}=\frac{a_s}{a_s^2+b_s^2},$$X_{\mathrm{sG}}=\frac{b_s}{a_s^2+b_s^2}$

式中：$a_s=\underset{\forall j\in G}{\Sigma }\frac{{\rho }_j{R}_{\mathrm{sj}}}{R_{\mathrm{sj}}^2+X_{\mathrm{sj}}^2},$$b_s=\underset{\forall j\in G}{\Sigma }\frac{{\rho }_j{X}_{\mathrm{sj}}}{R_{\mathrm{sj}}^2+X_{\mathrm{sj}}^2}$

同理，可计算转子电阻R_rG和转子电抗X_rG。

等值发电机的激磁电抗：$X_{\mathrm{mG}}=\frac{1}{\underset{\forall j\in G}{\Sigma }{\rho }_i/X_{\mathrm{mj}}}$

综上，可以求得等值发电机的定子电阻电抗，转子电阻电抗，以及激磁电抗。

(3)再算出等值机初始运行滑差参数聚合

加权法可得异步发电机聚合等值初始运行滑差参数：$s_{0G}=\underset{j\in G}{\Sigma }{\rho }_j{s}_{0j}.$

在上述等值机动态参数已得到基础上，以电网络静态等值理论为化简工具，对同调风电机群以及相应的电气接线进行近似等效，简化为以等值机串接等效阻抗并入电网的静态等效形式，其中本方案采用了一种风电场静态等值方法，风电场静态等值研究做如下两点假设，经过调研和推算，此假设具有合理性，

假设所有风电机组注入集电线路的电流幅值和相位相等，

假设由于并联电容器组的补偿或者按照风电机组出力惯例，风电机组的功率因数定为1。

如图2所示，电流I₁流经阻抗Z₁的电压降为：

${\mathrm{\Delta V}}_{Z1}=I_1{Z}_1=\left(\frac{S_1}{V}\right)Z_1=\left(\frac{P_1}{V}\right)Z_1$

式中P₁为风电机组的有功出力。

同理可以推导出Z₂，Z₃，Z₄上的电压降：

ΔV_Z2＝(I₁+I₂)Z₂＝(P₁/V+P₂/V)Z₂＝(P₁+P₂)Z₂/V

ΔV_Z3＝(I₁+I₂+I₃)Z₃＝(P₁/V+P₂/V+P₃/V)Z₃＝(P₁+P₂+P₃)Z₃/V

ΔV_Z4＝(I₁+I₂+I₃+I₄)Z₄＝(P₁/V+P₂/V+P₃/V+P₄/V)Z₄＝(P₁+P₂+P₃+P₄)Z₄/V

定义P_Zi，代表流经阻抗Z_i的有功功率，则每一段线路的线损可以推导如下：

$S_{{\mathrm{LOSS}\_Z}_1}={\mathrm{\Delta V}}_{Z_1}*I_1^{*}=(P_1/V)(P_1^{*}/V^{*})Z_1=P_1^2{Z}_1/V^2=P_{Z1}^2{Z}_1/V^2$

$S_{{\mathrm{LOSS}\_Z}_2}={\mathrm{\Delta V}}_{Z_2}*I_2^{*}={(P_1+P_2)}^2{Z}_2/V^2=P_{Z2}^2{Z}_2/V^2$

$S_{{\mathrm{LOSS}\_Z}_3}={\mathrm{\Delta V}}_{Z_3}*I_3^{*}={(P_1+P_2+P_3)}^2{Z}_3/V^2=P_{Z3}^2{Z}_3/V^2$

$S_{{\mathrm{LOSS}\_Z}_4}={\mathrm{\Delta V}}_{Z_4}*I_4^{*}={(P_1+P_2+P_3+P_4)}^2{Z}_4/V^2=P_{Z4}^2{Z}_4/V^2$

因此这一段集电线路的总损耗为：$S_{\mathrm{LOSS}}=(P_{Z1}^2{Z}_1+P_{Z2}^2{Z}_2+P_{Z3}^2{Z}_3+P_{Z4}^2{Z}_4)/V^2$

如图3所示，风电场实际接线的等值模型形式。

则有：$S_{\mathrm{LOSS}\_\mathrm{ZS}}={\mathrm{\Delta V}}_{\mathrm{ZS}}*I_S^{*}=I_S{Z}_S{I}_S^{*}={(P_1+P_2+P_3+P_4)}^2{Z}_S/V^2=P_{Z4}^2{Z}_S/V^2$

因此，S_LOSS＝S_{LOSS_ZS}，即：$(P_{Z1}^2{Z}_1+P_{Z2}^2{Z}_2+P_{Z3}^2{Z}_3+P_{Z4}^2{Z}_4)/V^2=P_{Z4}^2{Z}_S/V^2$

所以，推导集电线路等值阻抗为：

$Z_S=\frac{\underset{m=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_{\mathrm{Zm}}^2{Z}_m}{Z_{\mathrm{Zn}}^2}$

集电线路等值并联电纳为：$B=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{B}_i$

如图4所示，风电场内各台风电机组和单元变相连，并接入集电线路的接线形式，研究它的等值，其等值思路与集电线路阻抗的等值思路类似：

$S_{Z1}={\mathrm{\Delta V}}_{\mathrm{ZT}1}{I}_1^{*}=P_1^2{Z}_{T1}/V^2$

$S_{Z2}={\mathrm{\Delta V}}_{\mathrm{ZT}2}{I}_2^{*}=P_2^2{Z}_{T2}/V^2$

$S_{Z3}={\mathrm{\Delta V}}_{\mathrm{ZT}3}{I}_1^{*}=P_3^2{Z}_{T3}/V^2$

$S_{Z4}={\mathrm{\Delta V}}_{\mathrm{ZT}4}{I}_4^{*}=P_4^2{Z}_{T4}/V^2$

式中，S_Z1为变压器T₁的功率损耗；Z_T1为变压器T₁阻抗；P₁为与单元变T₁相连的风电机组出力；其余变压器相关的参数定义同前述。

如图4所示，流经变压器的损耗S_ZS还可以表示为：

ΔV_ZTS＝{(P₁+P₂+P₃+P₄)/V}Z_TS＝{P_Tot/V}Z_TS

$S_{\mathrm{ZS}}={\mathrm{\Delta V}}_{\mathrm{ZTS}}{I}_S^{*}=P_{\mathrm{Tot}}^2{Z}_{\mathrm{TS}}/V^2$

风电场变压器接线等值形式如图5所示，实际接线和等值接线的损耗相等，可知：

$P_{\mathrm{Tot}}^2{Z}_{\mathrm{TS}}/V^2=P_1^2{Z}_{T1}/V^2+P_2^2{Z}_{T2}/V^2+P_3^2{Z}_{T3}/V^2+P_4^2{Z}_{T4}/V^2$

于是得到等值变压器的阻抗为：

$Z_{\mathrm{TS}}=\frac{\underset{m=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_m^2{Z}_{\mathrm{Tm}}}{\underset{m=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_m^2}$

在PSD-BPA仿真平台开发实现风电场等值模型，并将上述算出的各种静态、动态等值数值输入PSD-BPA仿真平台。PSD-BPA仿真程序平台有两个基本文件，潮流数据文件*.dat，稳定数据文件*.swi，与电网络化简得到的等值机串接等效阻抗的形式对应，在潮流文件*.dat中，将静态等值对应的参数填写到等值风电场静态参数卡片中；在暂态文件*.swi中，与同调风电机群聚合后的动态参数、电气控制参数相对应，如惯性时间常数、定子电抗、转子电抗、初始滑差以及有功、无功、低电压穿越控制对应的参数填写到等值风电场动态参数卡片中，通过填写潮流、暂态文件参数卡片的形式在PSD-BPA仿真平台中集成实现了风电场等值模型。

如图1所示，论证本发明合理性的具体步骤如下：

1、基于PSD-BPA仿真软件，在*.dat和*.swi文件中建立风电场详细静态模型和动态模型；

2、基于PSD-BPA仿真软件，在*.dat和*.swi文件中建立风电场静态和动态等值模型；

3、建立详细风电场模型和无穷大母线相连的简单系统模型；建立详细风电场模型和西北主网相连的复杂系统模型；

4、建立风电场等值模型和无穷大母线相连的简单系统模型；建立风电场等值模型和西北主网相连的复杂系统模型；

5、基于简单系统模型，针对静态特性和动态特性，对比分析详细风电场并网以及等值风电场并网的仿真结果；

6、基于复杂系统模型，针对静态特性和动态特性，对比分析详细风电场并网以及等值风电场并网的仿真结果；

7、据仿真对比结果，论证风电场等值模型的合理性。

实施例1：设风电场规模为50台，额定功率为1.5MW，总额定出力为75MW，且其中定速异步机组为25MW，双馈机组为50MW，恒功率因数为1控制方式下，风电场等值模型与详细风电场模型接入无穷大系统比较：

本方案静态特性分析：

如图6、7所示，将风电场等值模型和详细风电场模型分别接入到无穷大系统和西北电网，进行静态潮流计算并将计算结果加以比较。主要关注的静态参数有：风场主变低压侧SVC补偿容量、并网点电压、并网线路的有功和无功，以及风电场内部节点电压，通过从0MW到75MW，每隔15MW改变风电场出力，得到的计算结果如表1、表2所示：

表1不同风电出力时等值模型与详细风电场模型潮流计算结果(接入无穷大)

表2不同风电出力时等值模型与详细风电场模型潮流计算结果(接入西北网)

如图8、9、10、11所示，分别是本方案等值仿真结果与实际风电场接入西北电网时数据比较，附图8为风电不同出力时风电场等值与详细风电场模型SVC补偿容量对比，附图9为风电不同出力时风电场等值与详细风电场模型的并网点无功对比，附图10为去掉SVC后，风电不同出力时风电场等值与详细风电场模型的并网点无功对比，附图11为风电不同出力时风电场等值与详细风电场模型的并网点有功对比。

本方案动态特性分析：

故障类型1：接入西北电网的风电场等值模型和详细风电场模型并网点处三相短路(装机75WM的风电场出力为60MW)。得到的计算结果如图12、13、14所示，其中附图12为并网点三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网线路有功变化对比，附图13为并网点三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网点(PCC)电压变化对比，附图14为并网点三相短路，风电场等值与详细风电场模型的安康1J发电机功角变化对比，参考机为靖远5J。

故障类型2：风电场等值模型和详细风电场模型接入西北电网，河西送电通道的嘉酒-金昌段三相短路。具体结果如图15、16、17、18所示，其中附图15为嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网线路无功变化对比，附图16为嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网线路有功变化对比，附图17为嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的并网点(PCC)电压变化情况对比，附图18为嘉酒-金昌三相短路，风电场等值与详细风电场模型的安康1J发电机功角变化对比，参考机为靖远5J。

通过以上对比分析可以得出如下结论：

(1)静态潮流分析中，“风电场详细模型”与“等值模型”的并网点外特性表现出一定的差异，但在可接受范围内；

(2)功角稳定分析中，当风电场接入西北网，分别基于“风电场详细模型”和“风电场等值模型”，研究河西通道、西北网元件三永故障后，对比分析风电场并网点动态特性和西北网内功角曲线，在暂态稳定仿真时间范围内，仿真后两者并网点电压、有功、无功等动态电气外特性以及主网功角变化规律基本相似。

通过上述分析，验证了本方案提出的风电场等值模型的合理性。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制。