海上半直驱式风电场等值方法、系统和装置与流程

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种海上半直驱式风电场等值方法、系统和装置。

背景技术：

2017年，国家能源局发布的《关于加快推进分散式接入风电项目建设有关要求的通知》，其中明确指出分散式风电项目开发建设应按照“统筹效率、分步实施、本地平衡、就近消纳”的总体原则推进，并注重因地制宜。2018年，我国又相继发布了《2018年度风电投资监测预警结果的通知》、《关于印发2018年能源工作指导意见的通知》、《分散式风电项目开发建设暂行管理办法》、《关于2018年度风电建设管理有关要求的通知》等一系列政策文件，进一步保障风电行业稳步发展。

由政策可见，我国对于发展风电产业愈发积极，资源倾斜力度不断加大，无论是项目建设还是标准制定都呈现良好势头。然而，风电场(风电场是由一批风电机组或风电机组群(包括机组单元变压器)、汇集线路、主升压变压器及其他设备组成的发电厂，其利用风能从而达到用风发电的目的)中风电机组数量众多，且运行状态不尽相同，如果对单台风电机进行详细建模会使得风电场的模型十分冗杂，数据库十分庞大，也会带来诸如占用内存大、计算时间长等一系列严重问题，对此的解决办法是对风电场进行等值建模。

为此，相关技术中提出了一种直驱式风电场等值方法和系统，该技术通过建立各个电压跌落深度下的离线数据库，从所述离线数据库中为风电场的每台风电机选择匹配的离线数据库，并对匹配的离线数据库中的有功功率响应曲线进行聚类分群，根据聚类分群结果将所述风电机组划分为若干个机组群，计算每个机组群的等值参数，根据分群结果和等值参数建立直驱风电场等值模型。然而，该技术虽然充分考虑了机端不同电压跌落情况对等值结果的影响，但数据库极为庞大，运算量也十分复杂，同时传统聚类算法不能满足现阶段对于响应速度的高要求，这也是目前大型海上风电场的等值模型应用的主要瓶颈问题。

相关技术中还提出了一种双馈风电场动态、建模方法及系统，该技术通过综合考虑三种故障仿真试验结果，得到群间分隔风速并集，根据群间分隔风速并集对双馈风电场进行分群，将各群等效为一台等值风电机组。然而，该技术虽然不需要复杂的计算，且对风速数据和故障点位置具有良好的适应性，但其得到的等值结果不稳定，由于最后等值的仅为一台风电机，等值机的功率是所有机组功率的代数和，对于大型风电场，风电机组之间运行工况各异，必然存在难以兼顾风电机组之间运行状态差异的问题，即产生较大的等值误差。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种海上半直驱式风电场等值方法，该方法得到的等值模型精度高、占用内存少，计算复杂度低，且适用于大容量海上半直驱式风电场的动态等效建模以及对电力系统的影响分析。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种海上半直驱式风电场等值方法，包括以下步骤：获取海上风电场的风资源数据；按照预设步长将所述风资源数据中的风速划分为多个风速段，以建立风速数据库；根据半直驱式风电机组的桨距角控制动作对风电机组进行第一次分群，以得到第一群组和第二群组；根据所述风速数据库分别对所述第一群组和第二群组中的风电机组进行第二次分群；分别计算第二次分群得到的每个风电机组群的等值参数；根据所述每个风电机组群及其等值参数建立海上半直驱风电场等值模型。

本发明实施例的海上半直驱式风电场等值方法，以半直驱式风电机组桨距角控制动作情况和风速为机组分群原则对风电机组进行分群，进而计算每个机组群的等值参数，并根据分群结果和等值参数建立海上半直驱式风电场等值模型，该模型精确度高，响应速度快，且适用于大容量海上半直驱式风电场的动态等效建模以及对电力系统的影响分析，在工程领域具有重要的应用价值。

另外，本发明上述实施例的海上半直驱式风电场等值方法还可以具有如下附加的技术特征：

可选地，所述风资源数据库包括所述海上风电场在预设时间内检测得到的风速。

可选地，所述桨距角控制动作包括桨距角控制已动作和桨距角控制未动作。

可选地，所述预设步长为1m/s，风速段的个数为15。

可选地，利用电力系统同调动态等值方法根据半直驱式风电机组的桨距角控制动作对风电机组进行第一次分群。

可选地，利用elkank-means聚类算法根据所述风速数据库分别对所述第一群组和第二群组中的风电机组进行第二次分群。

可选地，所述等值参数包括传动链等值参数、发电机等值参数、变压器等值参数、风速等值参数和控制等值参数。

可选地，利用容量加权法根据如下公式计算所述传动链等值参数：

其中，hg和hg_eq分别表示等值前后的发电机的转子惯性时间常数，ht和ht_eq分别表示等值前后的风力机的转子惯性时间常数，ks和ks_eq分别表示等值前后的轴系刚度系数，m为风电机组群中风电机组的台数；

利用容量加权法根据如下公式计算所述发电机等值参数：

其中，s和seq分别表示等值前后的发电机容量，xm和xm_eq分别表示等值前后的发电机励磁电抗，x1和x1_eq分别表示等值前后的发电机定子电抗，x2和x2_eq分别表示等值前后的发电机转子电抗，r1和r1_eq分别表示等值前后的发电机定子电阻，r2和r2_eq分别表示等值前后的发电机转子电阻；

利用容量加权法根据如下公式计算所述变压器等值参数：

其中，st和st_eq分别表示等值前后的变压器容量，zt和zt_eq分别表示等值前后的变压器阻抗；

利用输入风能不变原则根据如下公式计算所述风速等值参数：

其中，veq表示等值后的风速，vi表示第i台风电机组对应的风速；

利用控制性能不变原则根据如下公式计算所述控制等值参数：

其中，qref_i表示等值前的第i台风电机组的无功功率控制参考值，qref_eq表示等值后的风电机组的无功功率控制参考值。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种海上半直驱式风电场等值系统，包括：获取模块，用于获取海上风电场的风资源数据；划分模块，用于按照预设步长将所述风资源数据中的风速划分为多个风速段，以建立风速数据库；第一分群模块，用于根据半直驱式风电机组的桨距角控制动作对风电机组进行第一次分群，以得到第一群组和第二群组；第二分群模块，用于根据所述风速数据库分别对所述第一群组和第二群组中的风电机组进行第二次分群；计算模块，用于分别计算第二次分群得到的每个风电机组群的等值参数；建模模块，用于根据所述每个风电机组群及其等值参数建立海上半直驱风电场等值模型。

本发明实施例的海上半直驱式风电场等值系统，以半直驱式风电机组桨距角控制动作情况和风速为机组分群原则对风电机组进行分群，进而计算每个机组群的等值参数，并根据分群结果和等值参数建立海上半直驱式风电场等值模型，该模型精确度高，响应速度快，且适用于大容量海上半直驱式风电场的动态等效建模以及对电力系统的影响分析，在工程领域具有重要的应用价值。

为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种海上半直驱式风电场等值装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现上述的海上半直驱式风电场等值方法。

本发明实施例的海上半直驱式风电场等值装置，在其存储器上存储的与上述海上半直驱式风电场等值方法对应的计算机程序被处理器执行时，得到的等值模型精度高、占用内存少，计算复杂度低，且适用于大容量海上半直驱式风电场的动态等效建模以及对电力系统的影响分析。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明实施例的海上半直驱式风电场等值方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的海上半直驱式风电场等值系统的结构框图；以及

图3是根据本发明实施例的海上半直驱式风电场等值装置的结构框图。

具体实施方式

由于风电行业发展迅速、装机容量持续增长，运营维护工作也日益成为关注焦点。尤其是近年来发展迅猛的海上风电项目，是新能源发展的前沿领域，也是可再生能源中最具规模化发展潜力的领域。发展海上风电将成为优化能源结构，实现能源转型升级，促进装备制造业发展的重要举措。海上风电与陆上风电相比优势主要有如下几点：海上的风平稳；单机装机容量更大；不占地、不扰民；风机利用率更高；距离用电负荷近。

同时，随着近年来风电技术的快速发展以及风电场接入电网技术相关规定的颁布，半直驱式风电机组应用日趋广泛，且逐步取代双馈式风电机成为国内主流风电机型。半直驱式风电机组有诸多优点，其中半直驱式风电机组有较简单的低速齿轮箱，低速齿轮使风电机组的寿命和可靠性有了大幅度提高，而且还可以减少直驱式风电机组发电机的级数，降低发电机的制造难度并减少发电机的体积和重量。与双馈式风电机型相比，半直驱式风电机的齿轮箱的传动比低；而与直驱式风电机型比，半直驱式风电机转速高。这个特点决定了半直驱式风电机一方面能够提高齿轮箱的可靠性与使用寿命，同时相对直驱式风电机而言，能够兼顾对应的发电机设计，改善大功率的直驱式风电机的设计与制造条件。

但当前对风电场等值模型的研究主要集中于陆地风电场，现阶段对海上风电场，尤其是海上半直驱式风电场的等值建模存在技术空缺。且目前对海上风电场的等值方法中，普遍存在误差大，计算量复杂，计算速度慢等短板，因此，本发明提出了一种海上半直驱式风电场的等值方法、装置和系统。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的海上半直驱式风电场等值方法、系统和装置。

实施例1

图1是本发明实施例的海上半直驱式风电场等值方法的流程图。

如图1所示，海上半直驱式风电场等值方法包括以下步骤：

s1，获取海上风电场的风资源数据。

其中，风资源数据库包括海上风电场在预设时间(例如，1年)内检测得到的风速。

s2，按照预设步长将风资源数据中的风速划分为多个风速段，以建立风速数据库。

其中，预设步长可为1m/s，风速段的个数可为15。

s3，根据半直驱式风电机组的桨距角控制动作对风电机组进行第一次分群，以得到第一群组和第二群组。

其中，桨距角，即风电机上的桨距角，指的是叶片弦长与旋转平面的夹角。风电机组采用变桨距控制，通过调整叶片迎风角度，来进行功率调整的方式。在该实施例中，桨距角控制动作包括桨距角控制已动作和桨距角控制未动作。

具体地，可利用电力系统同调动态等值方法根据半直驱式风电机组的桨距角控制动作对风电机组进行第一次分群。

s4，根据风速数据库分别对第一群组和第二群组中的风电机组进行第二次分群。

具体地，可利用elkank-means聚类算法根据风速数据库分别对第一群组和第二群组中的风电机组进行第二次分群。

其中，选取一风速作为分群判据后，利用elkank-means聚类算法进行第二次分群时，还可对分群结果进行稳定性判断，即判断分群结果是否稳定，如果稳定，则执行步骤s5；如果不稳定，则选取新的风速作为分群判据，再次利用elkank-means聚类算法进行第二次分群，以此类推，直至分群结果稳定。

本发明采用的elkank-means聚类算法，通过简化距离的计算，利用了两边之和大于等于第三边，以及两边之差小于第三边的三角形性质，实现等值模型的快速收敛。

具体地，(1)对于一个样本点x和两个质心μj1、μj2，预先计算出这两个质心之间的距离d(j1,j2)，如果通过计算发现2d(x,j1)≤d(j1,j2),可以推出d(x,j1)≤d(x,j2)，此时不需要再计算d(x,j2)，节省了步骤；对于一个样本点x和两个质心μj1、μj2，可以得到d(x,j2)≥max{0,d(x,j1)-d(j1,j2)}。

相较于传统的k-means聚类算法，本发明采用的elkank-means聚类算法，利用上述的两种特性，迭代速度有明显改进，由此，本发明最终得到的海上风电场等值模型在精度、占用内存和计算时间等方面相较于现有技术都得到了显著提高。

在该实施例中，对于拥有风电机组数量多、运行点不同、占地广、场内风速分布不均等特点的大型风电场来说，不适宜将其简单等值为单台风电机。为此，对风电场中的风电机组进行上述第一次分群和第二次分群，以将风电场进行合理划分。

s5，分别计算第二次分群得到的每个风电机组群的等值参数。

其中，等值参数可包括传动链等值参数、发电机等值参数、变压器等值参数、风速等值参数和控制等值参数。

具体地，可利用容量加权法根据如下公式计算传动链等值参数：

其中，hg和hg_eq分别表示等值前后的发电机的转子惯性时间常数，ht和ht_eq分别表示等值前后的风力机的转子惯性时间常数，ks和ks_eq分别表示等值前后的轴系刚度系数，m为风电机组群中风电机组的台数；

可利用容量加权法根据如下公式计算发电机等值参数：

其中，s和seq分别表示等值前后的发电机容量，xm和xm_eq分别表示等值前后的发电机励磁电抗，x1和x1_eq分别表示等值前后的发电机定子电抗，x2和x2_eq分别表示等值前后的发电机转子电抗，r1和r1_eq分别表示等值前后的发电机定子电阻，r2和r2_eq分别表示等值前后的发电机转子电阻。

可利用容量加权法根据如下公式计算变压器等值参数：

其中，st和st_eq分别表示等值前后的变压器容量，zt和zt_eq分别表示等值前后的变压器阻抗。

可利用输入风能不变原则根据如下公式计算风速等值参数：

其中，veq表示等值后的风速，vi表示第i台风电机组对应的风速。

可利用控制性能不变原则根据如下公式计算控制等值参数：

其中，qref_i表示等值前的第i台风电机组的无功功率控制参考值，qref_eq表示等值后的风电机组的无功功率控制参考值。

s6，根据每个风电机组群及其等值参数建立海上半直驱风电场等值模型。

其中，海上半直驱风电场等值模型，是指在保证风电场对研究系统动态影响不变的条件下，对风电场进行简化后得到的模型。

具体而言，根据海上风电场在预设时间内(如，1年)实际测得的风速，将风速按照预设步长(如1m/s)将风速划分为多个(如，15个)风速段，建立风速数据库，进而利用电力系统同调动态等值方法，以半直驱式风电机组桨距角控制动作为机组分群原则，对风电机组进行第一次分群，将半直驱式风电机组分成2个群。对于上述2个分群，基于风速数据库，选取风速作为分群判据，利用elkank-means聚类算法，对风电机组进行第二次分群，进而计算每个风电机组群的等值参数，根据分群结果和等值参数最终建立海上半直驱风电场等值模型。

由此，上述等值模型不仅能体现海上风电场中各机组运行状态的差异性，且在模型精度、占用内存和计算时间方面都得到了提高。同时，上述等值模型包括传动链、发电机、变压器、控制系统的等值，适用于大容量海上半直驱式风电场的动态等效建模以及对电力系统的影响分析，在工程领域具有重要的应用价值。

实施例2

图2是根据本发明实施例的海上半直驱式风电场等值系统的结构框图。

如图2所示，海上半直驱式风电场等值系统10包括：获取模块11、划分模块12、第一分群模块13、第二分群模块14

其中，获取模块11用于获取海上风电场的风资源数据；划分模块12用于按照预设步长将风资源数据中的风速划分为多个风速段，以建立风速数据库；第一分群模块13用于根据半直驱式风电机组的桨距角控制动作对风电机组进行第一次分群，以得到第一群组和第二群组；第二分群模块14用于根据风速数据库分别对第一群组和第二群组中的风电机组进行第二次分群；计算模块15用于分别计算第二次分群得到的每个风电机组群的等值参数；建模模块16用于根据每个风电机组群及其等值参数建立海上半直驱风电场等值模型。

需要说明的是，前述对海上半直驱式风电场等值方法具体实施方式的描述同样适用于本发明实施例的海上半直驱式风电场等值系统的具体实施方式，此处不再赘述。

本发明实施例的海上半直驱式风电场等值系统，以半直驱式风电机组桨距角控制动作情况和风速为机组分群原则对风电机组进行分群，进而计算每个机组群的等值参数，并根据分群结果和等值参数建立海上半直驱式风电场等值模型，得到的等值模型精度高、占用内存少，计算复杂度低，且适用于大容量海上半直驱式风电场的动态等效建模以及对电力系统的影响分析。

实施例3

图3是根据本发明实施例的海上半直驱式风电场等值装置的机构框图。

如图3所示，海上半直驱式风电场等值装置20包括存储器21、处理器22以及存储在存储器21上的计算机程序23。

在该实施例中，计算机程序23被处理器22执行时，实现上述的海上半直驱式风电场等值方法。

本发明实施例的海上半直驱式风电场等值装置，在其存储器上存储的与上述海上半直驱式风电场等值方法对应的计算机程序被处理器执行时，得到的等值模型精度高、占用内存少，计算复杂度低，且适用于大容量海上半直驱式风电场的动态等效建模以及对电力系统的影响分析。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。