一种适用于电磁暂态仿真的风电场等值建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统建模领域，特别是涉及一种适用于电磁暂态仿真的风电场等 值建模方法。
【背景技术】
[0002] 风电场等值模型是研究人员与运行人员对包含风电场的电力系统进行分析的重 要工具，对电网调度与电网安全稳定运行有重大意义。如果风电场等值模型的仿真结果与 实际风电厂的量测结果有较大误差，将此模型运用于电力系统分析时，可能会使研究人员 得出错误的结论，或运行管理人员进行错误的操作，威胁了电网的安全稳定，严重时造成区 域性的电力事故，对本区域的国民用电安全、经济发展和正常生活带来严重影响。风电场包 含数目众多的风机，对各机组分别精确建模，仿真时间过长，降低了模型的实用性。从电网 考虑，只需关注风场出口处电气量，没必要精确求解场内各变量。有鉴于此，对风电场等值 建模方法进行深入研究，在保证仿真精度的前提下，提高仿真速度，使得模型能够对包含风 电场的电力系统的分析与运行做出指导性的建议，更有利于电网稳定安全的运行。
[0003] 风力发电系统可分为动力、电气、控制三大部分，动力部分有风速、风轮以及传动 链;电气部分有发电机、变压器、集电线路;控制部分有变桨、变流控制器。与之对应，风电场 等值可分为动力、电气、控制三部分内容，下面从这三个方面分别进行详细的技术背景介 绍。
[0004] 动力部分:风速等值主要有平均值法、反函数法、功率不变法三大类。平均值法等 值前后功率存在明显误差;反函数法需要统计单台机组风速-风功率曲线，但当风场内某些 风机的风轮尺寸不一致时，应用此法的有效性还需验证;依据功率不变的计算法原理明确， 计算简便，但需要对风能利用系数进行进一步的处理。传动链等值方面，传动链主要采用双 质块模型，其参数等值广泛使用容量加权法。风轮等值方面，多数方法仅是对其进行简单说 明，风轮半径、齿轮箱变比、最大风能跟踪曲线系数等与风轮有关的参数技术处理细节鲜见 在等值中提及。
[0005] 电气部分:发电机参数等值有传递函数拟合法、智能搜索类算法、容量加权法三大 类。传递函数拟合法计算量大，并且主要用于包含异步发电机的风电场等值，在包含DFIG风 电场的等值中未见使用。智能搜索类算法也广泛用于异步型风电场等值，对于DFIG，由于电 气、控制参数均需寻优，解空间维数增大，求解时间长。并且，智能搜索算法寻优出的参数对 工况的适应性有待进一步研究。容量加权法由于计算简单，等值前后的仿真结果基本一致， 在风电场等值中广泛采用。集电线路等值有两大类方法，即电压损耗不变法与功率损耗不 变法。目前大多数集电线路等值方法只考虑同一干线上的机组划分在一群，而未考虑不同 干线上的机组划分在同一群的情况。
[0006] 控制部分:控制参数影响了风机的运行性能，属于风电场等值必须考虑的内容。但 是目前关于风电场等值的文献中，大部分没有提及控制参数，较少数文献采用容量加权法， 而没有从原理上进行说明。某些方法采用改变控制器结构、增加补偿项的方法进行控制器 等值，但这种补偿式的等值方法实用性和通用性较差。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种适用于电磁暂态仿真的风电场等值建模方法，克服了 现有风电场等值建模方法中误差大、模型复杂、对工况的适应性差等缺点，从动力、电气、控 制三个方面分别对等值参数的计算方法进行改进。
[0008] 在动力部分等值方面，改进了风速等值法，调整了等值后的最大风能跟踪曲线，此 外考虑到等值后风轮半径的改变，对等值机组齿轮箱变比进行了调整;在电气部分等值方 面，采用了容量加权法对发电机参数进行了等值，考虑到不同干线的机组可能划分到同一 机群的情况，本文基于功率损耗不变原则提出了一种改进的风电场集电线路等值方法。在 控制参数等值方面，考虑到等值机组参数发生变化的情况，借鉴单机控制参数的工程设计 方法，得出了可以实现等值前后性能不变的等值机控制器参数整定公式。
[0009] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0010] 1)动力部分
[0011] 1.风速等值
[0012] 令同一机群内风力机捕获的风功率之和与等值机捕获的风功率相等，即
[0013] - ⑴
[0014] 式中：分别为实际与等值后的捕获风功率;η为需要等值的机群内包含 的风机台数;Cpi、Cpe3q为等值前后风能利用系数;Ρ为空气密度;Smi、S me3q为等值前后风轮扫略 面积;为等值前后风速。本文等值机参数均用下标"eq"表示。
[0015] 令等值风力机风轮扫略面积sme3q为各风力机扫略面积Smi之和;等值风能利用系数 为各机组风能利用系数平均值，即=5L 。由（1)式可得到等值风速为
[0016] ⑵
[0017] 2.风轮、传动链等值
[0018] 等值风力机风轮扫略面积为各风力机扫略面积和，即心,％ ，因此等值的 风轮半径关
[0019] 由于等值风轮尺寸变大，要实现等值机的最大风能跟踪，最大功率跟踪曲线要相 应地调整。等倌机在MPPT K捕获最大功率为
[0020]
⑶
[0021]此式成立的条件是叶尖速比最优，即
[0022] A〇pt= OgqReq/Veq (4)
[0023] 式中coeq为等值风力机角速度，为最优叶尖速比。
[0024] 将式(4)代入式(3)中，即可得到等值机最大风功率跟踪曲线表达式为
[0025]
{5)
[0026]其中最大功率跟踪曲线系数为
[0027] kw= 0.5CPmaxpSmeq(Req/A〇pt)3 (6)
[0028] 由上式可知，风轮等值后，其最佳功率曲线也要相应地调整。
[0029] 为实现最大风能跟踪，等值前后叶尖速比都要保持最优。由于等值后风轮半径变 大，这就使等值风力机转速相应降低，如齿轮箱变比N不变，则等值后发电机转子转速也降 低，进而改变转子上电气量的频率以及定转子功率分配，导致等值前后功率出现较大误差。 因此，如果等值后风轮尺寸改变，为使发电机转子转速不变，要对等值机的变速箱变比N eq进 行调整。下面给出齿轮箱变比等值的具体步骤。
[0030] 首先，等值前后叶尖速比都要保持最优，即
[0031] (7)
[0032] 式中，ω，R，V以及coeq，Req，Veq分别为等值前后风轮转速、半径和输入风速。
[0033] 为保证等值前后发电机转速不变，应当有
[0034] 〇eqNeq= ?Ν (8)
[0035] 为简化说明，假设此时风场内各机组风轮半径、输入风速均相同，由式(2)可知，veq =v。将式(7)代入式(8)，可得
[0036] Neq = N〇/oeq = NReq/R (9)
[0037] 需要说明的是，各机组风速相同这一条件不是必须的，如从等值前后MPPT区对应 的转速区间来计算等值后的齿轮箱变比，则可不用此假设。但各机组风轮半径相同这一条 件是必须的。因而，应用时同一机群的风轮尺寸要尽量相同。
[0038] 传动链采用双质块模型表示，其方程如下
[0039] (10)
[0040] 式中:Ht、Hg分别为风力机与发电机惯性时间常数；c〇t、〇^分别为风力机与发电机 转速(标幺值）；ω:为同步角速度(有名值）；0 tw为传动轴扭转角(有名值）；Τω、?^、??1_ 风力机、传动轴、发电机转矩(标幺值）；K sh为轴刚度系数;Dsh为轴阻尼系数;t为时间（有名 值)。
[0041 ]等值机传动链参数采用容量加权法，即
[0042]
{11)
[0043] 式中：Pi为容量加权系数，Pi = Si/Seq，其中Si为各发电机基准容量，