本发明属于电力系统技术领域，涉及一种基于风电机组3种运行区域的风电场模型聚合方法。
背景技术：
由于我国的风能呈现逆向分布的特点，而采用串联电容补偿输电技术是提高大规模、远距离风电输送能力的有效措施。但是，大型风电基地通过串联电容线路输电存在次同步振荡威胁。面对复杂的大规模电力系统，建立全系统详细电磁暂态模型进行实际工程研究，无疑是理论上最为精确的方法。由于风机的详细数学模型是多变量的微分方程组，其求解过程复杂。且实际的风电场中通常包含数十乃至数百台的风电机组，这使得风电场的详细建模导致‘维数灾’的出现，影响计算分析速度和效率。
根据文献《probabilisticstabilityanalysisofsubsynchronousresonanceforseries-compensateddfig-basedwindfarms》，当风电场的内的不同位置的风电机组处于不同风速运行条件下时，由于不同的风速区间内风电机组的控制策略不相同，其对外表现出的振荡阻尼特性亦不完全相同，其阻尼特性不能以一个统一的表达式表示，即不同的控制区间内的机组不能较好的聚合。
据已有的参考文献《equivalencingthecollectorsystemofalargewindpowerplant》提出了集电系统功率等值的思想，通过求解集电系统所消耗的有功和无功等值出集电系统的内部阻抗。但该文献提出的等值模型仅仅考虑了每台风电机组出线端电流相同的情况，没有计及其电流幅值或相位不同的情况，缺乏更深程度的说明。文献《methodofequivalencingforalargewindpowerplantwithmultipleturbinerepresentation》也是通过功率等值的思路求解其集电系统的阻抗值，但在假设风电机组出线端电压均相同的情况下，推导出线路电流不符合实际，存在问题。
目前，还没有一种方法可以计及电流幅值和相位的同时，考虑不同风速区间风机的控制策略不同的聚合方式。
技术实现要素：
为了解决以上不足，本发明将提出一种基于风电机组3种运行区域的风电场模型聚合方法。本发明提出了一种适用于不同风速运行控制区间，同时考虑机组出线端电流幅值和相位的适用于不同风速情况下次同步研究的风电场等值聚合方法。首先确定风电场内风机的运行特性和风电场内每台风机所捕获的风速。然后在不同风速控制区间内用k-means聚类方法将不同位置编号的风机聚合，确定每台机组的分组。在每个不同的分组之内，计算相应的等值机组参数，通过功率等值方法计算求解集电系统的等值阻抗参数。最后根据所求解出的等值相关参数和机组等值参数建立整个风电基地的简化等值模型，并同时将该模型与实际详细模型在次同步振荡下的模态阻尼和次同步振荡频率，验证了等值模型的有效性以及分析仿真的效率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种适用于次同步研究的风电场等值建模方法，包括如下步骤：
步骤1，确定所选择的风电场内风电机组的运行特性，即功率—转速特性等，如附图2—3所示。通过其运行特性，设定不同的聚合区间。
步骤2，在某一确定的聚合区间内，设定该区间内所需聚合风机的台数，运用k-means聚类方法将该区间内的机组聚合。
步骤3，根据每一分组内的风电机组的台数n，根据每台5mw的风电机组参数聚合等值后的风电机组相关参数seq，veq，xls_eq，xlr_eq，xm_eq，rs_eq，rr_eq：机端升压变压器的阻抗参数zeq_wf。
步骤4，根据所确定的机组编号，通过功率等值的方法计算出每台机组相对于公共耦合点的串联等值阻抗，再求解出等值后的本组机组的并联等值阻抗值即为聚合机组集电系统的阻抗值。
步骤5，根据计算求解出的等值发电机组相关参数，等值变压器相关参数和等值集电系统相关参数建立风电场等值简化模型。同时根据风电场内发电机组相关参数，变压器相关参数和集电系统相关参数建立风电场的详细模型。
进一步地，步骤1中，该类型的风机的切入风速为3m/s，额定风速为11.3m/s，切出风速为25m/s。附录图2—4给出了其风速－转速，转速－功率变化范围和风速－阻尼变化范围图。可见，区间1—[3,5]m/s的低速恒转速区，区间2—[5,11.3]m/s的最大风速跟踪(mppt)区和区间3—[11.3,25]m/s的恒转速恒功率区。每一个控制区间根据所需等值需求确定等值台数。不同运行模式之间存在非线性的切换，且对应的控制规律和参数也有明显区别，不同控制区域内的聚合往往效果不明显。
进一步地，步骤2中，k-means聚合方法的实现为：(1)从所需分类的风速区间数据d中随机取k个元素，作为k个簇的各自的中心。(2)分别计算剩下的元素到k个簇中心的相异度，将这些元素分别划归到相异度最低的簇。相异度一般用欧氏距离或者马氏距离来运算，距离越小，说明二者之间越相似。(3)根据聚类结果，重新计算k个簇各自的中心，计算方法是取簇中所有元素各自维度的算术平均数。(4)将风速数据d中全部元素按照新的中心重新聚类。(5)重复第4步，直到聚类结果不再变化。输出每个聚类的结果，即为每台聚类分组的编号。在确定每个分组中的风机台数与编号后，通过式
进一步地，步骤3中，风电机组的等值参数和各机端升压变压器的参数求解计算方法为：
式中：n为风电机组台数，si，seq分别为等值前后发电机额定功率；v，veq分别为等值前后发电机额定电压；xls，xls_eq和xlr，xlr_eq分别为等值前后发电机定子漏抗和转子漏抗；xm，xm_eq分别为等值前后发电机励磁电抗；rs，rs_eq和rr，rr_eq分别为等值前后发电机定子电阻和转子电阻。zt_wtg，zeq_wf分别为等值前后机端升压变压器阻抗值。
进一步地，步骤4中，集电系统串联等值阻抗
由附图4可知，则串联集电线路每段的功率消耗可以表示为：
根据所提出的功率等值的原则，等值前后集电系统消耗的功率应该相等。
则串联等值集电系统的阻抗即为：
式中：
由附图5可知，则并联集电线路每段的功率消耗可以表示为：
根据所提出的功率等值的原则，等值前后集电系统消耗的功率应该相等。并联等值集电系统的阻抗即为：
式中：
进一步地，步骤4中，根据系统的详细模型出风电场次同步振荡时的实际模态与阻尼，对比所提出等值简化模型，验证模型的合理性和有效性。
有益效果
1、所提出的基于风速聚合等值建模的方法适用于大型风电基地内不同风速风机的建模，考虑了不同控制策略的影响，建模更加精确。
2、所建立的风电场简化等值模型可代替实际的风电场详细模型，从而简化了仿真分析的系统模型。实现了通过简单模型来研究复杂系统的效果。
3、用所建立的简化模型进行风电场次同步特性分析时，可以大大减小计算规模。减少全系统电磁暂态仿真分析的时间，提高了评估效率。
4、所用所建立的简化模型与详细模型进行风电场次同步特性分析分析对比时，能较好的符合详细模型的阻尼模态。
附图说明
图1是假定所需建模的风电场内的风机排布方式，其中设定有4列机组，每列5台。
图2是风机的风速－转速对应图。
图3是风机的转速－功率变化范围图。
图4是每列串联等值后的详细模型和简化等值模型。
图5是并联等值前后的详细模型和简化等值模型。
图6是等值后风电机组的结构图。
图7是未等值时出线端电流中各频率分量
图8是等值后出线端电流中各频率分量。
图9是等值前后稳态运行时的有功功率。
图10是等值前后稳态运行时的无功功率。
具体实施方式
结合以上图进行具体说明。
步骤1：确定所选择的风电场内风电机组的运行特性，即功率—转速特性等。通过其运行特性，设定不同的聚合区间。
根据步骤1中，图2-3给出了风电场内5mw风电机组的运行特性曲线。根据其运行特性将整个风电场内的风电机组分为3类，即：区间1：[3,5]m/s的低速恒转速区，区间2：[5,11.3]m/s的最大风速跟踪(mppt)区和区间3：[11.3,25]m/s的恒转速恒功率区。每一个控制区间根据所需等值需求确定等值台数。
步骤2：在某一确定的聚合区间内，设定该区间内所需聚合风机的台数，运用k-means聚类方法将该区间内的机组聚合。
根据步骤2中，图1给出了所设定的风电场内机组分布情况，共有4列，每列5台机组，共计20台5mw的风电机组。表1则给出了每台机组的风速数据，根据选用的k-means聚类方法，将mppt控制区间内的风机聚合成4类，聚合后的结果如表2所示。
步骤3：设定风电场内风电机组的台数为n台，根据每台5mw的风电机组参数聚合等值后的风电机组相关参数seq，veq，xls_eq，xlr_eq，xm_eq，rs_eq，rr_eq：机端升压变压器的参数zeq_wf；其中：seq是等值发电机额定功率；veq是等值发电机额定电压；xls_eq和xlr_eq分别为等值发电机定子漏抗和转子漏抗；xm_eq为等值发电机励磁电抗；rs_eq和rr_eq分别为等值发电机定子电阻和转子电阻，zeq_wf为等值变压器的阻抗；
根据步骤3中，风电机组的等值参数和各机端升压变压器的参数求解计算方法为：n＝20；
步骤4：根据所确定的机组的编号，通过功率等值的方法计算出每台机组相对于公共耦合点的串联等值阻抗，再求解出本组机组的并联等值阻抗值即为聚合机组集电系统的阻抗值；
根据步骤4中，由风电场等值聚合后的分组，串联等值集电系统的阻抗即为：
表一.风电场内各台机组风速
表二.聚合后的机组分类与风速
表三.5mw风电机组参数
表四.单台电机升压变压器阻抗组参数
表五线路每公里的阻抗参数
表六聚合后的阻抗参数
步骤5：根据计算求解出的等值发电机组相关参数，等值变压器相关参数和等值集电系统相关参数建立风电场等值简化模型，同时根据风电场内发电机组相关参数，变压器相关参数和集电系统相关参数建立风电场的详细模型。
实施例
在pscad/emtdc软件中搭建风电场详细模型和简化等值模型，进行仿真分析。对比不同正常运行情形下输出有功和无功功率，对比发生次同步振荡时有功和无功功率及模态阻尼。算例的详细模型和简化等值模型如图6所示。输电线路串补电容为110微法，串补度为线路的30％。等值前后有功无功振荡模态具体情形如下表。从表中可以看出且等值前后次同步振荡主导模态的阻尼能够较好的很符合。同时对出线端的电流进行fft分析后，如图7,8所示，其主导频率也能较好的符合，均为16hz，与功率振荡中的44hz频率匹配，这都说明了聚合等值的有效性。同时稳态运行时的有功和无功功率如图9，10所示。
表七：等值前后有功振荡模态
表八：等值前后无功振荡模态
综上，本发明将提出一种基于风电机组3种运行区域的风电场模型聚合方法。具体步骤为：根据所需建模的实际风电基地内的各个风电场的中风速的分布情况和风机的运行特性确定风机的不同运行区间，再根据不同风速区间的控制策略对相关风电机组聚合。通过k-means聚类算法将同一风速区间的风电机组等值为单台机组，同时计算风电机组及其出线端变压器的等值参数。然后根据系统的接线方式，计算先将每一分组区间内的单台机组对公共耦合点的阻抗参数；在其各个等值阻抗参数的基础上计算聚合后的集电系统的等值阻抗；根据计算出的发电机组等值参数，变压器等值参数和集电系统等值参数建立风电场的简化等值模型。该发明应用于风电场次同步等值建模分析中。应用该等值模型进行风电场次同步特性分析时，在达到详细模型的精度下能减少时域仿真的计算量，缩短仿真分析时间。提高了风电场次同步特性分析的效率本发明提出的风电场次同步等值方法，考虑了各台风电机组出线端电流幅值和相位不完全相同时的情况，功率等值能够较好的适用于次同步模态分析。功率简化等值模型实现了简化运算提高效率的目的。