加权容量法在风电场多机等值中的应用

付兆远，许志元，王万宝，周迎新，吴长静

（1.济南供电公司，山东 济南 250012；2.枣庄供电公司，山东 枣庄 277000）

0 引言

风电技术的成熟和装备水平的发展使风力发电成为目前技术最为成熟、商业化前景最为广阔的新能源技术。目前中国风电并网总装机容量居世界第一，2012年风电发电量超过核电发电量成为中国第三大电源［1］。国家政策支持、风力发电技术的不断成熟使得风电成为新能源的领路者。

风电场的快速发展对局部地区电网系统的安全运行与控制产生了较大程度的不利影响。风电场低电压穿越特性、反调峰特性等严重影响了地区电网的风电接纳能力［2］。大容量风电场的接入对地区电网的影响已成为近来研究的热点问题之一。

风电场普遍存在机组数量多、分布范围广的特点，每台风电机组的风能利用能力均不相同，如果详细考虑每台风电机组对地区电网的影响，会大大增加电网的分析计算工作量。电力系统潮流计算、继电保护整定等普遍考虑的是风电场的群体行为而不关注单台机组的运行状态，因此风电场的等值简化对电力系统分析尤为重要［3］。本文将使用加权容量法对复杂的风电场进行简化建模［4］，通过仿真分析电网发生典型故障时，风电场等值机与风电场详细模型的输出变化，进而验证风电场等值在电力系统分析计算中应用的可靠性。

1 容量加权法原理

普通风电场由数十到上百台风电机组模型，在系统分析计算时，不必考虑每台机组的输出特性，只要能准确模拟整个风电场对外输出特性即可满足系统分析计算的要求。机组容量、同步电抗是稳态计算的不需条件，暂态计算时需要额外考虑机组转子时间常数、暂态电抗等。等值计算时，根据机组本身特性、风速条件等将风电场划分为N个集群，分别计算每个集群的等值参数。

工程计算中，常忽略风机至变压器的电缆阻抗，认为集群内所有风电机组通过变压器接于统一母线上，即计算时系统网络中只考虑变压器阻抗、发电机阻抗。

对第i个风电机组集群进行等值时，等值机容量、有功功率应为该集群中所有风电机组的容量和有功功率之和。

容量加权系数

同样按照容量加权法计算得出等值机组的电气参数、扫风面积、风能利用系数、风速

式中：Xm表示风电场某个集群内第m台风电机组的某一电气参数，Xeqi为等值机中与Xm对应的参数，Am、Cpm、νwm分别表示第i个机群内第m台风力机的扫风面积、风能利用系数和风速。

一般来讲，同一集群中风电机组所处风速相差不大，此时等值机风速可简化为

2 多台风机等值系统建模

算例风电场采用21台双馈感应风力发电机组，机组额定电压为0.69 kV，分别经升压变压器接至中压母线，考虑到地形地貌和风能资源的分布特点，风电机组经3条集电线路接至风电场升压变电站，升压至110 kV与外网相连如图1所示。其中，集电线路1上有3台2 MW风电机组，集电线路2上装8台2 MW风电机组，集电线路3上装10台2 MW风电机组。

图1 算例风电场示意图

使用DigSILENT/PowerFactory软件建模，该软件是德国DIgSILENT Gmbh公司开发的电力系统仿真软件，包含了潮流、短路计算、机电暂态及电磁暂态计算等一系列计算功能，其风电机组电气部分包括双馈感应电机、变频器模型及风速、机械传动系统、空气动力学部分及风电机组的控制系统。

为验证加权容量法在风电场等值计算中的有效性，在本算例中以集电线路Line2上的8台2 MW风电机组为例，在DigSILENT/PowerFactory中建立8台风机模型，8台风机分别通过变压器连接至HV母线上。 等值机的绕组时间常数、扫风面积等参数按上节所述加权容量法的原则求得。等值后的风电场如图2所示。

图2 风电场等值结构

基于所建立的仿真模型，0 s时高压母线HV发生故障。在母线MV处测量母线电压、电流、有功功率及视在功率。

为了说明等值方法的合理性，给出相对误差和平均相对误差的计算公式式中，M为采样点数。

3 仿真分析

为了使更加详细地分析加权容量法所建立模型的适用性，仿真中考虑以下3种风电场情况：1）所有风机在同一风速条件下运行。2）不同风电机组集群在不同风速条件下运行，处于集电线路上的3台机组处于风速为15 m/s的环境中，处于集电线路2上的8台机组处于11 m/s的风速环境中，集电线路3上装设的风电机组仿真风速为8 m/s，按照加权容量法计算出的等值机风速为11.3 m/s。3）风机在变风速条件下运行，详细模型和等值机模型的稳态运行风速都设置为11 m/s，在t=-0.4 s时阵风开始，持续时间为2 s，幅值为6 m/s。同时仿真中详细考虑了高压母线HV的故障情况，包括三相故障、单相故障、两相故障及两相接地故障。

3.1 机端高压母线三相短路时等值风机的输出功率分析

在上述建模工作的基础上，以不同集群风速不同的情况为例来分析等值机与风电场集群详细模型的输出差别。按照上述风速仿真条件，考察用来描述电源的4个主要特征电气量，即视在功率、有功功率、电流、机端电压。由于在机端发生三相短路的条件下，风电场机群对电网的影响最大，考虑极端情况，短路地点设置在机组出口处，此时详细模型与等值机模型输出图形如图3所示。

图3 等值前后风电场运行曲线比较

从仿真图形中可以看出，风电场等值模型与详细模型的输出电气量基本重合，等值机可以较好地模拟系统的暂态过程。此时对相同风速条件、风速变化时进行仿真，并利用式6计算其平均相对误差，结论如表1所示。

表1 高压母线三相短路时等值前后输出量的平均相对误差 %

从表1可以得出：对风电集群机组做等值计算后，等值电源的4个主要电气特征量与详细模型吻合程度很高，为得出一般性结论，现对机端母线其他类型的故障做进一步分析。

3.2 机端高压母线发生其他故障时等值风机输出电流变化分析

3.1中仿真条件为机端高压母线发生三相短路故障，为进一步分析等值风机的输出特征，现对高压母线发生A相接地、BC相间短路、BC短路接地3种情况进行进一步分析。仿真结论如表2所示。

表2 高压母线不同类型故障时等值前后输出电流的平均相对误差 %

4 结语

由以上仿真可看出，使用加权容量法计算出的风电场等值模型的输出视在功率、有功功率、机端电压和电流与详细模型吻合程度很高。考虑风电场故障条件下的暂态特性时，风电场等值模型计算出的电源4个主要特征量变化曲线与星系模型基本吻合，误差满足工程计算的要求。使用加权容量法进行风电机群等值分析对电气设备选型、继电保护整定具有很强的实用意义。

［1］ 陈树勇，戴慧珠，白晓民，等.风电场的发电可靠性模型及其应用［J］.中国电机工程学报，2000，20（3）：26-29.

［2］ 李先允，陈小虎，唐国庆.大型风力发电场等值建模研究综述［J］.华北电力大学报，2006，33（1）：42-46.

［3］ 余洋，陈盈今，刘立卿，等.大规模风电接入对电网电压稳定性影响的研究［J］.电力科学与工程，2010，26（4）：1-4.

［4］ 迟永宁，王伟胜，刘燕华，等.大型风电场对电力系统暂态稳定性的影响［J］.电力系统自动化，2006，30（15）：10-14.

［5］ 李晶，王伟胜，宋家骅.变速恒频风力发电机组建模与仿真［J］.电网技术，2003，27（9）：14-17.