大规模并网型风电场等值建模研究现状

曹张洁，向荣，谭谨，王晓茹

（西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031）

由于自然条件等的约束，我国风能资源多分布于西北内陆地区，这些地区往往远离大负荷所在地，为了开发这些丰富的清洁可再生能源，就必须要走大基地开发、并网输出的路线，即在风能资源丰富的空旷地区建立起大规模的风力发电基地。同时，我国东部沿海等地区也蕴藏着可观的海上风能资源，一系列海上风电场的建设项目也逐步被纳入规划。因此，对由数十上百甚至上千台风电机组所组成的大规模风电场进行建模，将庞大复杂的风电场系统等值为某个便于计算分析的风电场模型，在实际的风电并网中有着十分重要的意义。而随着大规模风电场的不断开发和建设，对其接入电网的等值模型的研究在很长一段时间内都将成为热点。

在含有大规模风电场接入的电力系统的稳态运行和一系列稳定性分析中，针对不同的研究目的，可以从对各种类型风电机组的数学模型的具体分析出发，通过合理地组合或简化建立起相应的等值模型，进而利用经过验证的可靠的风电场等值模型来进行含大规模风电场接入的电力系统仿真，大大简化仿真过程，减少计算的时间，提高分析速度和效率。

1 风电场等值建模思想

1.1 风电并网问题

在发展风力发电的最初，人们便认识到，将风能作为产生电能的原动力，风的随机波动性和间歇性将不可避免地影响到电力系统的正常运行。文献[1]针对这一客观事实，就并网型风电场对电网频率、电网电压（电能质量）、电网电压稳定性的影响进行了讨论，阐述了风电并网后电网可能产生的某些特性。

当风力发电在某个区域的电力来源中所占的比重相对较大时，风电场与电力系统之间的相互关系也将变得尤为重要。在研究中不仅要考虑远距离输电可能产生的问题，更应当考虑由于风的不确定因素而对整个风电场出力所造成的影响以及当电力系统受到各种扰动或遭遇各种故障状况时风电场会做出的各种反应。

随着风电场中所包含的风力发电机组数量的增多，当将风电直接并入大电网时，由风能本身的间歇性和不确定性等所可能对电网带来的影响必然也越来越大。因此，无论是稳态运行时的潮流计算还是动态的稳定性问题，都需要有一个可靠的风电场模型来进行相关的电力系统分析。

简言之，风力发电较传统发电方式所存在的特殊性决定了对风电并网问题进行深入探索和研究的必要性。

1.2 风电机组模型

目前还没有一个可以适用于各种仿真分析的标准风电场模型。要建立风电场模型，一般先从单个风电机组的模型出发。由电力系统基本的潮流分析和稳定性研究入手，可分别建立风电机组的稳态模型和动态模型。稳态模型一般只适用于电力系统正常稳定运行时的分析，范围相对狭窄；而动态模型可以反映如风速、电网电压、频率等更多外界物理量的变化，对研究风电并网的稳定性问题具有更大的研究价值，因此也获得了较多的关注。而从风力发电的实际应用来看，又可将风力发电机组分为脱网型和并网型两种。前者主要应用于无电网地区，其模型的建立已较为成熟[2]；后者则是与电网直接相连，即并网供电，该技术已被全世界广泛认可并一直处于不断地研究和完善中，本文便是基于并网型风电场的模型展开讨论的。

由于双馈感应发电机（Doubly Fed Induction Generator,DFIG）具有较强的变速恒频运行能力，且能参与电力系统的无功功率调节，提高系统稳定性，实现高效、优质的发电以及发电机安全、便捷地并网，目前已经成为大规模风力发电中普遍采用的风力发电机。

文献[3]在考虑风电并网的稳定性问题时对双馈风力发电机动态模型进行了研究，文献[4]给出了适用于谐波分析的双馈风力发电机（风轮机、发电机、控制部分）的数学模型。基于文献[5]中所提出的双馈异步风力发电机机电暂态数学模型，相关研究人员又先后建立了双馈异步风电机组的动态模型，以双馈异步发电机容量为约束条件，导出了双馈异步风电机组在不同风速下的无功功率调控能力[6]，以及基于PSCAD/EMTDC仿真平台的两相旋转坐标系下的双馈感应风电机组电磁暂态模型[7]。

1.3 风电场建模

由文献[8]可知，对风电并网，无论是潮流计算还是暂态稳定研究，均可用两种方法来考虑对风电场进行建模。1）采用具体模型，即将风电场中每个风力机的详细模型通过一定的连接方式组合起来，此方法包括了众多的线路和节点，且需要非常完整的各个风力机的相关参数。这样的具体模型不仅可以确定风电场对电力系统的功率注入，也可用来确定风电场内部的电压及电流关系。2）从整个风电场对电网的影响出发，将风电场看成一个整体来进行研究，即可将一个大规模的风电场简化为几台或者单台风力发电机组的模型来分析风电场对电网的影响，此时，往往不需要考虑风电场的内部情况。

随着对风电场建模研究的不断深入，更多的等值建模思想和建模方法被提出并经过了相关验证，下文将对其进行简要的介绍。

2 大规模风电场等值建模

2.1 风电场稳态等值建模

风电场稳态模型的主要用于电力系统潮流计算分析，同时也可作为稳定性分析的初始状态。研究系统潮流时，关键是考虑风电场总的注入功率。

一个风电场模型的建立往往是基于单个风力发电机组模型所实现的，而对于各种类型的单个风力发电机组的静态模型研究已经相对具体和成熟，故对单个风力发电机组的数学模型将不在此赘述，而从基本的等值方法入手来讨论风电场的稳态模型。

在理想条件下，假设风电场上每台风力机接受同一个方向吹来的速度相同的风力，此时，对所有同型号的风力机来说，可以将相同的风能转化为等量的电能，即每台风力发电机组的出力相同。于是，风电场等值模型的视在功率为：

其中Si，j=Pi，j+jQi，j，i，j为每台风力发电机组所在的位置编号。

此时将风电场等值为了一台风力发电机，即可考虑将风电场视为PQ节点或RX节点来对风电接入的电力系统进行潮流计算[9]，将有功功率和无功功率作变量处理，迭代求解。另外，在将风电机组作RX节点处理时，通过不断的迭代修改异步机的滑差也可达到潮流计算的目的[10]。

而在实际风电场中，由于风电机组的位置分布以及风速空间分布不同和尾流效应的影响，不同风速和风向使风电场总功率输出差异很大，故不能对所有风力机的输出功率进行简单的加和。在讨论风速分布不同的情况下，文献[11]提出应根据风电机组变压器高压侧的功率因数对风电机组进行等值，并对风电场内部集电系统（直埋电缆、架空线路两种情况）进行了等值。

当需要考虑风能分布模型时，常见的风电场风速尾流模型Jenson模型和Lissaman模型分别模拟了平坦地形和非均匀风速场的尾流情况，而这两种模型均只考虑了相邻上游风力机对下游风力机所产生的尾流效应。文献[12]在Jenson模型的基础上又提出了含有风速切变的Jenson模型和一种考虑相邻多台风力机对其下游某一风力机均有尾流影响的具体的尾流效应模型。

在变风速风电场中，在应用风能模型得到各台风力机的风速时，通常可根据由风力机制造商提供的风力机的功率特性曲线来确定每台风力机的输出功率，然后可考虑用加权求和法来对整个风电场的出力进行计算[13-14]。

2.2 风电场动态等值建模

在含风电接入的电力系统中，研究系统的稳定性是保证系统安全运行的一个重要举措。由于风力发电本身的特殊性，在建立风电场模型时就需要根据不同的研究目的来确定单机模型的选取和等值方法的确定。同静态模型一样，假定整个风电场上各台风力机类型已经确定，下面讨论不同的等值。

在研究电力系统稳定性时，风电场建模也主要从具体模型和变尺度模型两个方面入手[15]。具体模型即包括了风电场中的每台风力机、补偿电容器、升压变压器以及内部电网详细模型等。因此一个完整的风电场模型就是由所有单个风电机组模型所组成，当总的单机数很大时，风电场模型所包含的组成部分和所需的信息量也就相当庞大，模型研究也就相对较为复杂。

变尺度的等值方法则同研究稳态模型时容量加权求和的思路相近，即将运行条件相同或相近的风电机组等效为一台风力发电机组，根据其动态模型结合风速模型和相关的控制系统模型计算出各自的输出功率后进行求和，从而得到整个风场的出力。

在进行加和时，首先必须对所有风力机进行划分，即根据地形、风速、风向以及风力机本身的型号等将风电场进行变尺度简化。在矩形布置的风场内，可考虑将每一列或每一排的风力机等效为一台风力机，此时便把风电场等值为了多台风力机，再将这多台风力机经过风场内部网络的连接构建出一个较原风电场简化了的多风力机等值模型。另外，当风电机组安装位置不规则时，双馈风电机组划分机群可以用发电机的机械暂态数学模型方程组的特征根为依据，该特征根决定了电机在电压发生小扰动时的动态特性，将特征根相近的一组异步电机划分为一个机群[16]。

利用变尺度简化的思想所建立起的风电场综合模型要求必须可以较为准确地描述出风电场在正常状态下的运行动作以及在受扰动情况下的动作，而此处的动作即指风电场在公共节点处与电力系统的有功及无功交换。因此，在研究短期电压稳定性和电力系统暂态稳定等方面时可考虑采用风电场的综合模型。

基于综合等值的思想，文献[17]首先建立了考虑初始平均风速、骤降成分、阵风成分和涡流四部分的风速综合模型，基于此风速模型则可以不考虑尾流效应模型。在通过风速模型计算出风电场中每台风力机的风速后，进而讨论定速及变速风力机不同的功率集中方法，即分别采用机械功集中和电功率集中的方法，其流程简图如图1和图2所示。

图1 定速风电场等值方法

图2 变速风电场等值方法

另外，文献[18]提出的将由双馈感应风力发电机组成的风电场等效为一个运行于等效的组合风力机网络中的组合风力机也是基于了变尺度的简化思想。另外，风电场模型还可在一定的假设或条件限定下通过建立降阶模型来达到简化的目的[19]。

当根据研究目的确定了相应的风电场等值模型后，对等值参数的正确求解也是保证模型精度的一个关键。通常可先由单机数学模型确定风电场等值参数，再通过不同的方法对等值参数进行求解，工程上一般常用的方法有按容量加权、按优化算法等值、最小二乘参数辨识等。另外，在求解风电场恒速发电机动态等值参数时，文献[20]借鉴了基于简单加权法求解等值同步发电机组及其调节系统和异步电动机负荷详细模型等值参数的方法[21]，得出了基于改进加权法的风力发电机参数聚合的实用方法。

2.3 风电并网一些新型等效方法

随着对风电并网研究的不断深入和拓展，风电场建模的思想和方法也在不断地完善和创新中。在一些传统的等值建模方法的基础上，根据研究目的和风电场实际应用的条件和环境，人们正试图将等值建模的思路进行一定的延伸和扩展。文献[22]便提出了基于风电场输出特性的等值算法，对由鼠笼式异步发电机组成的风电场进行了动态等值建模。与此同时，对一些新型建模方法的研究也已经开始为人们所关注，如采用模糊神网络、专家系统对风力机系统进行建模，对风电场考虑采用基于Agent的建模控制方法等。

2.4 仿真软件中的风力机模型

到目前为止，还没有一个关于风电场模型的评价标准，而人们应用较为普遍的验证方法便是在仿真软件中利用已有的风力机模型或模块建立起风电场的仿真模型，然后将通过一系列仿真计算得到的结果与实际结果或相关数据进行比较，进而对模型的可靠性进行鉴定和评估。

随着风电并网的迅速发展，众多国内外电力系统分析软件在更新中都开始加入一些风力机模型或风电场模型，用于含风电接入的电力系统的各种仿真计算。

在Matlab 7.8.0（R2009a）的Simulink仿真模型库中，可用于风电场的风力机模块包括一个可变桨距的风轮机模型、一个双馈感应电机的稳态模型和一个鼠笼式感应电机的稳态模型。而在其实例（Demos）中，还可以找到若干搭建好的风力机或风电场模型。

由西门子PTI电力技术咨询公司的PSS/E仿真软件中，基于FORTRAN语言也已开发出了专门的风力机软件包，专门用于风电场特性及其并网的相关研究[23]。在PSS/E32版最新模型库中不仅包含了4种经典的风力发电机模型，还有相应的风速模型、风轮机模型和电气控制模型等可用于风电场模型的搭建。

关于PSS/E平台中风力机模型的相关介绍和使用在文献[24]中有简要的叙述，为某些特定的风电场建模仿真和测试研究提供了一个可靠方便的途径。

在由加拿大开发的可用于电力系统暂态模拟仿真的软件PSCAD/EMTDC中同样可以找到同步电机和鼠笼式感应电机等风力机模块。

3 结语

在风力发电迅速发展的今天，对于大规模风电场接入电网的研究也日渐成熟，然而要建立起一个可有效地用于电力系统分析的等值模型，还需要在已有的理论和实践经验积累的基础上，进行更多的探索和创新。利用现有的仿真软件中的风力机模型，并通过适应于不同研究目的的等值方法，来对大规模的风电场进行建模，一旦相关的仿真模型得到了验证，便可将所得的等值模型应用到各种风电并网的电力系统稳态或动态分析中去，无论是理论研究，还是实际应用，这都将更好地推动风电并网技术的发展。

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