用于规划的风电场工程化聚合模型及软件适用性研究*

2016-05-17邓小亮成涛胡斌奇戴梦

风能 2016年4期

文 | 邓小亮，成涛，胡斌奇，戴梦

文 | 邓小亮，成涛，胡斌奇，戴梦

近年来国内外风电发展迅速，已有的风电机组详细模型十分复杂，对风电场几十台风电机组进行详细建模显然难以用于含风电的电网规划计算。因此有必要结合规划计算的要求建立一种既满足精度又尽可能减少计算量的等效模型。

截至目前已有不少研究给出了风电场的等效方法，包括奇异摄动理论、平衡理论和积分流形理论的风电场动态降阶等效方法，将风电场详细模型的微分方程进行化简，进而得到等效模型；或基于传递函数概念的参数辨识方法进行动态聚合等效；还有根据风电场的输出特性利用遗传算法得到参数的动态聚合等效模型。另外可以根据风速对风电场内的风电机组进行分群，将每个机群的风电机组等效为一台风电机组，进而将整个风电场等效为几台风电机组；部分研究还根据聚类算法对风电机组进行分群；或是以风电机组具有相似运行点为机组分群原则；相关研究还通过特征分析的方法确定机组的分群指标，并以此分群进行多机等值。

但上述研究的模型在用于规划分析方面却存在一定障碍。首先是模型方法的局限性，系统参数辨识的方法需要风电场的运行数据，不适用于规划阶段的风电场。其次是模型精度问题，风电规划模型往往期望采用统一的降阶等效模型用于所有的电气计算，降阶改变了原有风电机组模型的结构必然带来计算精度的下降，因此风电规划模型的精度验证必须采用其他的方法来进行。最后是软件适用性问题，电力系统计算软件BPA提供的风电机组模型准确性有待验证。

针对以上问题，本文在已有单机等值聚合方法的基础上，建立一种可直接用于现有规划计算软件、满足规划阶段少实测数据要求的高精度聚合模型。还搭建了风电场仿真算例，验证聚合模型在规划计算应用中的准确性，同时对比BPA和DIgSILENT两款软件的仿真结果，给出聚合模型在两款软件中的适用性结论。

风电接入系统规划电气计算对风电模型的技术要求

随着风电的快速发展，风电规划不应该仅仅取决于风能资源，而更应该与电网的运行相结合，因此对风电接入系统规划方案进行的各种电力计算和优化分析都需要引入恰当的风电模型。风电接入系统规划阶段的计算包括潮流计算分析、暂态稳定计算、短路电流计算等，有着各自不同的计算分析目标，相应对风电等效模型也有不同的技术要求。

一、潮流计算

风电场在运行时需要保证并网点的功率因数或者电压水平在一定范围内，因此规划阶段的潮流计算需检验风电场的静态无功配置是否能满足无功要求，进而确定风电场的无功配置容量。同时在规划阶段需确保风电接入系统在几个典型出力情况下（包含最大、最小运行方式）不存在线路过载或重载的现象。

二、暂态稳定计算

接入电网的风电场需要保证一定的低电压穿越能力，即电网电压降低时风电场仍能连接在电网上不脱网运行。规划阶段的暂态计算就是用于检验风电场在暂态过程中的行为，包括风电机组机端电压的跌落和恢复、风电场送出功率的跌落和恢复等。对于不满足国标低电压穿越能力的风电场，可以采用静止无功发生器等动态无功补偿设备进行暂态电压支撑。

三、短路电流计算

规划阶段短路电流计算的主要目的是确定规划方案的短路电流能否被网络中所有断路器所承受，计算最大短路电流用于断路器选型，计算最小短路电流用于保护整定值设定等。

综上分析，可以整理得到规划所进行的电气计算对风电场等效聚合模型的技术要求，如表1所示。

风电场等效聚合模型

以双馈风电机组构成的风电场为例，综合考虑上述技术要求，可以提出一种用于规划计算的风电场聚合模型。建模的目标是将风电场聚合为一台或几台风电机组和等效集电线路的形式。最简单的聚合模型为单机聚合，即用一台风电机组和一条集电线路等效整个风电场；当风电场内集电线路较长时，需要将每条馈线上的风电机组分别进行单机聚合，多台聚合风电机组共同等效风电场，以确保聚合模型的精度；当风电场内风电机组型号不完全相同时，还需要对不同型号的风电机组分别进行聚合。具体参数聚合方法如下：

一、双馈风电机组聚合模型

相同型号、电气距离近的风电机组可以聚合为一台风电机组。机群中如果有m台风电机组，聚合风电机组的发电机功率P、Q根据各台风电机组的实际功率累加或近似为单台风电机组出力的m倍，对于不同的规划计算，需要考虑的聚合参数也有所不同：

（一）潮流计算。潮流计算中将每个机群等效成PQ节点参与计算，因此只需将容量进行聚合：

式中：S为发电机容量；m为等值前机群的风电机组的台数；下标eq表示等值后。

（二）短路计算。除容量聚合外，还需考虑发电机参数的聚合，对短路计算需要用到的发电机参数进行聚合：

式中：Xm、Xs和Xr为励磁电感、定转子漏电感，Rs、Rr为定转子电阻，ω为同步电角速度，ωr为转子电角速度，转差s＝1－ωr/ω，Isf和Irf为归算至定子侧的定转子电流。

（三）暂态计算。暂态计算中发电机参数为d、q坐标系下的参数，包括d、q轴电抗Xd、Xq，暂态电抗Xd′、Xq′等，采用类似式（2）的形式进行聚合。除此以外，聚合风电机组的控制系统参数保持不变，只需要进行轴系参数的聚合。

对轴系模型中的参数进行聚合有：

式中：HWTR和Hgen分别代表风电机组和发电机的转子惯性时间常数；ksh为轴系刚度系数；csh为转轴阻尼。

二、集电线路聚合模型

风电场内集电系统的接线方式一般包括干线式及放射式两种，进行聚合时不同接线方式的等值形式不同。

根据聚合前后线路损耗保持不变的原则可以计算出两种接线方式下的等值阻抗，干线式接线的等值阻抗为：

放射式接线的等值阻抗为：

式中：Zeq为等值集电线路阻抗；Zi为第i台风电机组对应的集电线路阻抗；Pi为第i台风电机组的有功出力。

在聚合过程中两种接线方式的等值可交替进行，直到聚合模型为满足精度的最简形式。

算例验证

表1 规划计算对等效模型的技术要求

DIgSILENT是行业内公认对风电计算分析比较深入的电气计算软件，可以用于评价风电场聚合模型的精确性。由于BPA和DIgSILENT在风电机组模型上存在一定差异性，因此聚合模型在BPA中的适用性有待校验。以下算例首先应用DIgSILENT对详细模型和聚合模型进行对比以证明聚合模型的有效性，然后以DIgSILENT为根据，对聚合模型在BPA中的适用性进行探讨。

一、算例系统

算例风电场详细模型结构图如图 2所示。风电场由20台型号相同的1.5MW的双馈式风电机组构成，风电机组出口电压0.69kV，经机端箱式变压器升压至35kV，再通过电缆集电线路汇集至35/230kV升压变压器，再次升压后经过一段架空线路接入电网，每两台风电机组间集电线路阻抗为Z，电网用一等效阻抗Zs和无穷大点进行描述，考虑干线式接线方式，风电场电气参数见附表1和附表2。

可以将上述算例等值为图 3所示的聚合模型。其中每条等值集电线路阻抗为：

二、简化聚合模型的精确度校验

表2 潮流计算结果（电压）

表3 潮流计算结果（有功）

（一）潮流计算

潮流计算的节点电压和线路潮流（有功）结果分别如表2和表3所示。

从表3中的潮流计算结果（有功）可以看出，聚合模型用于潮流计算有很高的等效精度，无论是并网点电压还是送出线路有功都与详细模型相差无几，可以满足规划阶段潮流计算的要求。

（二）暂态故障仿真

暂态仿真设置故障为升压变压器高压侧母线三相短路，0.2s后清除故障，仿真结果包括风电机组机端电压、风电场输出有功和无功的暂态过程，如图 4和表4所示，曲线中蓝色代表详细模型，红色代表聚合模型。

从上面仿真结果可以看出，聚合模型的暂态过程仿真效果很好，无论是跌落值还是恢复时间都与详细模型差别不大，该聚合模型能满足规划阶段暂态计算的技术要求。

（三）短路电流计算

采用有效值仿真方法，故障地点为升压变压器高压母线，故障类型为三相短路故障，故障时间为0.2s，用DIgSILENT仿真详细模型和聚合模型的故障点短路电流结果如表5所示。

由表5的对比可知：对于PCC点发生三相短路故障时，采用详细模型和聚合模型进行仿真计算时，故障点短路电流最大值误差很小，聚合模型能较为精确反映短路电流特性，满足规划的要求。

这时候，何守一看见权头辛燕晓两口子回来了，拉着何东郑玉英迎了上去，知道他们是跟着看化验单去了所以张口就问：“怎么样呵，化验结果？”

表4 暂态仿真结果的关键指标值

表5 短路电流计算结果

BPA软件的适应性研究

（一）潮流计算

首先给出BPA的潮流计算结果，如表6所示。为了对比，同时给出了DIgSILENT软件中的潮流计算结果。

对比BPA和DIgSILENT的计算结果，可以发现两款软件中聚合模型的潮流计算结果十分接近，因此聚合模型在两款软件中都有很好的适应性。事实上，两款软件都将风电机组等效成PQ节点，因此潮流计算时聚合模型在两款软件中是等价的，进行风电接入系统的潮流计算时可以任意选择其中的一款软件。

（二）暂态故障仿真

为了研究BPA对风电场暂态聚合模型的适应性，图 5给出了与图 4具有相同故障的暂态计算结果曲线。

对比两款软件中聚合模型的暂态过程，可以得到表7。

表6 两款软件中聚合模型潮流计算结果

通过对比可以发现，两款软件中的暂态过程是相似的，但是电压跌落值存在较大差异，且BPA中的暂态过程出现明显超调量，时间常数远大于DIgSILENT中的结果，尤其是风电场输出无功的暂态过程存在相当大的差异。因此简化等效模型用于BPA中的计算结果有较大误差，须引入新的计算软件，例如DIgSILENT来进行此类电气计算。

（三）短路电流计算

应用BPA计算得到的短路电流仿真结果如表8所示。

通过对比可以发现，BPA中的短路电流尖峰值计算结果与DIgSILENT的计算结果相比差距不大，但暂态仿真曲线明显失真，整个暂态过程明显拉长。但在确定断路器型号、保护整定等规划设计工作中，用到的短路电流关键变量是尖峰值。因此，仍然可以应用BPA软件进行风电接入系统的短路电流计算。