專利名稱：一種考慮風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種并網(wǎng)風(fēng)電場的等值方法，特別涉及一種采用恒速風(fēng)電機(jī)組的風(fēng) 電場，考慮風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法，用于大型風(fēng)電場并網(wǎng)分 析。
背景技術(shù)：
隨著我國近年來風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，進(jìn)行風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的研究和評 估、開展系統(tǒng)及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)接納風(fēng)電能力的研究是當(dāng)前風(fēng)電發(fā)展中迫切需要解決的重要問 題。從電力系統(tǒng)的角度來看，對風(fēng)電場進(jìn)行研究所關(guān)心的不是風(fēng)電場內(nèi)部每臺風(fēng)電機(jī)組 的特性而是風(fēng)電場作為一個(gè)整體的動態(tài)特性以及對電力系統(tǒng)的影響，在風(fēng)電場接入電力 系統(tǒng)的分析中不可能也沒有必要把風(fēng)電場內(nèi)每臺風(fēng)電機(jī)組都作為一個(gè)單獨(dú)元件列入仿真 程序中進(jìn)行分析，隨著風(fēng)電場規(guī)模的增大，這一特點(diǎn)越來越明顯。但是，風(fēng)電場不同于 常規(guī)的發(fā)電廠，風(fēng)電場是由大量分散布置的風(fēng)電機(jī)組群組成的，風(fēng)電場內(nèi)每臺風(fēng)電機(jī)組 的輸入風(fēng)速除了都隨著風(fēng)電場來風(fēng)風(fēng)速和來風(fēng)風(fēng)向的波動而波動外，風(fēng)電機(jī)組間的尾流 效應(yīng)還可能使得不同安裝地點(diǎn)的風(fēng)電機(jī)組輸入風(fēng)速具有明顯差異，造成同一時(shí)刻風(fēng)電場 內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)不完全相同。因此，在風(fēng)電場并網(wǎng)研究中需對風(fēng)電場進(jìn)行合理簡 化以建立滿足分析要求的動態(tài)模型。外部電網(wǎng)遭受故障和風(fēng)速波動兩種情況下風(fēng)電場的動態(tài)特性及其對電力系統(tǒng)的 影響是風(fēng)電場并網(wǎng)分析的兩個(gè)重要方面。在這兩種情況下對風(fēng)電場輸出特性研究的側(cè)重 點(diǎn)不同，因此風(fēng)電場的等值方法也就不同。本發(fā)明主要研究用于風(fēng)速波動風(fēng)電場動態(tài)特 性研究的風(fēng)電場動態(tài)模型的等值方法。建立風(fēng)電場的等值模型就是考慮影響風(fēng)電場特性的因素合理簡化風(fēng)電場，包括 對風(fēng)電機(jī)組合理分組、確定每組風(fēng)電機(jī)組等值輸入風(fēng)速、等值風(fēng)電機(jī)組靜態(tài)和動態(tài)模型 建立及參數(shù)確定以及風(fēng)電場內(nèi)部電網(wǎng)簡化等幾個(gè)方面。目前，現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)組分組方法有(1)把風(fēng)電場內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組歸為一組。(2)連結(jié)于同一條集電線路上風(fēng)電機(jī)組歸為一組。(3)對于風(fēng)電機(jī)組排列布置規(guī)則的風(fēng)電場，按照風(fēng)電機(jī)組安裝位置進(jìn)行分組。如 海上風(fēng)電場，假設(shè)與風(fēng)電場來風(fēng)風(fēng)向垂直的每排風(fēng)電機(jī)組輸入風(fēng)速相同，將每排風(fēng)電機(jī) 組歸為一組并等值成一臺等值風(fēng)電機(jī)組。(4)當(dāng)風(fēng)電機(jī)組排列布置不規(guī)則時(shí)，根據(jù)發(fā)電機(jī)的機(jī)械暫態(tài)數(shù)學(xué)模型的特征根對 雙饋風(fēng)電機(jī)組分組。現(xiàn)有風(fēng)電場等值方法有(1)按奇異攝動理論進(jìn)行風(fēng)電場模型降階，將描述風(fēng)電機(jī)組模型的狀態(tài)變量分解 為快變化和慢變化兩部分，通過忽略快變化的狀態(tài)變量，得到用慢變化狀態(tài)變量表示的降階風(fēng)電場模型。(2)對輸入風(fēng)速不同的風(fēng)電機(jī)組等值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)和風(fēng)力機(jī)等值方法不 同。按照容量加權(quán)法將每臺風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)等值成一臺等值發(fā)電機(jī)，等值發(fā)電機(jī)的容 量為所有發(fā)電機(jī)容量之和，等值發(fā)電機(jī)模型的詳細(xì)程度與單臺發(fā)電機(jī)模型相同；但是在 對風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)部分進(jìn)行等值時(shí)，不是把輸入風(fēng)速不同的風(fēng)力機(jī)等值成一臺等值風(fēng) 力機(jī)，而是采用輸入風(fēng)速不同的多臺簡化風(fēng)力機(jī)表示。(3)按照容量加權(quán)法將歸為一組的風(fēng)電機(jī)組等值成與單臺風(fēng)電機(jī)組模型詳細(xì)程度 相同的等值風(fēng)電機(jī)組，其額定容量為每臺風(fēng)電機(jī)組額定容量之和。等值風(fēng)電機(jī)組參數(shù)的確定方法有(1)采用遺傳算法優(yōu)化的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)。利用遺傳算法的全局尋優(yōu)功能，優(yōu)選風(fēng) 電場等值模型參數(shù)，最終可找到一組用優(yōu)化參數(shù)表示的風(fēng)電場等值模型。不過，它沒有 考慮風(fēng)電場風(fēng)速隨時(shí)間的變化和風(fēng)電場中作用到各個(gè)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)速分布，而是將風(fēng)電 場中的風(fēng)速分布看作一系列穩(wěn)態(tài)過程來得到整個(gè)風(fēng)電場的風(fēng)速分布。(2)采用基于風(fēng)電場輸出特性的風(fēng)電場動態(tài)等值模型參數(shù)優(yōu)化解法。兼顧了風(fēng)電 場機(jī)組眾多、風(fēng)能波動較強(qiáng)的特點(diǎn)，將風(fēng)電場輸出特性引入風(fēng)電等值參數(shù)求解過程，將 風(fēng)電場等值為一臺風(fēng)電機(jī)組。(3)按容量加權(quán)方法對風(fēng)電機(jī)組參數(shù)進(jìn)行等值計(jì)算。利用容量加權(quán)法對恒速風(fēng)電 機(jī)組和雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組模型參數(shù)進(jìn)行等值計(jì)算。(4)把風(fēng)電機(jī)組的阻抗和風(fēng)電機(jī)組間連接線路的阻抗進(jìn)行串并聯(lián)計(jì)算，求得阻抗 值作為風(fēng)電場的等值阻抗。風(fēng)電場內(nèi)部線路長度隨著風(fēng)電場裝機(jī)容量的增加而增加，它將影響風(fēng)電場的輸 出特性?，F(xiàn)有處理風(fēng)電場內(nèi)部線路的方法有(1)在某些小型風(fēng)電場建模中，忽略風(fēng)電場內(nèi)部線路，只是將風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行等值。(2)利用等值損耗模型對連結(jié)于同一集電線路上風(fēng)電機(jī)組間的線路進(jìn)行簡化，得 出等值風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場升壓變之間等值線路的阻抗。但是當(dāng)輸入風(fēng)速相同的風(fēng)電機(jī)組 連接于不同集電線路時(shí)，利用此方法不能計(jì)算等值風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)電場升壓變之間等值線 路的阻抗。綜上所述，在風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的分析研究中，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)建立了用于 風(fēng)電場電能質(zhì)量、風(fēng)電場動態(tài)特性以及可靠性等研究的風(fēng)電場動態(tài)模型。但是在風(fēng)電場 建模過程中仍存在一些問題，如(1)沒有考慮風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)變化對風(fēng)電機(jī)組分組的影響。風(fēng)電場輸 入風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)電機(jī)組間尾流影響直接影響每臺風(fēng)電機(jī)組的輸入風(fēng)速，并且隨風(fēng)速和 風(fēng)向的隨機(jī)波動而變化，風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的分組也應(yīng)是隨機(jī)變化的，不是固定分組；(2)在建立風(fēng)電場模型時(shí)，沒有考慮風(fēng)電場內(nèi)部 電網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)電機(jī)組間尾流效應(yīng)等 影響風(fēng)電場的輸出特性因素。風(fēng)電機(jī)組類型、內(nèi)部電網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)電機(jī)組間尾流效應(yīng)以及風(fēng) 電場的地勢地貌等因素都同時(shí)影響風(fēng)電場的輸出特性，在對風(fēng)電場建模時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮這 些因素。結(jié)合目前風(fēng)電場簡化模型研究現(xiàn)狀以及我國風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展來看，進(jìn)一步深入研究風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)波動、風(fēng)電機(jī)組間尾流效應(yīng)和風(fēng)電場內(nèi)部線路對風(fēng)電場輸出特性 的影響，并建立風(fēng)電場等值模型，把風(fēng)電場建模方法應(yīng)用到實(shí)際風(fēng)電場的并網(wǎng)研究中是 非常必要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是考慮風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)波動、風(fēng)電機(jī)組間的尾流效 應(yīng)及風(fēng)電場內(nèi)部線路等因素對風(fēng)電場輸出特性的影響，提出建立風(fēng)電場等值模型的方 法。包括風(fēng)電機(jī)組分組方法；每組風(fēng)電機(jī)組母線的等值；風(fēng)電場內(nèi)部電網(wǎng)絡(luò)的化簡；風(fēng) 電場功率的等值；風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、軸系和控制系統(tǒng)等模型及其參數(shù)等值。利用此方 法可建立風(fēng)電場的隨機(jī)模型，研究風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動時(shí)風(fēng)電場輸出特性， 為電力系統(tǒng)合理調(diào)度提供風(fēng)電場運(yùn)行數(shù)據(jù)。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用的技術(shù)方案是1.考慮風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動對風(fēng)電機(jī)組分組并計(jì)算每組風(fēng)電機(jī)組的 等值風(fēng)速對于實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場來說，場內(nèi)每臺風(fēng)電機(jī)組輸入風(fēng)速、風(fēng)電機(jī)組分組都隨 風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)波動而變化，因此，要想對正常運(yùn)行的風(fēng)電場進(jìn)行仿真就 需要建立隨風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場隨機(jī)模型。針對這一問題，考慮風(fēng)電場輸入風(fēng) 速(變化范圍為4m/s 25m/s)和風(fēng)向(變化范圍為0° 360° )變化范圍比較寬，并 且是隨機(jī)波動的特點(diǎn)，提出了利用相關(guān)系數(shù)對風(fēng)電機(jī)組分組的方法，并可以在已知風(fēng)電 場輸入風(fēng)速的情況下方便地求出每組風(fēng)電機(jī)組的等值輸入風(fēng)速；利用此方法就可以建立 風(fēng)電場的隨機(jī)模型。風(fēng)電機(jī)組相關(guān)系數(shù)的計(jì)算框圖如

圖1所示。通過對風(fēng)電場每個(gè)風(fēng)速和風(fēng)向上風(fēng) 電機(jī)組相關(guān)系數(shù)的計(jì)算可以得到如圖2所示的3維相關(guān)系數(shù)矩陣。3維系數(shù)矩陣的行表示 風(fēng)向，其行數(shù)依賴于所選風(fēng)向的間隔；矩陣的列對應(yīng)于風(fēng)電機(jī)組的臺數(shù)；系數(shù)矩陣的第 三個(gè)軸對應(yīng)于風(fēng)電場的輸入風(fēng)速，其列數(shù)依賴于所選風(fēng)速的間隔；系數(shù)矩陣內(nèi)每個(gè)元素 CI是風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)系數(shù)。對于給定的風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向，查詢圖2得出對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，然后把相 關(guān)系數(shù)相等的風(fēng)電機(jī)組歸為一組，建立風(fēng)電場模型。當(dāng)研究風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動風(fēng)電場 輸出特性時(shí)，可通過識別風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向來調(diào)用風(fēng)電場相應(yīng)等值模型，然后對輸 入風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場進(jìn)行仿真，程序框圖如圖3所示。在已知風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向的情況下，利用風(fēng)電機(jī)組相關(guān)系數(shù)可以計(jì)算出每 臺風(fēng)電機(jī)組的等值輸入風(fēng)速V61 Ve , = Vmf - CI1 χ + sgn (Cl,-l) + VslepNOT [sgn (C/,-l)} (1)式中ν。為第i組風(fēng)電機(jī)組等值風(fēng)速；Vmf為風(fēng)電場輸入風(fēng)速；Vstep為風(fēng)速步 長；CI1為第i組風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)系數(shù)；SgnO為符號函數(shù)；NOTO為非函數(shù)。 風(fēng)電機(jī)組分組完成后，下面就需要對風(fēng)電場進(jìn)行等值。風(fēng)電場等值包括靜態(tài)等 值和動態(tài)等值兩部分。2.風(fēng)電場的靜態(tài)等值
風(fēng)電場的靜態(tài)等值包括風(fēng)電機(jī)組出口母線等值、網(wǎng)絡(luò)化簡和風(fēng)電場功率等值三 部分。2.1風(fēng)電機(jī)組母線等值把風(fēng)電場內(nèi)相關(guān)系數(shù)相等的風(fēng)電機(jī)組母線集合為丨C丨，與丨C丨相聯(lián)的母線的集合 為丨R丨，相關(guān)系數(shù)相等的風(fēng)電機(jī)組母線聚合就是用一個(gè)等值母線e代替這一組母線丨C}， 如圖4所示，{R丨表示與丨C丨相聯(lián)的母線集合。相關(guān)系數(shù)相等的風(fēng)電機(jī)組母線的等值是將被合并母線{C丨通過復(fù)變比的理想移 相變壓器連接到等值母線e，然后將移相變壓器化為非移相變壓器，再通過網(wǎng)絡(luò)化簡的方 法消去母線丨C丨，如圖5所示。等值母線的電壓幅值|《|和相角δ e等于被合并母線電壓幅值和相角的平均值
權(quán)利要求
1.一種考慮風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法，其特征在于考慮了風(fēng)電場 輸入風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)波動、風(fēng)電機(jī)組間尾流效應(yīng)、風(fēng)電機(jī)組排列布置及風(fēng)電場內(nèi)部饋 線，提出了建立風(fēng)電場等值模型的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法，其特征在 于考慮風(fēng)電場輸入風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動，把相關(guān)系數(shù)相等的風(fēng)電機(jī)組歸為一組，提出 了計(jì)算每組風(fēng)電機(jī)組的等效風(fēng)速的方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法，其特征在 于提出了每組等值風(fēng)電機(jī)組母線的聚合方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法，其特征在 于根據(jù)恒功率等效定則，提出由恒速風(fēng)電機(jī)組組成風(fēng)電場的有功功率和無功功率的等 值方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法，其特征在 于提出了恒速風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場等值機(jī)組的暫態(tài)電抗和暫態(tài)時(shí)間常數(shù)等值方法。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動的風(fēng)電場等值方法，其特征在 于提出了恒速風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場等值機(jī)組輸入機(jī)械功率的等值方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種考慮風(fēng)電場輸入風(fēng)速、風(fēng)向隨機(jī)波動、風(fēng)電機(jī)組間尾流效應(yīng)及風(fēng)電場內(nèi)電網(wǎng)絡(luò)等因素建立風(fēng)電場隨機(jī)模型的方法。技術(shù)方案考慮風(fēng)電場風(fēng)速和風(fēng)向隨機(jī)波動對風(fēng)電機(jī)組分組；根據(jù)等值前后風(fēng)電場與電網(wǎng)之間功率交換不變的原則對風(fēng)電場功率等值；根據(jù)等值前后風(fēng)電場動態(tài)特性不變的原則，對風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、軸系和控制系統(tǒng)等模型參數(shù)等值；通過合理地選擇等效風(fēng)電機(jī)組基準(zhǔn)值，使得等值風(fēng)電機(jī)組模型的詳細(xì)程度與單臺風(fēng)電機(jī)組的相同。利用此方法建立的模型進(jìn)行風(fēng)電場并網(wǎng)分析，克服了不考慮風(fēng)電場風(fēng)速、風(fēng)向隨機(jī)波動、風(fēng)電機(jī)組間尾流影響以及電網(wǎng)絡(luò)等因素帶來的缺點(diǎn)；為電網(wǎng)調(diào)度合理安排生產(chǎn)計(jì)劃提供了較為準(zhǔn)確的風(fēng)電數(shù)據(jù)。
文檔編號G06F17/50GK102012956SQ20101057666
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者于群, 曹娜 申請人:山東科技大學(xué)