适用于系统次同步振荡分析的风电场等值建模方法综述

近年来,风电并网系统次同步振荡事故在全球多地均有报道发生,严重威胁了电力系统安全稳定运行。由于风电机组单机容量较小,一个风电场内通常具有数十台甚至数百台风电机组,造成风电场模型阶数高,风电机组之间耦合复杂,合理有效地对风电场进行等值建模,是研究风电并网系统振荡机理、特性与抑制的基础。本文在现阶段对风电接入引发电力系统次同步振荡原因认识的基础上,分析了现有较为成熟的风电场动态等值方法用于风电并网系统振荡稳定性分析的优势与不足,总结了现有风电场动态等值研究成果中的遗留问题,以期为未来针对风电汇集系统小干扰等值与风电并网系统次同步振荡展开进一步研究提供参考和借鉴。     

用于振荡稳定性分析的并网风电场动态等效模型

风电接入引发的电力系统低频振荡、次同步振荡和超同步振荡事件在全球范围内均有发生,合理有效地对风电场进行等效建模,是研究风电场并网系统中此类"振荡稳定性"问题的基础。为此,该文研究了用于振荡稳定性分析的风电场动态等效模型。首先,推导了风电场线性化模型的相似变换,将N机风电场等效为N个单机并网构成的等效子系统。然后,结合等效子系统模型的数学表示形式,分析了可对风电场进行单机等值的理论依据和成立条件;并提出一种可用于振荡分析的风电场动态等效模型。最后,通过仿真算例,验证了所提动态等效模型的有效性。结果表明,该模型可有效反映原风电场的振荡特性,且计算量小、应用简单。     

双馈风电机组锁相环动态主导的小干扰稳定极限

针对锁相环动态主导的并网双馈风电场小干扰稳定性问题,提出了一种双馈风电场小干扰失稳的判定方法。首先建立了单台双馈风机二阶线性化模型,其次根据单机等值模型将推导的二阶线性化模型推广至并网双馈风电场。最后依据劳斯-赫尔维茨定理（the Rausch-Hurwitz theorem）推导出锁相环动态主导的并网双馈风电场小干扰稳定极限,解释了风机有功出力、电网连接强度、锁相环控制参数及风机数量对锁相环动态主导的并网双馈风电场小干扰稳定的影响规律及内在机理。结果表明,有功出力增加、系统连接强度变弱及控制参数设置不当会对系统小干扰稳定性产生不利影响。以15台双馈风机构成的并网双馈风电场为例验证了所提小干扰稳定性极限的正确性和有效性,并且不需要建立风电场的全阶模型,减小了计算量。     

用于风电场小干扰稳定性检验的降阶模式计算方法

考虑到在大型风电场规划阶段,如对所有方案采用全阶模型进行小干扰稳定性检验,会导致工作量大、效率低,不利于寻求最优方案,该文提出一种降阶模式计算方法.首先,建立风电场全阶线性化状态空间模型.然后,考虑风电场规划阶段,可对所选型号的风电机组(WTG)采用典型模型和参数,认为各WTG动态特性近似相同.通过对风电场线性化模型中的变量做等效变换,将N台WTG构成的风电场等效为N个相互独立的等效子系统.各等效子系统由一台并网WTG构成.根据等效子系统线性化状态空间模型的构建方式,提出一种用于风电场小干扰稳定性检验的降阶模式计算方法,可有效降低规划阶段风电场模式分析的计算量,且所得结果准确.最后,通过仿真算例,验证了所提方法的有效性.     

永磁直驱同步风电场多机动态等值模型

以提高仿真效率为目的,建立了一种适用于永磁直驱同步电机风电场的多机动态等值模型。该模型在同调等值法的基础上,选择能综合反映风电机组运行状态的变量矩阵作为分群指标,通过模糊聚类算法对指标矩阵进行处理,将具有相近运行点的风电机组划分到同一机群。并用一台风电机组并联一个电流源组成等值机组表征该机群,最后通过多个表征机群的等值机组的组合建立了风电场动态等值模型。在此基础上,利用电力系统电磁暂态ATP/EMTP软件平台进行实例仿真,仿真结果验证了该等值模型的有效性。     

适用于次同步振荡研究的直驱风电场等值建模

针对当前直驱风电场次同步振荡研究缺乏合适的等值模型这一问题,首先对单台直驱风机并网系统进行小信号建模及参与因子分析,得到了影响直驱风机次同步振荡的主导参量;接着将这些主导参量作为直驱风电场等值建模的聚类指标,利用SOM神经网络聚类算法对风电机组进行聚类,并借鉴同调等值法原理整定了风电机群的运行状态。最后,在PSCAD/EMTDC上建立了风电场等值模型,通过比较等值模型对实际风电场的等值效果,验证了直驱风电场等值建模方法的合理性。     

电网短路故障对并网双馈风电场的影响

分析了电网发生短路故障对并网运行风电场的影响。从双馈风电机组的单机模型出发,研究了由双馈风电机组构成的风电场单机等值方法。在仿真软件EMTP-RV中搭建了包含双馈风电机组构成的风电场电力系统模型。分析了电网发生三相接地短路和单相接地短路故障时,风电场的有功功率和无功功率输出特性、并网公共连接点母线电压波动以及系统频率等暂态变化。研究结果对未来风力发电工程的建设有参考价值。     

一种实用的风电场等值方法研究

针对现有的大型风电场等值方法仅考虑风电场外部特性对等值模型的影响,忽略了风电场内部机组之间和风电场与并网近区系统之间的耦合关系,分析了风电场不同开机方式、不同单机出力功率对系统暂态稳定特性的影响,找到了描述风电并网对系统冲击最恶劣的风电场运行工况,提出基于该运行工况下的风电场简化等值方法,并以等值算例验证其有效性。     

风电场动态等值模型的多机表征方法

为提高风速分布不均匀时风电场等值模型的精度,提出了一种适用于定速机组风电场动态等值的多机表征方法。该方法以风电机组具有相近运行点为机组分群原则,定义了新的机群分类指标,结合聚类算法对风电机组进行动态分群,并给出了等值模型的参数计算方法及其仿真建模过程,从而得到多机表征的风电场模型。通过算例仿真,并与传统等值方法进行了比较分析。结果表明,提出的机群分类指标是有效的,所建立的多机等值模型能够较准确地反映风电场并网点的动态特性。     

基于分裂层次半监督谱聚类算法的风电场机群划分方法

在谱聚类技术的基础上,面向风电场动态等值建模,提出一种基于分裂层次半监督谱聚类算法的风电场机群划分方法。首先根据风电机组的实测运行数据,构造一个可以体现原始数据结构且能为分类提供更多有效信息的特征向量矩阵Y。进而利用获取的部分样本组的先验信息,采用自顶向下的簇分裂策略,对Y中的样本组进行半监督聚类划分,得到风电机组的机群划分结果 ,采用容量加权法计算各机群等值风电机组的参数,建立风电场的动态等值模型。以某实际风电场为例进行仿真验证,结果表明,采用所提方法建立的动态等值模型与详细模型较接近,能够较准确地反映风电场的动态响应特性。     

考虑空间效应的风电场动态特性等值方法研究

提出了一种基于聚类算法和实测数据的风电场动态等值建模方法,根据某风电场的实测数据,通过随机抽样比较的方式证明了风电场内机组间的空间效应,并且利用风速曲线和功率曲线在不同机组间的显著差别,说明风电机组间的空间效应在建立风电场动态等值模型时是不可忽略的。利用K-means聚类分析方法并以实测的数据作为分群指标,将某风电场的33台UP77-1.5 MW风电机组聚成4个机群,每个机群对应建立一个等值模型,消除了机组间的空间效应。最后,通过将各个模型与实测的数据的等值比较与误差分析,验证了模型的合理性。与传统模型进行比较,实际验证结果表明该方法建立的模型比传统模型精确度高。     

基于单机等值与选择模态分析的风电场等值建模方法

随着风电接入电网容量的不断增加,风电接入对系统稳定性的影响愈发明显。因此构建合理的风电场并网模型对研究含风电场电力系统的动态特性具有重要意义。针对风电场的详细建模常常带来模型阶数过高、仿真时间过长等问题,提出了一种基于单机等值与选择模态分析的风电场等值建模方法。该建模方法首先对多台风机进行聚合等效,然后在单机等值聚合模型基础上,应用选择模态分析的方法,进一步降低模型阶数。数值仿真结果表明,该动态等值方法不仅可实现不同风速下多台风机的等值,还能够近似还原多风机系统原始的稳态与暂态行为,从而在风电场并网分析中可显著减小模型阶数,提高计算速度。     

双馈异步发电机风电场聚合模型研究

提出了一种风电场内输入风速不同的多台风电机组的单机等值建模方法。在机组参数相同的条件下,以风电场的有功功率及无功功率输出、动能的变化率、传动链损耗保持不变为原则,对机组的风轮、传动链、发电系统及主控系统进行等值变换,给出了相关参数的计算方法,同时给出了等值风速的计算方法。以“在公共连接点短路阻抗相等”为原则,对风电场内的电力网络进行单阻抗等效。建立了包含4台参数相同的2 MW双馈风电机组风电场详细模型和相应的等值模型,通过仿真分析分别对比这2种模型在随机风速和电网故障情况下的输出特性。结果表明,该方法得到的等值聚合模型具有很高的精度,适用于具有相同参数双馈风电机组的风电场建模。     

风电场内机群间次同步振荡相互作用

大型风电场内部包含大量控制参数各异、运行状态不同甚至类型多样的风电机组,其并网引发的次同步振荡问题日益凸显。研究了风电场内部不同风电机群之间次同步振荡相互作用及其影响因素,从而明确次同步振荡在风电场内的演化过程;建立了直驱风电场的并网导纳模型;应用广义奈奎斯特判据分析了风电场内不同风电机群并网的次同步振荡稳定性,在此基础上研究了风电场内不同风电机群之间的次同步振荡相互作用。结果表明,“振荡机群”能够引起“稳定机群”也发生次同步振荡,二者的并网机组台数比例对风电场次同步振荡特性具有显著的影响,“振荡机群”的锁相环参数对整座风电场的次同步振荡频率具有重要的影响。在MATLAB/Simulink中搭建了直驱风电场的并网仿真模型,时域仿真结果验证了上述理论分析的正确性。     

基于谱聚类算法的风电场电磁动态等值研究

大规模双馈机组风电场目前已经大面积装机投运。在仿真研究中,由于风电场中含有多台风电机组,风电场精确模型阶数过大,无法实际应用于含风电电力系统的仿真研究。本文采用谱聚类算法,依据风电场内各风电机组的运行状态,将场内的各风电机组分为两个风电机群,并采用容量加权方法,建立了风电场电磁动态等值模型。仿真算例表明,所建立的等值模型在保证足够精确度的前提下大大缩小了仿真模型的阶数,减轻了仿真计算的压力,具有较高的实用价值。     

风电场等值建模研究

基于风电场内部构成,研究了风电机组单机聚合和多机聚合等值建模方法,对多机聚合等值模型条件下风电机组的分群判据指标以及聚合等值建模存在的问题进行分析和总结。然后,考虑到传统等值模型参数计算方法的不足,阐述了系统参数辨识技术在风电机组和风电场内部静态模型参数优化中的应用,进一步提出聚合等值与参数辨识相结合的风电场建模思想。为了检验风电场等值模型的有效性,给出了基于数字仿真和试验录波数据的模型验证方式。最后,对风电场等值建模的下一步研究方向进行了展望。     

基于恒速风电机组的风电场并网过程仿真

对基于恒速风电机组的风电场并网过程进行了分析并提出了改善措施。在DIgSILENT/PowerFactory中建立了恒速风电机组风电场的等值模型，分析了大规模风电场并网时对系统的影响。研究结果表明，对于接入弱系统的大规模风电场，为了减小风电机组并网所带来的冲击和避免系统电压失稳，应对同时并网的风电机组的数量有所限制。     

双馈风机的动态稳定分析

本文探讨了双馈型风电场并网后对地区电网动态稳定性的影响。建立了风电机组的空气动力学模型、轴系模型及桨距角控制系统模型;并在此基础上推导了风电场接入后的地区电网动态稳定特征值分析的状态矩阵。对风电机组接入的广西电网动态稳定性的影响进行全面的仿真分析,仿真证明,通过调整风电场的接入位置,以及采用变速风电机组的稳定控制模型,这两种方式能够有效改善系统阻尼,增强系统动态稳定性。     

弱连接条件下锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性研究

该文对弱连接条件下锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性展开研究。为此,首先建立了由N台直驱风机所构成并网风电场的全阶线性化状态空间模型。为分析交流电网强度对风电场小干扰稳定性的影响,不考虑直驱风机动态特性的差异,基于对风电场状态空间矩阵的相似变换,将风电场全阶模型等效为N个由一台直驱风机并网构成、且相互独立的子系统。然后,仅保留锁相环和线路电流动态,建立等效子系统二阶特征方程,得到系统小干扰稳定的条件。基于此稳定条件,分析了弱连接条件下,锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰临界稳定条件以及失稳的成因与机理。结果表明,交流电网强度减弱、风电场网络结构改变以及锁相环积分控制系数K_i增大,均可导致锁相环动态主导的并网直驱风电场小干扰稳定性降低。最后,通过仿真算例,验证了所提方法的有效性和所得结论的正确性。     

基于免疫离群数据和敏感初始中心的K-means算法的风电场机群划分

风电机组在实际运行时,受尾流效应和迟滞效应等因素的影响,场内机组运行状态并不相同,风电场采用传统的单机表征模型可能会产生较大误差。该文基于风电场实测运行数据,以风电机组具有相近运行点为机群划分原则,提出一种基于免疫离群数据和敏感初始中心的K-means算法的风电场机群划分方法。首先,针对风电场实测运行数据含有离群数据的问题,基于实测样本分布密度分析,对实测数据进行离群数据处理,免疫离群数据的干扰。其次,传统K-means算法对初始聚类中心的选取是随机的,划分结果容易陷入局部最优,基于改进的最大最小距离法对初始机群中心进行优化选择,免疫机群划分结果对初始机群中心随机选取的敏感性。最后,通过对某实际风电场的仿真分析,验证了所提机群划分方法的有效性,所建立的风电场等值模型能够较准确地反映风电场并网点的动态特性,模型的精确性有了较大的提高。