风电场常用等值方法的适用性及其改进研究

平均风速。等值参数的计算公式如下：
∑ ∑ ∑ ⎧
⎪Seq
=
m
Si , Peq =
m
Pi , Ceq =
m
Ci
⎪
i =1
i =1
i −=1
∑ ∑ ∑ ⎪
⎨
H
eq
=
m
Hi ,
Keq
=
m
Ki ,
Deq =
m
Di
(1)
⎪
i =1
i =1
i =1
∑ ⎪
⎪ ⎩
ZG_eq
=
ZG m
,
ZT_eq
=
ZT m
,
veq
=
苏勋文，米增强，王毅
（华北电力大学 电气与电子工程学院，河北省 保定市 071003）
Applicability and Improvement of Common-Used Equivalent Methods for Wind Farms
SU Xun-wen, MI Zeng-qiang, WANG Yi
KEY WORDS: wind farm; modelling; equivalent model; fixed-speed wind turbines; equivalent method
摘要：为分析定速机组风电场常用等值方法的适用性，以电 磁暂态仿真软件 PSCAD/EMTDC 为分析平台，搭建了定速 机组风电场详细模型和等值模型。通过比较风速波动情况下 和故障情况下的风电场等值模型与详细模型的并网点输出 特性，对 2 种常用等值方法的适用性进行了分析。结果表明， 当风电场风速差异较大时，等值模型会出现一定的误差：风 速波动下等值模型会出现无功功率误差；故障下等值模型的 误差与故障前风速、故障持续时间有关。定性分析了风电场
PSCAD/EMTDC 仿真工具建立图 2 所示的风电场。 图中：A 为故障点；B 为并网点。图 2 中的风电场 由 5 排 5 列共 25 台失速型风电机组组成，假定风 由左向右吹过风电场。风电机组经并联电容器组、 机端变压器(变比为 10.5 kV/690 V)和电缆连接公共 连接点(point of common coupling，PCC)上，并通过 风电场出口变压器(变比为 121 kV/10.5 kV)和双回 线路连接到外部电网。风力机、发电机、变压器和 并联电容器等主要参数如表 1 所示。表中：Pe 为发 电机额定容量；Ue 为发电机额定电压；f 为发电机
对于大型风电场，需要考虑风电机组间尾流效
应和时滞对风速的影响。假定尾流效应影响较大，
第 2 排风速比第 1 排风速小 2 m/s，其他排风速比前 排风速小 1 m/s；考虑时滞，后排风速相比前排的延
迟时间为 25 s。利用 2.1 节算例仿真分析了不同等 值方法的并网点输出特性。图 3 给出了迎风向第 1 排风速、风电场详细模型、等值方法 1 的模型以及
鉴于此，本文在 PSCAD/EMTDC 平台上，搭 建定速机组风电场详细模型和等值模型，通过比较 风速波动情况下和故障情况下的风电场等值模型 与详细模型的并网点输出特性，对 2 种常用等值方 法的适用性进行分析，给出风电场等值方法的适用 范围，定性分析风电场等值模型的误差产生原因， 并给出相应的改进方法。
等值方法 2 的模型在并网点 B 有功功率、无功功率
的动态响应过程曲线。根据式(3)(4)计算有功功率和 无功功率的误差指标，结果如表 2 所示。
第 34 卷 第 6 期
电网技术
177
风速/(m/s)
17 15 13 11
MW
无功功率/ 有功功率/
18
14 10
1.0
Mvar
0.0
−1.0
0
5
等值方法 1；
1 风电场常用等值方法
针对定速机组组成的风电场，本文介绍 2 种常 用的等值方法。风电场动态等值方法示意见图 1。
1）等值方法 1[5-6]如图 1(a)所示。图 1 把风电
176
veq
苏勋文等：风电场常用等值方法的适用性及其改进研究
v1
T1
Tsum
+
v2
T2 + Σ
+
风
v3
T3
Vol. 34 No. 6
等值模型的误差产生原因，指出风电场常用等值方法与分类 方法相结合可大大提高风电场动态等值方法的适用性。
关键词：风电场；建模；等值模型；定速风电机组；等值 方法
0 引言
随着风电技术[1-5]的快速发展，大型风电场[6-8] 及风电场群已经形成。在电力系统分析中，若对风 电场中每台风电机组进行详细建模，不仅模型复 杂，而且计算时间长，因此风电场等值建模方法的 研究已成为热点[9-13]。风电机组分为定速机组和变 速机组 2 种类型。本文主要围绕定速机组风电场的 等值方法进行分析和讨论。
1 m
m
vi
i =1
式中：m 为风电机组台数；下标 eq 表示等值后；S、
P、C、H、K、D、ZG、ZT、v 分别表示容量、有 功功率、补偿电容、惯性时间常数、轴系刚度系
数、轴系阻尼系数、发电机阻抗、机端变压器阻
抗和风速。
2）等值方法 2[5,7-10]如图 1(b)所示，把风电场等 值为 1 台发电机，保留所有风力机和风速模型，叠 加风力机的机械转矩 Tsum，并把其作为等值发电机 的输入。等值参数的计算公式如下：
Rs/pu Xs/pu Rr/pu Xr/pu
0.0103 Ht/s 0.017 18 Hg/s
0.11 K/pu 0.124 C/µF
2.5 0.5 113 1500
Stg/MVA Xtg/pu
Sto/MVA Xto/pu
0.85 0.045
50 0.1
额定频率；Rs 为定子电阻；Xs 为定子电抗；Xm 为激 磁电抗；Rr 为转子电阻；Xr 为转子电抗；Ht、Hg 分 别为风力机、发电机惯性时间常数；K 为轴系刚度
第 34 卷 第 6 期 2010 年 6 月
文章编号：1000-3673（2010）06-0175-06
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 315 文献标志码：A
Vol. 34 No. 6 Jun. 2010
学科代码：470·4054
风电场常用等值方法的适用性及其改进研究
∫ ∫ EP =
t2 t1
Pi
−
P
dt
t2 P dt
t1
(3)
∫∫ EQ =
t2 t1
Qi
− Q）dt
t2 10 − Q dt
t1
(4)
式中：P、Q 为风电场详细模型在风电场出口侧的
有功功率、无功功率；Pi、Qi 为等值方法 i 的风电 场等值模型在风电场出口侧的有功功率、无功功
率；t1 为误差分析起始时间；t2 为终止时间。 2.3 风速波动下等值模型的仿真分析
(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)
ABSTRACT: To analyze the applicability of common-used equivalent methods for wind farms, using electromagnetic transient analysis software PSCAD/EMTDC as the platform the detailed model and equivalent model of wind farm composed by fixed speed wind turbines are built. Through the comparison of output characteristics of the detailed model and equivalent model of wind farm at the grid-connected point under wind speed fluctuation and fault condition, the explicabilities of the two common-used equivalent methods are analyzed. Analysis results show that the equivalent model may cause a certain error while the wind speed differences among wind turbines are evident; the equivalent model may lead to reactive power error under fluctuation of wind speed; the error of equivalent model under fault is relative to the wind speed before fault and the duration of fault. The reasons leading to the error of equivalent wind farm models are qualitatively analyzed, and it is pointed out that integrating common-used equivalent methods for wind farms with classification methods the applicability of dynamic equivalent method for wind farms can be greatly improved.
10
15
20
时间/s
等值方法 2； 详细模型。
图 3 风速波动下风电场并网点的动态响应
Fig. 3 Dynamic response of wind farm at the point of
interconnection under wind speed fluctuations
基金项目：国家自然科学基金项目(50807015)；高等学校博士学科 点专项科研基金资助项目(20090036110006)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50807015); Project Supported by Special Scientific and Research Funds for Doctoral Specialty of Institution of Higher Learning (20090036110006).
系数；Stg 为机端变压器额定容量；Xtg 机端变压器 电抗；Sto 为出口变压器额定容量；Xto 为出口变压 器电抗；C 为每台风电机组的补偿电容容量。
2.2 等值模型误差分析指标定义
为了比较不同等值方法的优劣，本文定义 2 个
评价指标，分别是有功相对误差 EP 和无功相对误
差 EQ，其计算公式为
图 2 电网单线示意 Fig. 2 Single line diagram of the grid
表 1 风电机组的电气参数 Tab. 1 Electric parameters of wind turbines
参数 数值 参数 数值 参数 数值 参数 数值
Pe/kW 750 f/Hz 50 Ue/V 690 Xm/pu 7.8
PCC
A
B
电网
Fig. 1
(a) 等值方法 1
(b) 等值方法 2
图 1 风电场等值方法
A sketch map of dynamic equivalence methods
for wind farms
场等值成 1 台风力机和 1 台发电机，等值风电机组 的容量等于所有风电机组容量的代数和，其输入为
风电场通常由相同型号的风电机组组成，常用 的定速机组风电场等值方法是聚合法[14-19]，即把风 电场等值成 1 台风电机组。文献[20-21]指出，考虑 尾流效应对风速的影响时，风电场内风电机组风速 的差异较大，使用 1 台风电机组表征风电场模型的 等值方法会存在误差，但很少有文献分析误差产生 的原因及其适用性。
⎧
∑ ∑ ∑ ⎪⎪Seq
=
⎨
∑ ⎪⎪⎩ZG _ eq
m i =1
=
Si ,
ZG m
m
m
Peq = Pi , Ceq = Ci
i =1
i − =1
,
ZT _ eq
=
Biblioteka Baidu
ZT m
,
Tsum
=
m i =1
Ti
(2)
2 风速波动下等值模型的适用性
2.1 风电场与接入电网的模型 为分析常用等值方法的适用性，本文利用