大型风电场模型综述

Review on Largelarge-Scale scale Wind wind Farm farm Modelingmodeling
GE Jiang-bei, ZHOU Ming, LI Geng-yin (State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China) Abstract：The model of wind farm is the foundation of the grid operation and control with wind farm integration. Establishing mathematical models to describe the steady-state and dynamic behavior of large-scale wind farm is a critical issue with tens of millions kW wind power being injected into the grid one after the other. The research of wind farm modeling is analyzed and summarized from four aspects which are wind speed-output power characteristic model, power flow calculation model, dynamic model and transient model; the concept and the necessity of the cascading dynamic process of the wind farm are proposed aiming at the cascading trip-off of large-scale wind farm recently. The problems of large-scale wind farm modeling and further research are pointed out based on an overview of the existing approachs of wind farm modeling. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51190103， and No. 51177043). Key words：wind farm model； ; wind speed -output power characteristic； ; power flow calculation； ; cascading dynamic process model； ; transient model 中图分类号： TM74 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2013)17-0146-08
2 风速—风功率关系建模
构建反映风电场风速与风功率关系的数学模 型是大型风电场建模的基础问题，此模型也是进一 步研究风电场动态模型的基础。 风速—风功率关系建模主要分两类：一类为机 理建模方法，主要通过计及尾流效应模型来考虑风 电场内风速的波动性对输出功率的影响，其有效性 取决于对研究对象的结构及所遵循的内在规律的把 握程度和模型参数的准确度；另一类为外特性建模 方法。该方法将风电场看作一个黑箱，通过对风电 场长期运行数据的统计分析，研究风电场整体风速 与风电场输出功率的统计规律。目前，机理建模方 法的应用相对广泛。 2.1 机理建模方法 国外对尾流效应的分析较早[9]，应用最广的为 Jensen 模型[10]，国内的尾流模型亦大多基于 Jensen 模型。 文献[11]基于 Jensen 模型和改进 Jensen 模型， 研究了半经验尾流模型；文献[12]考虑了尾流效应 和风电场内地形因素对不同位置风机风速的影响， 得到位于不同位置的风机风速及功率输出，叠加求 和得到风电场的输出功率，该方法是机理建模中较 为常用的一种方法；文献[13]以定速风机的风电场
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电力系统保护与控制
国外也有一部分文献集中于依据实测风速数 据求取风机叶片处的精确风速模型，进而建立风电 场模型。文献[20]根据测风仪的风速将其修正为叶 片前的风速，作为单台风机的输入，并应用支持向 量机进行风机分类。文献[21]在文献[22]的基础上， 考虑风切边和塔影效应，提出了“叶片前等效风 速”的概念， 但对整个风电场的等效模型缺乏考虑。 2.3 存在问题 对于风速—风功率建模，无论是机理建模方法 或外特性建模方法，均存在一定的局限。机理建模 需要表征大型风电场各风机风速的尾流效应模型足 够精确，但目前应用最多的尾流效应模型是 Jensen 模型，往往只适用于平坦地形的风电场；外特性建 模虽然得出了风电场的风速—风功率曲线，但该曲 线需要大量的实测数据作为基础，且推导过程缺乏 明确的物理含义。 大型风电场由于其时空分布特点， 对输出功率的波动有一定的平抑作用，无论是机理 建模方法或外特性建模方法，往往采用平均风速的 方法表现风电场的平抑作用，该方法总体来讲不够 精确。因此，无论是从机理计算还是物理测量，准 确得到各风机轮毂高度的风速是建立风速 -风功率 关系的关键。
基金项目：国家自然科学基金重大项目（51190103）和面上 项目(51177043)
风速，具有随机性和波动性。大规模风电场的接入 对电网的稳定运行带来了影响。在分析风电接入对 电网的影响时，首要问题是要解决风电场的建模问 题，即风电场对电网呈现的外特性模型，包括稳定 模型和动态模型。 对风电场中每台风电机组进行详细建模是大 规模风电场建模的基础，随着风电场规模的不断扩 大，从电网侧来看更需要风电场的整体模型（或称 为等值模型） 。 本文针对大型风电场， 描述了其等值 模型出现的背景及发展过程，阐述了目前风电场建 模研究的主要方向，对国内外研究现状进行了分析 和比较，就目前存在的问题和今后的发展方向提出 了自己的看法，特别提出了风电场连锁动态过程建
为例，分析和比较了不同风速模型的风电场输出特 性，结果表明，时滞会平滑风电场输出功率。该结 果反应了风电场的平抑作用。 同时也有一些新的模型不断提出，文献[14]提 出了基于雷诺时均方程(RANS)的 CFD 模型。文献 [15]将风速分为四分量，不考虑噪声分量的影响， 认为所有风机的基本风速相同，对阵风和渐变风考 虑其空间的传递过程和时间分布，建立等效风速模 型。该文较好地解释了风电场的空间分布对风速的 作用和时滞的影响， 但对尾流效应缺乏深入的分析。 2.2 外特性建模方法 外特性建模实际操作时往往依据厂家给定的 风电机组标准功率曲线进行风功率计算，主要依据 国际电工委员会 IEC 61400-12 标准进行测试。 但一些文献[16-19]指出风电机组的实际运行情 况与厂家给定的标准功率特性曲线并不完全相符， 因为标准功率特性曲线是在较为严格的风洞实验环 境下完成的。这些文献建议采用实际测量的风速— 功率数据进行建模，采用的方法往往是基于最大概 率的风速—风功率曲线。 文献[16]基于实际运行数据，采用基于最大概 率的方法，绘制了某风电场风电机组的实测风速— 功率曲线；文献[17]通过分层抽样的方法，采用样 本均值代替整个风电场的风速均值，采用最小误差 循环搜索的方法，最终使得由样本风速而求得的平 均风速非常接近全风场所有风机实测风速的平均 值。基于此建立了风电机组的最大概率风速—风功 率曲线；而对于整个风电场的等值建模，上述文献 均采用平均风速作为单机输入，简单倍乘得到风电 场整体输出，该方法对反应风电场的平抑作用有一 定合理性，但实际风功率与风速之间的关系并非线 性关系。 文献[18]指出对于有效风速范围内的风电场输 出功率序列 P ∑ ，存在等效风能转换效率和风电 场等效风速序列对，即（ Cpequ , Vequ ）序列， 与之对应，采用试探法，按决定系数最大原则选取 风电场等效风速 Vequ ，之后可求得等效风能转换 效率 Cpequ 。但该方法计算过程较为复杂。文献 [19]基于实测数据，提出风电场等效风能利用系数 的概念，为风电场总输出功率与最大风速流过所有 风电机组扫风面积风功率之比，从而得到最大风速 —风电场等效风能利用系数的散点图和等效风能利 用系数曲线。而实际风电场中运行于最大风速的风 电机组只有一部分，该方法存在自身的局限性。
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葛江北，等
大型风电场建模综述
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模的必要性，为大型风电场建模的进一步研究提供 一些思路。
1 等值模型的提出
风电发展初期，由于规模较小，人们的注意力 主要集中于单台风电机组的建模及对单机模型的降 阶处理上[5-6]。随着风电机组类型的增加[7-8]和风电 场规模的不断扩大，对整个风电场进行建模引起了 人们的关注。大型风电场的建模思路分为两类，一 类是采用详细模型，将风电场视为多台小容量的发 电机、升压变压器和大量的连接线路加入到电力系 统中，进行详细建模。这是一个高阶的数学模型， 不仅增大了电力系统的阶数，也增加了潮流计算的 时间，尤其是时域仿真所需的时间，同时，也会引 起许多严重的问题，如模型的有效性、数据的修正 等问题。基于此，等值模型被提出以描述大型风电 场的各种稳态和动态行为。该方法从整个风电场对 电网的影响出发， 将风电场看作一个整体进行研究。 研究目的不同，研究方法及侧重对象亦出现差异。 本文针对大型风电场建模问题，对目前相关研究成 果从四个方面：风速—风功率关系建模、稳态潮流 计算模型、动态模型和暂态模型进行综述和分析， 试图指出可进一步研究的方向。
第 41 卷 第 17 期 2013 年 9 月 1 日
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
Vol.41 No.17 Sep.1, 2013
大型风电场建模综述
葛江北，周 明，李庚银
（新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京 102206） 摘要：风电场建模是研究风电场接入电网运行和控制的基础。随着我国千万千瓦级风电场陆续投入电网运行，建立描述大型 风电场的稳态和动态行为的数学模型是一个关键课题。对现有风电场建模研究成果从风速—功率关系模型、稳态潮流计算模 型、动态模型和暂态模型四方面进行分析和总结；并针对近期出现的大型风电场连锁切机事故，提出了风电场连锁动态过程 建模的概念和必要性。通过对现有风电场建模方法的综述，旨在指出目前大规模风电场建模存在的问题和需要进一步研究的 方向。 关键词：风电场模型；风速—功率关系；潮流计算；连锁动态过程模型；暂态模型
0 引言
随着风力发电技术的迅速发展和成本的降低， 风力发电已被认为是一种主要的替代化石燃料发电 的可再生能源发电方式，目前已得到各国的重 视[1-3]。我国风能资源主要分布于“三北”及东南沿 海地区，大多远离负荷中心，因此我国风电多为大 规模、集中式开发，远距离接入电网。我国已建成 和拟建立八个千万千瓦级风电基地[4]。风力发电与 常规能源发电相比，有很大不同，输出功率依赖于
进行潮流计算时，还应在雅克比矩阵中引入无功 Q 对电压 U 的导数， 以模拟电压变化时异步机无功出 力的变化；文献[27]指出对于鼠笼发电机，可将其 等值为 PQ 节点和 RX 节点， 对于 DFIG （双馈风机） ， 则往往将其等效为 PQ 节点或 PV 节点。 风电场的稳态潮流计算模型总体来讲已较为 成熟，风机类型及其节点的处理总结如表 1 所 示[28-36]。