CN113627035B - 一种风电场单机等值模型的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种风电场单机等值模型的建立方法涉及风电模型的构建，目的是为了克服现有的容量加权法的风电场单机等值模型误差较大的问题，步骤如下：步骤一、绘制输入功率差异‑等值误差散点图；步骤二、使用幂函数拟合输入功率差异‑等值误差散点图，得到输入功率差异‑等值误差拟合曲线图；求得风电机组的特性幂指数b；步骤三、使用风电机组实际功率的b次幂作为权系数替代基于容量加权法的单机等值模型中的容量，并添加修正系数，完成使用功率幂加权的风电场单机等值模型的构建。

Description

一种风电场单机等值模型的建立方法

技术领域

本发明涉及风电模型的建立。

背景技术

随着发展新能源需求的增加，风力发电的装机规模越来越大，对电力***的影响不可忽视。为了电力***能够正确评估大规模风力发电场的接入对电网稳定性产生的影响，且提高电力***在计算分析过程中的效率，研究简单有效的风力发电场等值方法，建立准确可靠的等值风电机组模型，对于电力***以及风力发电技术的研究具有十分重要的现实意义。

现有的容量加权法的风电场单机等值模型由于计算简单应用最为广泛，但是其由于未考虑实际功率状态因素，在风电场风力环境复杂情况下误差较大。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的容量加权法的风电场单机等值模型误差较大的问题，提供了一种风电场单机等值模型的建立方法。

本发明的一种风电场单机等值模型的建立方法，方法具体步骤如下：

步骤一、通过风电机组的实际参数，建立双机模型和基于容量加权法的单机等值模型，逐渐改变双机模型中两个风电机组的输入功率差异，根据输入功率差异的改变，计算基于容量加权法的单机等值模型中多个输出量的等值误差，绘制输入功率差异-等值误差散点图；

等值误差包括有功功率等值误差、无功功率等值误差、电压等值误差和电流等值误差；

步骤二、使用y＝a×x^b形式的幂函数拟合输入功率差异-等值误差散点图，得到输入功率差异-等值误差拟合曲线图；输入功率差异-等值误差拟合曲线图中的输入功率差异-等值误差拟合曲线包括有功功率等值误差拟合曲线、无功功率等值误差拟合曲线、电压等值误差拟合曲线和电流等值误差拟合曲线；

根据输入功率差异-等值误差拟合曲线求得有功功率等值误差拟合曲线的幂指数b_P、无功功率等值误差拟合曲线的幂指数b_Q、电压等值误差拟合曲线的幂指数b_V和电流等值误差拟合曲线的幂指数b_I，并对b_P、b_Q、b_V和b_I取平均值得到风电机组的特性幂指数b；

步骤三、使用风电机组实际功率的b次幂作为权系数替代基于容量加权法的单机等值模型中的容量，并添加修正系数，完成使用功率幂加权的风电场单机等值模型的构建。

其中，步骤一中，基于容量加权法的单机等值模型为：

其中，Y为风电机组的任一实际参数，i为风电场中风电机组的序数，Y^eq为等值单机风电机组参数；S_i为第i台风电机组容量，S^eq为等值单机风电机组容量，为风电场所有风电机组容量的和，n为风电场中风电机组的总数。

其中，步骤一中，逐渐改变双机模型中两个风电机组的输入功率差异的方法具体是：

通过将双机模型中的一台风电机组输入风功率保持满容量不变，另一台风电机组的输入风功率从满容量逐步降低至0。

其中，步骤二中，有功功率等值误差拟合曲线、无功功率等值误差拟合曲线、电压等值误差拟合曲线和电流等值误差拟合曲线的表达式分别如下：

式中，ΔP代表双机模型中两个风电机组的输入功率差，E_P E_Q E_V E_I分别代表有功功率等值误差、无功功率等值误差、电压等值误差和电流等值误差；a_P、a_Q、a_V、a_I均为相应拟合曲线的系数。

其中，步骤三的具体方法如下：

步骤三一、将公式：

改写为下式：

其中，P为任一风电机组的功率，P^eq为等值单机风电机组的功率；

步骤三二、构建功率幂加权的风电场单机等值模型如下：

其中，各风电机组的参数相同，n^b-1为修正系数。

其中，步骤三的具体方法如下：

步骤31、将公式：

改写为下式：

其中，P为任一风电机组的功率，P^eq为等值单机风电机组的功率；

步骤32、构建功率幂加权的风电场单机等值模型如下：

其中，各风电机组的参数不相同，为修正系数，b_i为第i台风电机组的特性幂指数，b^eq为等值单机风电机组的特性幂指数为风电场中所有风电机组特性指数的平均值：

本发明的有益效果是：

本发明根据风力发电场中风电机组的实际参数，搭建双机模型和传统单机等值模型，并使两台风电机组的输入功率差异逐步扩大，计算得到不同功率差下传统单机等值方法的等值误差，绘制“输入功率差异-等值误差”散点图；根据输入功率差和等值误差呈现幂函数图形规律，使用幂函数模型拟合“输入功率差异-等值误差”曲线，并得到拟合曲线相应的幂指数，得到该风电机组的特性幂指数b，该指数可以表示输入功率对等值的影响权重大小，使用实际功率的b次幂作为权系数，加权平均求得单机等值模型的各个等值参数。

能够考虑实际功率状态因素，在风电场风力环境复杂情况下具有较小的误差。

附图说明

图1为双机模型和单机等值模型的结构示意图；

图2为有功功率等值误差拟合曲线图；

图3为无功功率等值误差拟合曲线图；

图4为电压等值误差拟合曲线图；

图5为电流等值误差拟合曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一，本实施方式的一种使用功率幂加权的风电场单机等值方法，该方法具体步骤包括：

步骤一、使用风电机组的实际参数，搭建双机模型和现有单机等值模型，逐渐改变两机输入功率差异，仿真计算传统单机等值方法各输出量的等值误差，绘制“输入功率差异-等值误差”散点图；

步骤二、使用幂函数数学模型拟合“输入功率差异-等值误差”曲线，得到各曲线的幂指数b_P、b_Q、b_V、b_I，取平均值得到风电机组的特性幂指数b；

步骤三、使用风电机组实际功率的b次幂作为权系数，加权平均求得单机等值模型的其余所有等值参数，完成使用功率幂加权的风电场单机等值模型的构建。

其中，如图1所示，搭建由风电场中的该参数风电机组构成的双机***(两个风电机组参数相同)，而现有单机等值模型基于容量加权法，将双机模型中的两个风电机组等效为一个总的单风电机。

双机模型中的两个风电机组输入不同功率，使用传统容量加权单机等值得到等值误差，不同功率差下得到不同误差，得到散点图，得二机功率差越大误差越大，散点图和幂函数曲线形状一致，可以拟合，4个指标得到4个幂指数，4个幂指数相近，说明各项误差和功率有相关性且相关性一致，取4指数平均值得特性指数，代表了该参数风电机组对输入功率的相关程度。

进一步地，在步骤一之间可以先根据原风电场的等效电路连接图，利用风电机组输入阻抗并联关系，求得单机等值风电机组的参数和X′^eq，这两个参数具有明显的物理特征，区别于其他参数，本实施方式不能应用于这两个参数的求取，这两个参数会直接影响风电场单机等值模型的动态特性。

具体方法如下：

风电机组的通用数学模型为：

式中：e′为发电机暂态电势；为发电机暂态电动势的导数；X₀、X′分别为定子电抗、定子暂态电抗；R_s为定子电阻；T₀′为转子绕组时间常数；s为转差率；H为惯性时间常数；ω_m为发电机转速标幺值；/>为发电机转速导数；ω_s为同步角速度；i_s为定子电流；v_s为机端电压；u_r′为转子电压的折算值；T_t、T_e分别为风力机的机械转矩和发电机的电磁转矩；P_w、P_e分别为风力机的机械功率和发电机的电磁功率；j为虚数单位。

则等值单机风电机组的数学模型为：

式中，与式(1)相比，各带有角标eq的参量代表等值风电机组的参量。

由式(1)可知，R_s+jX′为风电机组的输入阻抗，考虑风电场内所有风电机组共同接入汇流母线，输入阻抗存在并联关系，为保证等值机的动态特性与原风电场一致，可以求得等值单机风电机组的输入阻抗关系式为：

当风电机组型号参数相同时，

当风电机组型号参数不同时，

式中，n代表风电场中风电机组数目，参数角标i代表风电场中第i台风电机组，即风电机组的序数。

换算成标幺值形式变为：

当风电机组型号参数相同时，

当风电机组型号参数不同时，

式中，S_i代表第i台风电机组容量，S^eq代表等值风电机组容量，为原风电场所有风电机组容量和。

进一步地，步骤一种使用风电机组的实际参数，搭建双机模型和传统单机等值模型，逐渐改变两机输入功率差异，仿真计算传统单机等值方法各输出量的等值误差，绘制“输入功率差异-等值误差”散点图的具体方法为：

步骤一一、使用其中一种型号的风电机组参数，搭建如图1所示双机模型和传统单机等值模型：

其中等值机参数求取采用传统单机等值方法，等值参数求取方法为：

Y代表风电机组的任一参数，采取标幺值。

可以改写为：

其中，功率P的幂指数为0，说明传统单机等值方法并未考虑风电机组实际功率因素。

步骤一二、将其中一台风电机组输入风功率保持满容量不变，另一台风电机组输入功率从满容量逐步降低至0，分别求得有功功率误差、无功功率误差、电压误差、电流误差并绘制散点图，如图2～图5所示，横坐标ΔP代表两个风电机组的输入功率差，纵坐标E_P、E_Q、E_V和E_I分别代表有功功率误差、无功功率误差、电压误差和电流误差。

进一步地，步骤二中使用幂函数数学模型拟合“输入功率差异-等值误差”曲线，得到各曲线的幂指数b_P、b_Q、b_V、b_I，取平均值得到风电机组的特性幂指数b的具体方法为：

步骤二一、观察发现散点图形状和幂函数曲线相似，使用如式(9)形式的幂函数拟合“输入功率差异-等值误差”散点图，得到“输入功率差异-等值误差”拟合曲线图，如图2～图5所示；

y＝a×x^b(9)

步骤二二、拟合曲线表达式分别为：

式中，ΔP代表两个风电机组的机输入功率差，E_P、E_Q、E_V和E_I分别代表有功功率误差、无功功率误差、电压误差和电流误差。

范例拟合结果为：

E_P＝0.003294×ΔP^1.1712

a_P＝0.003294；b_P＝1.712。

E_Q＝0.1223×ΔP^1.654

a_Q＝0.1223；b_Q＝1.654。

E_V＝0.001583×ΔP^1.707

a_V＝0.001583；b_V＝1.707。

E_I＝0.03389×ΔP^1.613

a_I＝0.03389；b_I＝1.613

结果发现：

b_P≈b_Q≈b_V≈b_I，

说明该参数可以作为表征风电机组输入功率与误差相关性的特性指数。

步骤二三、将4个幂指数取平均值得到该风电机组的特性幂指数b，该指数可以表示输入功率对等值的影响权重大小。

b＝(b_P+b_Q+b_V+b_I)/4(19)

进一步地，步骤三中，使用风电机组实际功率的b次幂作为权系数，加权平均求得单机等值模型的其余所有等值参数的具体方法为：

步骤三一、建立功率幂加权平均求取等值参数的基本形式，当风电机组参数相同时，使用实际功率的幂取代传统等值方法中的容量，因参数均为标幺值，为消除总功率P^eq幂次带来的倍数变化，添加修正系数n^b-1，得到等值机其余所有参数求取公式：

步骤三二、当风电机组参数不同时，每种型号的特性指数b不相同，设第i台风电机组的特性参数为b_i，等值机的特性指数b^eq取原风电场所有风电机组特性指数的平均值，即：

整理得到风电机组参数不同时的单机等值参数求取公式：

至此，求得等值风电机组全部参数，完成使用功率幂加权的风电场单机等值方法的构建。

Claims (2)

1.一种风电场单机等值模型的建立方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤一、通过风电机组的实际参数，建立双机模型和基于容量加权法的单机等值模型，逐渐改变双机模型中两个风电机组的输入功率差异，根据输入功率差异的改变，计算基于容量加权法的单机等值模型中多个输出量的等值误差，绘制输入功率差异-等值误差散点图；

所述等值误差包括有功功率等值误差、无功功率等值误差、电压等值误差和电流等值误差；

步骤二、使用y＝a×x^b形式的幂函数拟合输入功率差异-等值误差散点图，得到输入功率差异-等值误差拟合曲线图；所述输入功率差异-等值误差拟合曲线图中的输入功率差异-等值误差拟合曲线包括有功功率等值误差拟合曲线、无功功率等值误差拟合曲线、电压等值误差拟合曲线和电流等值误差拟合曲线；

根据所述输入功率差异-等值误差拟合曲线求得有功功率等值误差拟合曲线的幂指数b_P、无功功率等值误差拟合曲线的幂指数b_Q、电压等值误差拟合曲线的幂指数b_V和电流等值误差拟合曲线的幂指数b_I，并对b_P、b_Q、b_V和b_I取平均值得到风电机组的特性幂指数b；

步骤三、使用风电机组实际功率的b次幂作为权系数替代基于容量加权法的单机等值模型中的容量，并添加修正系数，完成使用功率幂加权的风电场单机等值模型的构建；

基于容量加权法的单机等值模型为：

其中，Y为风电机组的任一实际参数，i为风电场中风电机组的序数，Y^eq为等值单机风电机组参数；S_i为第i台风电机组容量，S^eq为等值单机风电机组容量，为风电场所有风电机组容量的和，n为风电场中风电机组的总数；

步骤一中，逐渐改变双机模型中两个风电机组的输入功率差异的方法具体是：

通过将双机模型中的一台风电机组输入风功率保持满容量不变，另一台风电机组的输入风功率从满容量逐步降低至0；

步骤二中，有功功率等值误差拟合曲线、无功功率等值误差拟合曲线、电压等值误差拟合曲线和电流等值误差拟合曲线的表达式分别如下：

式中，ΔP代表双机模型中两个风电机组的输入功率差，E_P E_Q E_V E_I分别代表有功功率等值误差、无功功率等值误差、电压等值误差和电流等值误差；a_P、a_Q、a_V、a_I均为相应拟合曲线的系数；

步骤三的具体方法如下：

步骤三一、将公式：

改写为下式：

其中，P为任一风电机组的功率，P^eq为等值单机风电机组的功率；

步骤三二、构建功率幂加权的风电场单机等值模型如下：

其中，各风电机组的参数相同，n^b-1为修正系数。

2.一种风电场单机等值模型的建立方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：

步骤一、通过风电机组的实际参数，建立双机模型和基于容量加权法的单机等值模型，逐渐改变双机模型中两个风电机组的输入功率差异，根据输入功率差异的改变，计算基于容量加权法的单机等值模型中多个输出量的等值误差，绘制输入功率差异-等值误差散点图；

所述等值误差包括有功功率等值误差、无功功率等值误差、电压等值误差和电流等值误差；

步骤二、使用y＝a×x^b形式的幂函数拟合输入功率差异-等值误差散点图，得到输入功率差异-等值误差拟合曲线图；所述输入功率差异-等值误差拟合曲线图中的输入功率差异-等值误差拟合曲线包括有功功率等值误差拟合曲线、无功功率等值误差拟合曲线、电压等值误差拟合曲线和电流等值误差拟合曲线；

根据所述输入功率差异-等值误差拟合曲线求得有功功率等值误差拟合曲线的幂指数bP、无功功率等值误差拟合曲线的幂指数bQ、电压等值误差拟合曲线的幂指数bV和电流等值误差拟合曲线的幂指数bI，并对bP、bQ、bV和bI取平均值得到风电机组的特性幂指数b；

步骤三、使用风电机组实际功率的b次幂作为权系数替代基于容量加权法的单机等值模型中的容量，并添加修正系数，完成使用功率幂加权的风电场单机等值模型的构建；

步骤一中，基于容量加权法的单机等值模型为：

其中，Y为风电机组的任一实际参数，i为风电场中风电机组的序数，Y^eq为等值单机风电机组参数；S_i为第i台风电机组容量，S^eq为等值单机风电机组容量，为风电场所有风电机组容量的和，n为风电场中风电机组的总数；

步骤一中，逐渐改变双机模型中两个风电机组的输入功率差异的方法具体是：

通过将双机模型中的一台风电机组输入风功率保持满容量不变，另一台风电机组的输入风功率从满容量逐步降低至0；

步骤二中，有功功率等值误差拟合曲线、无功功率等值误差拟合曲线、电压等值误差拟合曲线和电流等值误差拟合曲线的表达式分别如下：

式中，ΔP代表双机模型中两个风电机组的输入功率差，E_P E_Q E_V E_I分别代表有功功率等值误差、无功功率等值误差、电压等值误差和电流等值误差；a_P、a_Q、a_V、a_I均为相应拟合曲线的系数；

步骤三的具体方法如下：

步骤31、将公式：

改写为下式：

其中，P为任一风电机组的功率，P^eq为等值单机风电机组的功率；

步骤32、构建功率幂加权的风电场单机等值模型如下：

其中，各风电机组的参数不相同，为修正系数，b_i为第i台风电机组的特性幂指数，b^eq为等值单机风电机组的特性幂指数为风电场中所有风电机组特性指数的平均值：