付兆遠(yuǎn)，許志元，王萬寶，周迎新，吳長靜

（1.濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；2.棗莊供電公司，山東 棗莊 277000）

0 引言

風(fēng)電技術(shù)的成熟和裝備水平的發(fā)展使風(fēng)力發(fā)電成為目前技術(shù)最為成熟、商業(yè)化前景最為廣闊的新能源技術(shù)。目前中國風(fēng)電并網(wǎng)總裝機(jī)容量居世界第一，2012年風(fēng)電發(fā)電量超過核電發(fā)電量成為中國第三大電源［1］。國家政策支持、風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟使得風(fēng)電成為新能源的領(lǐng)路者。

風(fēng)電場的快速發(fā)展對(duì)局部地區(qū)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行與控制產(chǎn)生了較大程度的不利影響。風(fēng)電場低電壓穿越特性、反調(diào)峰特性等嚴(yán)重影響了地區(qū)電網(wǎng)的風(fēng)電接納能力［2］。大容量風(fēng)電場的接入對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響已成為近來研究的熱點(diǎn)問題之一。

風(fēng)電場普遍存在機(jī)組數(shù)量多、分布范圍廣的特點(diǎn)，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用能力均不相同，如果詳細(xì)考慮每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響，會(huì)大大增加電網(wǎng)的分析計(jì)算工作量。電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、繼電保護(hù)整定等普遍考慮的是風(fēng)電場的群體行為而不關(guān)注單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，因此風(fēng)電場的等值簡化對(duì)電力系統(tǒng)分析尤為重要［3］。本文將使用加權(quán)容量法對(duì)復(fù)雜的風(fēng)電場進(jìn)行簡化建模［4］，通過仿真分析電網(wǎng)發(fā)生典型故障時(shí)，風(fēng)電場等值機(jī)與風(fēng)電場詳細(xì)模型的輸出變化，進(jìn)而驗(yàn)證風(fēng)電場等值在電力系統(tǒng)分析計(jì)算中應(yīng)用的可靠性。

1 容量加權(quán)法原理

普通風(fēng)電場由數(shù)十到上百臺(tái)風(fēng)電機(jī)組模型，在系統(tǒng)分析計(jì)算時(shí)，不必考慮每臺(tái)機(jī)組的輸出特性，只要能準(zhǔn)確模擬整個(gè)風(fēng)電場對(duì)外輸出特性即可滿足系統(tǒng)分析計(jì)算的要求。機(jī)組容量、同步電抗是穩(wěn)態(tài)計(jì)算的不需條件，暫態(tài)計(jì)算時(shí)需要額外考慮機(jī)組轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)、暫態(tài)電抗等。等值計(jì)算時(shí)，根據(jù)機(jī)組本身特性、風(fēng)速條件等將風(fēng)電場劃分為N個(gè)集群，分別計(jì)算每個(gè)集群的等值參數(shù)。

工程計(jì)算中，常忽略風(fēng)機(jī)至變壓器的電纜阻抗，認(rèn)為集群內(nèi)所有風(fēng)電機(jī)組通過變壓器接于統(tǒng)一母線上，即計(jì)算時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中只考慮變壓器阻抗、發(fā)電機(jī)阻抗。

對(duì)第i個(gè)風(fēng)電機(jī)組集群進(jìn)行等值時(shí)，等值機(jī)容量、有功功率應(yīng)為該集群中所有風(fēng)電機(jī)組的容量和有功功率之和。

容量加權(quán)系數(shù)

同樣按照容量加權(quán)法計(jì)算得出等值機(jī)組的電氣參數(shù)、掃風(fēng)面積、風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)速

式中：Xm表示風(fēng)電場某個(gè)集群內(nèi)第m臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的某一電氣參數(shù)，Xeqi為等值機(jī)中與Xm對(duì)應(yīng)的參數(shù)，Am、Cpm、νwm分別表示第i個(gè)機(jī)群內(nèi)第m臺(tái)風(fēng)力機(jī)的掃風(fēng)面積、風(fēng)能利用系數(shù)和風(fēng)速。

一般來講，同一集群中風(fēng)電機(jī)組所處風(fēng)速相差不大，此時(shí)等值機(jī)風(fēng)速可簡化為

2 多臺(tái)風(fēng)機(jī)等值系統(tǒng)建模

算例風(fēng)電場采用21臺(tái)雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定電壓為0.69 kV，分別經(jīng)升壓變壓器接至中壓母線，考慮到地形地貌和風(fēng)能資源的分布特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組經(jīng)3條集電線路接至風(fēng)電場升壓變電站，升壓至110 kV與外網(wǎng)相連如圖1所示。其中，集電線路1上有3臺(tái)2 MW風(fēng)電機(jī)組，集電線路2上裝8臺(tái)2 MW風(fēng)電機(jī)組，集電線路3上裝10臺(tái)2 MW風(fēng)電機(jī)組。

圖1 算例風(fēng)電場示意圖

使用DigSILENT/PowerFactory軟件建模，該軟件是德國DIgSILENT Gmbh公司開發(fā)的電力系統(tǒng)仿真軟件，包含了潮流、短路計(jì)算、機(jī)電暫態(tài)及電磁暫態(tài)計(jì)算等一系列計(jì)算功能，其風(fēng)電機(jī)組電氣部分包括雙饋感應(yīng)電機(jī)、變頻器模型及風(fēng)速、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、空氣動(dòng)力學(xué)部分及風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)。

為驗(yàn)證加權(quán)容量法在風(fēng)電場等值計(jì)算中的有效性，在本算例中以集電線路Line2上的8臺(tái)2 MW風(fēng)電機(jī)組為例，在DigSILENT/PowerFactory中建立8臺(tái)風(fēng)機(jī)模型，8臺(tái)風(fēng)機(jī)分別通過變壓器連接至HV母線上。 等值機(jī)的繞組時(shí)間常數(shù)、掃風(fēng)面積等參數(shù)按上節(jié)所述加權(quán)容量法的原則求得。等值后的風(fēng)電場如圖2所示。

圖2 風(fēng)電場等值結(jié)構(gòu)

基于所建立的仿真模型，0 s時(shí)高壓母線HV發(fā)生故障。在母線MV處測量母線電壓、電流、有功功率及視在功率。

為了說明等值方法的合理性，給出相對(duì)誤差和平均相對(duì)誤差的計(jì)算公式式中，M為采樣點(diǎn)數(shù)。

3 仿真分析

為了使更加詳細(xì)地分析加權(quán)容量法所建立模型的適用性，仿真中考慮以下3種風(fēng)電場情況：1）所有風(fēng)機(jī)在同一風(fēng)速條件下運(yùn)行。2）不同風(fēng)電機(jī)組集群在不同風(fēng)速條件下運(yùn)行，處于集電線路上的3臺(tái)機(jī)組處于風(fēng)速為15 m/s的環(huán)境中，處于集電線路2上的8臺(tái)機(jī)組處于11 m/s的風(fēng)速環(huán)境中，集電線路3上裝設(shè)的風(fēng)電機(jī)組仿真風(fēng)速為8 m/s，按照加權(quán)容量法計(jì)算出的等值機(jī)風(fēng)速為11.3 m/s。3）風(fēng)機(jī)在變風(fēng)速條件下運(yùn)行，詳細(xì)模型和等值機(jī)模型的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行風(fēng)速都設(shè)置為11 m/s，在t=-0.4 s時(shí)陣風(fēng)開始，持續(xù)時(shí)間為2 s，幅值為6 m/s。同時(shí)仿真中詳細(xì)考慮了高壓母線HV的故障情況，包括三相故障、單相故障、兩相故障及兩相接地故障。

3.1 機(jī)端高壓母線三相短路時(shí)等值風(fēng)機(jī)的輸出功率分析

在上述建模工作的基礎(chǔ)上，以不同集群風(fēng)速不同的情況為例來分析等值機(jī)與風(fēng)電場集群詳細(xì)模型的輸出差別。按照上述風(fēng)速仿真條件，考察用來描述電源的4個(gè)主要特征電氣量，即視在功率、有功功率、電流、機(jī)端電壓。由于在機(jī)端發(fā)生三相短路的條件下，風(fēng)電場機(jī)群對(duì)電網(wǎng)的影響最大，考慮極端情況，短路地點(diǎn)設(shè)置在機(jī)組出口處，此時(shí)詳細(xì)模型與等值機(jī)模型輸出圖形如圖3所示。

圖3 等值前后風(fēng)電場運(yùn)行曲線比較

從仿真圖形中可以看出，風(fēng)電場等值模型與詳細(xì)模型的輸出電氣量基本重合，等值機(jī)可以較好地模擬系統(tǒng)的暫態(tài)過程。此時(shí)對(duì)相同風(fēng)速條件、風(fēng)速變化時(shí)進(jìn)行仿真，并利用式6計(jì)算其平均相對(duì)誤差，結(jié)論如表1所示。

表1 高壓母線三相短路時(shí)等值前后輸出量的平均相對(duì)誤差 %

從表1可以得出：對(duì)風(fēng)電集群機(jī)組做等值計(jì)算后，等值電源的4個(gè)主要電氣特征量與詳細(xì)模型吻合程度很高，為得出一般性結(jié)論，現(xiàn)對(duì)機(jī)端母線其他類型的故障做進(jìn)一步分析。

3.2 機(jī)端高壓母線發(fā)生其他故障時(shí)等值風(fēng)機(jī)輸出電流變化分析

3.1中仿真條件為機(jī)端高壓母線發(fā)生三相短路故障，為進(jìn)一步分析等值風(fēng)機(jī)的輸出特征，現(xiàn)對(duì)高壓母線發(fā)生A相接地、BC相間短路、BC短路接地3種情況進(jìn)行進(jìn)一步分析。仿真結(jié)論如表2所示。

表2 高壓母線不同類型故障時(shí)等值前后輸出電流的平均相對(duì)誤差 %

4 結(jié)語

由以上仿真可看出，使用加權(quán)容量法計(jì)算出的風(fēng)電場等值模型的輸出視在功率、有功功率、機(jī)端電壓和電流與詳細(xì)模型吻合程度很高?？紤]風(fēng)電場故障條件下的暫態(tài)特性時(shí)，風(fēng)電場等值模型計(jì)算出的電源4個(gè)主要特征量變化曲線與星系模型基本吻合，誤差滿足工程計(jì)算的要求。使用加權(quán)容量法進(jìn)行風(fēng)電機(jī)群等值分析對(duì)電氣設(shè)備選型、繼電保護(hù)整定具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

［1］ 陳樹勇，戴慧珠，白曉民，等.風(fēng)電場的發(fā)電可靠性模型及其應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20（3）：26-29.

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