技术领域
[0001] 本
发明涉及风电并网系统的
稳定性研究领域，具体地说是一种计及辅助调频服务的双馈风电场的等值建模方法。
背景技术
[0002] 在“发展风电、光电等
可再生能源，提高清洁能源消纳
水平”的政策指引下，我国新能源发电的并网容量将继续增加，而兼负传统调频任务的部分火
电机组则面临关停风险。新能源占比上升、火电占比下降的趋势将大幅降低电
力系统的惯性响应、一次调频及二次调频的能力，使我国
电网的调频压力进一步增加。为保证电力系统的安全可靠运行，降低风电接入对电网
频率和稳定性的影响，风电越来越被认为需要承担常规电源的辅助调频服务。双馈异步风电机组参与电网辅助调频服务的方式主要包括虚拟惯性方式、
转子超速方式和变桨距
角方式。根据双馈机组的运行特性及调频方式的适用范围，采用综合调频策略，即在低风速段采用虚拟惯性调频方式，中风速段采用转子超速调频方式，高风速段采用变桨距角调频方式，可以最大限度的发挥不同工况下双馈机组的调频潜力，进而增强整个双馈风电场参与电网辅助调频服务的效果。
[0003] 风电并网特性研究需要准确度高、计算速度快的风电场模型。与火电厂、核电站相比，风电场包含的风电机组数量多、容量小，如果采用完全保留风电场内部拓扑结构的风电场详细模型，虽然可以保证仿真结果的
精度，但是将出现仿真时间长、潮流难以收敛或者仿真
软件计算规模难以承受等问题。因此，国内外学者推荐使用基于同调等值建模思想的风电场等值模型。目前，双馈风电场等值建模方法的研究多围绕同调机群的划分和聚合分类
算法而展开，对于机群划分指标的提取，考虑的主要是风功率特性曲线工作区段的差异、发电机转速的差异以及桨距角、撬棒保护、卸荷保护等动作的差异，未曾计及辅助调频服务对双馈风电机组运行特性以及同调机群划分结果准确性的影响。例如在辅助调频服务方式下，双馈风电机组将不再运行于最大功率点追踪模式，机组间转速的差异也将缩小，原有同调机群的划分方法难以适用。
发明内容
[0004] 本发明为避免上述
现有技术存在的不足之处，提供一种计及辅助调频服务的双馈风电场的等值建模方法，以期能准确表征双馈风电场内部各台机组参与电网辅助调频服务时工作方式的差异，从而使双馈风电场的等值模型更加准确地拟合风电场的功率外特性。
[0005] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
[0006] 一种计及辅助调频服务的双馈风电场的等值建模方法，所述双馈风电场是由m台型号相同的双馈异步风电机组组成，每台双馈异步风电机组经过其机端
变压器升压后，通过
电缆线路接入风电场中压
母线，然后经风电场主变压器二次升压，最终从双馈风电场出口处通过双回电缆线路并入电网；所述双馈异步风电机组中包括：
风力机、双馈异步发电机、网侧变流器、转子侧变流器以及并联在所述网侧变流器和转子侧变流器之间
直流母线上的电容、转子侧Crowbar保护
电路；按如下步骤进行：
[0007] (1)搭建双馈风电场的详细模型；
[0008] (2)随机产生双馈机组的输入风速；
[0009] (3)判定双馈机组参与辅助调频服务的工作方式；
[0010] (4)依据辅助调频服务工作方式的差异完成机群划分并用等值量表征机群；
[0011] (5)建立双馈风电场的等值模型。
[0012] 优选地，步骤(1)所述详细模型包括：风电场内各台双馈异步风电机组的单机模型、双馈异步风电机组间的电缆模型、机端变压器模型以及主变压器模型。
[0013] 优选地，步骤(2)所述随机产生双馈机组的输入风速是在m台双馈异步风电机组的
切入风速vcut-in和切出
风能vcut-off之间随机产生各台机组的输入风速，记为{vT_1,vT_2,…,vT_j,…,vT_m}；其中，vT_j表示第j台双馈异步风电机组的输入风速；1≤j≤m。
[0014] 优选地，步骤(3)所述辅助调频服务的工作方式包括：虚拟惯性控制的工作方式、转子超速有功减载5％的工作方式、转子超速有功减载小于5％的工作方式以及变桨距角有功减载5％的工作方式，依次记为工作方式Mode1、工作方式Mode2、工作方式Mode3和工作方式Mode4。
[0015] 优选地，步骤(4)依据辅助调频服务工作方式的差异完成机群划分并用等值量表征机群包括：
[0016] 令：工作于Mode1下的双馈异步风电机组划分至机群一，将机群一中包含的所有机组用第一台等值机组WTeq_1表征，机群一中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第一个等值线路阻抗Zeq_1表征，机群一中包含的所有机组的机端变压器用第一台等值机端变压器Teq_1表征；
[0017] 令：工作于Mode2下的双馈异步风电机组划分至机群二，将机群二中包含的所有机组用第二台等值机组WTeq_2表征，机群二中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第二个等值线路阻抗Zeq_2表征，机群二中包含的所有机组的机端变压器用第二台等值机端变压器Teq_2表征；
[0018] 令：工作于Mode3下的双馈异步风电机组划分至机群三，将机群三中包含的所有机组用第三台等值机组WTeq_3表征，机群三中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第三个等值线路阻抗Zeq_3表征，机群三中包含的所有机组的机端变压器用第三台等值机端变压器Teq_3表征；
[0019] 令：工作于Mode4下的双馈异步风电机组划分至机群四，将机群四中包含的所有机组用第四台等值机组WTeq_4表征，机群四中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第四个等值线路阻抗Zeq_4表征，机群四中包含的所有机组的机端变压器用第四台等值机端变压器Teq_4表征。
[0020] 更进一步地，步骤(2)所述第j台双馈异步风电机组的输入风速vT_j由式(1)计算获得：
[0021] vT_j＝(vcut-off-vcut-in)LHS()+vcut-in (1)
[0022] 式(1)中，LHS()表示0～1以内任意随机数。
[0023] 更进一步地，步骤(3)所述第j台双馈异步风电机组参与电网辅助调频服务的工作方式Moden_j由式(2)判别获得：
[0024]
[0025] 式(2)中，vmode_2为双馈异步风电机组进入Mode2的输入风速启动值；vmode_3为双馈异步风电机组进入Mode3的输入风速启动值；vmode_4为双馈异步风电机组进入Mode4的输入风速启动值。
[0026] 更进一步地，步骤(4)所述第一台等值机组WTeq_1、第二台等值机组WTeq_2、第三台等值机组WTeq_3和第四台等值机组WTeq_4的等值参数包括：风力机的
叶片半径Req_x、风力机的惯性时间常数Heq_x、风力机的轴系
刚度系数Keq_x、风电机组的输入风速veq_x、双馈异步发电机的额定功率Seq_x、双馈异步发电机的
定子阻抗Zseq_x、双馈异步发电机的转子阻抗Zreq_x、双馈异步发电机的定转子互阻抗Zmeq_x、网侧流器的视在功率Leq_x、转子侧变流器的视在功率Feq_x、直流母线电容Ceq_x和撬棒
电阻Deq_x；x＝1、2、3或4；并分别由式(3)至式(14)获得：
[0027]
[0028]
[0029]
[0030]
[0031]
[0032]
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 式(3)至式(14)中，Rj、Hj、Kj、Cp_j、Sj、Zs_j、Zr_j、Zm_j、Lj、Fj、Cj和Dj分别表示第j台双馈异步风电机组中风力机的叶片半径、风力机的惯性时间常数、风力机的轴系刚度系数、风力机的
风能利用系数、双馈异步发电机的额定功率、双馈异步发电机的定子阻抗、双馈异步发电机的转子阻抗、双馈异步发电机的定转子互阻抗、网侧变流器的视在功率、转子侧变流器的视在功率、直流母线电容和撬棒电阻；nx表示第x台等值机组中包含的双馈异步风电机组的台数；
[0040] 更进一步地，步骤(4)所述第一台等值机端变压器Teq_1、第二台等值机端变压器Teq_2、第三台等值机端变压器Teq_3和第四台等值机端变压器Teq_4的等值参数包括：机端变压器的视在功率Qeq_x和阻抗Yeq_x；并有按式(15)和式(16)计算获得；
[0041]
[0042]
[0043] 式(15)和式(16)中，Qj、Yj分别为第j台双馈异步风电机组的机端变压器的额定容量和阻抗。
[0044] 更进一步地，步骤(4)所述第一个等值线路阻抗Zeq_1、第二个等值线路阻抗Zeq_2、第三个等值线路阻抗Zeq_3和第四个等值线路阻抗Zeq_4按式(17)计算获得：
[0045]
[0046] 式(17)中，Zj为第j台双馈异步风电机组WTj所在支路上的线路阻抗；PZ_j为流过线路阻抗Zj的有功功率；Pj表示第j台双馈异步风电机组WTj的有功功率。
[0047] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0048] 1、本发明将双馈异步风电机组之间运行特性的差异定性为辅助调频服务工作方式的不同，并基于综合调频策略进一步将机组辅助调频服务工作方式的判别指标量化为机组输入风速的大小，继而可以更加准确、简单的表征双馈异步风电机组在参与电网辅助调频服务时的运行特性，提高了双馈风电场内部同调机群划分结果的有效性。基于双馈异步风电机组辅助调频服务方式的差异划分机群，省去了传统双馈风电场等值建模方法对聚合分类算法的依赖，可兼顾机群划分过程的直观性和执行的高效性，是一种机群划分数目相对固定、实际操作较方便、更加准确拟合风电场功率外特性的双馈风电场等值建模方法。
[0049] 2、本发明充分考虑了实际风资源的
波动性、随机性以及不确定性对风电场内部风电机组运行状态差异的影响，通过拉丁超立方抽样随机产生双馈异步风电机组的输入风速，既克服了传统尾流效应以及时滞效应方法对机组输入风速过于理想化的模拟过程，又避免了简单随机抽样难以表征风速的概率分布特性，可以提升研究成果的工程应用价值。
附图说明
[0050] 图1为现有技术中双馈风电场的拓扑结构图；
[0051] 图2为现有技术中双馈异步风电机组的拓扑结构图；
[0052] 图3为本发明中计及辅助调频服务的双馈风电场的等值建模方法
流程图；
[0053] 图4为本发明中计及辅助调频服务建立的双馈风电场等值模型的拓扑结构图；
[0054] 图5为本发明中双馈风电场有功功率动态响应过程图；
[0055] 图6为本发明中双馈风电场
无功功率动态响应过程图。
具体实施方式
[0056] 为更好理解本发明，下面结合
实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。
[0057] 本实施例中，一种计及辅助调频服务的双馈风电场的等值建模方法是针对双馈异步风电机组参与服务调频服务这一常见的电网调频方式改造方案，考虑综合调频策略下双馈异步风电机组的输入风速对机组自身辅助调频服务工作方式的影响，依据输入风速判别风电机组参与辅助调频服务的具体工作方式，继而，以不同的辅助调频服务工作方式作为同调机群的划分原则，建立风电场的等值模型。
[0058] 双馈风电场由m台型号相同的双馈异步风电机组组成，其拓扑结构如图1所示，每台双馈异步风电机组经过其机端变压器升压后，通过电缆线路接入风电场中压母线，然后经风电场主变压器二次升压，最终从双馈风电场出口处通过双回电缆线路接入电网；双馈异步风电机组的拓扑结构如图2所示，包括：风力机、双馈异步
同步发电机、网侧变流器、转子侧变流器以及并联在所述网侧变流器和机侧变流器之间直流母线上的电容和撬棒电路；方法流程如图3所示，具体的说，是按照如下步骤进行：
[0059] 步骤1、根据双馈风电场的拓扑结构和模型参数，利用MATLAB/Simulink2017a软件平台搭建双馈风电场的详细模型；详细模型包括：风电场内各台双馈异步风电机组的单机模型、双馈异步风电机组间的电缆模型、机端变压器模型以及主变压器模型；模型参数如下表1所示：
[0060] 表1模型参数
[0061]
[0062] 步骤2、设定双馈异步风电机组的运行功率因数，在m台双馈异步风电机组的切入风速vcut-in和切出风能vcut-off之间随机产生各台机组的输入风速，记为{vT_1,vT_2,…,vT_j,…,vT_m}；vT_j表示第j台双馈异步风电机组的输入风速；1≤j≤m；
[0063] 其中，第j台双馈异步风电机组的输入风速vT_j由式(1)计算获得：
[0064] vT_j＝(vcut-off-vcut-in)LHS()+vcut-in (1)
[0065] 式(1)中，LHS()为拉丁超立方抽样得到的在0～1以内的随机数，该函数可在MATLAB/Simulink 2017a软件下调用。
[0066] 在风电场的实际运行过程中，上风位的风电机组会遮挡下风位的风电机组，由于风吹过风电机组时会损失部分
能量，导致后排风电机组的输入风速小于前排风电机组的输入风速，这种现象称之为尾流效应。目前，基于尾流效应推算风电场内部各台风电机组的输入风速是较为常用的方法。但是，风电场的占地规模较大，风速从上风向机组传递到下风向机组存在时间上的延迟，并且风速的大小和风向具有随机性、波动性以及不确定性，基于尾流效应推算风电场内部各台机组输入风速的方法仍过于理想化。
[0067] 基于拉丁超立方抽样随机产生风电机组输入风速的方法可以充分考虑风资源分布的不均匀性，满足风资源随机性、波动性以及不确定性的特点，同时拉丁超立的分层抽样方法可计及风速的概率分布特性，可进一步提升研究方法的工程应用价值。
[0068] 步骤3、根据各台双馈异步风电机组的输入风速判别机组参与电网辅助调频服务的工作方式；辅助调频服务的工作方式包括：虚拟惯性控制的工作方式、转子超速有功减载5％的工作方式、转子超速有功减载小于5％的工作方式以及变桨距角有功减载5％的工作方式，依次记为工作方式Mode1、工作方式Mode2、工作方式Mode3和工作方式Mode4。
[0069] 其中，第j台双馈异步风电机组参与电网辅助调频服务的工作方式Moden_j由式(2)判别获得：
[0070]
[0071] 式(2)中，vmode_2为双馈异步风电机组进入工作方式Mode2的输入风速启动值；vmode_3为双馈异步风电机组进入工作方式Mode3的输入风速启动值；vmode_4为双馈异步风电机组进入工作方式Mode4的输入风速启动值。
[0072] 风电机组参与辅助调频服务是解决高比例
可再生能源电力系统调节能力不足的手段之一。双馈异步风电机组的虚拟惯性控制工作方式能参与短期调频但容易引发频率二次跌落，转子超速有功减载5％工作方式适用于中低风速工况，转子超速有功减载小于5％的工作方式适用于中高风速工况，变桨距角有功减载5％的工作方式存在响应速度慢、频繁桨距变化容易减小机组寿命等问题，适用于高风速工况。根据双馈机组的运行特性及调频方式的适用范围，采用综合调频策略，即在低风速段采用虚拟惯性调频方式，中风速段采用转子超速调频方式，高风速段采用变桨距角调频方式，可以最大限度的发挥不同工况下双馈机组的调频潜力，进而增强整个双馈风电场参与电网辅助调频服务的效果。
[0073] 步骤4、令：工作于Mode1下的双馈异步风电机组划分至机群一，将机群一中包含的所有机组用第一台等值机组WTeq_1表征，机群一中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第一个等值线路阻抗Zeq_1表征，机群一中包含的所有机组的机端变压器用第一台等值机端变压器Teq_1表征；
[0074] 令：工作于Mode2下的双馈异步风电机组划分至机群二，将机群二中包含的所有机组用第二台等值机组WTeq_2表征，机群二中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第二个等值线路阻抗Zeq_2表征，机群二中包含的所有机组的机端变压器用第二台等值机端变压器Teq_2表征；
[0075] 令：工作于Mode3下的双馈异步风电机组划分至机群三，将机群三中包含的所有机组用第三台等值机组WTeq_3表征，机群三中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第三个等值线路阻抗Zeq_3表征，机群三中包含的所有机组的机端变压器用第三台等值机端变压器Teq_3表征；
[0076] 令：工作于Mode4下的双馈异步风电机组划分至机群四，将机群四中包含的所有机组用第四台等值机组WTeq_4表征，机群四中包含的所有机组在各支路上的电缆阻抗集合用第四个等值线路阻抗Zeq_4表征，机群四中包含的所有机组的机端变压器用第四台等值机端变压器Teq_4表征。
[0077] 目前，最常用的K-means
聚类算法需要预先设定聚类数，并且聚类结果受初始聚类点的影响较大。Two-step聚类算法和SVC-GA聚类算法虽然能够自动估计最佳聚类数，但是算法的实现过程较为复杂。基于双馈异步风电机组参与电网辅助调频服务工作方式的差异划分机群，省去了传统风电场的等值建模方法对聚类算法的依赖，兼顾了机群分类过程的直观性和执行的高效性。
[0078] 步骤5、利用所述第一台等值机组WTeq_1、第二台等值机组WTeq_2、第三台等值机组WTeq_3和第四台等值机组WTeq_4的等值参数，第一个等值线路阻抗Zeq_1、第二个等值线路阻抗Zeq_2、第三个等值线路阻抗Zeq_3和第四个等值线路阻抗Zeq_4以及第一台等值机端变压器Teq_1、第二台等值机端变压器Teq_2、第三台等值机端变压器Teq_3和第四台等值机端变压器Teq_4的等值参数建立计及辅助调频服务的双馈风电场的等值模型，模型结构如图4所示。
[0079] 其中，第一台等值机组WTeq_1、第二台等值机组WTeq_2、第三台等值机组WTeq_3和第四台等值机组WTeq_4的等值参数包括：风力机的叶片半径Req_x、风力机的惯性时间常数Heq_x、风力机的轴系刚度系数Keq_x、风电机组的输入风速veq_x、双馈异步发电机的额定功率Seq_x、双馈异步发电机的定子阻抗Zseq_x、双馈异步发电机的转子阻抗Zreq_x、双馈异步发电机的定转子互阻抗Zmeq_x、网侧流器的视在功率Leq_x、转子侧变流器的视在功率Feq_x、直流母线电容Ceq_x和撬棒电阻Deq_x；x＝1、2、3或4；并分别由式(3)至式(14)获得：
[0080]
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089]
[0090]
[0091]
[0092] 式(3)至式(14)中，Rj、Hj、Kj、Cp_j、Sj、Zs_j、Zr_j、Zm_j、Lj、Fj、Cj和Dj分别表示第j台双馈异步风电机组中风力机的叶片半径、风力机的惯性时间常数、风力机的轴系刚度系数、风力机的风能利用系数、双馈异步发电机的额定功率、双馈异步发电机的定子阻抗、双馈异步发电机的转子阻抗、双馈异步发电机的定转子互阻抗、网侧变流器的视在功率、转子侧变流器的视在功率、直流母线电容和撬棒电阻；nx表示第x台等值机组中包含的双馈异步风电机组的台数；
[0093] 所述第一台等值机端变压器Teq_1、第二台等值机端变压器Teq_2、第三台等值机端变压器Teq_3和第四台等值机端变压器Teq_4的等值参数包括：机端变压器的视在功率Qeq_x和阻抗Yeq_x；并有按式(15)和式(16)计算获得；
[0094]
[0095]
[0096] 式(15)和式(16)中，Qj、Yj分别为第j台双馈异步风电机组的机端变压器的额定容量和阻抗。
[0097] 所述第一个等值线路阻抗Zeq_1、第二个等值线路阻抗Zeq_2、第三个等值线路阻抗Zeq_3和第四个等值线路阻抗Zeq_4按式(17)计算获得：
[0098]
[0099] 式(17)中，Zj为第j台双馈异步风电机组WTj所在支路上的线路阻抗；PZ_j为流过线路阻抗Zj的有功功率；Pj表示第j台双馈异步风电机组WTj的有功功率。
[0100] 为验证本发明中计及辅助调频服务的双馈风电场等值模型方法的有效性，取m＝28，即双馈风电场由28台型号相同的双馈异步风电机组组成；取40秒时刻双馈风电场详细模型中的风电场出口处发生三相
短路故障，风电场出口处
电压跌落至0.4pu，0.14秒时刻三相短路故障消除。依据式(1)随机产生28台双馈异步风电机组的输入风速，如下表2所示：
[0101] 表2双馈异步风电机组的输入风能
[0102]
[0103] 取vmode_2＝8.5m/s、vmode_3＝9.5m/s、vmode_4＝12.5m/s，根据式(2)，判别每台双馈异步风电机组参与电网辅助调频服务的工作方式，如下表3所示
[0104] 表3双馈异步风电机组的辅助调频服务工作方式
[0105]
[0106] 依据辅助调频服务工作方式的不同，将28台双馈异步风电机组划分为4个机群，划分结果如下表4所示。
[0107] 表4机群划分结果
[0108]
[0109] 按照式(3)至式(17)计算获得双馈风电场的等值模型中的参数，如下表5所示：
[0110] 表5双馈风电场的等值模型参数
[0111]
[0112] 基于辅助调频服务工作方式差异划分同调机群、撬棒保护动作差异划分同调机群的双馈风电场的等值模型及详细模型在风电场出口处的功率响应过程如图5和图6所示。图5中曲线a为详细模型在风电场出口处的有功功率响应过程，曲线b为基于辅助调频服务工作方式差异划分同调机群的等值模型在风电场出口处的有功功率响应过程，曲线c为基于撬棒保护动作差异划分同调机群的等值模型在风电场出口处的有功功率响应过程。图6中曲线a为详细模型在风电场出口处的无功功率响应过程，曲线b为辅助调频服务工作方式差异划分同调机群的等值模型在风电场出口处的无功功率响应过程，曲线c为基于撬棒保护动作差异划分同调机群的等值模型在风电场出口处的无功功率响应过程。图5和6展示了风电场在电网故障期间的动态响应过程，包括故障前(39.5s-40s)、故障中(40s-40.15s)以及故障后(40.15s-42s)三个时段。曲线a为风电场详细模型的响应过程，通常将其作为等值模型准确度高低的比对基准，曲线b是本发明方法建立的风电场等值模型的响应过程，曲线c为基于现有其他方法建立的风电场等值模型的响应过程。图5和6可以看出，相比于现有其他方法，本发明所建立的等值模型可以更加逼近详细模型的动态过程，即曲线b相对于曲线a的误差比曲线c相对于曲线a的误差更小。基于撬棒保护动作差异划分同调机群的的双馈风电场等值建模方法具体可参见《计及Crowbar保护的双馈风电场等值建模研究》。
[0113] 以风电场详细模型仿真结果为基准，定义等值模型的误差指标为：
[0114]
[0115]
[0116] 式(18)和式(19)中，Gb(h)、Gfb(h)分别为风电场详细模型、等值模型在风电场出口处的电气量；b为
采样点数。
[0117] 风电场等值模型的误差指标如表6所示，其中模型误差指标的分析时间范围从故障初始时刻前0.5秒(39.5秒)到系统趋于稳定时刻(42秒)，数据采样步长为1毫秒。可见本发明所提方法更好地拟合了风电场的功率外特性。
[0118] 表6模型误差指标
[0119]
[0120] 以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种
变形和改进，均应落入本发明的
权利要求书确定的保护范围内。
