基于風電仿真模型等值的相關討論

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(1.國網新疆電力調度控制中心，新疆 烏魯木齊 830006；2.國網新疆電力公司電力科學研究院，新疆 烏魯木齊 830016；3.國網新疆電力公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830016)

1 風電及風電場建模概況

風電場仿真建模包括風電機組的建模和風電場的建模，目前均有大量的研究。風電場建?？梢苑譃樵敿毥：偷戎到?。詳細建模是通過建立風電場內每臺機組的模型并聯接架空線或電纜等集電系統模型而搭建起來的。風電場內有數十甚至上百臺風電機組，若對每一臺風電機組進行詳細建模，會極大地增加電力系統模型的復雜度，導致仿真時間過長，影響計算的收斂性。隨著風電場中風電機組的臺數和風電場容量的不斷增大，這一建模手段由于過于繁雜的建模過程和過長的仿真時間而不再實用。為了減少計算量，節省仿真時間，按照不同的計算研究內容和目的及仿真程序的要求，對風電場進行簡化、等值采用等值建模手段。采取不同的仿真模型，以等值機與單臺風電機組的功率轉換特性不變為原則；以被等值的風電機組同群風電機組運行點一致原則。

具體的等值建模方法有以下4種：①將整個風電場等值為單臺風電機組，其容量等于所有風電機組容量之和[5]。②只考慮風電機組的功率-風速曲線，計算等效風速作為風電場的輸入[6-7]，從而得到風電場的輸出功率。③利用現代的動態等值方法如同調等值法、模式等值法[8]，對風電場受到干擾后具有相同或接近動態特性的機組分組，同組的風電機組等效成一臺風電機組，從而得到用多臺機表征的風電場等值模型。④利用風速對風電機組進行分組，同組風電機組進行參數等值，用多臺機表征風電場[9-10]。

由于大型風電場占地面積廣、風電機組數量多，場內風速分布并不均勻，各風電機組處于不同的運行點，因此方法①和方法②采用的單機等值法會帶來較大誤差；方法③的分組依據是風電場遭受較大干擾或故障時風電機組的動態特性，適用于暫態過程分析，而在風電場穩態運行過程中，對風電場輸出特性起主導作用的因素則是風速和風向；方法④建立的等值模型精度較高，但大型風電場內風速變化差異大，有可能導致分組過多，仿真時間變長，且機組間風速變化往往具有連續性，導致分組指標不明顯。

2 風電場建模存在的問題

根據上述仿真建模的情況，結合電網運行，上述風電場建模中出現以下誤差，一是風電機組建模過于考慮機組自身特性，未與系統分析結合，存在機組參數控制與系統參數不匹配的情況，二是對于風電場的等值存在誤差不可控問題。具體分析如下。

2.1 風機機組自身參數與系統參數不協調匹配

2.1.1 風機自身參數

目前，仿真計算中采用的風機模型及參數多借鑒與Matlab、Degslent、Pscad程序模型，借鑒開發移植綜合穩定程序PSASP及BPA，在移植過程中詳細模擬風機自身的特性，對于系統只考慮公共并網點PCC點接口，在與傳統電力系統分析的接口上存在著參數不匹配情況，導致正常計算時無故障情況下的系統曲線不平衡，影響計算精度。風機因等值參數變化而無法查找出，影響計算精度和計算結果的可信程度。

3.加強培訓，提升素質。新時代給企業思想政治工作提出了高要求，這不僅要求政工人員要嚴于律己、以身作則，同時要求政工人員有著科學的工作方式和能力素質，只有這樣才能夠保證思想政治工作的科學性。因此，企業應當加強對政工人員的培訓，俗話說“打鐵還需自身硬”，只有將員工自身的思想政治素質提升之后才能夠發揮其重要的教育作用。除了對思想的培訓外，企業還應當對員工的教育素質進行培訓，例如開展心理學、管理學以及語言學等與思想政治工作相關的理論課程，以此來為思想政治工作打下堅實的理論基礎。

2.1.2 風機涉網動態特性

目前仿真計算中發現風機涉網動態特性與實際運行不完全相符，表現在故障時風機特性、故障切除后風機恢復特性方面。根據《酒泉風電低電壓穿越能力驗證試驗》相關結論，如圖1所示，在風機切除過程中和恢復過程中，風機的脫網速度及恢復速度對系統穩定性的影響很大，影響了風電接納能力。

2.1.3 風機涉網保護特性

風電機組的涉網保護定值與其接入系統運行特性存在著不協調配合，主要表現在高低電壓穿越定值與過流保護定值以及變頻器的保護定值等方面。

圖1 故障情況下風電機組出力特性曲線

在對風機進行暫態仿真計算時，不能很好的模擬故障情況下的風機保護的動作特性，而風機廠家考慮對機組自身的保護，因此在風機涉網保護定值方面的仿真模擬不能真實反映，不能正確的反應實際電網中風電機組運行特性。

2.2 風電場等值存在精度不足問題

2.2.1 工程等值的問題

風電場中風電機組通過箱式變壓器和電纜或架空線接入匯流母線上。在對風電場進行等值時，未詳細考慮計及風電場中常規設備的電氣參數影響，如箱式變壓器、電纜、架空線路等參數。未考慮風機分布的連接線、架空線和電纜線及混合聯系部分，同時風電場等值模型中的阻抗參數通過電阻的串并聯計算得出，但是由于風電場中風電機組的排布位置不統一，導致在對風電場進行等值計算時各種參數是有區別于實際電網中運行的參數，進而影響含風電場電網的仿真計算精度。

2.2.2 不同機型之間的等值問題

規?；L電場的開發通常由不同的開發商建設，不同開發商在各風區建設以不同風機為單位的風電場，同時各風電場通過同一匯集站送出，因此造成一個匯集站下包含有多種型號的風電機組，如圖2所示。在對風電場進行等值時一般只用一種機型或兩種機型等值接入匯集站，忽略了匯集站下可能含有多種不同機型，不同機型之間可能互相影響。使得工程計算等值的方法造成風電場群的仿真特性區別于實際風電場群的運行特性。

圖2 匯集站下各風電場接線示意圖

2.2.3 風向、風速、風的出力的等值簡化

由于風電場規模一般較大，各臺機組風速、風向不同，且受風電場內各風電機組的排布影響，各風電機組的風能利用系數也不同。很多等值模型為了簡化等值過程，多是假設風電場所有風電機組風速相同來進行等值處理的。假設風電場的平均風速作為等值機組的輸入風速，但風電機組的功率輸出與其輸入風速并非線性關系，所以該等值方法出力存在一定的誤差，風機在不同出力時的響應特性也不相同，因此存在一定的誤差。

3 規?；蟮戎嫡`差增大問題

3.1 短路電流貢獻率問題

在對含風電場的電網進行短路計算時，當風電裝機規模小時，風電場對電網提供的短路電流很小。但是隨著風電場裝機規模的不斷增大，風電場對電網提供的短路電流也隨著增加，在對電網進行仿真計算時，不能忽略風電場對電網短路電流的影響。在對規?；L電場進行等值時需要詳細考慮風電場內架空線路、電纜、箱變參數以及接線方式。若還沿用常規風電場的等值方法，將增大對含規?；L電場的電網仿真計算精度。表1為在不同風電匯集站處發生短路時短路電流。

表1 在不同風電匯集站處發生短路時短路電流

3.2 規?；蟪隽Φ戎祮栴}

風電場規?；ㄔO，風電場容量由常規的49.5 MW變成了200 MW，風電場總風機的臺數由原來的33臺變成80臺，風電場的占地面積增大。由于風電機組的出力受風速的影響，風電機組的功率輸出與其輸入風速并非線性關系。風電場內每臺風機的風速、風向、風能利用系數將不同。風機在不同出力時的響應特性也不相同，因此存在一定的誤差。

因此在對規?；L電場進行等值時，需要進一步完善風機的詳細等值模型，不能簡單像小容量風機等值那樣。同時由于規?；L電場存在不同型號的機組，不同風電機組的功率曲線不同。因此在保證規?；L電場出力與實際運行相近前提下，需要細化風電場風機等值數量。

3.3 動態特性問題

規?；L電場后，風電場的裝機容量增大，在風電大發時其相當于一臺常規機組。由于風電機組的輸出功率受風速的影響，其出力具有隨機性、間歇性，因此風電場的送出線路上潮流變化大，進而導致規模化風電場對電網的動態特性不能被忽略。在對規?；L電場進行等值計算時，不同風機不同特性的誤差隨著規模化后誤差將進一步增大，需考慮各種模型下的風電等值動態特性誤差，盡量保持等值風電場的動態響應特性與實際運行中動態響應特性相似，但存在比對困難。

4 無功補償SVC、SVG仿真問題

風電場中都裝有動態無功補償裝置(SVC、SVG)，而動態無功補償裝置對風電場并網點穩定性起到很大的作用。實際風電場中SVC或SVG接在PCC點或升壓站的低壓側母線上，無功補償接線示意圖如圖3所示。

圖3 風電場中無功補償接線示意圖

在對風電場進行等值建模時，動態無功補償裝置的等值以及接入點對含風電場的電網有很大的影響。在對無功補償裝置等值建模時，將動態無功補償裝置等值成一個無功負荷，接入點為無功補償裝置實際并網點。這種建模方法對于真實模擬動態無功補償作用存在一定的誤差，特別是風電場匯集站下的單個風電場等值時，誤差將進一步增大，影響了仿真的精度。

5 新疆電網內仿真分析中出現問題

目前新疆電網對風電場進行等值建模時，細化國內其他地區風電場等值建模。是將風電場等值由1臺機組改為3臺機組，考慮了不同機組類型，同時考慮風機箱變，等值到發電機出口690 V，但忽略風電場內的線路連接方式，也考慮了風電場的SVC、SVG模型，風電場升壓匯集站下的風電場也進行了較為詳細的建模。這種建模方法一定程度上細化了仿真分析，提高了計算精度和結果可信度。但在實際運行過程中，仿真結果仍存在一定的偏差，影響電網中風電的接納能力計算。在對塔城、阿勒泰、博州、哈密地區風電送電能力仿真分析時，發現了風電場風機模型及等值對風電接納能力有一定的影響。風電故障時的脫網速度、故障消失后的恢復速度與電網調整速度對仿真計算結果影響較大。存在著風機故障反應速度與常規電源發電機組的調節速度存在著相互影響，相互制約作用，影響仿真計算結果，仿真分析中的風機動態特性偏嚴重。圖4為哈密主變壓器以及哈密南主變壓器功率分別約722 MW、547 MW時哈密主變壓器發生三永故障曲線。

圖4 哈密主變壓器高壓側三永故障

在對酒泉地區風電低電壓穿越能力驗證試驗中也發現了類似的情況，風電場內的風機響應速度，響應特性也與仿真有一定的差異，通過修正模型后，使仿真分析結果與實際試驗結果相似。

6 相關建議

目前，隨著風電的大力開發，新疆電網風電開發的小集中、大分散模式也逐步演變為大集中模式，特別是哈密地區。風電規?；陌l展，大規模風電運行對電網的影響也越來越大，風電運行的間歇性、波動性給電網運行控制帶來了很大的難度，需要進一步深入研究規?；L電接入系統后的運行特性及表現出的動態特征，以便于對風電運行的掌控，因此需要開展大量深入的仿真分析，通過對現有的風電機組等值、風電場等值模型的討論，建議對風機及風電模型的開發進行如下改進。

(1)隨著計算機數據處理計算速度的提升，計算機仿真對電力系統限制的問題已經得到了很大解決，因此考慮風電場模型盡量采用包含電纜架空線路、箱變等較為詳細的模型，對于風機模型也盡量采用包含控制模型在內的較為詳細的模型，以提高仿真計算精度，最大程度的撲捉到風機及風電場在故障情況下的動態特征，但需要考慮數值計算的誤差。

(2)目前風電場開發以分布式開發、49.5 MW一個單元開發、200 MW一個單元開發為主要形式，故針對上述情況，開發單機、49.5 MW集合式、200 MW集合式的標準化模塊風電場模型，以標準化模塊為單元，詳細建模風電場內計及風機模型、風機間連接電纜、架空線路、風機箱變、多臺機組連接關系。同時提高系統仿真計算人員的建模效率及建模準確度，開放選擇其中的重要參數。

(3)借鑒水電、火電典型參數庫、輸變電設備典型參數庫的做法，建立風電場典型風機典型參數庫、風機控制典型數據庫，風電場風機典型運行數據庫、風電場運行控制典型數據庫、風機擾動典型數據庫、分地區風速擾動數據庫，以集合國內外風電運行的豐富資源，提高仿真計算分析效率及精度。

(4)細化風電分析，建立風電分析計算規定，對計算深度和計算廣度進行規定，在短路電流計算、動態穩定小干擾計算、暫態穩定計算、電壓穩定計算、頻率穩定計算、風速及風機干擾計算等方面統一規范標準，以減少風電仿真計算的標準和項目的不統一性，提高仿真精度及仿真計算效果，不斷豐富風電仿真技術。

(5)建立風電仿真分析與實際運行對比驗證機制，對風電場內風機故障時的行為特性進行反演，通過繼電保護故障錄波器錄波數據、向量測量裝置PMU錄波數據與仿真分析的數據進行對比擬合，發現問題提高仿真精度。

(6)將機電暫態與電磁暫態混合仿真技術廣泛開發應用于風電仿真計算，形成成熟的算法并應用于實際工程中，通過電磁暫態細化風機特性反演，通過機電暫態模擬風機電磁暫態對系統的影響。

(7)風電的快速發展，小容量的風電對系統的影響已經演變為大容量規模化風電群對電網的影響，其動態特性已不容忽視。通過上述各方面的開發及應用，提高風電仿真特性的準確性，以模擬仿真提高風電掌控能力， 同時可以將風電仿真的成功經驗應用于光伏電站的仿真分析中，以提高對光伏發電的認識，提高含風電、光伏的新能源的仿真分析計算水平，以應對規?；履茉窗l展帶來的新問題。

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