淺析用于風電場聚合建模的內部集電網絡變換

孫露

摘 要：由于風具有隨機性，導致風電場內的風電機組的空間分布也呈現隨機性，因此風電場聚合建模中各方向風電機組的聚合成了研究重點之一。文章的研究對象主要是輻射形結構的風電場，并針對性地一套風電場聚合建模的內部集電網絡變換的處理方法。該變換方法適用于定速感應發電機和雙饋感應發電機的風電場，且能增加聚合模型的精度。

關鍵詞：風電場；聚合模型；輻射形；網絡變換

引言

一般風電場中的風電機組有很多個，從幾十臺到上百臺不等，但是發電效率只能相當于一個普通的火力發電機，因而風電場的模型階數要超過一千。由于模型的復雜程度和風電場容量的大小不是相匹配，因而電力系統的仿真效率會受到一定的影響。大規模風電場的整體特性比場內每臺機組的具體動態對電網的影響大得多。當前，我國的大規模風電場大多數采用的是聚合等效模型。風電場的一個重要組成部分是集電網絡，我國大部分已經建好的風電場大部分采用的輻射形布局的內部鏈接方法，這種方式相對于其他的方式的總成本要低很多。文章主要針對輻射形的風電場聚合建模的內部集電網絡變換進行了詳細的分析，提出了兩種變換方法，即集電網絡的并聯變換和單阻抗等效變換。

1 集電網絡的并聯化變換方法

為了方便風電場內任意位置上機組的聚合，需要將風電機組之間輻射形的混聯結構變為并聯結構，從而使得不同機組的分群更加簡便。集電網絡的并聯化變換方法的原則是變換前后由電網電壓產生的風電機組機端電壓的幅值和相位不能發生變化。在風電機組的參數和集電網絡的拓撲以及參數時，變換步驟如下：

下面以圖1為例具體講解集電網絡的并聯變換步驟。該變換是從輻射形連接的尾部開始，逐步逐級地向PCC進行。圖中線路阻抗Zl1-Zl4表示的是集電網絡。

圖1 輻射形連接示意圖（定速感應發電機機組）

1.1 首先要算出風電機組所在支路的穩態等值阻抗Zn（n表示機組的序號）。定速感應發電機支路上的穩態等值阻抗可以根據圖2所示的等值電路計算。圖3表示的是雙饋感應電機機組的等值電路。這里只考慮了由電網電壓產生的機組端口電壓，而沒有考慮雙饋感應電極轉子側的等效電壓。值得一提的是，在計算Z1的阻抗時，需要將線路阻抗Zn合并到Z1中。

圖2 定速感應發電機機組等值電路圖

圖3 雙饋感應電機機組等值電路圖

1.2 然后將風電機組之間的混聯結構轉變為純并聯結構。具體的變換方法是將線路中的阻抗Zli（i不小于2）分解成i個Zli，n（n=1，2，3……，i）串聯到原來與Zli相連的i個風電機組支路中。以Zl2為例，其變換的方法如圖4所示。

圖4 Zl2的網絡并聯化變換示意圖

圖中等值阻抗Z1和Z2的端電壓的計算公式如下：

U2=U3（Z1//Z2）/（Zl2+Z1//Z2） （1）

適中符合“//”表示并聯關系。變換之后的Z1和Z2的端電壓計算如下：

UZ1=U3Z1/（Zl2，1+Z1） UZ2=U3Z1/（Zl2，2+Z2） （2）

前面提到集電網絡的并聯化變換方法的原則是變換前后由電網電壓產生的風電機組機端電壓的幅值和相位不能發生變化。因而UZ1、UZ2的大小要與U2相等，從而可以求得Zl2，1和Zl2，2的值，具體如下：

Zl2，1=Zl2Z1/Z1//Z2 Zl2，2=Zl2Z2/Z1//Z2 （3）

1.3 對已經完成并聯變換的風電機組所在的支路等值阻抗Zn（n=1，2，3，…，n）進行修正。修正之后的值用Zn'表示，修正公式如下：

Zn′=Zn+Zli，n，n=1，…，i （4）

1.4 將修正之后的等值阻抗Zn'代入到步驟2中，然后在進行下一個線路阻抗Zl（i+1）的變換。

循環進行上述步驟，將混聯結構轉變為純并聯結構，各風電機組之間的關系如圖5所示。

圖5 經過變換之后的純并聯結構

由于該種變換的依據是風電場的穩態數據，但是實際上動態過程中的風電機組的等值阻抗是有一定的變化的，因此該種網絡變換在動態過程中會存在一定的誤差。風電機組的穩態滑差受風速的影響很大，但是同一型號的機組在動態過程中的滑差變化的趨勢基本一致。因而并聯化變換誤差的大小與風電場內風速的均一性是成正比的，風電場的風速差別越大，并聯變換的誤差就越大，反之則越小。因此并聯化變換的誤差大小很難對其進行定量研究，在實際應用中，要根據具體的情況來分析。

2 集電網絡的單阻抗等效方法

當已知的風電場條件不滿足幾點網絡并聯化變換的條件時，可以選擇對其進行單阻抗等效變換，同樣可以將風電場的接線方式變化為純并聯結構。集電網絡的單阻抗等效變換方式如圖6所示。圖中的等效阻抗Zeq的計算直接、簡單，只需要知道功率的量測數據，不需要知道其他數據。風電場中PCC上可以測量的是電壓U、電流I、輸出功率S。其中S=P+jQ。因而，每臺風力發電機的輸出功率Si=Pi+jQi是可以測量的，進而可以計算出風電場內n臺風力發電機的總輸出功率，其值與PCC上輸出功率S的差值就是內部集電網絡的損耗。等效Zeq的大小可以根據公式（5）來計算。

Zeq=（■Si-S）/（I*I*） （8）

式中的“*”表示的是共軛關系。風電場內的所有風電機組經過變換之后都可以并聯到圖6中的虛擬母線上，之后可以變換之后機組分群的結果進行對應的聚合。

單阻抗等效變換相對于并聯化變換來講，理論上是不存在穩態的誤差。但是由于該種變換的動態過程中集電網絡的功率損耗是變化的，所以依然存在一定的誤差。對該誤差進行定量分析的難度很大，在應用單阻抗等效變換的方法時，需要對其動態精度進行驗證。

3 結束語

綜上所述，文章針對輻射形風電聚合建模的內部集電網絡變化進行了詳細地分析，提出了集電網絡的并聯變換和單阻抗等效變換兩種方法。這兩種方法可以將輻射形的混聯結構的接線變化到全部并聯與PCC的結構，從而能夠實現風電場內任意風電機組的聚合。如果風電機組的參數、集電網絡拓撲及參數都已知，那么可以采用集電并聯化變換方式，前提是保證變換前后的風電機組端口電壓不變；如果這些參數未知或者不全時，可以采用單阻抗等效變換方法。

參考文獻

[1]李輝，趙斌，史旭陽，等.含不同風電機組的風電場暫態運行特性仿真研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（13）：1-7.

[2]黃梅，萬航羽.在動態仿真中風電場模型的簡化[J].電工技術學報，2009，24（9）：147-152.

[3]包能勝，徐軍平，倪維斗，等.大型風電場失速型機組等值建模的研究[J].太陽能學報，2007，28（11）：1284-1289.

摘 要：由于風具有隨機性，導致風電場內的風電機組的空間分布也呈現隨機性，因此風電場聚合建模中各方向風電機組的聚合成了研究重點之一。文章的研究對象主要是輻射形結構的風電場，并針對性地一套風電場聚合建模的內部集電網絡變換的處理方法。該變換方法適用于定速感應發電機和雙饋感應發電機的風電場，且能增加聚合模型的精度。

關鍵詞：風電場；聚合模型；輻射形；網絡變換

引言

一般風電場中的風電機組有很多個，從幾十臺到上百臺不等，但是發電效率只能相當于一個普通的火力發電機，因而風電場的模型階數要超過一千。由于模型的復雜程度和風電場容量的大小不是相匹配，因而電力系統的仿真效率會受到一定的影響。大規模風電場的整體特性比場內每臺機組的具體動態對電網的影響大得多。當前，我國的大規模風電場大多數采用的是聚合等效模型。風電場的一個重要組成部分是集電網絡，我國大部分已經建好的風電場大部分采用的輻射形布局的內部鏈接方法，這種方式相對于其他的方式的總成本要低很多。文章主要針對輻射形的風電場聚合建模的內部集電網絡變換進行了詳細的分析，提出了兩種變換方法，即集電網絡的并聯變換和單阻抗等效變換。

1 集電網絡的并聯化變換方法

為了方便風電場內任意位置上機組的聚合，需要將風電機組之間輻射形的混聯結構變為并聯結構，從而使得不同機組的分群更加簡便。集電網絡的并聯化變換方法的原則是變換前后由電網電壓產生的風電機組機端電壓的幅值和相位不能發生變化。在風電機組的參數和集電網絡的拓撲以及參數時，變換步驟如下：

下面以圖1為例具體講解集電網絡的并聯變換步驟。該變換是從輻射形連接的尾部開始，逐步逐級地向PCC進行。圖中線路阻抗Zl1-Zl4表示的是集電網絡。

圖1 輻射形連接示意圖（定速感應發電機機組）

1.1 首先要算出風電機組所在支路的穩態等值阻抗Zn（n表示機組的序號）。定速感應發電機支路上的穩態等值阻抗可以根據圖2所示的等值電路計算。圖3表示的是雙饋感應電機機組的等值電路。這里只考慮了由電網電壓產生的機組端口電壓，而沒有考慮雙饋感應電極轉子側的等效電壓。值得一提的是，在計算Z1的阻抗時，需要將線路阻抗Zn合并到Z1中。

圖2 定速感應發電機機組等值電路圖

圖3 雙饋感應電機機組等值電路圖

1.2 然后將風電機組之間的混聯結構轉變為純并聯結構。具體的變換方法是將線路中的阻抗Zli（i不小于2）分解成i個Zli，n（n=1，2，3……，i）串聯到原來與Zli相連的i個風電機組支路中。以Zl2為例，其變換的方法如圖4所示。

圖4 Zl2的網絡并聯化變換示意圖

圖中等值阻抗Z1和Z2的端電壓的計算公式如下：

U2=U3（Z1//Z2）/（Zl2+Z1//Z2） （1）

適中符合“//”表示并聯關系。變換之后的Z1和Z2的端電壓計算如下：

UZ1=U3Z1/（Zl2，1+Z1） UZ2=U3Z1/（Zl2，2+Z2） （2）

前面提到集電網絡的并聯化變換方法的原則是變換前后由電網電壓產生的風電機組機端電壓的幅值和相位不能發生變化。因而UZ1、UZ2的大小要與U2相等，從而可以求得Zl2，1和Zl2，2的值，具體如下：

Zl2，1=Zl2Z1/Z1//Z2 Zl2，2=Zl2Z2/Z1//Z2 （3）

1.3 對已經完成并聯變換的風電機組所在的支路等值阻抗Zn（n=1，2，3，…，n）進行修正。修正之后的值用Zn'表示，修正公式如下：

Zn′=Zn+Zli，n，n=1，…，i （4）

1.4 將修正之后的等值阻抗Zn'代入到步驟2中，然后在進行下一個線路阻抗Zl（i+1）的變換。

循環進行上述步驟，將混聯結構轉變為純并聯結構，各風電機組之間的關系如圖5所示。

圖5 經過變換之后的純并聯結構

由于該種變換的依據是風電場的穩態數據，但是實際上動態過程中的風電機組的等值阻抗是有一定的變化的，因此該種網絡變換在動態過程中會存在一定的誤差。風電機組的穩態滑差受風速的影響很大，但是同一型號的機組在動態過程中的滑差變化的趨勢基本一致。因而并聯化變換誤差的大小與風電場內風速的均一性是成正比的，風電場的風速差別越大，并聯變換的誤差就越大，反之則越小。因此并聯化變換的誤差大小很難對其進行定量研究，在實際應用中，要根據具體的情況來分析。

2 集電網絡的單阻抗等效方法

當已知的風電場條件不滿足幾點網絡并聯化變換的條件時，可以選擇對其進行單阻抗等效變換，同樣可以將風電場的接線方式變化為純并聯結構。集電網絡的單阻抗等效變換方式如圖6所示。圖中的等效阻抗Zeq的計算直接、簡單，只需要知道功率的量測數據，不需要知道其他數據。風電場中PCC上可以測量的是電壓U、電流I、輸出功率S。其中S=P+jQ。因而，每臺風力發電機的輸出功率Si=Pi+jQi是可以測量的，進而可以計算出風電場內n臺風力發電機的總輸出功率，其值與PCC上輸出功率S的差值就是內部集電網絡的損耗。等效Zeq的大小可以根據公式（5）來計算。

Zeq=（■Si-S）/（I*I*） （8）

式中的“*”表示的是共軛關系。風電場內的所有風電機組經過變換之后都可以并聯到圖6中的虛擬母線上，之后可以變換之后機組分群的結果進行對應的聚合。

單阻抗等效變換相對于并聯化變換來講，理論上是不存在穩態的誤差。但是由于該種變換的動態過程中集電網絡的功率損耗是變化的，所以依然存在一定的誤差。對該誤差進行定量分析的難度很大，在應用單阻抗等效變換的方法時，需要對其動態精度進行驗證。

3 結束語

綜上所述，文章針對輻射形風電聚合建模的內部集電網絡變化進行了詳細地分析，提出了集電網絡的并聯變換和單阻抗等效變換兩種方法。這兩種方法可以將輻射形的混聯結構的接線變化到全部并聯與PCC的結構，從而能夠實現風電場內任意風電機組的聚合。如果風電機組的參數、集電網絡拓撲及參數都已知，那么可以采用集電并聯化變換方式，前提是保證變換前后的風電機組端口電壓不變；如果這些參數未知或者不全時，可以采用單阻抗等效變換方法。

參考文獻

[1]李輝，趙斌，史旭陽，等.含不同風電機組的風電場暫態運行特性仿真研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（13）：1-7.

[2]黃梅，萬航羽.在動態仿真中風電場模型的簡化[J].電工技術學報，2009，24（9）：147-152.

[3]包能勝，徐軍平，倪維斗，等.大型風電場失速型機組等值建模的研究[J].太陽能學報，2007，28（11）：1284-1289.

摘 要：由于風具有隨機性，導致風電場內的風電機組的空間分布也呈現隨機性，因此風電場聚合建模中各方向風電機組的聚合成了研究重點之一。文章的研究對象主要是輻射形結構的風電場，并針對性地一套風電場聚合建模的內部集電網絡變換的處理方法。該變換方法適用于定速感應發電機和雙饋感應發電機的風電場，且能增加聚合模型的精度。

關鍵詞：風電場；聚合模型；輻射形；網絡變換

引言

一般風電場中的風電機組有很多個，從幾十臺到上百臺不等，但是發電效率只能相當于一個普通的火力發電機，因而風電場的模型階數要超過一千。由于模型的復雜程度和風電場容量的大小不是相匹配，因而電力系統的仿真效率會受到一定的影響。大規模風電場的整體特性比場內每臺機組的具體動態對電網的影響大得多。當前，我國的大規模風電場大多數采用的是聚合等效模型。風電場的一個重要組成部分是集電網絡，我國大部分已經建好的風電場大部分采用的輻射形布局的內部鏈接方法，這種方式相對于其他的方式的總成本要低很多。文章主要針對輻射形的風電場聚合建模的內部集電網絡變換進行了詳細的分析，提出了兩種變換方法，即集電網絡的并聯變換和單阻抗等效變換。

1 集電網絡的并聯化變換方法

為了方便風電場內任意位置上機組的聚合，需要將風電機組之間輻射形的混聯結構變為并聯結構，從而使得不同機組的分群更加簡便。集電網絡的并聯化變換方法的原則是變換前后由電網電壓產生的風電機組機端電壓的幅值和相位不能發生變化。在風電機組的參數和集電網絡的拓撲以及參數時，變換步驟如下：

下面以圖1為例具體講解集電網絡的并聯變換步驟。該變換是從輻射形連接的尾部開始，逐步逐級地向PCC進行。圖中線路阻抗Zl1-Zl4表示的是集電網絡。

圖1 輻射形連接示意圖（定速感應發電機機組）

1.1 首先要算出風電機組所在支路的穩態等值阻抗Zn（n表示機組的序號）。定速感應發電機支路上的穩態等值阻抗可以根據圖2所示的等值電路計算。圖3表示的是雙饋感應電機機組的等值電路。這里只考慮了由電網電壓產生的機組端口電壓，而沒有考慮雙饋感應電極轉子側的等效電壓。值得一提的是，在計算Z1的阻抗時，需要將線路阻抗Zn合并到Z1中。

圖2 定速感應發電機機組等值電路圖

圖3 雙饋感應電機機組等值電路圖

1.2 然后將風電機組之間的混聯結構轉變為純并聯結構。具體的變換方法是將線路中的阻抗Zli（i不小于2）分解成i個Zli，n（n=1，2，3……，i）串聯到原來與Zli相連的i個風電機組支路中。以Zl2為例，其變換的方法如圖4所示。

圖4 Zl2的網絡并聯化變換示意圖

圖中等值阻抗Z1和Z2的端電壓的計算公式如下：

U2=U3（Z1//Z2）/（Zl2+Z1//Z2） （1）

適中符合“//”表示并聯關系。變換之后的Z1和Z2的端電壓計算如下：

UZ1=U3Z1/（Zl2，1+Z1） UZ2=U3Z1/（Zl2，2+Z2） （2）

前面提到集電網絡的并聯化變換方法的原則是變換前后由電網電壓產生的風電機組機端電壓的幅值和相位不能發生變化。因而UZ1、UZ2的大小要與U2相等，從而可以求得Zl2，1和Zl2，2的值，具體如下：

Zl2，1=Zl2Z1/Z1//Z2 Zl2，2=Zl2Z2/Z1//Z2 （3）

1.3 對已經完成并聯變換的風電機組所在的支路等值阻抗Zn（n=1，2，3，…，n）進行修正。修正之后的值用Zn'表示，修正公式如下：

Zn′=Zn+Zli，n，n=1，…，i （4）

1.4 將修正之后的等值阻抗Zn'代入到步驟2中，然后在進行下一個線路阻抗Zl（i+1）的變換。

循環進行上述步驟，將混聯結構轉變為純并聯結構，各風電機組之間的關系如圖5所示。

圖5 經過變換之后的純并聯結構

由于該種變換的依據是風電場的穩態數據，但是實際上動態過程中的風電機組的等值阻抗是有一定的變化的，因此該種網絡變換在動態過程中會存在一定的誤差。風電機組的穩態滑差受風速的影響很大，但是同一型號的機組在動態過程中的滑差變化的趨勢基本一致。因而并聯化變換誤差的大小與風電場內風速的均一性是成正比的，風電場的風速差別越大，并聯變換的誤差就越大，反之則越小。因此并聯化變換的誤差大小很難對其進行定量研究，在實際應用中，要根據具體的情況來分析。

2 集電網絡的單阻抗等效方法

當已知的風電場條件不滿足幾點網絡并聯化變換的條件時，可以選擇對其進行單阻抗等效變換，同樣可以將風電場的接線方式變化為純并聯結構。集電網絡的單阻抗等效變換方式如圖6所示。圖中的等效阻抗Zeq的計算直接、簡單，只需要知道功率的量測數據，不需要知道其他數據。風電場中PCC上可以測量的是電壓U、電流I、輸出功率S。其中S=P+jQ。因而，每臺風力發電機的輸出功率Si=Pi+jQi是可以測量的，進而可以計算出風電場內n臺風力發電機的總輸出功率，其值與PCC上輸出功率S的差值就是內部集電網絡的損耗。等效Zeq的大小可以根據公式（5）來計算。

Zeq=（■Si-S）/（I*I*） （8）

式中的“*”表示的是共軛關系。風電場內的所有風電機組經過變換之后都可以并聯到圖6中的虛擬母線上，之后可以變換之后機組分群的結果進行對應的聚合。

單阻抗等效變換相對于并聯化變換來講，理論上是不存在穩態的誤差。但是由于該種變換的動態過程中集電網絡的功率損耗是變化的，所以依然存在一定的誤差。對該誤差進行定量分析的難度很大，在應用單阻抗等效變換的方法時，需要對其動態精度進行驗證。

3 結束語

綜上所述，文章針對輻射形風電聚合建模的內部集電網絡變化進行了詳細地分析，提出了集電網絡的并聯變換和單阻抗等效變換兩種方法。這兩種方法可以將輻射形的混聯結構的接線變化到全部并聯與PCC的結構，從而能夠實現風電場內任意風電機組的聚合。如果風電機組的參數、集電網絡拓撲及參數都已知，那么可以采用集電并聯化變換方式，前提是保證變換前后的風電機組端口電壓不變；如果這些參數未知或者不全時，可以采用單阻抗等效變換方法。

參考文獻

[1]李輝，趙斌，史旭陽，等.含不同風電機組的風電場暫態運行特性仿真研究[J].電力系統保護與控制，2011，39（13）：1-7.

[2]黃梅，萬航羽.在動態仿真中風電場模型的簡化[J].電工技術學報，2009，24（9）：147-152.

[3]包能勝，徐軍平，倪維斗，等.大型風電場失速型機組等值建模的研究[J].太陽能學報，2007，28（11）：1284-1289.