基于RTDS風電場等值建模若干問題的解決方案

蔡文超　楊炳元

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基于RTDS風電場等值建模若干問題的解決方案

蔡文超楊炳元

（內蒙古工業大學，呼和浩特 010080）

本文闡述了風電場等值建模的典型方法，指出了不同建模方法的特點。本文提出一種新的大容量風電場等值建模方法，針對不同問題給出等值的解決方案，還提出一種基于RTDS的單機容量加權等值方案、并在考慮風力機組尾流效應的基礎上實現含有不同類型風機等值的解決方案。其中分析了等值結果的有效性，等值過程中指出RTDS平臺何時需要跨rack運行并指出使用傳輸線模型的注意事項。結果顯示，解決方案合理對解決實際問題具有重要意義。

RTDS；風電場等值；尾流效應；雙饋風力發電機；永磁直驅風力發電機

隨著并網風力發電機組的容量日益增大，風電將成為電力系統的重要組成部分，大規模風電的接入將對電網的動、暫態產生顯著影響[1-3]。風電場等值模型的建立有助于對含有大規模風電接入的電網進行穩態運行以及各種穩定性問題的分析研究。因此，對大容量風電場進行等值建模，將復雜的風電場系統等值為精確且宜于計算分析的風電場模型，對大規模并網風電場的研究有著十分重要的意義。

常用的電力系統分析商業軟件有RTDS（real time digital simulator）、BPA、EMTP/ATP、PSLF、EUROSTAG、PSS/E、PSASP、PSCAD/EMTDC和通用的仿真軟件Matlab/Simulink等。軟件中自帶的元件庫中電力系統元件模型具有相對的適用性（如各種類型風力機元件模型），大多都需要重新設置參數。且都會根據實際需要進行簡化，這些簡化也就限制了風力機動態行為的研究。由于缺少合適的模型，所以使風電接入系統的仿真研究有困難，難以正確評價風力發電場對電力系統穩定性以及繼電保護動作性能的影響[4]。文獻[5]介紹了利用降階變尺度多機等值法等值風場，但沒有涉及尾流效應對風場的影響。文獻[6]對比了利用不同等值方法建立風場模型，但未能考慮風電場內機組不同類型時的等值。文獻[7]得出對風電機組進行分群，建立雙饋風場多機等值模型，可以提高風場模型精度的結論并確定分群指標，驗證結論正確。基于RTDS風場建模中研究場內不同類型機組組成的風電場等值問題，目前國內現有文獻較少。

本文通過分析現有等值方法，借助RTDS平臺特有功能給出不同需求下的風場等值的解決方案。考慮風場實際接線方式，在RTDS平臺上將風場等值為一個或多個大容量風電機組，通過若干聯絡線連接到升壓變電站，升壓后接入電網。使用單機容量加權等值法等值雙饋風場；設計考慮遮擋面積的尾流效應RTDS模塊；使用變尺度降階等值法運用多rack將不同地理位置、不同類型的機組等值并考慮尾流效應。因為多rack的使用和傳輸線相關，故給出運用多rack仿真和RTDS傳輸線使用的注意事項。本文所介紹的方法大大簡化風電場模型的搭建。

1 風電場典型等值方法及特點

大規模的風電場通常由多臺風力發電機組組成。在等值建模過程中，如果對場內的每臺發電機組進行建模，將導致模型復雜，仿真時間長且現有部分仿真軟件也無法進行如此龐大的計算。因此，需要對風電場進行簡化等值處理。目前典型的風電場等值方法有：①容量加權單機等值法；②改進加權單機等值法；③參數變換單機等值法；④變尺度降階多機等值法[8]。各種方法的特點和適用范圍見表1[5-6,9-12]。

表1 各等值方法特點及適用范圍

2 基于RTDS平臺的風電場等值

RTDS仿真系統性能優良，具有其他軟件不可比擬的閉環物理實驗能力和實時仿真能力。結合RTDS的特點，本文涉及一種新的大容量風電場等值建模方法。在RTDS中，風力機組采用小步長 （1.5～2.5ms）實時仿真，其他電力系統元件采用大步長（50ms）實時仿真，于是必然要用到小步長與大步長的接口變壓器，從而選擇具有特殊能力的接口變壓器（rtds_vsc_IFCTRF1）。該接口變壓器模型與普通電力變壓器模型不同，其具有功率放大能力。通過調節其控制菜單namsc中的控制名，可在不影響接口變壓器原邊所接風電機組任何輸出特性的基礎上，整倍數放大接口變壓器副邊輸出的傳輸功率，從而達到用一臺風力機的詳細模型仿真所處相同運行工況的多臺風力機組的目的。運用RTDS軟件平臺的該特殊功能可把一個風電場等效為多臺風力機的組合，從而能夠詳實仿真風電場的分布特性（如風力機尾流效應等）。為此，本文通過這種方法，改變接口變壓器的這種功率放大倍數來提高風電場的容量，實現大規模大容量風電場模型的搭建。

2.1 容量加權單機等值解決方案

在電力系統研究工作中，經常會遇到研究風場外部變化情況而簡化風場內部的問題，如系統聯絡線的繼電保護、系統潮流分析等。這種情況可應用RTDS單機容量加權等值。

設風場總裝機容量為96MW，場內35kV集電線上接有48臺2MW風機。搭建單機容量為2MW的雙饋風機，風機的額定風速為12m/s；葉輪半徑35m；風輪中心高度70m。該方法未能考慮風機的尾流效應。監測風電場35kV出口處的、、的波形，如圖1所示。

風機以額定功率運行，由圖1可知平均有功功率為95.2MW，風場額定有功輸出96MW，功率偏差的主要因素為風力機組的箱式變壓器損耗，考慮到這些因素，根據波形圖和測量數據可知此等值模型與預期相符。

圖1 風場35kV出口處P、Q、U波形

2.2 考慮尾流效應風場等值解決方案

尾流效應是指在風電場內，風能經過前面的風電機組時，鑒于阻擋、地表因素造成風速降低，使后面的風電機組的風速以及接受風的角度受到影響，對后面機組的發電量造成了影響[14]。受尾流效應作用，使處于不同行或不同列的風力機輸入風速不同，機群處于不同運行點，影響了風電機組的功率輸出。

針對這種問題，本文采用變尺度降階多機等值法。將風電場中的風力發電機按區域劃分，無尾流效應影響的機組處于相同運行點劃分為一個區域，受尾流效應影響的風電機組劃為另一區域。區域內風電機組的參數、設置具有相似性，把每一個區域內的風電機組等值為單臺大容量的風機。

風機之間的間距大小、所處地形的不同及前排風機對后排風機的遮擋面積都會影響尾流效應的強弱。本文采用一種考慮遮擋面積的尾流效應Jensen模型[13]并在RTDS上搭建尾流效應風速模塊。風場總裝機容量96MW，將其分成兩個區域（兩排），第一排風機不受尾流影響，由文獻[13-14]可確定尾流效應公式。rot為風機葉輪半徑；為風輪中心高度；為風場所處位置地面粗糙程度，當地表平坦時，取0.001～0.01m/c，計算公式如下：

受風機尾流效應影響，后一臺的風機輸入風速為

（2）

式中，0為第一臺風機輸入風速；T為推力系數，可在制造企業給出的推力擬合曲線中查到[4]。

風向確定時遮擋情況分3種：不遮擋、完全遮擋、部分遮擋。遮擋面積為定值可以根據風場實際數據計算出來，本文計算設風機間距為300m。為第臺風機處第臺風輪的遮擋面積與第臺風機掃風面積之比，設置可變。

本文采用兩臺風機等值風場，當風向確定、場內機組的位置已知，由動量守恒定律，得出第二臺風機的輸入風速：

（3）

考慮遮擋面積的尾流效應RTDS平臺Jensen模型原理如圖2所示。

圖2 RTDS尾流效應Jensen模型原理圖

兩臺風機風機輸入風速對比如圖3所示。0為第一臺風機輸入風速，20為第二臺風機輸入風速。

圖3 受尾流影響風速對比圖

不同風場地表組粗糙度和不同，對風速的影響不同，圖4為地表粗糙度不同時（遮擋系數相同為0.1201）對后排風機風速影響的對比圖，0為不受尾流影響輸入風速，20為地表粗糙度為0.005時受尾流影響第二排風機輸入風速，22為地表粗糙度為0.01時受尾流影響第二排風機輸入風速。

圖4 地表粗糙度不同時風速對比圖

圖5為（遮擋系數）不同時對風速的影響，0為不受尾流影響輸入風速，20為=0.1201時第二臺風機輸入風速，22為=0.3301時第二臺風機輸入風速。

圖5 遮擋系數不同時風速對比圖

分析圖3至圖5可知，受尾流效應影響后對風速的影響較大但風的變化趨勢不明顯。地表粗糙度越大，受尾流效應影響第二排輸入風速越低；受前一排風機遮擋越大，第二排輸入風速越低。

考慮尾流效應的RTDS等值示意圖如圖6所示。風場35kV出口處、、波形如圖7所示。

圖6 考慮尾流效應的RTDS風場等值示意圖

圖7 單機容量加權等值與考慮尾流效應等值風場出口處P、Q、U對比圖

利用RTDS COMTRADE Playback功能，將單機容量加權等值模型和考慮尾流效應等值、、對比，如圖7所示。

由圖7可知，為89.33MW。由于尾流效應的影響，使得第二排風速有所下降，導致輸出有功偏低，無功和電壓水平基本相一致，更接近于風場實際運行情況。地表粗糙度低，風機相互遮擋小風機后排輸入風速大，風場輸出效率高。利用這個結論，對風電場選址、風機位置安排具有十分重要意義。與傳統的單機等值模型相比，此方法的等值模型能更準確地反映風電場并網點的有功功率和無功功率特性，適用于大型雙饋機組風電場的動態等值建模。

2.3 含有不同類型風機組成風電場等值的解決方案

大型風電場可能由不同類型的風電機組構成，不能應用上述的容量加權單機等值法。針對這種情況，本文提出一種同一風場內含有不同類型風機（如雙饋、直驅），同時計及尾流效應的解決方案。此方案采用降階變尺度多機等值法，在等值建模過程中將不同區域、不同類型的風機分別等效為一臺大容量風機。其中，既有雙饋型又有直驅型風機，總裝機容量為96MW，由24臺單機容量為2MW的雙饋風機和24臺單機容量2MW的直驅風機組成，尾流效應模型與2.2節所述一致，直驅風機在第一排，雙饋風機在第二排。

RTDS的一個rack處理能力有限且風電機組內部含有大量小步長模塊占用更多的資源，在等值過程中，如果多臺風機在一個子系統下（單一rack仿真）搭建有步長溢出的可能（ERROR-TIME STEP OVERLOW received from rack*……），解決步長溢出的辦法就有兩種：①增大步長，但增大步長影響仿真實時性；②跨rack仿真，跨rack是本文推薦使用的方法。下面指出跨rack仿真時的主要注意事項。

在RTDS中跨rack仿真的惟一實現方法是，通過架空線（或電纜）將不同的子系統連接起來。在RTDS的架空線模型中有行波傳輸線模型（travelling wave models）和p型（PI section models）等效模型，行波傳輸線模型的等效類型有frequency dependent（頻率制約）等效和Bergeron等效，只有線路極其短時必須使用p型模型，其余全部推薦行波傳輸線模型建模。在RTDS跨rack中必須使用行波傳輸線模型，p型等值模型是不允許出現在跨rack中的。

使用哪種模型由線路的長短決定，關系為

式中，為時間步長（time step），為光速。一般時間步長為50ms對應的線路長度為15km，小于15km的必須使用p型等效模型，大于15km使用行波傳輸線模型。在等值過程中一定要注意線路的長短，進行多rack仿真時避免在小于15km的線路上進行分離子系統。RTDS等值模型分兩個子系統搭建，直驅風機在第一個子系統中使用rack1運行，雙饋風機在第二個子系統使用rack2運行。其35kV出口處、、波形與單機容量加權模型的波形對比，如圖8所示。

圖8 不同類型風機組合模型與單機容量加權模型、、對比圖

由圖8可知，不同風機組合模型較單機模型功率輸出較低，吸收無功消耗較大，電壓畸變明顯。造成有功較低的主要原因為35kV的集電線充當跨rack的架空線，場內的架空線、變壓器等元器件消耗了部分有功以及尾流效應的影響。電壓畸變吸收無功較多是直驅風機的控制特性造成的，永磁直驅風電機組采用雙PWM全功率變流器的控制，主要分為機側變流器和網側變流器控制。在網側直接控制其電流和頻率對出口電壓的影響較大。而DFIG的定子側直接接入電網，轉子側通過雙PWM變流器連接到電網上。雙饋風力發電機通過轉子勵磁電流的大小和頻率達到功率解耦控制，而定子直接接在網側對出口電壓的影響波動小。雙饋風機和直驅風機組成風場發出的無功和單一類型風機組成的風場不一致，在研究時應注意此問題。

3 結論

結合等值建模典型方法給出針對不同問題的風場等值解決方案，通過監測風場35kV出口處的功率和電壓得出等值的合理性。建立單機容量加權等值模型，此模型為理想狀態下的風場，能夠體現出風電場的穩態特性，適合于不研究場內故障下的等值建模。考慮尾流影響所得到的各機組輸入風速，更加客觀地描述了實際情況下各風機輸入風速。結果表明，尾流效應降低了風電場輸出功率的能力，與實際風場運行狀態更接近。風場含有不同類型風機等值中采用降階變尺度多機等值，可以得出結論：含直驅風機的風場出口電壓波動較明顯，無功水平較低，等值模型更接近多種類型風機組成的風場實際運行情況。本文將RTDS等值過程中遇到的實際問題做了詳細的解答，對進一步研究大規模并網風電場的等值建模具有實際意義。

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Solution of Some Problems in Equivalent Modeling of Wind Farm based on RTDS

Cai Wenchao Yang Bingyuan

(Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080)

The typical method of equivalent modeling of wind farm is expounded, and the characteristics of different modeling methods are pointed out. A new equivalent modeling method for large capacity wind farm is proposed, and the solution to the problem is given. Based on RTDS, a single machine capacity weighting scheme is proposed, and the solution of equivalent wind turbine equivalent is realized based on the consideration of wind turbine wake effect. The validity of the equivalent results is analyzed. When the RTDS platform is in the process of equivalence, it is pointed out that the rack platform needs to run and points out the matters needing attention in the transmission line model. The results show that the solution is of great significance to solve practical problems.

RTDS; equivalent modeling of wind farm; wake effects; double-fed induction generator; direct-driven wind turbine generators

蔡文超（1991-），男，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。