第3l卷第3期 2011年6月 东北电力大学学报 Vo1 3I,No.3 Journal Of Northeast Dianli University Jun..201l 文章编号:1005—2992(2011)03—0013一Or7 基于等效风速的风电场等值建模 严干贵,李鸿博,穆 钢,崔 杨,刘 玉 (东北电力大学电气工程学院,吉林吉林132012) 摘 一要:随着风电场联网规模的不断扩大,风电功率波动对电网影响愈加显著,风电场建模已成为 项重要研究课题。本文提出了用一台等值机来表征场内风电机组整体性能的风电场等值模型,该等值 机组在等效风速作用下所产生的风电功率与所有机组输出功率相等,适用于含风电场的大规模电力系统 仿真。构建了基于输出功率最大相关性原则的等效风速选取方法,提出了表征风电机组整体风能捕获特 性的等效风能利用概念及其计算方法。以某装有58台双馈感应风电机组的风电场为例,进行风电场等值 建模与风电场输出功率计算,通过与风电场实际输出功率误差分析,对所构建等值模型的有效性进行验 证。该模型可以用于在给定风况下的风电场输出功率快速计算,适用于大规模风电场联网运行仿真评估。 关键词:风电场;等值模型;等效风速;等效风能利用系数 文献标识码:A 中图分类号:TM 733 0 引 言 风力发电是实现风能大规模开发利用的重要途径,是实现低碳电力的重要选择。近年来一直保持 较快发展势头,截止到2008年底,全国总装机容量达到1215.3万千瓦,占全国发电总装机容量的I. 5%,一些区域电网的风电比例甚至超过10%;据规划,2020年全国风电装机容量将达1.5亿kW…,届 时占全国发电总装机容量的10%。 随着风电场规模的不断增大,风电功率波动对电网运行影响愈加明显,因此,往往需要进行风电场 接人分析评估以把握可能给电网运行带来的安全风险及经济负担 J,其中风电场建模方法及其精度 对评估结果有着直接的影响 。 风电场建模的典型问题是构建反映风电场风速与其输出功率之间关系的数学模型。通常风电场有 数十、百甚至上千台风电机组,其输出功率特性与场内风速特性、场内地形地貌、机组排列方式、机组风 能转换特性等诸多因素密切相关,即使场内机组型号都相同,风电场风速一输出功率特性与单台机组的 风速一输出功率特性仍有诸多显著不同,因此采用单机风电功率特性线性外推法来等效风电场的风电 功率特性其精度往往难以保证。 目前,风电机组/风电场建模主要有机理建模和外特性等效建模两类方法。机理建模的有效性取决于 对研究对象的结构及其所遵循的内在规律的把握程度及模型参数的精度,此类方法在风电机组建模中得 到广泛应用 。而在风电场风速一功率特性建模方面,目前主要是通过计及尾流效应来考虑场内风速 的波动性对风电场输出功率的影响¨卜” ,而对于风向、气温等其他因素的影响则难以考虑,并且尾流效应 收稿日期:2011一o4—2O 基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2008BAAI4B01);国家自然科学基金项目(50877009);国家自然科学基金重点项目 (60934005) 作者简介:严于贵(1971一),男,江西省潭市人,东北电力大学电气工程学院教授,博士,主要研究方向:事风力发电控制和柔性交流 输电系统等方面的教学与科研工作. 14 东北电力大学学报 第31卷 建模计算量大,其精度受诸多模型参数的影响。基于风电场外特性建模方法是不考虑风电场风能转化为 电能的复杂物理过程,以风电场实测风速功率等数据为研究对象研究风速功率之间的关系Ll引。 本文基于外特性等效原理,将风电场作为一个黑箱,而不陷入对风电场内部各因素的影响分析中, 通过对风电场长期运行数据的统计分析,研究风电场整体风速与风电场输出功率之间的统计规律,提出 表征风电场整体风况的等效风速概念及其计算方法,据此构建风电场“等效风速一输出功率”等值模 型,提出了表征风电场整体风能转换特性的等效风速概念,以实际算例对所提出的风电场等值模型的有 效性进行验证。该模型可以用于给定风况下的风电场输出功率计算,可用于风电场实时预测控制和弃 风控制时风电场弃风功率评估。 1 风电场等值模型的等效原理 忽略风电机组损耗,根据风力发电原理,风电机组输出功率可由下式求取: P =÷c , =1,2,…, , (1) 式中:Cp 、P 、 分别为第i台风电机组的风能利用系数、输出功率和机组轮毂高度处风速;p为空气密 度; 为风电机组叶轮扫风面积;Ⅳ为场内风电机组台数(假设各机组型号相同)。 风电机组输出功率之和P=可表示成如下形式: P∑:∑ =∑吉 :如M 一一1 pNACpI2 , (2) 上式表明,风电场可视为一虚拟风电机组,其叶轮扫风面积为场内所有机组叶轮扫风面积之和N A,机 组轮毂高度处风速为 ,风能转换效率为cM 。即对于任一种有效风况下的风电场输出功率 ,存在 组(c , )与之对应,使得在此等效风速 作用下,虚拟机组以风能转换效率cM 产生的风电 功率与风电场实际输出功率相等,这就是本文所提出的风电场等值模型的等效原理。 因此,对于有效风速范围内的风电场输出功率序列P ・],如果能够找到(c [・], [・])序列 对与之对应,则c [・]表征了风电场的风能转换特性, [-]表征了风电场的整体风况。 由于与P 对应的(c , )对不唯一,因此,建模关键是如何由机组风速序列与风电场输出功率 序列,确定合理的(c , )序列对,使得据此求得的风电场输出功率最大概率接近风电场实际输出 功率 2 按决定系数最大原则的风电场等效风速的选取 由上述风电场等值模型等效原理可知,对于有效风速范围内的风电场输出功率序列P ・],存在 (Cp [・], [・])序列对与之对应,即 P∑[1]= Cp. [1 [1]= A N N . 1] 1] P∑[2]=1NpACp [2] [2]= [2] [2] P∑[ ]=1NpACp [J}] [ ]: N .i[ ] [JI}], 式中:k=1,2,3,… 由式(3)可知,k个方程中有2k个未知数,如果没有约束条件,方程组的解将不唯一。 事实上,对于已建成的风电场,在相同风况作用F.若不考虑风电机组性能的变化,风电场输出功率 第3期 严干贵等:基于等效风速的风电场等值建模 l5 的分散性应该较小,即风电场输出功率与风况之间存在很强的相关性,问题关键是等效风速如何取才能 表征风电场的整体风况。下面根据统计学中的决定系数法来选定等效风速序列 [・]。 等效风速 [.]与各机组风速间的关系可表示成如下形式: [ ]: V1[_『], [_『],…,v,,rj]), (4) 式中 =l,2,…Ii} 二者方差和协方差分别为: s; ÷ ( 13]一 ) , 2 古 ( [ 一 (5) s } ( u[力一 )( [力一户), 二者的决定系数为: 02 r vge= , (6)【o) V VP 1 ^ , 式中:P 。]为风电场实际输出功率序列; 寺 [_『]、户 P三[力分别为给定等效风速序列 平均值和风电场输出功率序列平均值。 当选取的等效风速序列与风电场输出功率序列强相关时,则两者的决定系数较大。因此,可以采用 试探法,由风电机组风速求取多组等效风速序列,分别求取各等效风速序列与风电场输出功率序列的决 定系数,按决定系数最大原则选取风电场等效风速。 3 风电场等效风能利用系数计算 当不同风况下的风电场等效风速确定后,则表征风电场整体风能转换特性的等效风能利用系数即 可由下式确定: 2P Np——A ̄L, (7) .根据场内各风电机组的风速、风电场输出功率实测数据序列,根据等效风速的确定原则,即可计算 得到相应的 和 序列,对 一 散点图处理拟合得到 一 曲线,即可得到风电场的等 效风能利用系数曲线。 4 风电场等效风速一输出功率的等值模型 根据等效风速的求取方法,即可由各风电机组风速求出风电场的等效风速,进而根据风电场等效风 能利用系数,计算出相应的风电场输出功率,即: =÷^ , (8) 曩网 C 据 如图1所示,通过首先通过等效风能利用系数曲 功厂 线来得到某等效风速下的等效风能利用系数,然后 再通过式(8)来计算风电场输出功率。 蓁 图1 风电场等值模型建模方法 l6 东北电力大学学报 第31卷 5 算例分析 表1 风电机组主要技术参数 以某实际风电场为实例,通过对风电场 额定功率 运行数据的统计分析,利用所提出的风电场 转轮直径 切人风速 等值模型构建方法对其进行建模,并通过仿 额定风速 真计算和误差分析来验证该模型的有效性。 切出风速 该风电场地势平坦,含58台型号 极限风速 (Gamesa—G58)相同的风电机组,机组技术 表2 用于模型构建的风电场实测运行数据 参数如表1所示,机组风功率曲线如图3所 物理量 风速×58台输出功率×58台 示。场内机组布局如图2所示(横排间距600 数据时段 25/02/2009 08:07:34~27/03/2009 08:07:34 m,纵排间距400 m)。 数据间隔 24s 数据量 108001 x 58组108001×58组 用于构建风电场等值模型的风电场运 行数据(各机组风速、风电场输出功率)如表 表3 用于验证模型有效性的风电场运行数据 1所示,用于验证模型有效性的风电场运行 数据内容 风速×58台;输出功率x 58台 数据时段 10h:23/10/2009 01.39:48~23/10/2009 1 1:39:42 数据如表2所示。 数据间隔 6s 图4为某24 h内风电场输出功率曲线, 数据量 6000p/组×58组;6000v/组×58组 图5为某时刻风电场各机组轮毂高度处风速 表4 各风速指标相关系数、决定系数 的分布图,其中6 机组与49 机组轮毂高度 处风速的最大差值为7.786 m/s,平均差值为 1.7173 m/s,可见风电场各机组安装位置处 的风速具有较大差异。 e— 卜I 49# 50# I —固— J2# . 5 —0 5 0— — 5 57#5 0— 卜—0— 》_—0 0— 》 00o 40#4l 42#43#44# _ 46#47# 删 @卜_ — ——0一固—0 W 0— — 卜—0 兽800 , 3l 32# 33# 34# 35# 36# 37#竭I 螂 600 0— 21/ ̄ 22# —固— 23# 24# —固 25# 0— —_《;卜_。 2 27# 28# 2 400 0— — 》_—0 0— — 喜200 ▲ 1 I l 1 l7 18# l 2O# 0 0 I北 0—'《》— —0 斜 10# Il 1215 。0 0—— — —固 图2风电场机组位置布局示意图 图3 Gamesa—G58风电机组风功率曲线 邑 器 ≥ 风 速 葛 m j 0 图4风电场输出功率曲线 图5某时刻风速空间分布示意图 5.1 风电场等值模型的构建 本文采用试探法,分别选取风电场机组风速最大值、最小值和平均值作为可能的等效风速,通过求 取上述风速与风电场输出功率的决定系数,按照决定系数最大原则来选定风电场等效风速。计算结果如 第3期 严干贵等:基于等效风速的风电场等值建模 I7 表4所示,由此可知,各机组平均风速更能够代表风电场整体等效风速。 为了验证所选定等效风速的有效性,对比分析上述风速与风电场输出功率间的对应关系。图6—8 为上述风速与风电场输出功率散点图,由图可知,风电场最大、最小风速与风电场输出功率散点图形状 分散,之间的对应关系不稳定;而平均风速一输出功率散点图最为集中,即各机组平均风速与风电场输 出功率之间的对应关系相对稳定,之间的规律性更强。 所求取的风电场等效风速曲线如图9所示。 利用表1数据进行数据处理和拟合得到如图10所示的风电场 ×104 4 — 盛 曲线。 ×104 蛊 2 0 5 童 皇 0 一 囊黧豳 O 5 10 l5 20 言 Minimum Windspeed(m/s) lO I5 20 Maximum Windspeed(rrds) 图6某实际风电场最大风速一输出功率散点图 图7某实际风电场最小风速—输出功率散点图 ×1 { 兽 皇 苫 ‘ 二:: : O 5 lO _: :≥j: l5 20 晏 置 良 _爿 } Time(h) Arverage Windspeed(m/s) 图8某实际风电场平均风速一输出功率散点图 图9等效风速波动曲线 Windspeed(m/s) 图10风电场 一 曲线 0.4 图l1本方法计算得到的输出功率与实测输出功率对比曲线 昌 0.2 0 0 loo 2oo 3oo 40o 5oo 60o time(min】 相对误差区间(每一-/b格为1%) 图l2输出功率相对误差曲线 图13误差概率分布示意图 由图】0可知,风速低于12 m/s时,风电场的风能转换效率低于单机的风能转换效率。 5.2风电场等值模型仿真与误差分析 利用表2中实测风速数据作为模型的输入量,得到相应风况下的风电场等效风速,再利用如图l0 .;= l8 东北电力大学学报 第3l卷 所示计算得到的风电场风能转换效率曲线,即可计算得到风电场输出功率。 图1 1为风电场输出功率计算值与实测值对比曲线图,由图可知,计算功率与实测功率总体变化趋 势相吻合。 图12、l3分别为计算值偏离实测值的误差曲线和误差统计曲线,结果表明:计算值的相对误差小于 10%的概率为94.43%,相对误差小与5%的概率为63.95%。 而采用单机输出功率线性外推法求取风 表5模型误差分析表 电场输出功率时,误差较大。表5为本文方 法与单机线性外推法(以25#机组输出功率 风电场机组台数作为风电场输出功率)计算 误差对比情况,单机线性外推法计算值的最 小误差为26%,最大误差可达200%,稳定性差。 由此可知,采用本文所构建的风电场等值模型计算得到的风电场输出功率具有更高的精度。 6 结 论 提出了一种基于等效风速的风电场等值模型构建方法,构建了表征风电场整体风况的等效风速与 风电场输出功率之间内在规律的模型。 采用所提出的等值模型构建方法,建立了某由58台双馈感应风电机组构成的实际风电场的等值模 型,并对其有效性进行了仿真验证,结果表明: (1)风速低于12 m/s时,风电场等效风能利用系数小于单台风电机组的风能利用系数;风速高于 12 m/s时,两者基本相同 (2)算例系统中的等效风速为各风电机组的平均风速。 (3)基于等值模型计算出的风电场输出功率与实测值的偏差小于10%的概率为90%,偏差小于 5%的概率超过60%。 该模型只依赖于风电场运行数据,建模方法简单,适用性强,模型精度高,计算量小。 参考文献 李俊峰,高虎,马玲娟,等.2008中国风电发展报告[R].中国环境出版社,2008. 迟永宁,刘燕华,王伟胜,陈默子.戴慧珠.风电接人对电力系统的影响[J].电网技术,2007,31(3):77—81. 张红光,张粒子,陈树勇,安宁.大容量风电场接人电网的暂态稳定特性和调度对策研究[J].中国电机工程学报,2007,21(37):45 —51. 杨国生,李欣,周泽昕.风电场接人对配电网继电保护的影响与对策[J].中国电机工程学报,2009,33(11):87—91. 娄素华,李志恒,高苏杰,吴耀武.风电场模型及其对电力系统的影响[J].电网技术.2007,31(增刊2):330—334. 郎斌斌,穆钢,严干贵.联网风电机组风速一功率特性曲线的研究[J].电网技术,2008,32(12):70—74. 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Equivalent model of wind farm By Using the Equivalent Wind Speed YAN Gan-gui,LI Hong-bo,MU Gang,CUI Yang,LIU Yu (Electrical Engineering College,Northeast Dianll University,Jilin Jilin 132012) Abstract:With the increasing scale of the integration of wind power into power gn ds,the influence of wind power fluctuation begins even more signiifcant on the power system,and therefore the modeling of wind farms has become an important research topic.In this paper,a new equivalent model of wind farm is proposed to re— present the collective behavior of lla the generator units for large power systems simulations,instead of using a complete model of wind farms where all the wind turbines are modeled.The model proposed here is based on aggregating wind turbines into an equivalent wind turbine which receives an equivalent wind of the ones inci— dent on the aggregated wind turbines and generates the same power as the sum ofall the wind turbines.Among he possitble wind combinations of all wind turbines,the wind which is the most relative wih tthe output power 0f all the wind turbines selected as the equivalent wind.and the concept and the calculation method of wind energy conversion efficiency is also proposed.The equivalent model of a wind farm equipped wih t58 doubly— fed induction wind turbines is established using the method proposed here,and the output power of the wind arfm is also calculated using the model and is compared wih tthe actual value of he wtind farm.The validity of he modelt is also veriifed.The proposed equivalent model Can be used for fast calculation of he outtput power of ind fwarm wih gitven wind condiitons and suitable for large—scale simulation of.wind farm interconnection to power grids. Key words:Wind farm;Equivalent model;Equivalent wind;Equivalent power coeficifent