计及尾流效应的风电场短路故障动态等值建模
Dynamic Equivalence Modeling of Short-Circuit Faults in Wind Farms Considering Wake Effects
通讯作者: 黎灿兵,教授,博士生导师;E-mail:licanbing@sjtu.edu.cn.
责任编辑: 孙伟
收稿日期: 2022-11-25 修回日期: 2023-05-29 接受日期: 2023-07-31
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Received: 2022-11-25 Revised: 2023-05-29 Accepted: 2023-07-31
作者简介 About authors
余浩(1986-),高级工程师,从事电网规划、系统仿真及新能源并网技术研究.
快速、准确分析大型风电场短路特性具有重要的工程应用价值,而尾流效应影响下风电场各机组短路特性差异大,需建立风电场短路故障时等值模型.提出一种考虑尾流效应影响的风电场短路故障动态等值方法,首先定义尾流效应因子反映机组受尾流效应影响程度,并采用尾流效应因子作为分组依据,缩小尾流效应影响下组内各机组运行状态差异性.为提高非对称短路故障下的等值模型有效性,分析风电场短路时正、负、零三序网络的构成,提出适用于零序集电网络的等值方法,搭建平台并加以验证.仿真结果表明,该风电场短路故障动态等值模型能准确反映尾流效应影响下风电场有功、无功短路输出特性.
关键词:
Fast and accurate analysis of the short-circuit characteristics of large wind farms has important engineering application value, and the short-circuit characteristics of wind farms under the influence of the wake effect vary greatly. Therefore, it is necessary to establish a wind farm short-circuit fault time equivalence model. A wind farm short-circuit fault dynamic equivalence method considering the effect of wake effect is proposed. First, the wake effect factor is defined to reflect the degree of the unit affected by the wake effect. Then, the wake effect factor is used as the grouping basis to reduce the variability of operating state of the units within the group under the influence of the wake effect. A positive- negative- zero-sequence network equivalence method is analyzed to improve the effectiveness of the equivalence model in asymmetric short-circuit faults. An equivalence method suitable for zero-sequence network is proposed and a platform is built for verification. The simulation results show that the dynamic short-circuit fault equivalence model proposed can accurately reflect the active and reactive short-circuit output characteristics of wind farms under the influence of the wake effect.
Keywords:
本文引用格式
余浩, 黎灿兵, 叶志亮, 彭穗, 任万鑫, 陈思捷, 唐彬伟, 陈达伟.
YU Hao, LI Canbing, YE Zhiliang, PENG Sui, REN Wanxin, CHEN Sijie, TANG Binwei, CHEN Dawei.
大型风电场由数百台风电机组组成,受风场分布与尾流效应影响,各机组风速差异大,其短路特性也存在较大差异.风电场短路故障动态等值建模时采用风速、有功输出、电压作为分组指标可能导致分组数过多[1],仿真计算量大,不利于实际工程应用.因此,需合理考虑尾流效应影响下机组风速差异对集群故障动态等值模型结构和参数影响.
风电场动态等值方法主要分为单机等值法、半机等值法和多机等值法[2⇓-4].风电场单机等值模型拟合精度难以满足要求[5];半机等值法对仿真软件不具有普适性[6];多机等值法基于分组指标对风电场机组进行分组,并将同组机组等值为单台机组,从而采用少量机组替代整个风电场[7],其等值模型精度较高且计算量小.多机等值法的关键在于分组指标的选取,现有文献主要以地理位置分布和反映机组运行状态的特征参数作为分组指标.文献[8]中依据机组所处地理位置,按照行、列的方式对风电场分组等值.文献[9]中根据威布尔分布计算各风电机组的权重因子,并建立动态加权聚合等效模型.文献[10]中提出一种基于机组低电压穿越特性的倍乘等值方法.文献[5,11⇓⇓⇓-15]中选取机组的特征量作为分组指标,如风速[11]、桨距角动作情况[12]、状态变量矩阵[5]、机端暂态电压[13]、故障切除转速[14]、机组运行控制区域[15].
然而,在尾流效应影响下,风电场各机组间风速差异大,且机组间风速变化往往具有连续性,因此若以风速等特征参数为分群指标可能导致分组指标不明显且分组数较多问题[16].文献[17]中采用单-双高斯拟合算法对单台机组的尾流效应建模.文献[18]中分析了风电场内风电机组的尾流相互作用.文献[19]中假设尾流效应影响下同排机组风速相同,并将同排机组分为一组.文献[20-21]中基于尾流效应影响下机组运行状态的差异,以每台风电机组的风轮位于几个尾流影响区域作为分群指标.文献[22]中考虑风向与尾流效应的情况下,采用机组、风向、风速三维相关系数矩阵进行分群.大型风电场内各机组受尾流效应影响程度不同,位置相近的机组间运行状态可能相差较大,现有文献依据地理位置对机组进行区域划分或以受几台机组尾流效应影响为分组指标,可能造成同群机组运行状态存在显著差异,参数聚合时产生较大误差.
综上,目前研究主要集中在风电场稳态运行、低压穿越或三相对称故障风电场等值建模,考虑尾流效应对机组运行状态的影响,提出一种适用于非对称短路故障的风电场动态等值模型.首先以下游机组风速与上游机组风速比值为基准,定义尾流效应因子反映机组受尾流效应影响程度,并采用尾流效应因子作为分组指标.同时分析非对称短路故障时风电场正、负、零序网络的构成,并提出适用于零序集电网络的等值方法,提升非对称故障情况下等值模型的有效性.在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建风电场短路故障动态等值模型,验证了所提方法有效性.
1 基于尾流效应影响因子的风电机组聚类算法
1.1 尾流效应因子
图1
在偏航系统的作用下,机组风轮面垂直于风向,此时机组风速取决于机组受尾流效应影响程度.图1中,在A处的上游机组尾流效应影响下,x处的风速为
式中:r为涡轮机的转子半径;x为沿风向的水平距离;vin为A处的来流风速;vx为尾流效应影响下的实际风速;ζ为衰减常量;CT为推力系数. 可知,下游机组风速vx与距离上游机组的水平距离x成反比,x值越大,则受上游机组尾流效应程度越小.在同一风场下,当x足够大时,下游机组风速vx接近上游机组风速vin,此时可以忽略尾流效应影响.
如图2所示,v0为初始风速,机组W1对机组W3风速影响高于对机组W4,但机组W4同时受机组W1和机组W2尾流效应影响.因此,机组W3与机组W4受尾流效应影响程度无法准确比较,其运行状态和短路故障特性差异也不确定.若按尾流效应影响对机组进行区域划分,将机组W3、W4归为同一分组,可能造成同组机组运行状态存在显著差异,其短路故障等值模型误差较大.
图2
为量化每台风电机组受其他机组尾流效应程度,需定义尾流效应因子:
式中:δi为机组i的尾流效应因子;δij为机组i受机组j的尾流效应程度.
尾流效应因子δi反映了机组i风速受尾流效应影响程度,其区间分界点用σ表示.若机组i位于上游,则不受其他机组尾流效应影响,δi值取0;若机组i不位于机组j尾流效应影响范围内,则δij同样为0;若机组i位于机组j尾流效应影响范围内,σ值越小,说明下游机组风速与上游机组风速相差越大,则机组i受机组j尾流效应程度越高,则δij值越大.当机组i位于机组j尾流效应影响范围内时,σ的取值区间为(0, 1),可将σ值化分为n个区间(0, σn-1), [σn-1, σn-2), …, [σ1, 1),δij由σ值基准决定,其取值方式如下式所示:
1.2 基于尾流效应因子的风电机组分群算法
式中:xn, j为第n个集群中的第j个风力发电机;yn为第n个风力发电机集群的聚类中心值;Y为整个风力发电机群的聚类中心值;Nn为第n个集群的风力发电机个数;m为风力发电机聚类集群总个数.
为实现聚类过程中,集群数的优化计算,避免人为确定集群数带来的应用局限性,采用以下的动态k均值分类算法,如图3所示.
图3
2 聚合参数等值
2.1 风速等值
设Peq为组内k台风力发电机捕获风功率之和,则
式中:Pi为第i台风力发电机捕获功率;Si为第i台风力发电机扫风面积;Cpi为第i台风力发电机风能利用系数;ρ为空气密度;vi为第i台风力发电机输入风速.
设等值风力发电机风能利用系数Cpeq为各台风力发电机风能利用系数平均值:
令:
可得输入到等值风力发电机的等值风速,用veq表示:
对于恒转速区,由于对应该区的风速区间很小,通过仿真分析可知各机组的风能利用系数
2.2 集电线路参数等值
依据等值损耗功率法[24],可得等值集电线路阻抗为
式中:Zi为第i台机组的线路阻抗;Ui, Si, ZTi分别为第i台风力发电机的机端电压、容量以及升压变压器阻抗.
2.3 控制环节等值
等值风力发电机控制参数按下式参数聚合:
式中:Kj、KG分别为等值前后风力发电机比例-积分(PI)环节中的参数;Sj、SG分别为等值前后机组容量;G为风电场中的风力发电机集合.
3 负序、零序聚合参数等值
变压器和集电线路为静止原件,故前文所述的变压器和集电线路的正序参数等值方法同样适用于负序参数等值.而风力发电机为旋转元件,其正、负序阻抗参数计算方法不同.由于风电机组网侧换流器通常采用负序电流抑制策略消除机组非对称短路故障时产生的负序电流,故负序网络中通常将风力发电机的负序等值阻抗近似为无穷大[7].然而风力发电机在故障情况下,其正负序阻抗计算方式不同,因此需要对风电场序阻抗网络进行分析.
撬棒电路投入后,风力发电机负序等效阻抗将受到撬棒电阻及转差率影响,可由下式表达:
式中:ωs为同步角速度;Ls、Lr、Lm分别为风力发电机定、转子电感和互感;s为转差;Rcb为撬棒投入后的等效转子电阻.
由于故障状态下,风力发电机正序电流存在基频分量和衰减的转速频率分量,所以风力发电机正序等值网络包含一个内阻抗Z+及一个衰减的电压源Eeq,如图4所示.图中,us+为风力发电机正序电压.
图4
当电流中的转速频分量衰减完之后,其无源阻抗表达式为
对于风力发电机零序阻抗,由于风电场正负序阻抗远大于零序阻抗,所以可忽略不计[24].综上所述,由于风力发电机直接与升压变压器相连接,其正负序阻抗与变压器串联,所以在风电场序阻抗网络等值中,只需将风力发电机正负序阻抗加上变压器阻抗,再代入式(9)中的ZTi,则可求得等值损耗功率下的风电场等效序阻抗网络.
4 算例分析
以某地区风电场的16台双馈风电机组为基础,在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建16台额定功率为5.5 MW双馈机组风电场,出口电压为690 V,经0.69/35 kV箱式变电站升压至35 kV,每3~5台风电机组成一个联合单元后,由35 kV海底电缆汇流至海上升压站,升压至220 kV后由送出海底电缆送至220 kV陆上集控站,再经一回220 kV架空线路接入阳江电网.将σ值化分为4个区间,区间分界点σ1、σ2、σ3按照风速分布阶梯,依次取0.95、0.7、0.4,并以各机组的尾流效应因子为分群指标.在三相短路故障、单相接地故障、两相接地故障情况下,对比四机等值模型、详细模型、单机倍乘模型输出响应曲线,结果如图5所示.其中四机等值模型采用本文所述分群等值方法,将风电场分为4个集群,每个集群等值为1台机组;详细模型中16台风力发电机均采用全阶电磁模型搭建;单机倍乘模型即未经过分群、所有风力发电机等值为1台机组.
图5
4.1 三相短路故障
在风电场汇集母线(Point of Common Coupling,PCC)点设置三相接地短路故障,考察等值方法在三相故障情况下的适应性.假定暂态期间风速不变,图6为四机等值模型、详细模型、单机倍乘模型三相接地故障下风电场出口有功功率、无功功率输出曲线比较情况.
图6
由图6可以看出,三相接地故障下四机模型的输出有功功率、无功功率误差更小,准确反映了风电场有功、无功特性.因此,采用本文考虑尾流效应的风电场短路故障动态等值模型能够相对准确地反映风电场在PCC点三相接地故障情况下的动态响应,四机模型与详细模型仿真结果基本一致,最大误差低于2.6%.
4.2 单相接地故障
对PCC点单相接地故障仿真,假定暂态期间风速不变,图7为四机等值模型、详细模型、单机倍乘模型单相接地故障下风电场出口有功功率、无功功率输出曲线对比情况.
图7
从图7可以看出,相比于单机倍乘模型,四机模型输出有功功率与详细模型误差更小,能准确反映详细模型的有功、无功变化趋势.因此,本文短路故障动态等值模型能够相对准确地反映风电场在PCC点单相接地故障情况下的动态响应.
4.3 两相接地故障
图8
综合仿真结果表明,本文短路故障动态等值模型能准确模拟风电场PCC处发生对称或非对称接地短路故障期间各电气量的动态特性,与单机等值模型相比精度有所提升,从而验证了所提动态等值方法的有效性.
5 结语
考虑尾流效应对机组运行状态影响,提出一种适用于短路故障分析的风电场多机动态等值建模方法.该方法以尾流效应因子为分群指标,反映风电场各机组受尾流效应影响后运行状态的差异性,并且避免风电场采用风速、有功输出作为分群指标可能导致分组过多问题.分析风电场短路时正、负、零三序网络的构成,并提出适用于零序集电网络的等值方法,提升非对称故障情况下等值模型的有效性.仿真结果表明,该方法能准确反映风电场故障期间有功功率和无功功率响应特性,适合风电场对称和非对称短路故障的暂态分析,具有重要的工程应用价值.
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对传统聚合方法无法解决风电场长期运行过程中产生的参数变化问题,该文基于实测数据建立双馈感应发电机(DFIG)风电场详细等值模型与初始化方法,分析时变参数的轨迹灵敏度,提出首先将非时变参数固定为聚合值,然后利用风电场公共并网点相量测量单元(PMU)数据针对时变参数采用基因学习粒子群(GLPSO)混合算法进行参数辨识的策略。采用WECC标准算例分析不同风速、尾流效应、部分风电机组离线、风速未知、不同短路故障位置与电压暂降深度情形下等值模型的鲁棒性与适应性。仿真算例表明所提出的参数辨识方法全局寻优能力远高于标准粒子群与遗传算法。而且,对于高灵敏度参数,参数辨识结果与真实值的最大偏差小于10%,远优于目前技术水平。
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In this paper, in view of the fact that the traditional aggregation method cannot solve the problem of parameters variation after long-term operation of wind farms, a detailed equivalent model of Doubly Fed Induction Generators (DFIGs) wind farm and initialization method are developed. The trajectory sensitivity of parameters is analyzed. Parameters identification strategy is proposed that the non-time-varying parameters are fixed as aggregated values, while the Genetic Learning Particle Swarm Optimization (GLPSO) hybrid algorithm is used to identify time-varying parameters based on Phasor Measurement Unit (PMU) data at the common interconnection point of wind farm. The robustness and adaptability of the equivalent model of DFIG wind farm under different wind speeds, wake effects, unknown wind speed, different short-circuit fault locations and voltage sags depth and some DFIGs off-line are analyzed. The simulation results using the Western Electricity Coordinating Council benchmark test system show that the global searching capability to find the optimal solution of the proposed method is much higher than that of canonical particle swarm optimization (PSO) and genetic algorithm (GA). Further, the maximum deriation between the identification results using the proposed method and the true values is less than 10% with high sensitivity parameters, which is much better than previous state-of-art work.
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