风电场次同步振荡等值建模方法研究

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.21121

摘要/Abstract

摘要：

风电场中风机数量大并且处于不同的运行风速，建立包含每台风机详细的次同步振荡研究模型非常复杂，而且应用该模型进行次同步振荡研究计算耗时长。因此，需要建立保留风电场与接入系统相互作用的次同步振荡特性的风电场等值模型，简化次同步振荡研究的复杂程度。计及风机不同运行风速区间的不同控制策略对次同步振荡模式的影响，采用基于风速指标K-means算法聚类风机，考虑各台风电机组出线端的电流幅值和相位不同的影响，提出基于功率等值的集电系统简化建模方法，在PSCAD/EMTDC中搭建相关风电场仿真模型，并对等值前后次同步振荡模态进行了对比，用以验证该等值方法的合理性。

关键词: 风电场, 集电系统, 次同步振荡, 功率等值

Abstract:

The number of turbines in the actual wind farm is large and at different operating wind speeds. It is very complicated to build a sub-synchronous oscillation study model that includes a detailed model of each turbine. Furthermore, it is time-consuming and computationally intensive to apply the model to the sub-synchronous oscillation study. Therefore, it is necessary to simplify the complexity of the sub-synchronous oscillation study by establishing a wind farm equivalent model that retains the sub-synchronous oscillation characteristics of the interaction between the wind farm and the interconnected system. In this paper, the effect of different control strategies on the sub-synchronous oscillation model in different operating wind speed intervals of wind turbines was taken into account, and the wind turbines were clustered using the K-means algorithm based on wind speed indexes. Considering the effects of different current amplitude and phase at the terminal of each wind turbine, a simplified modeling method of the collector system based on power equivalence was proposed. And the relevant wind farm simulation model was built in PSCAD/EMTDC, and the sub-synchronous oscillation modes before and after the equivalence were used to verify the rationality of this equivalence method.

Key words: wind farm, collector system, sub-synchronous oscillation, power equivalence

中图分类号:

TK 89

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图/表 21

图 1 双馈风机的运行特性曲线

Fig. 1 Operation regions of a typical double fedinduction generator

图 2 大型风电场风机等值聚合流程图

Fig. 2 Equivalent flowchart of wind turbines in a large wind plant

图 3 大型风电场风电机组空间排布图

Fig. 3 Arrangement of wind turbines in a large wind plant

图 4 串联式风电机组等值图

Fig. 4 Equivalent modeling of series wind turbine chain

图 5 并联式风电机组等值图

Fig. 5 Equivalent Modeling of parallel wind turbine chain

图 6 串并共存风电机组等值图

Fig. 6 Equivalent modeling of series parallel wind turbine chains

表 1 5 MW风电机组参数

Tab. 1 Parameters of the 5 MW wind turbine

额定容量/MW	额定电压/V	X_ls/pu	X_M/pu	X_lr/pu	R_s/pu	R_r/pu
5	690	0.10	4.50	0.11	0.005 4	0.006 07

表 2 35 kV线路参数

Tab. 2 Parameters of the 35 kV aerial conductor

型号	额定电压/kV	截面积/mm²	每千米电阻/Ω	每千米电感/mH	允许载流量/A
LGJ	35	35	0.938	1.382	148
LGJ	35	50	0.678	1.350	193
LGJ	35	95	0.349	1.270	295
LGJ	35	120	0.285	1.248	335
LGJ	35	185	0.181	1.203	454

图 7 风电场简化排布图

Fig. 7 Simplified arrangement of the wind farm

表 3 各风电机组的风速

Tab. 3 Wind speed of each turbines in the plant

编号	风速/(m/s)	编号	风速/(m/s)
1	10.65	11	8.21
2	9.71	12	6.94
3	8.71	13	10.34
4	7.66	14	9.32
5	10.85	15	8.21
6	9.51	16	6.96
7	8.72	17	10.55
8	7.64	18	9.42
9	10.35	19	8.32
10	9.32	20	7.44

表 4 最终等值后的风速与阻抗值

Tab. 4 Wind speed and impedance after final equivalence

分组编号	机组编号	等值风速/(m/s)	等值电阻/pu	等值电抗/pu
1	1，5，9，13，17	10.47	0.088	0.142
2	2，6，10，14，18	9.46	0.093	0.149
3	3，7，11，15，19	8.42	0.094	0.152
4	4，8，12，16，20	7.34	0.081	0.137

图 8 风电场简化等值图

Fig. 8 Simplified arrangement of the wind farm

图 9 等值前后风电场出线端有功、无功对比图

Fig. 9 Comparison of active and reactive powers between detailed and simplified models

图 10 详细模型PCC点电流中各频率分量

Fig. 10 Different frequency components in current at the PCC of detailed model

图 11 等值模型PCC电流中各频率分量

Fig. 11 Different frequency components in current at the PCC of simplied model

表5 仿真时间对比

Tab.5 Simulation time comparison

模型	实际运行时间/s
详细模型	219
简化等值模型	27

图 12 两机组的并联等值示意图

Fig. 12 Equivalence of two sub wind plants

表 6 各子风电场中风机台数和风速

Tab. 6 Number of wind turbines and wind speed in each sub-wind farm

子风电场编号	机组台数	风速/(m/s)
1	10	11
2	10	8

表 7 不同等值方法的风速与阻抗值

Tab. 7 Values of different wind speeds and impedances using different equivalent methods

等值方法	风速/(m/s)	电阻/pu	电抗/pu
未等值子风场1	11	0.025	0.128
未等值子风场2	8	0.008 5	0.427
串并联等值	9.7	0.006 4	0.032
功率等值	9.7	0.014	0.070

图 13 接入串补时2种不同等值方式有功对比图

Fig. 13 Comparison of active powers between two different methods after connecting series compensation

图 14 被扰动后2种不同等值方式无功对比

Fig. 14 Comparison of reactive powers between two different methods after being disturbed

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