基于等效风速的风电场等值建模

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1、第3l卷第3期东北电力大学学报Vo13I，No．32011年6月JournalOfNortheastDianliUniversityJun．．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，风电场建模已成为一项重要研究课题。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

2、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；等效风能利用系数中图分类号：TM7

3、33文献标识码：A0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

4、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

5、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

6、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．万方数据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

7、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

8、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一1pNACpI2，(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NA，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，存在一组(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