[发明专利]一种风电场非机理等效建模方法与装置

摘要

本发明提供一种风电场非机理等效建模方法和装置，以风电场的整体外特性为建模对象，分别以风电场并网点电压、风电场输入风速为输入量，均以风电场整体有功功率和无功功率的响应为输出量，通过参数辨识方法分别建立风电场响应与并网点电压变化之间传递函数，以及风电场响应与风速变化之间的传递函数。完整的风电场非机理等效模型由这两个传递函数的乘积组成。本发明提出的方法简化了风电场等效建模的过程和所需的数据量，同时又很好地契合了风电场等效建模的最终目的，即建立能够准确描述风电场外特性的简单低阶模型。通过本发明方法建立的风电场非机理等效模型可以广泛应用于含风电电力系统的仿真分析，具有良好的工程应用前景。

主权项

一种风电场的非机理等效建模方法，其特征在于，使用风电场并网点的电压和测风塔的风速为输入量、使用风电场整体功率响应为输出量，通过辨识方法建立基于传递函数的风电场非机理等效模型，该非机理等效建模方法包括以下步骤：步骤A：建立风电场非机理等效模型的方程，具体步骤如下：步骤A‑1：对于风电场在电网故障下整体动态响应的情况，此时忽略风速的变化，建立风电场并网点电压和输出功率的非机理等效模型，其方程为：$\left\{\begin{array}{c}P=P_0{f}_{\mathrm{Pu}}\left(U\right)\\ f_{\mathrm{Pu}}\left(U\right)=H_{\mathrm{Pu}}\left(s\right)g_{\mathrm{Pu}}\left(U\right)\\ Q=Q_0{f}_{\mathrm{Qu}}\left(U\right)\\ f_{\mathrm{Qu}}\left(U\right)=H_{\mathrm{Qu}}\left(s\right)g_{\mathrm{Qu}}\left(U\right)\end{array}\right.$式中，P、P₀分别为风电场输出的有功功率和有功功率稳态值；Q、Q₀分别为此时风电场输出的无功功率和无功功率稳态值；U为风电场并网点电压；H_Pu(s)和H_Qu(s)分别为传递函数方程；g_Pu(U)和g_Qu(U)分别为以风电场并网点电压U为自变量的代数方程；传递函数方程H_Pu(s)和H_Qu(s)分别表达如下：$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{Pu}}\left(s\right)=\frac{b_{\mathrm{pu}0}{s}^{\mathrm{pn}}+b_{\mathrm{pu}1}{s}^{\mathrm{pn}-1}+...+b_{\mathrm{pun}}}{s^{\mathrm{pm}}+a_{\mathrm{pu}1}{s}^{\mathrm{pm}-1}+...+a_{\mathrm{pum}}}\\ H_{\mathrm{Qu}}\left(s\right)=\frac{b_{\mathrm{qu}0}{s}^{\mathrm{qn}}+b_{\mathrm{qu}1}{s}^{\mathrm{qn}-1}+...+b_{\mathrm{qun}}}{s^{\mathrm{qm}}+a_{\mathrm{qu}1}{s}^{\mathrm{qm}-1}+...+a_{\mathrm{qum}}}\end{array}\right.$式中，pn≤pm，qn≤qm；b_pu0、b_pu1、…、b_pun、a_pu1、…、a_pum、b_qu0、b_qu1、…、b_qun、a_qu1、…、a_qum为常系数；代数方程g_Pu(U)和g_Qu(U)的表达式为：$\left\{\begin{array}{c}{g}_{\mathrm{Pu}}\left(U\right)={\left(\frac{U}{U_0}\right)}^2\\ g_{\mathrm{Qu}}\left(U\right)={\left(\frac{U}{U_0}\right)}^2\end{array}\right.$式中，U、U₀分别为风电场并网点电压和并网点电压稳态值；步骤A‑2：对于风电场在风速波动下电功率变化的情况，建立风电场输入风速和输出功率的非机理等效模型，其方程为：$\left\{\begin{array}{c}P=P_0{f}_{\mathrm{Pv}}\left(V\right)\\ f_{\mathrm{Pv}}\left(V\right)=H_{\mathrm{Pv}}\left(s\right)g_{\mathrm{Pv}}\left(V\right)\\ Q=Q_0{f}_{\mathrm{Qv}}\left(V\right)\\ f_{\mathrm{Qv}}\left(V\right)=H_{\mathrm{Qv}}\left(s\right)g_{\mathrm{Qv}}\left(V\right)\end{array}\right.$式中，P、P₀分别为风电场输出的有功功率和有功功率稳态值；Q、Q₀分别为此时风电场输出的无功功率和无功功率稳态值；V为风电场输入风速；H_Pv(s)和H_Qv(s)分别为传递函数方程；g_Pv(V)和g_Qv(V)分别为以风电场输入风速V为自变量的代数方程，该传递函数方程H_Pv(s)和H_Qv(s)表达式为：$\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{Pv}}\left(s\right)=\frac{b_{\mathrm{pv}0}{s}^{\mathrm{pn}}+b_{\mathrm{pv}1}{s}^{\mathrm{pn}-1}+...+b_{\mathrm{pvn}}}{s^{\mathrm{pm}}+a_{\mathrm{pv}1}{s}^{\mathrm{pm}-1}+...+a_{\mathrm{pvm}}}\\ H_{\mathrm{Qv}}\left(s\right)=\frac{b_{\mathrm{qv}0}{s}^{\mathrm{qn}}+b_{\mathrm{qv}1}{s}^{\mathrm{qn}-1}+...+b_{\mathrm{qvn}}}{s^{\mathrm{qm}}+a_{\mathrm{qv}1}{s}^{\mathrm{qm}-1}+...+a_{\mathrm{qvm}}}\end{array}\right.$式中，pn≤pm，qn≤qm；b_pv0、b_pv1、…、b_pvn、a_pv1、…、a_pvm、b_qv0、b_qv1、…、b_qvn、a_qv1、…、a_qvm为常系数；代数方程g_Pv(V)和g_Qv(V)的表达式为：$\left\{\begin{array}{c}{g}_{\mathrm{Pv}}\left(V\right)={\left(\frac{V}{V_0}\right)}^3\\ g_{\mathrm{Qv}}\left(V\right)={\left(\frac{V}{V_0}\right)}^3\end{array}\right.$式中，V为风电场输入风速；V₀为风电场输入风速的稳态值；步骤A‑3：对于同时考虑风速变化和电网故障下风电场整体响应的情况，建立以风电场输入风速和风电场并网点电压为输入量，以风电场整体功率为输出量的非机理等效模型，其方程为：$\left\{\begin{array}{c}P=P_0{f}_{P\_v}\left(V\right)f_{P\_u}\left(U\right)\\ f_{P\_v}\left(V\right)=H_{\mathrm{Pv}}\left(s\right)g_{\mathrm{Pv}}\left(V\right)\\ f_{P\_u}\left(U\right)=H_{\mathrm{Pu}}\left(s\right)g_{\mathrm{Pu}}\left(U\right)\\ Q=Q_0{f}_{Q\_v}\left(V\right)f_{Q\_u}\left(U\right)\\ f_{Q\_v}\left(V\right)=H_{\mathrm{Pv}}\left(s\right)g_{\mathrm{Pv}}\left(V\right)\\ f_{Q\_u}\left(U\right)=H_{\mathrm{Qu}}\left(s\right)g_{\mathrm{Qu}}\left(U\right)\end{array}\right.---(*)$式中，P、P₀分别为风电场输出的有功功率和有功功率稳态值；Q、Q₀分别为此时风电场输出的无功功率和无功功率稳态值；U、H_Pu(s)、H_Qu(s)、g_Pu(U)、g_Qu(U)的定义和表达式同步骤A‑1，V、H_Pv(s)、H_Qv(s)、g_Pv(V)、g_Qv(V)的定义和表达式同步骤A‑2；步骤B：辨识风电场非机理等效模型的参数，具体步骤如下：采用蚁群优化算法辨识前述步骤A‑1所建立等效模型H_Pu(s)和H_Qu(s)以及步骤A‑2所建立等效模型H_Pv(s)和H_Qv(s)的参数；步骤C、根据前述步骤B的参数辨识结果，代入前述步骤A‑3中(*)式得到风电场完整的非机理等效模型。