基于RTDS风电场等值建模若干问题的解决方案

蔡文超　杨炳元



基于RTDS风电场等值建模若干问题的解决方案

蔡文超杨炳元

（内蒙古工业大学，呼和浩特 010080）

本文阐述了风电场等值建模的典型方法，指出了不同建模方法的特点。本文提出一种新的大容量风电场等值建模方法，针对不同问题给出等值的解决方案，还提出一种基于RTDS的单机容量加权等值方案、并在考虑风力机组尾流效应的基础上实现含有不同类型风机等值的解决方案。其中分析了等值结果的有效性，等值过程中指出RTDS平台何时需要跨rack运行并指出使用传输线模型的注意事项。结果显示，解决方案合理对解决实际问题具有重要意义。

RTDS；风电场等值；尾流效应；双馈风力发电机；永磁直驱风力发电机

随着并网风力发电机组的容量日益增大，风电将成为电力系统的重要组成部分，大规模风电的接入将对电网的动、暂态产生显著影响[1-3]。风电场等值模型的建立有助于对含有大规模风电接入的电网进行稳态运行以及各种稳定性问题的分析研究。因此，对大容量风电场进行等值建模，将复杂的风电场系统等值为精确且宜于计算分析的风电场模型，对大规模并网风电场的研究有着十分重要的意义。

常用的电力系统分析商业软件有RTDS（real time digital simulator）、BPA、EMTP/ATP、PSLF、EUROSTAG、PSS/E、PSASP、PSCAD/EMTDC和通用的仿真软件Matlab/Simulink等。软件中自带的元件库中电力系统元件模型具有相对的适用性（如各种类型风力机元件模型），大多都需要重新设置参数。且都会根据实际需要进行简化，这些简化也就限制了风力机动态行为的研究。由于缺少合适的模型，所以使风电接入系统的仿真研究有困难，难以正确评价风力发电场对电力系统稳定性以及继电保护动作性能的影响[4]。文献[5]介绍了利用降阶变尺度多机等值法等值风场，但没有涉及尾流效应对风场的影响。文献[6]对比了利用不同等值方法建立风场模型，但未能考虑风电场内机组不同类型时的等值。文献[7]得出对风电机组进行分群，建立双馈风场多机等值模型，可以提高风场模型精度的结论并确定分群指标，验证结论正确。基于RTDS风场建模中研究场内不同类型机组组成的风电场等值问题，目前国内现有文献较少。

本文通过分析现有等值方法，借助RTDS平台特有功能给出不同需求下的风场等值的解决方案。考虑风场实际接线方式，在RTDS平台上将风场等值为一个或多个大容量风电机组，通过若干联络线连接到升压变电站，升压后接入电网。使用单机容量加权等值法等值双馈风场；设计考虑遮挡面积的尾流效应RTDS模块；使用变尺度降阶等值法运用多rack将不同地理位置、不同类型的机组等值并考虑尾流效应。因为多rack的使用和传输线相关，故给出运用多rack仿真和RTDS传输线使用的注意事项。本文所介绍的方法大大简化风电场模型的搭建。

1 风电场典型等值方法及特点

大规模的风电场通常由多台风力发电机组组成。在等值建模过程中，如果对场内的每台发电机组进行建模，将导致模型复杂，仿真时间长且现有部分仿真软件也无法进行如此庞大的计算。因此，需要对风电场进行简化等值处理。目前典型的风电场等值方法有：①容量加权单机等值法；②改进加权单机等值法；③参数变换单机等值法；④变尺度降阶多机等值法[8]。各种方法的特点和适用范围见表1[5-6,9-12]。

表1 各等值方法特点及适用范围

2 基于RTDS平台的风电场等值

RTDS仿真系统性能优良，具有其他软件不可比拟的闭环物理实验能力和实时仿真能力。结合RTDS的特点，本文涉及一种新的大容量风电场等值建模方法。在RTDS中，风力机组采用小步长 （1.5～2.5ms）实时仿真，其他电力系统元件采用大步长（50ms）实时仿真，于是必然要用到小步长与大步长的接口变压器，从而选择具有特殊能力的接口变压器（rtds_vsc_IFCTRF1）。该接口变压器模型与普通电力变压器模型不同，其具有功率放大能力。通过调节其控制菜单namsc中的控制名，可在不影响接口变压器原边所接风电机组任何输出特性的基础上，整倍数放大接口变压器副边输出的传输功率，从而达到用一台风力机的详细模型仿真所处相同运行工况的多台风力机组的目的。运用RTDS软件平台的该特殊功能可把一个风电场等效为多台风力机的组合，从而能够详实仿真风电场的分布特性（如风力机尾流效应等）。为此，本文通过这种方法，改变接口变压器的这种功率放大倍数来提高风电场的容量，实现大规模大容量风电场模型的搭建。

2.1 容量加权单机等值解决方案

在电力系统研究工作中，经常会遇到研究风场外部变化情况而简化风场内部的问题，如系统联络线的继电保护、系统潮流分析等。这种情况可应用RTDS单机容量加权等值。

设风场总装机容量为96MW，场内35kV集电线上接有48台2MW风机。搭建单机容量为2MW的双馈风机，风机的额定风速为12m/s；叶轮半径35m；风轮中心高度70m。该方法未能考虑风机的尾流效应。监测风电场35kV出口处的、、的波形，如图1所示。

风机以额定功率运行，由图1可知平均有功功率为95.2MW，风场额定有功输出96MW，功率偏差的主要因素为风力机组的箱式变压器损耗，考虑到这些因素，根据波形图和测量数据可知此等值模型与预期相符。

图1 风场35kV出口处P、Q、U波形

2.2 考虑尾流效应风场等值解决方案

尾流效应是指在风电场内，风能经过前面的风电机组时，鉴于阻挡、地表因素造成风速降低，使后面的风电机组的风速以及接受风的角度受到影响，对后面机组的发电量造成了影响[14]。受尾流效应作用，使处于不同行或不同列的风力机输入风速不同，机群处于不同运行点，影响了风电机组的功率输出。

针对这种问题，本文采用变尺度降阶多机等值法。将风电场中的风力发电机按区域划分，无尾流效应影响的机组处于相同运行点划分为一个区域，受尾流效应影响的风电机组划为另一区域。区域内风电机组的参数、设置具有相似性，把每一个区域内的风电机组等值为单台大容量的风机。

风机之间的间距大小、所处地形的不同及前排风机对后排风机的遮挡面积都会影响尾流效应的强弱。本文采用一种考虑遮挡面积的尾流效应Jensen模型[13]并在RTDS上搭建尾流效应风速模块。风场总装机容量96MW，将其分成两个区域（两排），第一排风机不受尾流影响，由文献[13-14]可确定尾流效应公式。rot为风机叶轮半径；为风轮中心高度；为风场所处位置地面粗糙程度，当地表平坦时，取0.001～0.01m/c，计算公式如下：

受风机尾流效应影响，后一台的风机输入风速为

（2）

式中，0为第一台风机输入风速；T为推力系数，可在制造企业给出的推力拟合曲线中查到[4]。

风向确定时遮挡情况分3种：不遮挡、完全遮挡、部分遮挡。遮挡面积为定值可以根据风场实际数据计算出来，本文计算设风机间距为300m。为第台风机处第台风轮的遮挡面积与第台风机扫风面积之比，设置可变。

本文采用两台风机等值风场，当风向确定、场内机组的位置已知，由动量守恒定律，得出第二台风机的输入风速：

（3）

考虑遮挡面积的尾流效应RTDS平台Jensen模型原理如图2所示。

图2 RTDS尾流效应Jensen模型原理图

两台风机风机输入风速对比如图3所示。0为第一台风机输入风速，20为第二台风机输入风速。

图3 受尾流影响风速对比图

不同风场地表组粗糙度和不同，对风速的影响不同，图4为地表粗糙度不同时（遮挡系数相同为0.1201）对后排风机风速影响的对比图，0为不受尾流影响输入风速，20为地表粗糙度为0.005时受尾流影响第二排风机输入风速，22为地表粗糙度为0.01时受尾流影响第二排风机输入风速。

图4 地表粗糙度不同时风速对比图

图5为（遮挡系数）不同时对风速的影响，0为不受尾流影响输入风速，20为=0.1201时第二台风机输入风速，22为=0.3301时第二台风机输入风速。

图5 遮挡系数不同时风速对比图

分析图3至图5可知，受尾流效应影响后对风速的影响较大但风的变化趋势不明显。地表粗糙度越大，受尾流效应影响第二排输入风速越低；受前一排风机遮挡越大，第二排输入风速越低。

考虑尾流效应的RTDS等值示意图如图6所示。风场35kV出口处、、波形如图7所示。

图6 考虑尾流效应的RTDS风场等值示意图

图7 单机容量加权等值与考虑尾流效应等值风场出口处P、Q、U对比图

利用RTDS COMTRADE Playback功能，将单机容量加权等值模型和考虑尾流效应等值、、对比，如图7所示。

由图7可知，为89.33MW。由于尾流效应的影响，使得第二排风速有所下降，导致输出有功偏低，无功和电压水平基本相一致，更接近于风场实际运行情况。地表粗糙度低，风机相互遮挡小风机后排输入风速大，风场输出效率高。利用这个结论，对风电场选址、风机位置安排具有十分重要意义。与传统的单机等值模型相比，此方法的等值模型能更准确地反映风电场并网点的有功功率和无功功率特性，适用于大型双馈机组风电场的动态等值建模。

2.3 含有不同类型风机组成风电场等值的解决方案

大型风电场可能由不同类型的风电机组构成，不能应用上述的容量加权单机等值法。针对这种情况，本文提出一种同一风场内含有不同类型风机（如双馈、直驱），同时计及尾流效应的解决方案。此方案采用降阶变尺度多机等值法，在等值建模过程中将不同区域、不同类型的风机分别等效为一台大容量风机。其中，既有双馈型又有直驱型风机，总装机容量为96MW，由24台单机容量为2MW的双馈风机和24台单机容量2MW的直驱风机组成，尾流效应模型与2.2节所述一致，直驱风机在第一排，双馈风机在第二排。

RTDS的一个rack处理能力有限且风电机组内部含有大量小步长模块占用更多的资源，在等值过程中，如果多台风机在一个子系统下（单一rack仿真）搭建有步长溢出的可能（ERROR-TIME STEP OVERLOW received from rack*……），解决步长溢出的办法就有两种：①增大步长，但增大步长影响仿真实时性；②跨rack仿真，跨rack是本文推荐使用的方法。下面指出跨rack仿真时的主要注意事项。

在RTDS中跨rack仿真的惟一实现方法是，通过架空线（或电缆）将不同的子系统连接起来。在RTDS的架空线模型中有行波传输线模型（travelling wave models）和p型（PI section models）等效模型，行波传输线模型的等效类型有frequency dependent（频率制约）等效和Bergeron等效，只有线路极其短时必须使用p型模型，其余全部推荐行波传输线模型建模。在RTDS跨rack中必须使用行波传输线模型，p型等值模型是不允许出现在跨rack中的。

使用哪种模型由线路的长短决定，关系为

式中，为时间步长（time step），为光速。一般时间步长为50ms对应的线路长度为15km，小于15km的必须使用p型等效模型，大于15km使用行波传输线模型。在等值过程中一定要注意线路的长短，进行多rack仿真时避免在小于15km的线路上进行分离子系统。RTDS等值模型分两个子系统搭建，直驱风机在第一个子系统中使用rack1运行，双馈风机在第二个子系统使用rack2运行。其35kV出口处、、波形与单机容量加权模型的波形对比，如图8所示。

图8 不同类型风机组合模型与单机容量加权模型、、对比图

由图8可知，不同风机组合模型较单机模型功率输出较低，吸收无功消耗较大，电压畸变明显。造成有功较低的主要原因为35kV的集电线充当跨rack的架空线，场内的架空线、变压器等元器件消耗了部分有功以及尾流效应的影响。电压畸变吸收无功较多是直驱风机的控制特性造成的，永磁直驱风电机组采用双PWM全功率变流器的控制，主要分为机侧变流器和网侧变流器控制。在网侧直接控制其电流和频率对出口电压的影响较大。而DFIG的定子侧直接接入电网，转子侧通过双PWM变流器连接到电网上。双馈风力发电机通过转子励磁电流的大小和频率达到功率解耦控制，而定子直接接在网侧对出口电压的影响波动小。双馈风机和直驱风机组成风场发出的无功和单一类型风机组成的风场不一致，在研究时应注意此问题。

3 结论

结合等值建模典型方法给出针对不同问题的风场等值解决方案，通过监测风场35kV出口处的功率和电压得出等值的合理性。建立单机容量加权等值模型，此模型为理想状态下的风场，能够体现出风电场的稳态特性，适合于不研究场内故障下的等值建模。考虑尾流影响所得到的各机组输入风速，更加客观地描述了实际情况下各风机输入风速。结果表明，尾流效应降低了风电场输出功率的能力，与实际风场运行状态更接近。风场含有不同类型风机等值中采用降阶变尺度多机等值，可以得出结论：含直驱风机的风场出口电压波动较明显，无功水平较低，等值模型更接近多种类型风机组成的风场实际运行情况。本文将RTDS等值过程中遇到的实际问题做了详细的解答，对进一步研究大规模并网风电场的等值建模具有实际意义。

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Solution of Some Problems in Equivalent Modeling of Wind Farm based on RTDS

Cai Wenchao Yang Bingyuan

(Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010080)

The typical method of equivalent modeling of wind farm is expounded, and the characteristics of different modeling methods are pointed out. A new equivalent modeling method for large capacity wind farm is proposed, and the solution to the problem is given. Based on RTDS, a single machine capacity weighting scheme is proposed, and the solution of equivalent wind turbine equivalent is realized based on the consideration of wind turbine wake effect. The validity of the equivalent results is analyzed. When the RTDS platform is in the process of equivalence, it is pointed out that the rack platform needs to run and points out the matters needing attention in the transmission line model. The results show that the solution is of great significance to solve practical problems.

RTDS; equivalent modeling of wind farm; wake effects; double-fed induction generator; direct-driven wind turbine generators

蔡文超（1991-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统继电保护。