一种计及风速风向的风电场分群方法技术

本发明专利技术公开了一种计及风速风向的风电场分群方法，属于风电场技术领域。现有的风电场分群方法聚合效果差，无法对风电场进行准确分群，进而构建的风电场等效模型精度低。本发明专利技术一种计及风速风向的风电场分群方法，充分考虑了风电场内尾流效应和风轮转向动作对尾流区域的影响，对风电场内部各风机输入风速进行建模计算；进一步根据风速计算有功功率，并把有功功率作为分群特征量，采用系统聚类算法进行聚类分析，进而能够准确表征风电场整体动态特性，进而能够对大规模风电场的降阶聚合建模，有效提高电力系统的仿真效率。

【技术实现步骤摘要】
一种计及风速风向的风电场分群方法
本专利技术涉及一种计及风速风向的风电场分群方法，属于风电场

技术介绍
在研究大规模风电接入对电力系统动态特性的影响时，需要一个能准确表征风电场整体动态特性的风电场模型。风电场电源与传统同步发电机不同，风电场通常由几十台甚至上百台风机组成，每一台风机都由风机、发电机、电力电子变换器及其控制器组成，各台风机运行状态不尽相同，无法用其中某一台风机的电磁暂态模型来准确表征代表大量机组共同作用的风电场的整体性特征，需用一个十几阶的模型来描述其动态特性。如果每一台风机都采用详细模型，风电场的模型就会达到上千阶，这样庞大的模型接入电力系统进行仿真计算，必然会造成“维数灾”，计算量很大且难以收敛。另外，一个风电场的容量通常只相当于一台火电机组的容量，容量和模型阶数的严重不匹配使得电力系统仿真的效率大大下降。为实现对大规模风电场的降阶聚合建模，提高电力系统的仿真效率，许多研究根据风机排布地理位置将同行或列机组划分为同一台风机，从而对风电场进行简化；或者根据风机输入风速进行分群，将风速相近的风机分为一组。然而这些分群特征量的选取只能体现稳态运行时风机的特性，难以在发生故障的情况下准确描述风机动态特性差异。同时，风电场由大量分散布置的风电机组组成，风电机组从风中获取能量的同时会在下风向形成一个尾流区，尾流区沿着风向向下游发展，如果有风电机组位于尾流区内，下游风电机组的输入风速就低于上游风电机组的输入风速，风电机组相距越近，它们之间的影响越大，这种现象称为尾流效应。因此为准确表征风电场整体动态特性，必须考虑尾流效应。例如：中国专利(公告号CN103886179B)本专利技术公开了一种基于尾流效应分群的风电场风机聚合方法，主要包括：获取待测风电场对应测风塔1年以上的历史测风数据，通过风速玫瑰图分析法，计算待测风电场的主导风向；基于计算得到的待测风电场的主导风向，采用Larsen模型计算尾流对风速的影响；基于计算得到的待测风电场的主导风向、以及计算得到的尾流对风速的影响，对风电场风机进行分群；基于分群结果，根据尾流模型分别计算等值后每台风机的风速。上述方法能够实现对大规模风电场进行降阶聚合建模，提高电力系统的仿真效率，但是该方案选取风速作为描述风电场动态特性的特征量，只能体现稳态运行时风机的特性，难以在发生故障的情况下准确描述风机动态特性差异，并且选取风速作为依据时不能保持在一段时间内分群结果唯一，导致分群聚合效果差，无法对风电场进行准确分群，进而构建的风电场等效模型精度低。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种考虑了风电场内尾流效应和风轮转向动作对尾流区域的影响，对风电场内部各风机输入风速进行建模计算；进一步根据风速计算有功功率，并把有功功率作为分群特征量，采用系统聚类算法进行聚类分析，进而能够准确表征风电场整体动态特性，进而能够对大规模风电场的降阶聚合建模，有效提高风电场仿真效率的计及风速风向的风电场分群方法。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种计及风速风向的风电场分群方法，具体包括以下步骤：第一步，建立尾流模型，计算风电场内的风机输入风速；考虑风机间尾流效应以及风机转向，对风电场内部风机输入风速进行建模计算；当风向变化时，风机的尾流影响区域也随风向变化；第二步，将尾流模型计算得到的风机输入风速作为输入量，建立风机模型计算风机的有功功率；风机主要由风力机、发电机、变流器及控制器组成；风力机将风的动能转换为风轮旋转动能，在风速给定的情况下，风力机捕获的风功率主要取决于风能利用系数，根据风能利用系数计算风力机捕获的机械功率，即风机的输入功率；变流器控制发电机的有功功率能够跟踪风机的输入功率，使得风机能够实现最大功率跟踪控制，并根据输入功率得到有功功率；第三步，把有功功率作为分群特征量，采用系统聚类算法进行聚类分析，对风电场内的风机进行分类。风机等效模型必须能够准确地描述风电场的整体特性，正确地选取能够准确描述风电场动态特性的特征量，是风电场准确分群，进而提高风电场等效模型精度的关键。本专利技术充分考虑了风电场内尾流效应和风轮转向动作对尾流区域的影响，对风电场内部各风机输入风速进行建模计算；进一步根据风速计算有功功率，并把有功功率作为分群特征量，采用系统聚类算法进行聚类分析，进而能够准确表征风电场整体动态特性，进而能够对大规模风电场的降阶聚合建模，有效提高风电场的仿真效率。进一步，风机的动态特性特征量主要有端口电压、输出的有功功率和无功功率等。其中，端口电压主要由风力发电机组和电网共同决定，而无功功率的动态包含风机的无功电压特性和无功功率补偿设备的动态，所以端口电压和无功功率的动态不完全由风机决定，不适合作为特征变量。另外选取转速或其他状态量作为依据时不能保持在一段时间内分群结果唯一，而选取转子侧电流作为主导观测量时其受初试运行点的影响不大，即不同初试运行点下的转子侧电流受扰动变化基本一致，不利于对风机进行合理分群。因此本专利技术选择有功功率作为分群特征量，采用系统聚类算法进行聚类分析，进而能够准确表征风电场整体动态特性，进而提高风电场等效模型精度。作为优选技术措施：所述第一步，当风向变化时，风机的偏航装置将根据轮毂高度处的风速计和风向标使风轮对准来风方向，风机的尾流影响区域也随风向变化，上、下游风机间的相互影响也将发生变化，本专利技术考虑各种因素，方案详尽，能够准确表征风电场整体动态特性。作为优选技术措施：考虑风轮转向动作时，计算下游风机的尾流半径及下游风机的输入风速；其具体包括以下内容：计算上、下游风机的距离，两台风机坐标分别为(xi，yi)和(xk，yk)，两台风机之间的距离为：当风向为γ1时，上游风机在下游风机处的尾流半径为：式中rrot为风轮半径，tanα为尾流衰减常数；当风向变化为γ2时，即风机的偏航装置动作使风轮对准来风方向，导致上游风机沿当前风向在下游风机处的尾流半径为：式中γ为风向偏移角度；因此风向的变化会导致上游风机在下游风机处的尾流半径发生相应的变化，使风轮重叠面积变化，故上下游风机之间的相互影响也会产生对应变化；考虑风轮转向动作时下游风机的尾流半径及下游风机的输入风速vk为：式中CT为推力系数；vi为第i台上游风机的输入风速；r(x)为考虑风向变化的下游风电机组尾流半径，即rγ2(x)。本专利技术方案详尽、实用、合理，切实可行。作为优选技术措施：由于风电场内任意风机的风轮都有可能在不同程度上被其上游风机风轮所遮挡，因此在计算风电场内任意一台风轮的输入风速时，必须要考虑风电场内其余风机对它的影响；根据单位时间内的动量守恒定律得出作用在任意一台风轮上的风速vi为：式中vw0-ki为考虑尾流效应时第k台风机作用在第i台风机上的风速；vi0为未考虑风轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计及风速风向的风电场分群方法，其特征在于，具体包括以下步骤：/n第一步，建立尾流模型，计算风电场内的风机输入风速；/n考虑风机间尾流效应以及风机转向，对风电场内部风机输入风速进行建模计算；/n第二步，将尾流模型计算得到的风机输入风速作为输入量，建立风机模型计算风机的有功功率；/n风机主要由风力机、发电机、变流器及控制器组成；/n风力机将风的动能转换为风轮旋转动能，在风速给定的情况下，风力机捕获的风功率主要取决于风能利用系数，根据风能利用系数计算风力机捕获的机械功率，即风机的输入功率；/n变流器控制发电机的有功功率能够跟踪风机的输入功率，使得风机能够实现最大功率跟踪控制，并根据输入功率得到有功功率；/n第三步，把有功功率作为分群特征量，采用系统聚类算法进行聚类分析，对风电场内的风机进行分类。/n

【技术特征摘要】
1.一种计及风速风向的风电场分群方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步，建立尾流模型，计算风电场内的风机输入风速；
考虑风机间尾流效应以及风机转向，对风电场内部风机输入风速进行建模计算；
第二步，将尾流模型计算得到的风机输入风速作为输入量，建立风机模型计算风机的有功功率；
风机主要由风力机、发电机、变流器及控制器组成；
风力机将风的动能转换为风轮旋转动能，在风速给定的情况下，风力机捕获的风功率主要取决于风能利用系数，根据风能利用系数计算风力机捕获的机械功率，即风机的输入功率；
变流器控制发电机的有功功率能够跟踪风机的输入功率，使得风机能够实现最大功率跟踪控制，并根据输入功率得到有功功率；
第三步，把有功功率作为分群特征量，采用系统聚类算法进行聚类分析，对风电场内的风机进行分类。


2.如权利要求1所述的一种计及风速风向的风电场分群方法，其特征在于，
所述第一步，当风向变化时，风机的偏航装置将根据轮毂高度处的风速计和风向标使风轮对准来风方向，风机的尾流影响区域也随风向变化，上、下游风机间的相互影响也将发生变化。


3.如权利要求2所述的一种计及风速风向的风电场分群方法，其特征在于，
考虑风轮转向动作时，计算下游风机的尾流半径及下游风机的输入风速；
其具体包括以下内容：
计算上、下游风机的距离，两台风机坐标分别为(xi，yi)和(xk，yk)，两台风机之间的距离为：



当风向为γ1时，上游风机在下游风机处的尾流半径为：



式中rrot为风轮半径，tanα为尾流衰减常数；
当风向变化为γ2时，即风机的偏航装置动作使风轮对准来风方向，导致上游风机沿当前风向在下游风机处的尾流半径为：



式中γ为风向偏移角度；
因此风向的变化会导致上游风机在下游风机处的尾流半径发生相应的变化，使风轮重叠面积变化，故上下游风机之间的相互影响也会产生对应变化；
考虑风轮转向动作时下游风机的尾流半径及下游风机的输入风速νk为：



式中CT为推力系数；vi为第i台上游风机的输入风速；r(x)为考虑风向变化的下游风电机组尾流半径，即rγ2(x)。


4.如权利要求3所述的一种计及风速风向的风电场分群方法，其特征在于，
根据单位时间内的动量守恒定律得出作用在任意一台风轮上的风速vi为：






式中vw0-ki为考虑尾流效应时第k台风机作用在第i台风机上的风速；vi0为未考虑风轮投影重叠时第i台风机上的输入风速；βk为遮挡系数，即第k台风机的风轮投影面积与第i台风机风轮扫风面积之比；Ashad-ik为第k台风机的风轮投影面积；Arod-i为第i台风机风轮扫风面积。


5.如权利要求1所述的一种计及风速风向的风电场分群方法，其特征在于，
所述第二步，所述风机为永磁直驱风电机组；
所述发电机为永磁同步发电机；
所述变流器为“背靠背”变流器；
所述发电机的有功功率与风机的输入功率相等或基本相等；
风能利用系数Cp(λ，β)，它表示在单位时间内风轮所吸收的风功率与通过风轮旋转面的全部风能之比；
永磁同步发电机本质上是同步发电机，采用同步发电机的分析方法对永磁同步发电机进行分析计算；
“背靠背”变流器及其控制器分为机侧变流器和网侧变流器以及其控制器；
机侧变流器控制目标是控制发电机的有功功率能够跟踪风机的输入功率，使得永磁直驱风机能够实现最大功率跟踪控制；
网侧变流器控制模型能够保持系统中直流电压稳定并将直流电以与电网电压幅值大小、相位以及频率大小相同的交流电的形式输出到电网中，从而实现D-PMSG并网；
机侧变流器的控制环节采用传统的转速外环和电流内环的双闭环控制；设置PI控制系统使定子电流Id...

【专利技术属性】
技术研发人员：史林军，王子昭，彭琰，吴峰，黄弘扬，赵一琰，邓晖，
申请(专利权)人：河海大学，国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32