專利名稱：一種基于實時運行數(shù)據(jù)的風電場等值建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風電場運行與規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是介紹一種能適用于多種場合的風電場等值模型。
背景技術(shù)：
隨著越來越多大容量風電場的建設(shè)和運行，風電在我國電力系統(tǒng)中所占的比重將逐步增加，大容量風電場與電力系統(tǒng)之間的相互作用和影響也將隨之加大。如何較準確地分析風電場對電網(wǎng)的動、暫態(tài)運行特性影響以及電網(wǎng)故障下風電場的暫態(tài)運行性能顯得很重要。風電場等值建模的研究是分析上述問題的基礎(chǔ)。對于大型風電場，若用詳細模型進行大容量風電場并網(wǎng)運行的動、暫態(tài)特性計算，需要對每一臺風力發(fā)電機組、風電場的內(nèi)部電網(wǎng)以及主系統(tǒng)進行多次反復(fù)的迭代求解。在風力發(fā)電機組臺數(shù)較多、內(nèi)電網(wǎng)較復(fù)雜和主系統(tǒng)較大的情況下，數(shù)據(jù)準備量和計算量是非?？捎^的，有時很難得到問題的解。為了減輕大規(guī)模風電場的數(shù)據(jù)準備和計算負擔，很有必要對整個風電場進行等值建?！，F(xiàn)有的等值方法未結(jié)合風機的運行特點對實時運行數(shù)據(jù)進行分析，對于某些地勢不均勻的山地風電場來說等值誤差一般都比較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過分析風電場實際運行時的特點，提出了一種基于實時運行數(shù)據(jù)的風電場等值建模方法，可適用于不同場合下由不同類型機組組成的風電場，具體包括以下步驟:
(1)運用同調(diào)等值法，采用支持向量機對機組進行同調(diào)群劃分；
(2)確定支持向量機的兩個重要要素:支持向量和核函數(shù)；
(3)對多個采樣時刻的數(shù)據(jù)進行處理，統(tǒng)計每類機群號出現(xiàn)的次數(shù)，得到機組的同調(diào)群劃分初步結(jié)果；
(4)結(jié)合風電場的地理位置信息，給出同調(diào)群劃分的最終結(jié)果；
(5)選擇另一組采樣數(shù)據(jù)對上述結(jié)果進行驗證，每個季節(jié)風的特征即大小風模式的不同，得到的同調(diào)群劃分結(jié)果也會相應(yīng)地有所不同；
(6)計算等值參數(shù)時分開考慮不同類型的機組，首先將每個同調(diào)群中的機組按照類型進行歸類，對雙饋型機組和普通異步型機組分別計算其等值參數(shù)；
(7)在Simulink中對得到的等值模型進行驗證，計算等值誤差并對模型進行適當?shù)恼{(diào)
難
iF.0本發(fā)明在所述步驟(2)中，支持向量的確定方法為:山地風電場中每臺風機的運行狀態(tài)多變且差異很大，同調(diào)群劃分必須運用實時運行數(shù)據(jù)；分析實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠測得的物理量，將風速和有功功率作為支持向量輸入到支持向量機中；避開傳統(tǒng)的幾種核函數(shù)，建立一種新的核函數(shù)，將一段時間內(nèi)風速和有功功率變化相近的機組歸為一類，物理概念清晰，使用簡單。
本發(fā)明在所述步驟(4)中，首先將風電場的地理位置信息表作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到等值程序中，方便后來使用。本發(fā)明在所述步驟(5)中，大小風模式下的機組運行特征差異必然很大，若采用同樣的模型勢必會帶來很大的誤差；對不同的模式分開考慮，會減小等值時的誤差。本發(fā)明在所述步驟(6)中，普通異步型機組的等值參數(shù)計算方法研究較為成熟，采用最小二乘參數(shù)辨識法進行計算比容量加權(quán)法的精度有所提高；而雙饋機組風電場運行方式多變，兼顧復(fù)雜性和等值誤差，選擇容量加權(quán)法計算；通過對單臺風機的特性分析可以知道，風機需要等值的參數(shù)包括機組固定參數(shù)、額定容量、風速和風電場內(nèi)部參數(shù)；這里運用風速-有功功率的反函數(shù)來計算等值風速，運用串并聯(lián)電路知識計算風電場內(nèi)部參數(shù)。本發(fā)明在所述步驟(7)中，在仿真軟件中分別搭建詳細模型和等值模型的仿真圖，在正常運行情況下、風速擾動下和故障情況下觀察風電場出口母線處的電壓、有功功率和無功功率曲線，計算等值誤差，對某些誤差超過允許范圍的等值結(jié)果，可適當進行調(diào)整，最終將誤差限制在工程允許范圍內(nèi)。本發(fā)明所達到的有益效果:
本發(fā)明提出了一種新的風電場等值方法，通過對機組運行特性進行分析，提煉出影響機組運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行處理得到多機表征的風電場等值模型。該模型能適用于多種不同的場合，既可用在地勢不規(guī)則的山地風電場，也可用在地勢平坦的平原或海上風電場中。結(jié)合傳統(tǒng)分類方法中的地理位置信息，又在其基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新，與傳統(tǒng)的單機等值方法比較發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的等值方法誤差更小，更能滿足工程實際的要求。下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步解釋。


圖1為風電場等值建模的整個步驟；
圖2為機組同調(diào)群劃分的流程 圖3為雙饋型風電場等值模型圖，普通異步型風電場與其類似；
圖4為雙饋型風電場模型驗證時詳細模型和等值模型在不同運行工況下的仿真結(jié)果，普通異步型風電場與其類似。
具體實施例方式一種基于實時運行數(shù)據(jù)的風電場等值建模方法，本發(fā)明步驟包括:
(1)運用同調(diào)等值法，采用支持向量機對機組進行同調(diào)群劃分；
(2)確定支持向量機的兩個重要要素:支持向量和核函數(shù)；
(3)對多個采樣時刻的數(shù)據(jù)進行處理，統(tǒng)計每類機群號出現(xiàn)的次數(shù)，得到機組的同調(diào)群劃分初步結(jié)果；
(4)結(jié)合風電場的地理位置信息，給出同調(diào)群劃分的最終結(jié)果；
(5)選擇另一組采樣數(shù)據(jù)對上述結(jié)果進行驗證，每個季節(jié)風的特征即大小風模式的不同，得到的同調(diào)群劃分結(jié)果也會相應(yīng)地有所不同；
(6)計算等值參數(shù)時分開考慮不同類型的機組，首先將每個同調(diào)群中的機組按照類型進行歸類，對雙饋型機組和普通異步型機組分別計算其等值參數(shù)；(7)在Simulink中對得到的等值模型進行驗證，計算等值誤差并對模型進行適當?shù)恼{(diào)整。
本發(fā)明在所述步驟(2)中，支持向量的確定方法為:山地風電場中每臺風機的運行狀態(tài)多變且差異很大，同調(diào)群劃分必須運用實時運行數(shù)據(jù)；分析實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠測得的物理量，將風速和有功功率作為支持向量輸入到支持向量機中；避開傳統(tǒng)的幾種核函數(shù)，建立一種新的核函數(shù)，將一段時間內(nèi)風速和有功功率變化相近的機組歸為一類，物理概念清晰，使用簡單。本發(fā)明在所述步驟(4)中，首先將風電場的地理位置信息表作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到等值程序中，方便后來使用。本發(fā)明在所述步驟(5 )中，大小風模式下的機組運行特征差異必然很大，若采用同樣的模型勢必會帶來很大的誤差；對不同的模式分開考慮，會減小等值時的誤差。本發(fā)明在所述步驟(6)中，普通異步型機組的等值參數(shù)計算方法研究較為成熟，采用最小二乘參數(shù)辨識法進行計算比容量加權(quán)法的精度有所提高；而雙饋機組風電場運行方式多變，兼顧復(fù)雜性和等值誤差，選擇容量加權(quán)法計算；通過對單臺風機的特性分析可以知道，風機需要等值的參數(shù)包括機組固定參數(shù)、額定容量、風速和風電場內(nèi)部參數(shù)；這里運用風速-有功功率的反函數(shù)來計算等值風速，運用串并聯(lián)電路知識計算風電場內(nèi)部參數(shù)。本發(fā)明在所述步驟(7)中，在仿真軟件中分別搭建詳細模型和等值模型的仿真圖，在正常運行情況下、風速擾動下和故障情況下觀察風電場出口母線處的電壓、有功功率和無功功率曲線，計算等值誤差，對某些誤差超過允許范圍的等值結(jié)果，可適當進行調(diào)整，最終將誤差限制在工程允許范圍內(nèi)。見圖1所示，
山地風電場的風機排列不規(guī)則，風速差異較大，借鑒同調(diào)等值法的多機等值思想，首先進行同調(diào)群劃分。支持向量機原理簡單，推廣性能好，誤差小，使用方便，被用作同調(diào)群劃分的方法，運用支持向量機時最重要的兩點是支持向量的確定以及核函數(shù)的選??；
機組的運行狀態(tài)隨風速不斷變化，同調(diào)群劃分必須結(jié)合實時數(shù)據(jù)。風電場實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠測得的物理量包括:風機狀態(tài)、風速、有功功率、無功功率、電網(wǎng)頻率、機端電壓、電流、功率因數(shù)、葉輪轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)速、總發(fā)電量、總發(fā)電時間、總維護時間、總故障時間、無功電量、環(huán)境溫度、齒輪箱溫度、電機溫度、齒輪軸承溫度、發(fā)電機軸溫度等。風速不僅可以反映風力發(fā)電機組所在位置的地形情況，還可以反映風力作用在風機上的情況、相鄰機組的相互影響情況以及不同風向下機組的運行情況，所以風速被選作支持向量之一是很有必要的。另外，風力發(fā)電機組在大小風下運行的主要表現(xiàn)形式是有功功率和電機轉(zhuǎn)速。在機組慣性時間常數(shù)一定的情況下，轉(zhuǎn)速大小近似與風速變化量成正比，風速變化情況基本可以反映出電機的轉(zhuǎn)速變化情況。因此，將有功功率選作機組劃分的另一個依據(jù)；
采用不同的核函數(shù)得到的分類結(jié)果將會不一樣，本發(fā)明采用的核函數(shù)形式為|ΔΙ: , < Δ '
Ih A ,其中，Λ Vu和APu是每臺風機的風速和有功變化值，Λ K和Np是整個風 < Δ/
電場風速和有功變化的平均值。這樣的核函數(shù)使用簡單，物理概念明確；
采集風電場某兩個時刻所有風機的風速和有功功率數(shù)據(jù)(其中的某兩個時刻是為了計算出風速和有功功率變化值)，將它們輸入到支持向量機中，通過建立的核函數(shù)將所有風機分成四類，這樣風速在一段時間內(nèi)變化相近的風力發(fā)電機組和有功功率在一段時間內(nèi)變化相近的風力發(fā)電機組會被歸到同一類中；
風電場的風速是不斷變化的，僅由兩個時刻劃分出的同調(diào)群結(jié)果并不一定是準確的，因此選取的采樣點一般會有20個左右，依次記錄下20次的分類結(jié)果，將結(jié)果出現(xiàn)次數(shù)最多的同調(diào)群序號作為該機組的同調(diào)群劃分結(jié)果；
對于某些分類結(jié)果出現(xiàn)次數(shù)相同的機組，參考與其地理位置相似機組的劃分結(jié)果，在編寫程序時首先會將機組按照實際地理位置分成若干組，當出現(xiàn)上述情況下可運用地理位置信息表得出該機組的同調(diào)群劃分結(jié)果；
(7)重新選取20個采樣時刻對前面的劃分結(jié)果進行驗證，一般來說，同一個季節(jié)的自然風會有一定的規(guī)律，相應(yīng)地，每臺風機接收到的風速也會呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，每個季節(jié)得到的同調(diào)群劃分結(jié)果是類似的，因此，對一個具體風電場來說只要給出每個季節(jié)中某一天的風速采樣值，便可近似得到該風電場一年的同調(diào)群劃分結(jié)果，具體同調(diào)群劃分流程圖見圖2 ；
(8)接下來要進行的是每個機群等值參數(shù)的計算。由于雙饋風機和普通異步風機的運行原理和控制方式不同，不能將兩者一起考慮。在計算等值參數(shù)時需要判斷機組類型，將雙饋機組和普通異步機組分別劃分為一類。對普通異步機組采用最小二乘參數(shù)辨識法計算參數(shù)，而雙饋機組風電場運行方式多變，在運用最小二乘法參數(shù)辨識時，需考慮不同運行方式對傳遞函數(shù)的影響，增加了等值的復(fù)雜性。另外，不同的運行方式也會給優(yōu)化算法的輸入輸出關(guān)系和參數(shù)確定帶來影響。所以，就目前的研究情況來看，兼顧復(fù)雜性和等值誤差，選擇按容量加權(quán)法；
需要注意的是，由于山地風電場每臺風機的風速差異都很大，不能直接采用平均風速作為每個機群的等值風速。首先根據(jù)風電場的實際情況擬合出風速-有功功率曲線，近似列出每段曲線的表達式，運用風速-有功功率函數(shù)的反函數(shù)推出每個機群的等值風速。另外，風電場集電系統(tǒng)的等值也是一個不容忽視的問題。本發(fā)明將內(nèi)部電網(wǎng)的功率損耗用一個等效阻抗來表示，該等效阻抗的大小根據(jù)風電機組接入系統(tǒng)的線路布局來確定，變壓器和線路則按照一般的電路基礎(chǔ)知識進行計算。(9)將風機臺數(shù)任意的風電場按照上述步驟分成四個機群，計算得到每個機群的參數(shù)后，還需對等值結(jié)果進行驗證。在Simulink中分別搭建風電場的詳細模型(即對每一臺機組分別建模)和等值模型(即由本發(fā)明得到的模型)。分別在正常運行情況下和擾動情況下(風速波動和故障)監(jiān)測風電場出口母線處的電壓、有功功率和無功功率曲線，分析等值模型的誤差大小并對模型進行適當修正。該實例選取云南大理的馬鞍山風電場對整個等值過程做一個詳細的展示，具體實施步驟為:
(I)如圖2所示，從提供的2011年3月22日采集到的馬鞍山風電場運行數(shù)據(jù)中提取20個采樣時刻的風速和有功功率值，形成風速和有功功率矩陣。(2)在MATLAB中編寫程序，按照構(gòu)造的核函數(shù)形式將所有的機組分成四類，每臺機組會有20個不同的劃分結(jié)果，統(tǒng)計四類序號出現(xiàn)的次數(shù)，將次數(shù)最多的劃分結(jié)果作為該機組的同調(diào)群劃分初步結(jié)果。
(3)按照風電場中風機的地理位置圖形成地理位置信息表，對某些四類序號出現(xiàn)次數(shù)相同的機組參考其相鄰機組的同調(diào)群劃分結(jié)果。如I號機組的20次劃分結(jié)果為:1類出現(xiàn)6次，2類出現(xiàn)6次，3類出現(xiàn)3次，4類出現(xiàn)5次，I類和2類出現(xiàn)的次數(shù)最多且相同，無法給出其同調(diào)群號，這時就看地理位置信息表中它與哪臺機組相近，用其同調(diào)群號作為I號機組的同調(diào)群劃分結(jié)果。(4)重新選取另外20個采樣時刻，對上述的劃分結(jié)果進行驗證。將機組編號分別放在四個變量中，并統(tǒng)計每類同調(diào)群號中的機組數(shù)量。(5)將每類機組按照雙饋型和普通異步型分成兩類，由于馬鞍山風電場都是雙饋型機組，且是同一種型號，不存在這個問題，直接進行容量加權(quán)法計算等值參數(shù)即可。需要進行等值的固定參數(shù)包括定子電阻、定子電抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子電抗、勵磁電抗、轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)和轉(zhuǎn)差率。其他需要等值的參數(shù)還有額定容量和風速、電網(wǎng)的內(nèi)部參數(shù)等。(6)由于馬鞍山風電場的機組型號是一致的，會簡便很多，得到每個同調(diào)群的有功功率后，運用風速-有功功率的反函數(shù)計算得到等值風速。根據(jù)風機接入電網(wǎng)的方式，可由串并聯(lián)電路知識得到風電場的內(nèi)部參數(shù)。整個過程見圖1。(7)最后進行模型驗證工作。選用Simulink作為仿真工具，受仿真時間的限制，一般參與仿真的風機臺數(shù)不超過10臺。任意選取馬鞍山風電場的8臺機組:28、29、33、35、40,45,46和52號機組，分別搭建詳細模型和等值模型(如圖3所示)，觀察兩種模型在正常運行狀態(tài)下、風速擾動下和故障情況下風電場出口母線處的電壓、有功功率和無功功率曲線，如圖4所示。( 8 )分析等值模型的誤差，并與傳統(tǒng)的單機等值法進行對比，分析誤差來源并進行適當修正。
權(quán)利要求
1.一種基于實時運行數(shù)據(jù)的風電場等值建模方法，其特征在于，步驟包括: (1)運用同調(diào)等值法，采用支持向量機對機組進行同調(diào)群劃分； (2)確定支持向量機的兩個重要要素:支持向量和核函數(shù)； (3)對多個采樣時刻的數(shù)據(jù)進行處理，統(tǒng)計每類機群號出現(xiàn)的次數(shù)，得到機組的同調(diào)群劃分初步結(jié)果； (4)結(jié)合風電場的地理位置信息，給出同調(diào)群劃分的最終結(jié)果； (5)選擇另一組采樣數(shù)據(jù)對上述結(jié)果進行驗證，每個季節(jié)風的特征即大小風模式的不同，得到的同調(diào)群劃分結(jié)果也會相應(yīng)地有所不同； (6)計算等值參數(shù)時分開考慮不同類型的機組，首先將每個同調(diào)群中的機組按照類型進行歸類，對雙饋型機組和普通異步型機組分別計算其等值參數(shù)； (7)在Simulink中對得到的等值模型進行驗證，計算等值誤差并對模型進行適當?shù)恼{(diào)整
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實時運行數(shù)據(jù)的風電場等值建模方法，其特征在于:在所述步驟(2)中，支持向量的確定方法為:山地風電場中每臺風機的運行狀態(tài)多變且差異很大，同調(diào)群劃分必須運用實時運行數(shù)據(jù)；分析實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠測得的物理量，將風速和有功功率作為支持向量輸入到支持向量機中；避開傳統(tǒng)的幾種核函數(shù)，建立一種新的核函數(shù)，將一段時間內(nèi)風速和有功功率變化相近的機組歸為一類。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于實時運行數(shù)據(jù)的風電場等值建模方法，其特征在于:在所述步驟(4)中，首先將風電場的地理位置信息表作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到等值程序中。
全文摘要
一種基于實時運行數(shù)據(jù)的風電場等值建模方法，通過分析風電場的運行特點和實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠測得的物理量，提取出決定機組運行狀態(tài)的支持向量輸入到支持向量機中，通過建立新的核函數(shù)將機組分為四類，完成機組的初步分群。結(jié)合風電場的地理位置信息，確定所有機組的同調(diào)群劃分最終結(jié)果。本發(fā)明在仿真軟件中搭建詳細模型圖和等值模型圖，分析等值誤差，通過與傳統(tǒng)的單機等值方法對比發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提出的等值方法誤差更小，更能滿足工程實際的要求。
文檔編號G06F17/50GK103219725SQ201310026638
公開日2013年7月24日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者袁蓉, 章漢軍, 周榮虎, 趙成強, 仇躍東, 熊西林, 蘇沛軒, 劉進興, 胡祖?zhèn)? 黃滇生, 楊文波 申請人:云南電網(wǎng)公司大理供電局