王彥博

【摘 要】隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐步趨于成熟，越來(lái)越多的大中型風(fēng)電場(chǎng)相繼建成并與電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。由于風(fēng)電具有空間尺度的分散性與時(shí)間尺度的強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性，大規(guī)模風(fēng)電集群接入互聯(lián)電力系統(tǒng)后，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。本文以實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)的風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)作為分類(lèi)指標(biāo)，利用K-means聚類(lèi)算法，建立風(fēng)電場(chǎng)等值模型，然后利用兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)仿真模型，分析風(fēng)電場(chǎng)接入前后和接入不同位置下電力系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定特性。仿真結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)接入后對(duì)降低電力系統(tǒng)的阻尼特性，且風(fēng)電場(chǎng)接入送電側(cè)對(duì)電力系統(tǒng)阻尼特性影響較大。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電場(chǎng)；小干擾穩(wěn)定；聚類(lèi)算法；電力系統(tǒng)

【Abstract】With gradually mature wind power technology， more and more large and medium-sized wind farm built and connect with power system operation. However， wind power has the space scale dispersion and the time scale of strong stochastic volatility， After large-scale wind power cluster interconnected power system， it has great influence on small signal stability in power system. Using K means clustering analysis method， with the observed data of the wind speed， power from a wind farm as classification index， the wind farm equivalent model was established in this paper. Using two area four machine system simulation model， we analyse the whole power system small signal stability respectively from before and after the wind farm access， wind farm access to different locations. Simulation results show that the whole power system damping characteristic was weaken after the wind farm access， and the wind farm connected with the power supply side has great influence on power system damping characteristic.

【Key words】Wind farm； Small signal stability； Clustering algorithm； Power system

0 引言

風(fēng)能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，同時(shí)也是清潔能源，對(duì)此，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐步趨于成熟，越來(lái)越多的大中型風(fēng)電場(chǎng)相繼建成并與電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行[1-2]。我國(guó)的風(fēng)力資源比較豐富，大規(guī)模風(fēng)電的開(kāi)發(fā)利用是我國(guó)在新時(shí)期做出的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略選擇，按照“建設(shè)大基地，接入大電網(wǎng)”的格局進(jìn)行規(guī)劃，在內(nèi)蒙古、新疆、甘肅以及沿海等地區(qū)將建成多個(gè)千萬(wàn)千瓦級(jí)大規(guī)模風(fēng)電基地，但這些風(fēng)電基地遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，需通過(guò)超高電壓甚至特高壓線路進(jìn)行大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送。為此，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電集中接入大型互聯(lián)電網(wǎng)將成為我國(guó)電力系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[3]。與此同時(shí)，我國(guó)的電力系統(tǒng)進(jìn)入了大區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的飛速發(fā)展時(shí)期，低頻振蕩正在時(shí)不時(shí)的威脅著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。大的電網(wǎng)形成后，之前的網(wǎng)架比較薄弱，使得低頻振蕩的問(wèn)題日益嚴(yán)重。隨著風(fēng)電場(chǎng)的裝機(jī)規(guī)模越來(lái)越大，風(fēng)電具有隨機(jī)性、波動(dòng)性，使得電網(wǎng)阻尼特性及電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題更加突出[4]。所以，對(duì)分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)集中接入對(duì)電力系統(tǒng)阻尼特性和小干擾穩(wěn)定影響分析具有很大的意義。

風(fēng)電場(chǎng)等值建模是分析大規(guī)模風(fēng)電集中接入對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定影響的基本前提。傳統(tǒng)的風(fēng)電場(chǎng)等值建模方法是基于電機(jī)同調(diào)特性理論將風(fēng)電場(chǎng)中的大批風(fēng)電機(jī)組集結(jié)為一臺(tái)等值機(jī)[5]。然而，對(duì)于地理位置不同的風(fēng)電場(chǎng)，風(fēng)電場(chǎng)之間表現(xiàn)出很強(qiáng)的非同步特性，同時(shí)，即使是地理位置相近且處于同一風(fēng)帶的多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)間的出力也具有較強(qiáng)的相關(guān)性[6]，為此，基于電機(jī)同調(diào)特性的等值理論將失去物理意義。

文獻(xiàn)[7]提出了根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速將風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組分為若干個(gè)群，然后將同一群內(nèi)的機(jī)組等值為一臺(tái)等值機(jī)，此時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)是由若干個(gè)等值機(jī)組組成的風(fēng)電場(chǎng)等值模型，該方法精度較高，能夠保證含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析時(shí)域仿真計(jì)算。文獻(xiàn)[8]在兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)上接入大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)分析風(fēng)電場(chǎng)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響展開(kāi)研究，隨著風(fēng)電機(jī)組出力的增加，區(qū)域內(nèi)振蕩模式的振蕩頻率基本上不變，阻尼比基本上也沒(méi)有什么變化，而與之對(duì)應(yīng)的區(qū)域間振蕩模式的振蕩頻率卻有所下降，而且阻尼比有所增加。

本文以實(shí)際風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，利用K-means聚類(lèi)算法，建立了風(fēng)電場(chǎng)等值模型，然后在兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)仿真模型上分析大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組接入對(duì)電力系統(tǒng)小擾動(dòng)穩(wěn)定的影響。

1 風(fēng)電場(chǎng)等值建模

在大型風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電機(jī)組的數(shù)量較多，將每一臺(tái)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行建模計(jì)算分析對(duì)電力系統(tǒng)特性的影響不僅工作量大，而且也是不切實(shí)際，特別是隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，分析風(fēng)電場(chǎng)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，只關(guān)心整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)宏觀輸電對(duì)電力系統(tǒng)的影響，即公共并網(wǎng)點(diǎn)輸出功率特性，而并不關(guān)心每臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行特性。為此，大規(guī)模風(fēng)電等值建模具有一定的實(shí)際意義。然而，等值模型必須能夠精確擬合整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)行為。

本文利用K-means聚類(lèi)分析法，以某風(fēng)電場(chǎng)3個(gè)月實(shí)測(cè)的風(fēng)速、功率數(shù)據(jù)作為分類(lèi)指標(biāo)，不考慮風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部特性，建立風(fēng)電場(chǎng)等值模型。將該風(fēng)電場(chǎng)的132臺(tái)機(jī)組進(jìn)行聚類(lèi)，然后按照聚類(lèi)的結(jié)果建立相應(yīng)的類(lèi)別模型。將每一類(lèi)模型里的多臺(tái)機(jī)組等值成一臺(tái)機(jī)組，以該類(lèi)機(jī)組同一時(shí)刻的平均風(fēng)速作為風(fēng)速模型。

k-means法的步驟如下：

1）將分類(lèi)指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即樣本數(shù)據(jù)減去均值，除以標(biāo)準(zhǔn)差；

2）從N個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象隨機(jī)選擇k個(gè)樣本作為初始聚類(lèi)中心；

3）對(duì)剩余的每個(gè)樣本測(cè)量其到每個(gè)初始聚類(lèi)中心的距離，并把它歸到最近的質(zhì)心的類(lèi)；

4）重新計(jì)算各個(gè)類(lèi)的均值作為這個(gè)類(lèi)新的聚類(lèi)中心；

5）迭代3～4步直至新的聚類(lèi)中心與原聚類(lèi)中心相等或小于指定閾值，算法結(jié)束；

6）計(jì)算輪廓值S（i），若S（i）不能滿(mǎn)足條件，首先重新選取初始聚類(lèi)點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)，直至S（i）滿(mǎn)足條件，若所有的初始聚類(lèi)點(diǎn)均不能滿(mǎn)足，則重新輸入k值，進(jìn)行聚類(lèi)。

本文針對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)2015年3月份、4月份和5月份的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析計(jì)算，分析結(jié)果將某風(fēng)電場(chǎng)132臺(tái)機(jī)組等效為4臺(tái)機(jī)組，設(shè)為A、B、C、D，等值前每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的容量是1.5MW，等值后A機(jī)組為36MW，B機(jī)組為72MW，C機(jī)組為72MW，D機(jī)組為18MW。

2 仿真分析

本文在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了含大規(guī)模風(fēng)電的電力系統(tǒng)仿真模型，電力系統(tǒng)選取兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)，其接線示意圖如圖1所示，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

初始運(yùn)行條件為區(qū)域1向區(qū)域2輸送有功功率400MW，且在發(fā)電機(jī)G1和G3上均安裝了PSS。

小擾動(dòng)方式設(shè)置為在1號(hào)發(fā)電機(jī)組上增加一個(gè)5%的勵(lì)磁電壓階躍信號(hào)，以此小擾動(dòng)作為分析含大規(guī)模風(fēng)電接入后系統(tǒng)的小干擾穩(wěn)定變化情況。

圖2所示實(shí)線是風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)前G1的電磁功率波動(dòng)曲線，虛線是風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后G1的電磁功率波動(dòng)曲線。從圖中可以很明顯的看出接入風(fēng)電場(chǎng)后同步發(fā)電機(jī)組的電磁功率振蕩的比較快，而且振蕩的幅度較大，說(shuō)明振蕩頻率高，阻尼特性差，說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)后系統(tǒng)的阻尼特性變差。

為了進(jìn)一步分析大規(guī)模風(fēng)電集中接入對(duì)電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定的影響程度，接下來(lái)分析風(fēng)電場(chǎng)接入不同位置的影響，即接入?yún)^(qū)域1和區(qū)域2。采用與上述分析同樣的擾動(dòng)方式，仿真圖形如圖3所示。

通過(guò)對(duì)圖3的對(duì)比可以看出，風(fēng)電場(chǎng)接入受電側(cè)時(shí)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響較小，而風(fēng)電場(chǎng)接入送電側(cè)時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響較大，阻尼特性較差，小干擾穩(wěn)定性有所降低。分析其主要原因兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)在區(qū)域A發(fā)電機(jī)G1是若阻尼強(qiáng)相關(guān)機(jī)組，而將風(fēng)電場(chǎng)接入?yún)^(qū)域A，會(huì)加重弱化整個(gè)系統(tǒng)的阻尼特性。

3 結(jié)論

本文提出采用k-means聚類(lèi)算法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的機(jī)組進(jìn)行分群聚類(lèi)，并以實(shí)測(cè)風(fēng)速作為風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)速模型，使得等值模型輸出特性更符合風(fēng)場(chǎng)實(shí)際情況，有助于指導(dǎo)含風(fēng)電場(chǎng)電力系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行。

采用典型的兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)分析風(fēng)電場(chǎng)接入前后和接入不同位置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，分析計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)電場(chǎng)接入會(huì)弱化系統(tǒng)的阻尼，容易引發(fā)小擾動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題；風(fēng)電場(chǎng)接入送電側(cè)較接入受電側(cè)影響更嚴(yán)重。

由于風(fēng)電場(chǎng)接入會(huì)影響電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而大規(guī)模風(fēng)電集中并網(wǎng)并經(jīng)輸電系統(tǒng)遠(yuǎn)距離傳輸是我國(guó)未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)，風(fēng)電滲透率會(huì)逐年增大。為此，有效抑制含大規(guī)模風(fēng)電電力系統(tǒng)低頻振蕩控制策略及方案是電力系統(tǒng)急需研究的課題。

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[責(zé)任編輯：王楠]