大规模风电场小信号建模分块优化

考虑地理布局及风速的影响，将矩阵分块思想应用于风电场，分别在规则及不规则的风电场情况下进行矩阵等值变化的新方法。通过修改模型矩阵分块，在不同变化场景下求解系统状态矩阵的特征根、阻尼比及振荡频率等，找到系统潜在的振荡模态并进行辨识分类。

基于建立的双馈风力发电系统的单机小信号模型，介绍分块方法。如前所述，风电系统每个部分的小信号模型进行连接后建立起单个双馈风机的小信号模型如式（4.21）所示。

其中，下标DT表示三质量块，G表示双馈电机，下标r表示转子侧变频器，下标RL表示线路的RL等效，下标C表示并补电容。，分别表示模块之间的相互作用。

以图4.18所示的风电场为例，在式（4.21）中的状态矩阵ADFIG是26阶矩阵，对于6台风机的矩阵将是150阶的矩阵，求解起来比较复杂。随着风机数量的增加，数学模型的复杂度和计算量将会大大增加，对于阶数成千上万的模型，计算机无法通过算法直接求解。

图4.18　　实际风电场连接示意图

以图4.19所示的多个DFIG系统为例，多个双馈风机的小信号模型如式（4.22）所示：

其中，下标DT表示三质量块模型，下标G表示双馈电机，下标r表示转子侧变频器；下标TC表示变换电容器；下标RL表示滤波器；下标C表示补偿电容；下标TL表示传输线。状态矩阵用式（4.23）表示：

基于矩阵理论知识，状态矩阵Asys通过矩阵初等变换能过转换成矩阵A′sys，如式（4.24）所示。矩阵A′sys也是分块对角矩阵，并且与原状态矩阵Asys的特征值相同。

变换后的状态矩阵A′sys是分块对角矩阵，可以看作将风电场拆分成n个独立的单机系统，其中n－1个单机直接连接至无穷大系统，另一个是单机通过n倍机网电流经输电线连入系统。不同形式的风电场分块方式不同。(www.xing528.com)

（1）规则分布的风电场的分块方式

以建立在平坦开阔地形上的同机型风电场为例，如图4.3所示，其中的风电设备排列方式属于规则布局，这种风电场具备单设备发电量较小、分布在广袤地域上、设备个数极多、发电功率不稳定等特点。为提高风电场的可靠性，规则布局的风电场的接线方式也是对称的。对规则分布的风电场的分块方式可以综合实时风速及机组的地理位置变动其分块情况。假设在规则分布的风电场中，认为地理位置集中且风速相近的风电机组的运行参数相同，在建模分析的时候可以将这些设备划分划分成一块，将N个风机成等值成m块连接入无穷大系统，矩阵模型分块示意图如图4.19所示。

图4.19　规则风电场矩阵模型分块示意图

其中，系统进行分块后将原n台风电机组ADFIG1、ADFIG2、…、ADFIGn分为m块发电区域ABlock1、ABlock2、…、ABlockm，同时也将转换电容与发电单元之间相互作用模块［Asolari（TC）…记为Hblocki（第i块内含有ki个发电单元，i＝1，2，3，…，m），将记为Mblocki，（第i块内含有ki个发电单元，i＝1，2，3，…，m）。

当风速突然发生较大变化时，此时风电场的分块方式也会相应产生变化，原本结为一部分的风机设备可能被分到其他的块中，原本不是一块的机组可能分成一块，其矩阵模型分块示意图如图4.20所示。

图4.20　规则风电场矩阵模型分块变化示意图

其中，虚线框表示在前面时刻对规则风电场的分块情况，而当风速等因素发生变化后，原本属于Block1的设备，与其他的设备被分到实线框所示的分块中。

（2）不规则分布的风电场的分块方式

以建立在山地区域为代表的不规则分布风电场为例，如图4.4所示，山地区域的地形更为复杂，地表的障碍物、风机尾流、不规则的接线方式和山体的高度等因素都会对风能产生。因此对不规则分布的风电场进行辨识分块的因素更为复杂，应结合实际的环境。例如以风速、海拔高度、附近地理环境等对机组进行相近机组结块，如果在机组附近难以找到状态相似的风电设备，可采用一台机组单独结块的办法，其分块形式体现在矩阵模型上如图4.21所示。

其中，风电机组ADFIG1单独被分为一块，风电机组表示第i个分块包含ki台风电设备。

图4.21　不规则风电场矩阵模型分块变化示意图