电气工程学报, 2024, 19(1): 261-271 doi: 10.11985/2024.01.028

电力系统

适应风电场宽频振荡研究的模糊度量层次聚类法*

宋锐,1, 甘嘉田,1, 王泽嘉,2, 许德操,1, 白左霞,1, 韩民晓,2

1.国网青海省电力公司 西宁 810008

2.华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206

Fuzzy Metric Hierarchical Clustering Method for Wind Farm Wideband Oscillation Research

SONG Rui,1, GAN Jiatian,1, WANG Zejia,2, XU Decao,1, BAI Zuoxia,1, HAN Minxiao,2

1. State Grid Qinghai Electric Power Company, Xining 810008

2. School of Electrical and Electronics Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206

通讯作者: 韩民晓,男,1963年生,博士,教授。主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。E-mail:hanminxiao@ncepu.edu.cn

收稿日期: 2023-01-20   修回日期: 2023-08-30  

基金资助: 国家电网公司科技资助项目(SGQHDKYODWJS2100138)

Received: 2023-01-20   Revised: 2023-08-30  

作者简介 About authors

宋锐,男,1979年生。主要研究方向为电力系统分析。E-mail:sr3737@163.com;

甘嘉田,女,1995年生。主要研究方向为新能源并网技术。E-mail:13997230847@163.com;

王泽嘉,男,1998年生,硕士研究生。主要研究方向为新能源并网稳定性。E-mail:jiplant@163.com;

许德操,男,1981年生,硕士,高级工程师。主要研究方向为电网规划、设计和新能源消纳。E-mail:xudecao@126.com;

白左霞,女,1990年生,硕士,高级工程师。主要研究方向为电网规划、设计和新能源消纳。E-mail:bzxia0024@qh.sgcc.com.cn

摘要

为助力“双碳”目标实现,推动风电产业发展,研究并治理风电场并网宽频振荡问题迫在眉睫。为建立适用于风电场振荡研究且能准确高效反映实际风电场输出特性的仿真模型,提出基于模糊度量的层次聚类法,改善传统综合层次聚类算法使用距离度量造成的聚类结果偏移。利用F检验法定量评价聚类效果,横向比较F评分确定最优聚类方案,纵向比较确定最优聚类分群数。评价结果表明,模糊度量层次聚类法的聚类效果良好。最后采用PSCAD结合青海省海南新能源基地风电场实例进行了仿真分析,验证了模糊度量层次聚类法对风电场聚类的适用性。

关键词: 风电场; 宽频振荡; 模糊度量层次聚类; F检验; 聚类评价

Abstract

On account of the pressing goal of “carbon peaking and carbon neutrality”, it is extremely urgent to develop wind power and study the broadband oscillation problem of wind farm connected to the grid. With the purpose of establishing a simulation model suitable for wind farm oscillation research, which is able to accurately and efficiently reflect the actual wind farm output characteristics, a fuzzy hierarchical clustering method is proposed that improves the clustering result offset caused by distance measurement in traditional balanced iterative reducing and clustering using hierarchies. Besides, F test is used to evaluate the clustering effect quantitatively, and F score can be used to horizontally compare to determine the optimal cluster number and longitudinal comparison to determine the optimal clustering scheme. Compared with traditional clustering method, fuzzy metric hierarchical clustering method has the highest F score. Finally, a wind farm simulation example consisting of 25 wind turbines with actual parameters in PSCAD is set up, and the conclusion is obtained that the most suitable clustering method for wind farms is fuzzy metric hierarchical clustering method.

Keywords: Wind farm; broadband oscillation; fuzzy metric hierarchical clustering; F test; clustering evaluation

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本文引用格式

宋锐, 甘嘉田, 王泽嘉, 许德操, 白左霞, 韩民晓. 适应风电场宽频振荡研究的模糊度量层次聚类法*[J]. 电气工程学报, 2024, 19(1): 261-271 doi:10.11985/2024.01.028

SONG Rui, GAN Jiatian, WANG Zejia, XU Decao, BAI Zuoxia, HAN Minxiao. Fuzzy Metric Hierarchical Clustering Method for Wind Farm Wideband Oscillation Research[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2024, 19(1): 261-271 doi:10.11985/2024.01.028

1 引言

“双碳”目标的提出展示了中国未来发展绿色能源的决心。风电技术作为一种绿色能源的重要利用形式,近年来得到了飞速的发展。然而,随着风电装机容量的不断提高,区域电网中逐渐呈现高比例风电机组并网的特征,风电自身的随机性、波动性和高度电力电子化的影响在电力系统中逐渐显现,由此引发的宽频振荡现象突出[1-3]

近年来,众多学者从振荡触发机理、风电场等值方法、振荡影响因素和抑制策略等角度开展了广泛研究[4-7]。目前主流的分析方式有阻抗分析法、特征值分析法、复转矩系数法等,这些方法揭示了宽频振荡现象的产生原理,但在仿真验证阶段又很难找到准确且高效的仿真模型,用来分析区域电网中多个风电场间及场站内部大量风电机组间的交互作用。为降低系统维度,提高运算速度,需要对风电场进行合理地等值。常用的方法包括单机等值和分群聚类。文献[8]阐述了风电场单机等值的理论基础,提供了一种模型简化方法,但是该方法要求忽略集电网络的影响,存在一定局限性。同时,单机等值方法会改变单个风电机组的特性,对分析风机控制参数的研究造成不利影响。聚类策略方面,目前风电场聚类的应用场景主要集中在风功率预测[9-12]和暂态稳定性分析[13-14]方面,较少应用在宽频振荡研究中。现有的聚类方法主要包括以K均值聚类算法(K-means clustering algorithm,K-Means)为代表的划分法[15-16]、以基于密度聚类算法(Density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)与均值漂移算法(Mean shift)为代表的密度法[17-18]、以综合层次聚类算法(Balanced iterative reducing and clustering using hierarchies,BRICH)为代表的层次聚类法[19]等。K-Means聚类法需要选取初始簇中心,会影响到迭代算法的收敛速度与聚类效果,在大型风电场的宽频振荡分析中初始中心的选择是较为盲目的,容易陷入局部最优解。Mean shift利用样本密度进行聚类,无需知道簇的数量,受均值影响小,但该算法需要在多个邻近区域搜索密度更高的区域,计算量较大,效率较慢。

相较于前两种方法,层次聚类法不要求设置初始中心点,避免了局部最优问题。文献[20]利用BIRCH聚类法,综合考量了风速、风机传动、输出特性和运行环境等14个指标,明显削弱了噪声对聚类结果的影响,提高了聚类精度。但过多的分群指标提升了聚类的复杂度,同时造成了功能冗余。此外,现有风电场聚类研究多采用详细模型与聚类模型的仿真对比来验证策略的适应性和准确性,缺乏科学系统的评价标准,无法作为聚类方法的选择依据。

在“双碳”目标的高标准要求下,青海电网新能源装机容量快速增长,正朝着超高比例新能源电力系统方向发展和“源-网-荷-储”核心设备“电力电子化”特征变革。电力电子设备的不断引入为电网带来了新的动态特性,如转动惯量降低、参数在较宽频域内振荡等。以青海海南千万千瓦级新能源基地为例,海南塔拉新能源基地装机12 890 MW,风电场装机规模大、设备型号多、参数不统一;同时本地负荷小、本地支撑能力薄弱,给系统的稳定运行提出了更高的要求。本文以青海海南千万千瓦级新能源基地为研究背景,从分群指标、数据标准化、度量方法、聚类方法及评价体系五个方面进行论述。提出了一种适应风电场宽频振荡研究的模糊度量层次聚类法,解决了传统距离度量法引起的误差,并引入F检验,与K-Means、Mean shift、传统BIRCH算法比较,得出模糊度量层次聚类法的评分更高、适应性更好的结论。最后,以新能源基地某风电站为例,基于PSCAD/EMTDC软件建立该风电场中25台双馈风机组成的详细电磁暂态模型,分析聚类算法在不同风电场宽频振荡场景下的准确性。

2 风电场数据预处理

聚类前,需要经过数据预处理,以得到用于计算机聚类程序处理的特征矩阵。数据预处理过程包含确立分群指标、数据集标准化、选择度量关系等。

2.1 分群指标的选择与数据标准化

分群指标作为描述不同个体特征的量化参数,是实现高效、准确聚类的重要依据。本文研究的风电场宽频振荡现象,涵盖了次同步频段内由线路串补与风电场相互作用引发的次同步振荡、中低频段内由换流器控制参数引起的振荡以及高频段内由长距离输电线路与风电场相互作用引发的谐振。不分析失稳后系统的暂态特性,则以上场景均属于稳态下的研究范畴。

由于实际风电场同一批次风机类型、型号、参数相同,因而假设风电场风机型号与控制参数相同,将风电机组系统看作一个整体,输入为并网风机数量n、风速V,输出为汇入系统的有功功率P、无功功率Q与电流I,利用风机输入输出量进行聚类,可以一定程度上反映风电机组距离汇集点的远近以及内部参数等重要信息。

系统的源数据矩阵需要去量纲化,并控制在相同的数值范围内,从而让不同的指标在相同的权重下具有可比性,这一过程称为标准化。采用极差法标准化源数据,方法如式(1)所示

${{b}_{ih}}=\frac{{{a}_{ih}}-{{a}_{h\min }}}{{{a}_{h\max }}-{{a}_{h\min }}}$

定义An×m为源数据矩阵,aih为第i(i=1,2,…,n)号风机第h(h=1,2,3…,m)分群指标的数值;定义Bn×m为标准化数据矩阵,bih为第i(i=1,2,…,n)号风机第h(h=1,2,3…,m)分群指标标准化后的数值;ahmaxahmin分别为aih的最大、最小值。

如此可以将处理后的数据限定在[0,1]内,消除量纲带来的数值差异的同时,为后续度量矩阵的生成统一了权重。

2.2 模糊度量的选择

风电场聚类前需要度量不同风电机组间的相关关系,作为后续分类过程的依据。常用度量方法包括距离法、相似度法和贴近度法。距离法以样本点间的几何距离为依据构建度量矩阵,物理意义明确、应用简单,但不具有传递性,容易得到局部最优的错误结果。如图1所示,在二维空间中,AB两点间距与AC两点间距相同,可以将AB划为一类、AC划为一类,但显然不能将BC两点归为同一类。因此,当关注风速、有功功率、无功功率、电流等构成的多维向量的相关程度时,度量方法需要兼具描述风电机组间的数值关系和取向差异的能力。

图1

图1   距离法示意图


相似度法中,经典的皮尔逊相关系数通过协方差与标准差的比描述个体间的相关关系,能够反映样本空间中的取向差异。风电机组ij间的相关关系可由式(2)表示

${{p}_{ij}}=\frac{\sum\limits_{h=1}^{m}{(bih-\overline{b}i)(bjh-\overline{b}j)}}{\sqrt{\sum\limits_{h=1}^{m}{(bih-\overline{b}i}{{)}^{2}}}\sqrt{\sum\limits_{h=1}^{m}{(bjh-\overline{b}j}{{)}^{2}}}}$

式中,pij为第i个元素与第j个元素的相关系数,即第i台风机与第j台风机的相关系数。

pij的取值在[-1,1]之间,相似度越高数值越接近±1。此处的正负性可以体现样本的相似性趋近方向,相比于距离度量只含有距离信息,相似度度量法的结果拥有一定的方向信息。风电机组ij间的相关关系与风电机组ji间的相关关系相同,因此指标具有对称性,如式(3)所示

${{p}_{ij}}={{p}_{ji}}$

利用皮尔逊相关系数法可以描述综合考量多维特征的风电机组间的相关关系,进而构建双馈风电场相似度量矩阵R=(pij)nn。若R矩阵同时满足:① 自反性,pii=1;② 对称性,pij=pji;③ 传递性,${{p}_{ij}}\ge \underset{k=1}{\overset{n}{\mathop{\text{max}}}}\,\left( \text{min}\left( {{p}_{ik}},{{p}_{kj}} \right) \right)$,则称R矩阵为模糊等价矩阵[21]

一般地,由式(2)得出的R矩阵尚不能满足传递性,此时可以通过计算传递闭包,使其改造为具有传递性的等价矩阵。由此,风电场各机组的特征表现转化为机组间的相似度关系,为聚类创造条件。

标准化数据矩阵经过皮尔逊相关系数法处理后,可得到具有传递性的模糊等价矩阵。由于模糊等价矩阵在聚类之后,簇与簇之间不存在重叠,所以可有效避免重复聚类以及陷入局部最优的问题。定义Cn×n为满足传递性的模糊等价矩阵,模糊相似矩阵经过传递闭包计算所得,其元素cij为第i(i=1,2,…,n)号风机与第j(j=1,2,…,n)号风机之间的相似度。

3 模糊度量层次聚类法结合F检验评价

3.1 模糊度量层次聚类法

常见的风电场聚类方法有划分法和密度法。由于这两种方法对初始化参数的依赖性、较差的抗噪特性以及迭代过程带来的较大的计算量,限制了风电场聚类的发展和应用。层次聚类法无需预设聚类中心点和密度半径,只需要扫描一遍数据即可完成聚类,成为辅助分析多维度大样本场景的优选方案。

层次聚类法BIRCH将数据划分为根节点、内部节点和叶节点,形成空间上分层递进的结构,并利用聚类特征树(CF Tree)辅助聚类。每个CF单元提取模糊等价矩阵中样本数量、方向和距离信息,形成可以标志样本特征的三维数组。由两个CF单元聚合而成的父节点,其三维数组为子节点的直接加和,省去了对样本空间重新扫描的过程,从而实现了节点更新后重新生成CF Tree的快速计算。

BIRCH算法需要设置三个约束,即内部节点容纳数上限B,叶节点容纳CF单元数上限L和CF中样本半径上限T。以往的BIRCH算法使用距离法进行数据度量,在聚类过程中,样本间的距离在半径T范围内时可以认为同属一个聚类。当存在某个节点内的容量超过上限时,则需要重新进行划分,构建新的CF Tree。

图2展示了BIRCH法的最终结构。设置内部节点的容量上限B=2,叶节点的容量上限L=3。CF Tree自上至下的层次分别为根节点、内部节点和叶节点,其内部节点与叶节点均可线性叠加。其中根节点为RN,内部节点为IN1、IN2,它们分别包含两组叶节点,为LN1、LN2和LN3、LN4。叶节点由3个CF单元表征。

图2

图2   样本分布及聚类特征树示意图


若风电场新增加一台风机投运,表现在图2所示样本中将会新纳入一个CF单元,这会超出设定的节点容量限制,此时需要更新CF Tree。具体过程如图3所示。

图3

图3   CF Tree节点更新示意图


根据样本半径T,新增的NN不属于当前划定的任何叶节点范畴,因此作为一个独立的叶节点存在,构成图3a所示的CF Tree。此时内部节点IN2超过了容量限制,因此需要拆分为IN2和IN3,构成图3b所示的CF Tree。同理,根节点RN也超出了容量限制,因此增加一层内部节点,由IN12作为IN2和IN3的父节点,由此得到最终的CF Tree如图3c所示。

传统BIRCH算法应用距离法进行度量,由于不具有传递性,聚类结果可能发生错误。综合模糊度量的传递性优势与层次聚类法的快速计算能力就构成了双馈风电场聚类分析方法。用分类阈值λ取代样本半径T,当模糊等价矩阵中的元素不低于阈值时,赋值1,即认为这些双馈风机属于同一CF单元,反之赋值0。设定阈值时,需要根据分群数量、分群结果以及算例情况合理调节。设C(λ)λ截矩阵,则C(λ)中各元素如式(4)所示

$C_{ij}^{(\lambda )}=\left\{ \begin{matrix} 1 & {{c}_{ij}}\ge \lambda \\ 0 & {{c}_{ij}}\lambda \\\end{matrix} \right.$

令阈值λ从1逐渐减小,则样本空间由各样本独立为一类至逐渐聚合,从而实现了自底向上的凝聚层次聚类法;反之,即可实现自顶向下的分裂层次聚类法。

3.2 引入F检验评价聚类效果

为验证所提双馈风电场聚类方法的有效性,引入F检验法定量评价聚类结果的优劣。应用F检验评价聚类效果的核心是判断各分组间的差异性是否足够大以及分组内的差异性是否足够小,由此引入组间变异度和组内变异度的概念。为了直观展示,以l个分组、m个特征的双馈风电场系统为例进行说明。组间变异度如式(5)所示

$\frac{\text{SSB}}{\text{d}{{f}_{B}}}=\frac{\sum\limits_{k=1}^{l}{\sum\limits_{h=1}^{m}{{{\left( {{\overline{b}}_{k}}-\overline{\overline{b}} \right)}^{2}}}}}{l-1}$

式中,k表示第k个分组;h表示第h个特征;${{\overline{b}}_{k}}$k分组内的样本均值;$\overline{\overline{b}}$为全体样本均值;分子SSB(Sum of square between group)表示组间偏差平方和;分母dfB为组间偏差平方和的自由度。已知全体样本均值和l-1个分组的样本均值,则可以得出最后一个分组的均值,因此组间偏差平方和的自由度为l-1。

组内变异度如式(6)所示

$\frac{\text{SSW}}{\text{d}{{f}_{W}}}=\frac{\sum\limits_{k=1}^{l}{\sum\limits_{h=1}^{m}{{{\left( {{b}_{kh}}-{{\overline{b}}_{k}} \right)}^{2}}}}}{l(m-1)}$

式中,bkh表示第k组第h个特征的样本值;分子SSW(Sum of square within group)表示组内偏差平方和;分母dfW为组内偏差平方和的自由度。系统共l×m个样本值,在每组内的样本均值确定后,每个分组就失去一个自由度,因此一共失去l个自由度,则SSW的总自由度为l(m-1)。

组间变异度除以组内变异度即为F统计量,如式(7)所示

$F=\frac{\frac{\text{SSB}}{\text{d}{{f}_{B}}}}{\frac{\text{SSW}}{\text{d}{{f}_{W}}}}$

F统计量利用偏差平方和体现样本的实际表现与均值的偏离大小。当分组间的偏离程度越高,分组内的偏离程度越低时,聚类效果越好,F评价的评分也随之越高。为消除组间与组内的维度差别,使数据具有可比性,需要令SSB和SSW分别与其自由度作比值。

4 算例分析

4.1 聚类仿真与F检验评价

以青海海南千万千瓦级新能源基地某风电场为例验证算法。该风电场装机以单台容量为2 MW双馈风电机组为主,风机变流器本体交流侧出口电压690 V。通过两级升压后,并入110 kV主网。选取25台双馈风电机组搭建仿真算例,具体参数以及数据如表1表2所示。

表1   风机仿真参数

电机参数取值控制参数取值
额定容量S/(MV·A)2RSC内环PI1.2+0.025/s
额定线电压U/V690RSC外环PI2+0.02/0.05(P/Q)/s
额定频率f/Hz50RSC PLL PI2.2+0.238/s
定/转子变比0.85GSC内环PI1+0.01/s
定子电阻Rs/p.u.0.005 4GSC外环PI0.4+0.01(Udc)/s
转子电阻Rr/p.u.0.006 07GSC PLL PI1.2+0.05/s
励磁互感Lm/p.u.4.5直流电容C/p.u.4.396
定子漏感L1s/p.u.0.099 8滤波器电感Lf/p.u.1.524×10-6
转子漏感L1r/p.u.0.109 8滤波器电容Cf/p.u.0.061 544
电机漏磁系数σ0.045变压器变比N1/2/335/0.69/0.69

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表2   双馈风机外特性数据集

机组编号风速/(m/s)有功功率/MW无功功率/MVar出口电流/kA
18.331.1980.005 800.018 5
28.531.250.005 650.019 6
312.72.0010.002 730.032 2
410.872.0120.000 700.032 0
58.711.2780.001 300.021 0
611.32.0080.000 360.032 3
79.211.4760.001 390.023 7
812.882.0030.004 260.032 2
99.471.5650.001 340.024 7
109.641.6240.005 130.026 0
119.841.7020.001 530.027 2
129.91.7220.009 290.028 4
1313.112.0050.000 720.032 0
1413.452.0050.005 260.032 1
1513.562.0010.007 970.032 0
1611.282.0010.006 060.032 3
1710.21.860.006 830.030 6
1810.512.0060.006 110.032 8
1910.632.0170.009 800.032 8
2010.82.0030.006 090.032 7
2111.22.0040.006 790.032 0
2211.452.0040.000 650.032 1
2311.522.0050.001 340.032 1
2412.11.9910.006 230.032 8
2514.231.9990.004 880.032 8

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获取风电机组输入输出源数据得到A25×4

$\mathbf{A}=\left[ \begin{matrix} \begin{matrix} 8.33 & 1.198 & 0.005\ 795 & 0.018\ 48 \\ 8.53 & 1.25 & 0.005\ 651 & 0.019\ 56 \\ 12.7 & 2.001 & 0.002\ 729 & 0.032\ 16 \\ 10.87 & 2.012 & 0.000\ 703 & 0.032\ 04 \\ 8.71 & 1.278 & 0.001\ 3 & 0.021\ 04 \\ 11.3 & 2.008 & 0.000\ 359 & 0.032\ 32 \\ 9.21 & 1.476 & 0.001\ 385 & 0.023\ 68 \\ 12.88 & 2.003 & 0.004\ 255 & 0.032\ 2 \\ 9.47 & 1.565 & 0.001\ 338 & 0.024\ 68 \\ 9.64 & 1.624 & 0.005\ 134 & 0.026\ 04 \\ 9.84 & 1.702 & 0.001\ 532 & 0.02716 \\ 9.9 & 1.722 & 0.009\ 287 & 0.028\ 4 \\ 13.11 & 2.005 & 0.000\ 721 & 0.032 \\ \end{matrix} \\ \begin{matrix} 13.45 & 2.005 & 0.005\ 255 & 0.032\ 08 \\ 13.56 & 2.001 & 0.007\ 974 & 0.032\ 04 \\ 11.28 & 2.001 & 0.006\ 058 & 0.032\ 28 \\ 10.2 & 1.86 & 0.006\ 825 & 0.030\ 56 \\ 10.51 & 2.006 & 0.006\ 11 & 0.032\ 8 \\ 10.63 & 2.017 & 0.009\ 794 & 0.032\ 8 \\ \end{matrix} \\ \begin{matrix} 10.8 & 2.003 & 0.006\ 086 & 0.032\ 68 \\ 11.2 & 2.004 & 0.006\ 791 & 0.031\ 96 \\ 11.45 & 2.004 & 0.000\ 653 & 0.032\ 08 \\ \end{matrix} \\ \begin{matrix} 11.52 & 2.005 & 0.001344 & 0.032\ 12 \\ 12.1 & 1.991 & 0.006\ 225 & 0.032\ 84 \\ 14.23 & 1.999 & 0.004\ 882 & 0.032\ 76 \\ \end{matrix} \\ \end{matrix} \right]$

利用式(1)将源数据矩阵标准化去量纲得到B25×4,再通过式(2)把标准化矩阵转换成具有传递性的模糊度量矩阵C25×25

$B=\left[ \begin{array}{*{35}{r}} 0\ \ \ \ \ \ \ & 0\ \ \ \ \ \ \ \ & 0.576\ 152\ 623 & 0\ \ \ \ \ \ \\ 0.033\ 898\ 305 & 0.063\ 492\ 063 & 0.560\ 890\ 302 & 0.075\ 208\ 9 \\ 0.740\ 677\ 966 & 0.980\ 463\ 98\ & 0.251\ 192\ 369 & 0.952\ 646\ 2 \\ 0.430\ 508\ 475 & 0.993\ 894\ 994 & 0.036\ 459\ 989 & 0.944\ 289\ 7 \\ 0.064\ 406\ 78\ & 0.097\ 680\ 098 & 0.099\ 735\ 029 & 0.178\ 273\ \\ 0.503\ 389\ 831 & 0.989\ 010\ 989 & 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ & 0.963\ 788\ 3 \\ 0.149\ 152\ 542 & 0.339\ 438\ 339 & 0.108\ 744\ 038 & 0.362\ 117\ \\ 0.771\ 186\ 441 & 0.982\ 905\ 983 & 0.412\ 930\ 578 & 0.955\ 431\ 8 \\ 0.193\ 220\ 339 & 0.448\ 107\ 448 & 0.103\ 762\ 586 & 0.431\ 754\ 9 \\ 0.222\ 033\ 898 & 0.520\ 146\ 52\ & 0.506\ 094\ 33\ & 0.526\ 462\ 4 \\ 0.255\ 932\ 203 & 0.615\ 384\ 615 & 0.124\ 324\ 324 & 0.604\ 456\ 8 \\ 0.266\ 101\ 695 & 0.639\ 804\ 64\ & 0.946\ 263\ 911 & 0.690\ 807\ 8 \\ 0.810\ 169\ 492 & 0.985\ 347\ 985 & 0.038\ 367\ 78 & 0.941\ 504\ 2 \\ 0.867\ 796\ 61\ & 0.985\ 347\ 985 & 0.518\ 918\ 919 & 0.947\ 075\ 2 \\ 0.886\ 440\ 678 & 0.980\ 463\ 98\ & 0.807\ 101\ 219 & 0.944\ 289\ 7 \\ 0.5\ \ \ \ \ \ \ \ & 0.980\ 463\ 98\ & 0.604\ 027\ 557 & 0.961\ 002\ 8 \\ 0.316\ 949\ 153 & 0.808\ 302\ 808 & 0.685\ 320\ 615 & 0.841\ 225\ 6 \\ 0.369\ 491\ 525 & 0.986\ 568\ 987 & 0.609\ 538\ 951 & 0.997\ 214\ 5 \\ 0.389\ 830\ 508 & 1\ \ \ \ \ \ \ \ & 1\ \ \ \ \ \ \ \ & 0.997\ 214\ 5 \\ 0.418\ 644\ 068 & 0.982\ 905\ 983 & 0.606\ 995\ 231 & 0.988\ 857\ 9 \\ 0.486\ 440\ 678 & 0.984\ 126\ 984 & 0.681\ 717\ 011 & 0.938\ 718\ 7 \\ 0.528\ 813\ 559 & 0.984\ 126\ 984 & 0.031\ 160\ 572 & 0.947\ 075\ 2 \\ 0.540\ 677\ 966 & 0.985\ 347\ 985 & 0.104\ 398\ 516 & 0.949\ 860\ 7 \\ 0.638\ 983\ 051 & 0.968\ 253\ 968 & 0.621\ 727\ 61\ & 1\ \ \ \ \ \ \ \\ 1\ \ \ \ \ \ \ \ \ & 0.978\ 021\ 978 & 0.479\ 385\ 268 & 0.994\ 429\ \\ \end{array} \right]$
$C=\left[ \begin{matrix} \begin{array}{*{35}{r}} 1 & 0.96 & 0.76 & 0.7 & 0.67 & 0.79 & 0.64 & 0.69 & 0.71 & 0.7 & 0.62 & 0.69 & 0.54 & 0.68 & 0.69 & 0.53 & 0.54 & 0.56 & 0.67 & 0.59 & 0.63 & 0.52 & 0.65 & 0.62 & 0.63 \\ 0.96 & 1 & 0.79 & 0.73 & 0.71 & 0.82 & 0.67 & 0.71 & 0.73 & 0.72 & 0.64 & 0.71 & 0.57 & 0.7 & 0.71 & 0.56 & 0.56 & 0.58 & 0.69 & 0.61 & 0.65 & 0.55 & 0.67 & 0.64 & 0.65 \\ \end{array} \\ \begin{array}{*{35}{r}} 0.76 & 0.79 & 1 & 0.9 & 0.86 & 0.72 & 0.8 & 0.6 & 0.61 & 0.6 & 0.54 & 0.6 & 0.68 & 0.58 & 0.59 & 0.66 & 0.67 & 0.69 & 0.58 & 0.64 & 0.61 & 0.65 & 0.58 & 0.54 & 0.58 \\ 0.7 & 0.73 & 0.9 & 1 & 0.96 & 0.8 & 0.89 & 0.67 & 0.69 & 0.67 & 0.6 & 0.66 & 0.75 & 0.65 & 0.66 & 0.74 & 0.75 & 0.77 & 0.64 & 0.71 & 0.68 & 0.72 & 0.65 & 0.6 & 0.64 \\ 0.67 & 0.71 & 0.86 & 0.96 & 1 & 0.84 & 0.93 & 0.7 & 0.72 & 0.7 & 0.62 & 0.69 & 0.79 & 0.68 & 0.69 & 0.77 & 0.78 & 0.8 & 0.67 & 0.75 & 0.71 & 0.75 & 0.68 & 0.63 & 0.67 \\ \end{array} \\ \begin{array}{*{35}{r}} 0.79 & 0.82 & 0.72 & 0.8 & 0.84 & 1 & 0.85 & 0.83 & 0.86 & 0.84 & 0.75 & 0.83 & 0.72 & 0.81 & 0.83 & 0.71 & 0.71 & 0.73 & 0.8 & 0.76 & 0.8 & 0.69 & 0.81 & 0.75 & 0.79 \\ 0.64 & 0.67 & 0.8 & 0.89 & 0.93 & 0.85 & 1 & 0.75 & 0.77 & 0.75 & 0.67 & 0.75 & 0.84 & 0.73 & 0.75 & 0.82 & 0.83 & 0.85 & 0.72 & 0.8 & 0.76 & 0.8 & 0.73 & 0.68 & 0.72 \\ 0.69 & 0.71 & 0.6 & 0.67 & 0.7 & 0.83 & 0.75 & 1 & 0.88 & 0.82 & 0.9 & 0.82 & 0.67 & 0.84 & 0.82 & 0.66 & 0.67 & 0.68 & 0.8 & 0.71 & 0.74 & 0.65 & 0.76 & 0.83 & 0.74 \\ 0.71 & 0.73 & 0.61 & 0.69 & 0.72 & 0.86 & 0.77 & 0.88 & 1 & 0.93 & 0.87 & 0.92 & 0.77 & 0.94 & 0.92 & 0.75 & 0.76 & 0.78 & 0.91 & 0.8 & 0.84 & 0.74 & 0.86 & 0.88 & 0.83 \\ \end{array} \\ \begin{array}{*{35}{r}} 0.7 & 0.72 & 0.6 & 0.67 & 0.7 & 0.84 & 0.75 & 0.82 & 0.93 & 1 & 0.89 & 0.99 & 0.82 & 0.96 & 0.98 & 0.81 & 0.82 & 0.83 & 0.96 & 0.85 & 0.89 & 0.78 & 0.91 & 0.89 & 0.89 \\ 0.62 & 0.64 & 0.54 & 0.6 & 0.62 & 0.75 & 0.67 & 0.9 & 0.87 & 0.89 & 1 & 0.89 & 0.74 & 0.9 & 0.88 & 0.73 & 0.73 & 0.75 & 0.88 & 0.77 & 0.81 & 0.71 & 0.83 & 0.89 & 0.81 \\ 0.69 & 0.71 & 0.6 & 0.66 & 0.69 & 0.83 & 0.75 & 0.82 & 0.92 & 0.99 & 0.89 & 1 & 0.83 & 0.96 & 0.99 & 0.81 & 0.82 & 0.84 & 0.97 & 0.86 & 0.9 & 0.79 & 0.92 & 0.89 & 0.9 \\ 0.54 & 0.57 & 0.68 & 0.75 & 0.79 & 0.72 & 0.84 & 0.67 & 0.77 & 0.82 & 0.74 & 0.83 & 1 & 0.81 & 0.83 & 0.98 & 0.98 & 0.96 & 0.8 & 0.89 & 0.84 & 0.94 & 0.81 & 0.75 & 0.8 \\ 0.68 & 0.7 & 0.58 & 0.65 & 0.68 & 0.81 & 0.73 & 0.84 & 0.94 & 0.96 & 0.9 & 0.96 & 0.81 & 1 & 0.98 & 0.81 & 0.82 & 0.83 & 0.96 & 0.85 & 0.89 & 0.79 & 0.91 & 0.92 & 0.88 \\ 0.69 & 0.71 & 0.59 & 0.66 & 0.69 & 0.83 & 0.75 & 0.82 & 0.92 & 0.98 & 0.88 & 0.99 & 0.83 & 0.98 & 1 & 0.83 & 0.83 & 0.85 & 0.97 & 0.87 & 0.91 & 0.8 & 0.93 & 0.91 & 0.9 \\ \end{array} \\ \begin{array}{*{35}{r}} 0.53 & 0.56 & 0.66 & 0.74 & 0.77 & 0.71 & 0.82 & 0.66 & 0.75 & 0.81 & 0.73 & 0.81 & 0.98 & 0.81 & 0.83 & 1 & 0.98 & 0.96 & 0.8 & 0.89 & 0.84 & 0.94 & 0.81 & 0.75 & 0.8 \\ 0.54 & 0.56 & 0.67 & 0.75 & 0.78 & 0.71 & 0.83 & 0.67 & 0.76 & 0.82 & 0.73 & 0.82 & 0.98 & 0.82 & 0.83 & 0.98 & 1 & 0.97 & 0.82 & 0.9 & 0.86 & 0.96 & 0.82 & 0.76 & 0.81 \\ 0.56 & 0.58 & 0.69 & 0.77 & 0.8 & 0.73 & 0.85 & 0.68 & 0.78 & 0.83 & 0.75 & 0.84 & 0.96 & 0.83 & 0.85 & 0.96 & 0.97 & 1 & 0.84 & 0.93 & 0.88 & 0.94 & 0.84 & 0.78 & 0.84 \\ 0.67 & 0.69 & 0.58 & 0.64 & 0.67 & 0.8 & 0.72 & 0.8 & 0.91 & 0.96 & 0.88 & 0.97 & 0.8 & 0.96 & 0.97 & 0.8 & 0.82 & 0.84 & 1 & 0.88 & 0.92 & 0.81 & 0.94 & 0.92 & 0.92 \\ 0.59 & 0.61 & 0.64 & 0.71 & 0.75 & 0.76 & 0.8 & 0.71 & 0.8 & 0.85 & 0.77 & 0.86 & 0.89 & 0.85 & 0.87 & 0.89 & 0.9 & 0.93 & 0.88 & 1 & 0.95 & 0.92 & 0.91 & 0.84 & 0.9 \\ \end{array} \\ \begin{array}{*{35}{r}} 0.63 & 0.65 & 0.61 & 0.68 & 0.71 & 0.8 & 0.76 & 0.74 & 0.84 & 0.89 & 0.81 & 0.9 & 0.84 & 0.89 & 0.91 & 0.84 & 0.86 & 0.88 & 0.92 & 0.95 & 1 & 0.89 & 0.96 & 0.89 & 0.95 \\ 0.52 & 0.55 & 0.65 & 0.72 & 0.75 & 0.69 & 0.8 & 0.65 & 0.74 & 0.78 & 0.71 & 0.79 & 0.94 & 0.79 & 0.8 & 0.94 & 0.96 & 0.94 & 0.81 & 0.92 & 0.89 & 1 & 0.85 & 0.79 & 0.85 \\ 0.65 & 0.67 & 0.58 & 0.65 & 0.68 & 0.81 & 0.73 & 0.76 & 0.86 & 0.91 & 0.83 & 0.92 & 0.81 & 0.91 & 0.93 & 0.81 & 0.82 & 0.84 & 0.94 & 0.91 & 0.96 & 0.85 & 1 & 0.93 & 0.97 \\ 0.62 & 0.64 & 0.54 & 0.6 & 0.63 & 0.75 & 0.68 & 0.83 & 0.88 & 0.89 & 0.89 & 0.89 & 0.75 & 0.92 & 0.91 & 0.75 & 0.76 & 0.78 & 0.92 & 0.84 & 0.89 & 0.79 & 0.93 & 1 & 0.9 \\ 0.63 & 0.65 & 0.58 & 0.64 & 0.67 & 0.79 & 0.72 & 0.74 & 0.83 & 0.89 & 0.81 & 0.9 & 0.8 & 0.88 & 0.9 & 0.8 & 0.81 & 0.84 & 0.92 & 0.9 & 0.95 & 0.85 & 0.97 & 0.9 & 1 \\ \end{array} \\ \end{matrix} \right]$

最后使用模糊度量层次聚类法做聚类计算,得到可以表征风电机组集群的中心风电机组输出特性,利用同类等值法,将中心机组的仿真模型出口并联一个电流源倍乘模块,使输出总特性为q(该集群的风电机组数量)倍的中心风机的输出量,即可代表聚类后的风电集群的输出特性,如图4所示。

图4

图4   同类等值法示意图


利用Python语言实现模糊度量层次聚类法,将样本分群数设为3,阈值设为0.36,内部节点的容量上限B=25,叶节点的容量上限L=25。由此得到聚类结果,如图5所示。

图5

图5   模糊度量层次聚类法三簇聚类结果


图5中,不同形状的点代表聚类后不同的风机集群,“×”代表中心机组,可以表征对应的风机集群特性。

将25台风机按照矩阵元素顺序标号1~25,聚类为三簇后,每簇风机组成和中心机组特性如表3所示。对三簇聚类结果进行多元F检验,检验输出特性对此分类的影响程度,如表4所示。

表3   模糊度量层次聚类法三簇聚类结果

簇编号风机聚类结果中心机组特性[V, P, Q, I]
{3, 4, 6, 8, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25}[11.974, 2.004, 0.043 7, 0.032 3]
{10, 11, 12, 17}[9.895, 1.727, 0.056 9, 0.028 0]
{1, 2, 5, 7, 9}[8.85, 1.353, 0.030 9, 0.021 5]

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表4   三簇聚类主体间效应检验

特性自由度均方差F平分P(P<0.001时显著)
风速21.117108.43<0.001
有功21.240140.972<0.001
无功20.0850.8970.422
电流21.115121.948<0.001
多变量检验结果:三簇聚类F评分为62.284

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经过主体间效应检验,观察显著性以及F评分,可知此聚类结果受有功功率、电流以及风速影响,由于无功功率的显著性大于0.05,因此该聚类结果受无功功率影响不明显。

将风电场分为四组,聚类效果如图6所示。风机分群情况如表5所示。

图6

图6   模糊度量层次聚类法四簇聚类结果


表5   模糊度量层次聚类法四簇聚类结果

簇编号风机聚类结果中心机组特性[V, P, Q, I]
{8, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 24, 25}[11.9, 2.004, 0.005 37, 0.032 4]
{3, 4, 6, 13, 22, 23}[12.195, 2.004, 0.013 6, 0.032 1]
{10, 11, 12, 17}[9.895, 1.727, 0.056 9, 0.028 0]
{1, 2, 5, 7, 9}[8.85, 1.353, 0.030 9, 0.021 5]

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对四簇聚类结果进行多元F检验,检验输出特性对此分类的影响程度,如表6所示。

表6   四簇聚类主体间效应检验

特性自由度均方差FP(P<0.001时显著)
风速30.74569.001<0.001
有功30.82689.732<0.001
无功30.44510.231<0.001
电流30.74478.469<0.001
多变量检验结果:四簇聚类F评分为63.928

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经过主体间效应检验,可知四簇聚类结果受风电机组4类输出特性影响明显。

当阈值一定时,分群数量的改变会影响分群结果及中心机组选择。如何确定分群数量,需要利用F检验纵向比较不同分群数量的聚类优劣,比较结果如图7所示。

图7

图7   分群数量对应的F评分


图7可得,当分群数越高,F检验分数越高,但到一定分群数量后,分数不再明显提升,为了兼顾聚类的准确性和仿真提速的有效性,最终选择三簇聚类作为同种聚类方式下的最优聚类方案。

再利用F检验将模糊度量层次聚类法与划分法(K-Means)、密度法(Mean shift)以及传统的BIRCH法(利用距离度量)进行横向比较,检验各聚类算法聚类效果,如表7所示。

表7   四种聚类方式的效果评分

聚类法F检测评分显著性
K-Means59.194<0.001
Meanshift58.775<0.001
BIRCH(距离度量)54.983<0.001
模糊度量层次聚类法62.284<0.001

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对比可知,模糊度量层次聚类法在以上几种方法中是聚类效果最准确的方法。通过引入具有传递性的模糊度量矩阵,可以有效改善聚类效果。

4.2 风电场聚类宽频振荡仿真效果验证

通过显著性检验(Significance test)分析样本空间总体情况与样本聚类后所表现的特征之间的差异性,从仿真角度评价聚类结果优劣并验证F检验的评价效果。

在PSCAD中建立25台风机并网详细模型。本文提出方法适用于不同场景下的风电场运行模式,此处选择数据采集时刻的风机输出特性进行仿真验证。分别采用K-Means、Mean shift、使用距离度量的BIRCH、模糊度量层次聚类法建立聚类后的风电机组等值模型,对比分析各算法的聚类误差和效果。首先对比分析稳态下的输出特性,如表8所示。

表8   稳态下各聚类算法与原算例输出特性对比

风电场算例输出特性平均误差
有功功率/ MW无功功率/ MVar输出电流/ kA
原算例45.740.108 1860.736 76
模糊度量层次聚类45.3040.1310.7530.198
K-Means45.3340.1670.760.566
Meanshift44.0830.1960.7480.791
BIRCH(距离度量)44.2440.2220.7531.041

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结合表7表8,可以看到F检验评分与稳态下的输出特性平均误差相一致。可认为F评分检验聚类效果是合理的。

为验证模糊度量层次聚类法在宽频振荡研究中的作用,在此加入25台风电机组仿真模型组成的详细模型与等值模型的电磁暂态特性对比。

由风电场引发的宽频振荡场景一般包括:风电场接串联补偿并网导致次同步频段的振荡;风电机组控制参数引起系统谐振放大导致的中低频段的振荡[6];风电场与电网侧并联补偿电容相互作用导致的高频段谐振[7]

由此设置以上三个风电场宽频振荡场景对聚类效果进行分析。

其中,次同步振荡由风电场并网线路中投入串补引起。当风电场稳定运行至2 s时投入串联补偿电容,两者在次同步频段形成LC谐振电路,风电场机侧换流器提供负阻尼加剧振荡,观察各算法聚类后的风电场输出特性与原算例的对比,结果如图8所示。

图8

图8   次同步振荡风电场聚类效果仿真对比


图8对比各聚类方法的聚类效果与原算例效果,包括输出功率特性以及出口电流频率分量。在投入串补后风电场输出功率开始产生明显的振荡,而相较于其他聚类方案,模糊度量层次聚类法输出特性与原算例最为接近,振荡频率与幅值更贴合原算例结果。

中低频振荡由机侧换流器内环积分参数的改变引起[6]。当风电场稳定运行至3 s时,机侧换流器内环积分参数由1.2变为0.8,风电场会产生明显的功率与电流振荡,观察各算法聚类后的风电场输出特性与原算例的对比,结果如图9所示。

图9

图9   中低频振荡风电场聚类效果仿真对比


观察风电场输出功率特性以及出口电流频率分量对比,在机侧换流器内环控制参数改变后,与原算例的波动最相近的聚类方法是模糊度量层次聚类法方案。二者波动趋势相同,波动幅度也相近,振荡频率和幅值基本一致,其他聚类方法存在明显误差。

高频谐振现象由电网侧并联补偿电容引起[7]。风电场在高频段的阻抗特性呈感性,长输电线路由于对地电容的作用在高频段呈容性,两者相互作用存在诱发高频谐振的可能,观察各类算法聚类后的风电场输出特性与原算例的对比,结果如图10所示。

图10

图10   高频振荡风电场聚类效果仿真对比


观察风电场输出电流瞬时值以及频率分量对比,可以看出发生高频谐振的情况下,模糊度量层次聚类法可以较准确地表征风电场谐振状态下的输出电流、谐振频率,而其他算法误差明显。

综合以上分析,模糊度量层次聚类法在各个风电场宽频振荡场景下表现优异,能够实现准确聚类和快速分析,极大地节省了算力资源,提高了仿真效率。

5 结论

本文提出了一种适用于开展风力发电场宽频振荡仿真研究的模糊度量层次聚类算法,主要结论如下所述。

(1) 选定了用于风电场宽频振荡研究的聚类分群指标,介绍了极差标准化方法和模糊相似度度量方法。结合模糊度量与层次聚类法,用模糊等价矩阵替代无传递性的距离度量,满足了传递性需求,大大提高了聚类结果准确性。

(2) 引入F检验法评价各方案的聚类效果。纵向比较了模糊层次聚类法分群数量对准确性的影响,选择了平衡聚类准确性和仿真高效性的三簇聚类方案;横向评价了四种聚类法的聚类效果,得到模糊度量层次聚类法评分最高、效果最好的结论。

(3) 基于青海实际风力发电场数据,在PSCAD中搭建25台双馈风机组成的风电场仿真算例,比较K-Means、Meanshift、BIRCH和模糊度量层次聚类法构造的风电场等值模型在稳态、风电场与串补相互作用引发的次同步振荡、风机控制参数引发的中低频振荡、风电场与并联补偿电容相互作用引发的高频谐振场景中的拟合效果。最终通过F检验与仿真对比,验证了模糊度量层次聚类法在风电场宽频振荡研究中的适应性和有效性。

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