CN107766596B - 一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法，所述方法包括如下步骤：(1)以风电机组的实际结构和控制策略为基础，建立风电机组仿真模型；(2)采集风电场内所有生产类电气设备数据，建立风电场电气仿真模型；(3)采用电压源加等效阻抗的方式建立电网等效模型；(4)根据选取的故障工况集进行风电场低电压穿越能力评价。本发明为风电场的低电压穿越能力考核提供了一种实用、简便的方法，可实现对在运和即将并网风电场并网导则要求符合性进行评价和监督。

Description

一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法

技术领域

本发明涉及一种风电场低电压穿越能力仿真评价方法，具体涉及一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法。

背景技术

国家标准GB/T19963-2011《风电场接入电力***技术规定》对并网运行风电场的低电压穿越能力提出了明确的要求，如附图1所示，包括1)风电场并网点电压跌至20％标称电压时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行625ms。2)风电场并网点电压在发生跌落后2s内能够恢复到标称电压的90％时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

由于风电场电压高、容量大，无法通过电压跌落模拟装置在风电场并网点模拟电网短路故障，而电网短路试验将影响区域电网及周边发电和用电设备的稳定运行，因此无法成为对风电场低电压穿越能力进行验证的常规实验。采用模型仿真的方法是目前国内外普遍采用的对风电场低电压穿越能力进行验证的方法。GB/T19963-2011规定了风电场需要不脱网连续运行的电压跌落幅值和时间，并要求满足的故障类型包括三相、两相和相间短路故障，而风电机组出力工况很多且有不同功率因数运行特性，如果对全部工况进行仿真，按照现有的工况分类需要仿真120种工况，耗费大量时间。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法，本发明为风电场的低电压穿越能力考核提供了一种实用、简便的方法，可实现对在运和即将并网风电场并网导则要求符合性进行评价和监督。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法，所述方法包括如下步骤：

(1)以风电机组的实际结构和控制策略为基础，建立风电机组仿真模型；

(2)采集风电场内所有生产类电气设备数据，建立风电场电气仿真模型；

(3)采用电压源加等效阻抗的方式建立电网等效模型；

(4)根据选取的故障工况集进行风电场低电压穿越能力评价。

优选的，所述步骤(2)中，所述步骤电气设备数据包括：电气设备参数、电气拓扑和继电保护设置，所述电气设备参数包括箱式变压器、主变压器、汇集线***、无功补偿设备参数。

优选的，所述步骤(4)包括如下步骤：

步骤4-1、根据故障工况选取原则建立的故障工况集设置并网点短路故障；

步骤4-2、记录每个工况故障期间及其前后的数据；

步骤4-3、根据每个工况得到的数据进行评价指标计算。

优选的，所述步骤4-1中，所述故障工况选取原则包括：

a、风电场并网点电压在标准规定的幅值范围和跌落持续时间内，风电机组不脱网连续运行，规定的幅值范围为20％到100％，跌落持续时间为2s；

b、风电场并网点有功功率恢复速率不低于10％额定功率/秒的标准要求；

c、风电场并网点无功电流动态支撑特性满足标准要求，包括动态无功电流满足I_T≥1.5×(0.9-U_T)I_N，(0.2≤U_T≤0.9)，风电场动态无功电流控制的响应时间不大于30ms，持续时间应在550ms及以上，且最大持续时间为电压跌落持续时间，式中U_T为故障期间风电场并网点电压标幺值；I_N为风电场的额定电流。

优选的，所述步骤4-1中，所述故障工况集包括：

(1)风电机组在额定有功功率、最大超前功率因数运行时，三相对称故障电压跌落至额定电压的20％、35％、50％、75％和90％，两相相间故障电压跌落至额定电压的20％、35％、50％、75％和90％，两相接地故障电压跌落至额定电压的20％、35％；

(2)风电机组在额定有功功率、单位功率因数运行时，三相对称故障电压跌落至额定电压的20％、35％和50％，两相相间故障电压跌落至额定电压的20％、35％和50％，两相接地故障电压跌落至额定电压的20％、35％；

(3)风电机组在额定有功功率、最大滞后功率因数运行时，三相对称故障电压跌落至额定电压的20％和35％，两相相间故障电压跌落至额定电压的20％。

优选的，所述步骤4-2包括如下步骤：

步骤4-2-1、记录故障前至少0.5s到故障消失有功功率、无功功率稳定后至少0.5s稳定运行的仿真结果，其中有功功率、无功功率和无功电流仿真结果应记录正序基波分量；

步骤4-2-2、记录故障期间和故障消失后典型风电机组的机端电压、有功功率和无功功率波形；

步骤4-2-3、记录每个工况下风电场并网点电压、有功功率波形；

步骤4-2-4、记录每个工况下风电场并网点无功功率和无功电流波形。

优选的，所述步骤4-3中，评价指标包括风电场有功功率恢复速率、无功电流响应时间、持续时间、无功电流动态支撑幅值，计算评价指标包括如下步骤：

步骤4-3-1、自故障消失时刻开始，风电场有功功率恢复平均速率不小于10％额定功率/秒，有功功率的恢复平均速率k_P计算公式如下：

式中，P₁为故障消失时刻风电场有功功率；P₂为有功功率恢复至故障前的90％；t_a1为故障消失时刻；t_a2为有功功率恢复至持续大于P₂的起始时刻；并且功率恢复期间的有功功率值不低于10％额定功率/秒恢复曲线对应的有功功率；

步骤4-3-2、风电场注入电力***的动态无功电流值的计算公式如下：

式中，I_T(t)为风电场并网点无功电流曲线；t_r1为电压跌落期间风电场无功电流注入持续大于I_Q的起始时刻；t_r2为电压跌落期间风电场无功电流注入持续大于I_Q的结束时刻；

响应时间的计算公式如下：

t_res＝t_r1-t₀ (3)

式中，t₀为电压跌落开始时刻；

无功电流注入持续时间的计算公式如下：

t_last＝t_r2-t_r1 (4)。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

本发明将120种仿真工况缩减至23种仿真工况，减掉很多无关紧要的仿真工况，大大减少的仿真工作量，提高仿真效率，有利于风电场低电压穿越评价的工程实用。

本发明为风电场的低电压穿越能力考核提供了一种实用、简便的方法，可实现对在运和即将并网风电场并网导则要求符合性进行评价和监督。

附图说明

图1是本发明提供的风电场低电压穿越电压曲线

图2是本发明提供的风电场模型结构图

图3是本发明提供的一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法的流程图

图4是本发明提供的电网等效模型结构

图5是本发明提供的风电场有功功率恢复考核示意图

图6是本发明提供的风电场无功电流动态支撑考核示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

风电场低电压穿越仿真评价就是采用模型仿真的手段，对风电场的低电压穿越能力进行仿真分析，并依据国标GB/T 19963《风电场接入电力***技术规定》中对风电场低电压穿越的要求，根据仿真结果对风电场的低电压穿越能力进行符合性评价。开展风电场低电压穿越仿真评价的流程如下：

步骤1、在风电场内的风电机组完成低电压穿越型式试验后，以风电机组的实际结构和控制策略为基础，建立风电机组仿真模型，并与风电机组的低电压穿越测试数据进行对比验证，得到准确仿真风电机组低电压穿越特性的仿真模型。

步骤2、采集风电场内所有生产类电气设备参数(包括箱式变压器、主变压器、汇集线***、无功补偿设备参数)、电气拓扑、继电保护设置等数据，建立风电场电气仿真模型，模型结构如附图2所示。

步骤3、建立电网等效模型，采用电压源加等效阻抗的方式进行等效，模型结构如附图4所示。

步骤4、根据选取的故障工况集进行风电场低电压穿越能力评价。

步骤4-1、据故障工况选取原则建立的故障工况集设置并网点短路故障；

故障工况集的选取原则

依据GB/T19963-2011的规定，风电场低电压穿越能力关注的主要三个方面：

a、风电场并网点电压在附图1标准规定的幅值范围和跌落持续时间内，风电机组不脱网连续运行

会导致风电机组脱网的原因很多，包括风电机组变流器开关器件过流、过压、欠压保护动作，风电机组超速、安全链保护动作等，对于低电压穿越仿真，是在假设机组机械部件运行没有问题的前提下进行评价的，因此，只考虑风电机组过压、欠压、过流保护动作的情况。仿真工况需考虑机组可能出现保护动作而脱网的工况。

b、风电场并网点有功功率恢复速率满足10％额定功率/秒的标准要求

仿真工况需考虑风电场有功功率恢复速率较慢，或根据机组的有功功率恢复波形，判断功率恢复波形较差的工况。

c、风电场并网点无功电流动态支撑特性满足标准要求

风电场无功电流动态支撑的考核包括对无功电流响应时间、持续时间、故障支撑的无功电流幅值。仿真工况需考虑无功电流动态支撑的临界和极限工况。

总装机容量在百万千瓦级规模及以上风电场群中的风电场，电力***发生三相短路故障引起电压跌落，在低电压穿越过程中风电场注入电力***的动态无功电流应满足I_T≥1.5×(0.9-U_T)I_N，(0.2≤U_T≤0.9)；风电场动态无功电流控制的响应时间不大于30ms，持续时间应在550ms及以上，且最大持续时间为电压跌落持续时间。式中：

U_T——故障期间风电场并网点电压标幺值；

I_N——风电场的额定电流。

根据故障工况集的选取原则，提出风电场低电压穿越仿真评价的故障工况集，如下表所示，该表仿真工况中，风电机组的出力均为额定功率。不同残压值对应的故障持续时间对照GB/T19963-2011标准要求的持续时间。

表1风电场低电压穿越仿真评价的故障工况集

步骤4-2、记录故障前至少0.5s到故障消失有功功率、无功功率稳定后至少0.5s稳定运行的仿真结果，其中有功功率、无功功率和无功电流仿真结果应记录正序基波分量。

步骤4-3、记录故障期间和故障消失后典型风电机组机端电压、有功功率和无功功率波形。依据风电机组的保护设置，对照故障期间和故障消失后的电压值及相应的持续时间、机端电流值，判断风电机组是否会脱网。

步骤4-4、记录每个工况下风电场并网点电压、有功功率波形。核查故障消失后风电场有功功率的恢复情况，给出每种工况下风电场有功功率曲线。

步骤4-5、记录每个工况下风电场并网点无功功率和无功电流波形，计算动态无功电流注入的响应时间、持续时间和注入值，核查故障期间风电场的动态无功支撑能力。

步骤4-6、根据每个工况下风电机组机端电压、有功功率和无功功率波形，进行评价指标计算，分析风电场内风电机组在故障期间的动态响应特性。

评价指标包括风电场有功功率恢复速率、无功电流响应时间、持续时间、无功电流动态支撑幅值。具体计算方法是：

(1)自故障消失时刻开始，风电场有功功率恢复平均速率不小于10％额定功率/秒，有功功率的恢复平均速率按公式(1)计算；同时功率恢复期间的有功功率值不低于附图5中10％额定功率/秒恢复曲线对应的有功功率。

有功功率恢复速率：

式中，P₁为故障消失时刻风电场有功功率；P₂为有功功率恢复至故障前的90％；t_a1为故障消失时刻；t_a2为有功功率恢复至持续大于P₂的起始时刻；

(2)风电场注入电力***的动态无功电流值按公式(2)计算，应满足GB/T19963中对动态无功电流注入的要求。自并网点电压跌落出现的时刻起，动态无功电流控制的响应时间不大于75ms，持续时间不少于550ms，响应时间和持续时间分别按公式(3)和公式(4)计算。附图5为风电场无功电流动态支撑考核示意图。

无功电流注入值：

无功电流输出响应时间：

t_res＝t_r1-t₀. (3)

无功电流注入持续时间：

t_last＝t_r2-t_r1 (4)

式中，I_Q为无功电流注入稳态平均值的90％；I(t)为风电场并网点无功电流曲线；t₀为电压跌落开始时刻；t_r1为电压跌落期间风电场无功电流注入持续大于I_Q的起始时刻；t_r2为电压跌落期间风电场无功电流注入持续大于I_Q的结束时刻。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于典型故障工况集的低电压穿越能力仿真评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)以风电机组的实际结构和控制策略为基础，建立风电机组仿真模型；

(2)采集风电场内所有生产类电气设备数据，建立风电场电气仿真模型；

(3)采用电压源加等效阻抗的方式建立电网等效模型；

(4)根据选取的故障工况集进行风电场低电压穿越能力评价；

所述步骤(4)包括如下步骤：

步骤4-1、根据故障工况选取原则建立的故障工况集设置并网点短路故障；

步骤4-2、记录每个工况故障期间及其前后的数据；

步骤4-3、根据每个工况得到的数据进行评价指标计算；

所述步骤4-1中，所述故障工况选取原则包括：

a、风电场并网点电压在标准规定的幅值范围和跌落持续时间内，风电机组不脱网连续运行，规定的幅值范围为20％到100％，跌落持续时间为2s；

b、风电场并网点有功功率恢复速率不低于10％额定功率/秒的标准要求；

c、风电场并网点无功电流动态支撑特性满足标准要求，包括动态无功电流满足I_T≥1.5×(0.9-U_T)I_N，式中0.2≤U_T≤0.9，风电场动态无功电流控制的响应时间等于或小于30ms，持续时间应在550ms及以上，且最大持续时间为电压跌落持续时间；式中U_T为故障期间风电场并网点电压标幺值；I_N为风电场的额定电流；

所述步骤4-3中，评价指标包括风电场有功功率恢复速率、无功电流响应时间、持续时间、无功电流动态支撑幅值，计算评价指标包括如下步骤：

步骤4-3-1、自故障消失时刻开始，风电场有功功率恢复平均速率不小于10％额定功率/秒，有功功率的恢复平均速率k_P计算公式如下：

式中，P₁为故障消失时刻风电场有功功率；P₂为有功功率恢复至故障前的90％；t_a1为故障消失时刻；t_a2为有功功率恢复至持续大于P₂的起始时刻；并且功率恢复期间的有功功率值不低于10％额定功率/秒恢复曲线对应的有功功率；

步骤4-3-2、风电场注入电力***的动态无功电流值的计算公式如下：

式中，I_T(t)为风电场并网点无功电流曲线；t_r1为电压跌落期间风电场无功电流注入持续大于I_Q的起始时刻；t_r2为电压跌落期间风电场无功电流注入持续大于I_Q的结束时刻；I_Q为无功电流注入值I_T的90％；

响应时间的计算公式如下：

t_res＝t_r1-t₀ (3)

式中，t₀为电压跌落开始时刻；

无功电流注入持续时间的计算公式如下：

t_last＝t_r2-t_r1 (4)。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述步骤电气设备数据包括：电气设备参数、电气拓扑和继电保护设置，所述电气设备参数包括箱式变压器、主变压器、汇集线***、无功补偿设备参数。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4-1中，所述故障工况集包括：

(1)风电机组在额定有功功率、最大超前功率因数运行时，三相对称故障电压跌落至额定电压的20％、35％、50％、75％和90％，两相相间故障电压跌落至额定电压的20％、35％、50％、75％和90％，两相接地故障电压跌落至额定电压的20％、35％；

(2)风电机组在额定有功功率、单位功率因数运行时，三相对称故障电压跌落至额定电压的20％、35％和50％，两相相间故障电压跌落至额定电压的20％、35％和50％，两相接地故障电压跌落至额定电压的20％、35％；

(3)风电机组在额定有功功率、最大滞后功率因数运行时，三相对称故障电压跌落至额定电压的20％和35％，两相相间故障电压跌落至额定电压的20％。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4-2包括如下步骤：

步骤4-2-1、记录故障前至少0.5s到故障消失有功功率、无功功率稳定后至少0.5s稳定运行的仿真结果，其中有功功率、无功功率和无功电流仿真结果应记录正序基波分量；

步骤4-2-2、记录故障期间和故障消失后典型风电机组的机端电压、有功功率和无功功率波形；

步骤4-2-3、记录每个工况下风电场并网点电压、有功功率波形；

步骤4-2-4、记录每个工况下风电场并网点无功功率和无功电流波形。

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