CN116187082A - 风电场单机等值建模方法 - Google Patents

风电场单机等值建模方法 Download PDF

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CN116187082A CN202310217409.8A CN202310217409A CN116187082A CN 116187082 A CN116187082 A CN 116187082A CN 202310217409 A CN202310217409 A CN 202310217409A CN 116187082 A CN116187082 A CN 116187082A
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张轶平
祁峰
赫东阳
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Abstract

风电场单机等值建模方法，涉及电力***新能源场站建模领域。解决了现有的风电场等值建模方法无法适用于实际工程、建立的模型缺乏通用性、且参数辨识的实现过程较为复杂的问题。本发明根据获取风电场的电气设备参数与风电机组运行场景建立风电场详细模型；基于风电场详细模型进行单机等值参数辨识，根据每种型号的单机等值参数，建立每种型号的等值模型，完成对风电场等值模型的建立。参数辨识过程中将风电场中相同型号的风电机组各自等值为一台等值机、与相同型号的风电机组相配套的所有箱变和集电网络分别等值为等值箱变和等值集电网络，并对各等值设备进行参数辨识。本发明主要用于对新能源场站建模。

Description

风电场单机等值建模方法
技术领域
本发明涉及电力***新能源场站建模领域。
背景技术
随着全球能源和环境问题的日益突出，风力发电以其清洁、灵活、可持续等优点在电网中所占的比例越来越高。电网调度一体化的深入则使得实时仿真和在线安全稳定分析对***元件模型和参数的精度提出了更高要求。新能源发电的大规模和分布式接入，改变了电网原有的潮流分布、线路传输功率以及整个***的惯量，对电力***的静态、动态稳定性都有影响，使得电力***模型仿真变得复杂和困难，尤其是在新能源高比例接入情况下严重影响仿真的精度。如何建立和实际运行特性相同的新能源场站聚合等值模型，已成为电网规划和运行控制中需要解决的关键问题之一。
目前，针对风电场的机电暂态等值建模，已有多种解决方案，例如：
1、王磊等人发表的“基于改进D-K聚类算法的直驱型风电场动态等值建模”太阳能学报：2021，42(03)：48-55，该文章根据风电场内各台PMSG卸荷电路的导通情况对风电场进行首次分群，随后将卸荷电路未导通的PMSG故障期间的机端电压值作为分群指标,应用改进D-K聚类算法对风电场进行聚类等值，提高了聚类结果的准确性和稳定性，能够更准确地反映PMSG风电场并网点的暂态响应特性。
2、张剑等人发表的“基于轨迹灵敏度分析的永磁直驱风电场等值模型参数辨识”电工技术学报：2019，35(14)：1-13，该文章基于风电场公共并网点相量测量单元数据建立了永磁直驱风电场详细动态等值模型与初始化方法，分析参数的轨迹灵敏度，提出了对高灵敏度且时变参数以及高灵敏度控制***参数采用改进的基因学习粒子群(GLPSO)混合算法进行参数辨识，其他参数固定为聚合值或典型值的策略。
3、董文凯等人发表的“用于小信号稳定性分析的风电机群单机等值模型”电网技术，2021，45(04):1241-1250，该文章针对风电并网***小信号稳定性分析，基于线性化状态空间模型，推导了风电机群单机等值模型的表示形式，并进一步推广至多风电场并网***、得到其动态等值表示形式。
综上，目前已有的方法多数是通过MATLAB或PSCAD建立风电机组电磁仿真模型，再进行风电场的等值参数辨识，不能适应国内实际工程采用的PSASP机电暂态仿真软件，建立的模型缺乏通用性且参数辨识的实现过程较为复杂。以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的风电场等值建模方法无法适用于实际工程、建立的模型缺乏通用性、且参数辨识的实现过程较为复杂的问题，本发明提供了一种风电场单机等值建模方法。
风电场单机等值建模方法，该方法包括如下步骤：
S1、获取风电场的电气设备参数与风电机组运行场景；
S2、根据步骤S1获取的风电场的电气设备参数与风电机组运行场景，建立风电场详细模型；
S3、基于风电场详细模型进行单机等值参数辨识，具体为：将风电场详细模型中相同型号的风电机组等值为一台该型号的等值机，同时还将与该相同型号的风电机组相配套的所有箱变和集电网络进行等值，分别等值为该种型号的等值箱变和等值集电网络；并对每种型号的等值机、等值箱变和等值集电网络进行单机等值参数辨识，得到每种型号的单机等值参数；
其中，每种型号的单机等值参数包括等值机参数、等值箱变参数和等值集电网络参数；
S4、根据每种型号的单机等值参数，建立每种型号的等值模型，完成对风电场等值模型的建立。
优选的是，步骤S1中，电气设备参数包括等值前的风电机组参数、等值前的箱变参数、等值前的主变参数和等值前的集电网络参数；
风电机组的运行场景为风电机组出力。
优选的是，步骤S3中，等值机参数包括等值机基本参数和等值机运行参数；其中，
等值机基本参数包括发电机/变流器模型参数、风轮机及控制器参数、本地级控制器参数、电压穿越期间控制参数、电压恢复控制参数、以及不对称故障与虚拟惯量控制参数；
等值机运行参数包括：
Figure BDA0004115396820000021
其中，m为等值前同型号风电机组数量，Pi为等值前同型号风电机组中第i个风电机组出力，i＝1、2、…m，Pn为等值前同型号风电机组额定功率，Sn为等值前同型号风电机组额定容量，Peq为等值机的出力，Pn_eq为等值机的额定功率，Sn_eq为等值机的额定容量；
等值箱变参数包括：
Figure BDA0004115396820000031
公式2中，R1为与风电机组配套箱变的正序电阻，X1为与风电机组配套箱变的正序感抗，GM为与风电机组配套箱变的激励电导，BM为与风电机组配套箱变的激励电纳，R1eq为等值箱变的正序电阻，X1eq为等值箱变的正序感抗，GMeq为等值箱变的激励电导，BMeq为等值箱变的激励电纳；
等值集电网络参数包括：
Figure BDA0004115396820000032
公式3中，Si为等值前同型号风电机组中第i个风电机组视在功率，
Figure BDA0004115396820000033
为等值前同型号风电机组中第i个风电机组电流，Seq为等值机视在功率，/>
Figure BDA0004115396820000034
为等值机电流，/>
Figure BDA0004115396820000035
为等值机电压，/>
Figure BDA0004115396820000037
为风电场主变低压侧电压，Zeq为等值集电网络线路阻抗。
优选的是，
Figure BDA0004115396820000036
公式4中，R1eq为等值集电网络线路的正序电阻，X1eq为等值集电网络线路的正序感抗，Re为取实部，Im为取虚部。
优选的是，风电场详细模型和等值机模型均属于机电暂态模型。
优选的是，步骤S2中，采用PSASP软件对建立风电场详细模型。
本发明带来的有益效果是：
1、本发明所述的风电场单机等值建模方法，无需对风电机组分群、建模及计算过程简单，是一种在实际工程上易于实现的等值方法，适用于实际工程、通用性强，具体的，将风电场中相同型号的风电机组各自等值为一台等值机、与相同型号的风电机组相配套的所有箱变等值为该种型号的等值箱变、与相同型号的风电机组相配套的所有集电网络等值为该种型号的等值集电网络。
2、本发明参数辨识过程简单，便于实现。
3、本发明不受风电机组类型(如双馈、直驱)影响，仅考虑风电机组的型号区别，来进行模型构建；
4、本发明可基于实际工程上常用的PSASP软件环境来进行风电场详细模型建立、每种型号的等值模型建立等。
5、本发明所提出的风电场单机等值建模方法可提升电网的仿真准确度，避免现有技术中由于风电模型不准导致运行方式过于保守的问题，提高电网安全运行水平和风电接纳能力。
附图说明
图1为本发明所述的风电场单机等值建模方法流程图；
图2为风电场详细模型结构示意图；其中，WTG1至WTG22分别为第1至第22个风电机组，
Figure BDA0004115396820000041
为集电网络阻抗；-为外送线路；/>
图3为通过本发明对图2进行单机等值参数辨识后，所建立的风电场等值模型的结构示意图；其中，附图标记1为型号1的等值模型，附图标记2为型号2的等值模型。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述风电场单机等值建模方法，该方法包括如下步骤：
S1、获取风电场的电气设备参数与风电机组运行场景；
S2、根据步骤S1获取的风电场的电气设备参数与风电机组运行场景，建立风电场详细模型；
S3、基于风电场详细模型进行单机等值参数辨识，具体为：将风电场详细模型中相同型号的风电机组等值为一台该型号的等值机，同时还将与该相同型号的风电机组相配套的所有箱变和集电网络进行等值，分别等值为该种型号的等值箱变和等值集电网络；并对每种型号的等值机、等值箱变和等值集电网络进行单机等值参数辨识，得到每种型号的单机等值参数；
其中，每种型号的单机等值参数包括等值机参数、等值箱变参数和等值集电网络参数；
S4、根据各型号的单机等值参数，建立该种型号的等值模型，完成对风电场等值模型的建立。
应用时，步骤S3中已经获得了各类型的等值机、等值箱变和等值集电网络，步骤S4在构建某种型号的等值模型时，某种型号的等值模型包括该种型号的等值机、等值箱变和等值集电网络，具体可通过所获得的单机等值参数，确定该种类型的等值机、等值箱变和等值集电网络的具体参数，从而确定该种型号的等值模型。
本发明所述的风电场单机等值建模方法，无需对风电机组分群、计算简单，是一种在实际工程上易于实现的单机等值方法，即：将风电场中相同型号的风电机组各自等值为一台等值机、与相同型号的风电机组相配套的所有箱变等值为该种型号的等值箱变、与相同型号的风电机组相配套的所有集电网络等值为该种型号的等值集电网络，具体的，当相同型号的风电机组的数量为1时，将该型号的风电机组等值为1台该种型号的等值机；当相同型号的风电机组的数量为多个时，将该型号的所有风电机组等值为1台该种型号的等值机；同时，本发明不受风电机组类型(如双馈、直驱)影响，仅考虑风电机组的型号区别；本发明所提出的风电场单机等值建模方法可提升电网的仿真准确度，避免现有技术中由于风电模型不准导致运行方式过于保守的问题，提高电网安全运行水平和风电接纳能力。
风电场等值模型中包括1种或多种型号的等值模型，且其等值模型的型号种类与风电机组的型号种类完全相同。
具体应用时，电气设备参数包括等值前的风电机组参数、等值前的箱变参数、等值前的主变参数和等值前的集电网络参数；风电机组运行场景为风电机组出力。具体应用时，当提供运行场景时，将实际的风电机组出力作为当前运行场景；而当未提供运行场景时，将给定的风电机组出力
Figure BDA0004115396820000061
作为当前运行场景，其中，Pi′为等值前同型号风电机组中第i个风电机组给定出力，i＝1、2、…m，m为等值前同型号风电机组数量，Pn为等值前同型号风电机组额定功率。
等值前的风电机组参数包括等值前的发电机/变流器模型参数、等值前的风轮机及控制器参数、等值前的本地级控制器参数、等值前的电压穿越期间控制参数、等值前的电压恢复控制参数、等值前的不对称故障与虚拟惯量控制参数、等值前的机组出力、等值前的额定功率及额定容量，等值前的箱变参数包括等值前的箱变正序电阻、等值前的箱变正序电抗、等值前的箱变激励电导、等值前的箱变激励电纳，等值前的主变参数包括等值前的主变正序电阻、等值前的主变正序电抗、等值前的主变激励电导、等值前的主变激励电纳，等值前的集电网络参数包括等值前的集电网络正序电阻和等值前的集电网络正序电抗。
步骤S2中建立风电场详细模型可采用PSASP软件实现构建，构建的过程可通过现有技术实现。
更进一步的，
步骤S3中，等值机参数包括等值机基本参数和等值机运行参数；其中，
等值机基本参数包括发电机/变流器模型参数、风轮机及控制器参数、本地级控制器参数、电压穿越期间控制参数、电压恢复控制参数、以及不对称故障与虚拟惯量控制参数；
等值机运行参数包括：
Figure BDA0004115396820000062
其中，m为等值前同型号风电机组数量，Pi为等值前同型号风电机组中第i个风电机组出力，i＝1、2、…m，Pn为等值前同型号风电机组额定功率，Sn为等值前同型号风电机组额定容量，Peq为等值机的出力，Pn_eq为等值机的额定功率，Sn_eq为等值机的额定容量；
等值箱变参数包括：
Figure BDA0004115396820000063
公式2中，R1为与风电机组配套箱变的正序电阻，X1为与风电机组配套箱变的正序感抗，GM为与风电机组配套箱变的激励电导，BM为与风电机组配套箱变的激励电纳，R1eq为等值箱变的正序电阻，X1eq为等值箱变的正序感抗，GMeq为等值箱变的激励电导，BMeq为等值箱变的激励电纳；
等值集电网络参数包括：
Figure BDA0004115396820000071
公式3中，Si为等值前同型号风电机组中第i个风电机组视在功率，
Figure BDA0004115396820000072
为等值前同型号风电机组中第i个风电机组电流，Seq为等值机视在功率，/>
Figure BDA0004115396820000073
为等值机电流，/>
Figure BDA0004115396820000074
为等值机电压，/>
Figure BDA0004115396820000075
为风电场主变低压侧电压，Zeq为等值集电网络线路阻抗，(·)*为共轭。
更进一步的，
Figure BDA0004115396820000076
公式4中，R1eq为等值集电网络线路的正序电阻，X1eq为等值集电网络线路的正序感抗，Re为取实部，Im为取虚部。
还可通过以下试验对发明所构建的风电场等值模型进行验证，具体包括：
低电压穿越响应验证：在风电场出口处设置三相短路故障，电压分别跌落至0.5p.u.、0.35p.u.和0.2p.u.，具体应用时故障持续时间按照对应型号风电机组低电压穿越检测报告中的电压跌落工况设置，以现场实际应用为准，验证风电场详细模型与风电场等值模型的风电场出口电压、有功功率和无功功率响应曲线，根据以上两种模型的生成的相应曲线的跟随情况来说明发明所构建的风电场等值模型的有效性，通过具体应用证明本发明具有很好的建模效果，风电场出口电压、有功功率和无功功率响应曲线的误差范围不超过0.05p.u.。
高电压穿越响应验证：风电场出口处设置三相压升故障，电压分别上升至1.2p.u.、1.25p.u.和1.3p.u.，具体应用时故障持续时间按照对应型号风电机组高电压穿越检测报告中的电压上升工况设置，以现场实际应用为准，验证详细模型与等值模型的风电场出口电压、有功功率和无功功率响应曲线，根据以上两种模型的生成的相应曲线的跟随情况说明发明所构建的风电场等值模型的有效性，通过具体应用证明本发明具有很好的建模效果，其中，风电场出口电压、有功功率和无功功率响应曲线的误差范围不超过0.05p.u.。
下面以风电场中存在两种型号的风电机组为例，来体现风电场详细模型和风电场等值模型的关系，参见图2和图3，具体为：
图2给出了一种根据获取的风电场资料建立风电场详细模型；该图2中包括两种型号风电机组，其中，WTG1、WTG5、WTG11和WTG17的机组型号为型号1，剩余的风电机组的机组型号为型号2。
图3为通过本发明方法对图2进行单机等值参数辨识后，所建立的风电场等值模型的结构示意。图3中体现了进行单机等值参数辨识后，得到两种型号的等值模型，分别为：型号1的等值模型和型号2的等值模型，且由型号1和型号2的等值模型构成了风电场等值模型。
通过图2和图3可直观的看出本发明方法所构建的风电场等值模型。本发明建模方法，无需对风电机组分群，应用时，将风电场中相同型号的风电机组各自等值为一台等值机、与相同型号的风电机组相配套的所有箱变等值为该种型号的等值箱变、与相同型号的风电机组相配套的所有集电网络等值为该种型号的等值集电网络，等值后依次通过风电场主变与外送线路连接至电网；本发明不受风电机组类型(如双馈、直驱)影响，仅考虑风电机组的型号区别，建模过程简单，便于实现。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.风电场单机等值建模方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、获取风电场的电气设备参数与风电机组运行场景；
S2、根据步骤S1获取的风电场的电气设备参数与风电机组运行场景，建立风电场详细模型；
S3、基于风电场详细模型进行单机等值参数辨识，具体为：将风电场详细模型中相同型号的风电机组等值为一台该型号的等值机，同时还将与该相同型号的风电机组相配套的所有箱变和集电网络进行等值，分别等值为该种型号的等值箱变和等值集电网络；并对每种型号的等值机、等值箱变和等值集电网络进行单机等值参数辨识，得到每种型号的单机等值参数；
其中，每种型号的单机等值参数包括等值机参数、等值箱变参数和等值集电网络参数；
S4、根据每种型号的单机等值参数，建立每种型号的等值模型，完成对风电场等值模型的建立。
2.根据权利要求1所述的风电场单机等值建模方法，其特征在于，步骤S1中，电气设备参数包括等值前的风电机组参数、等值前的箱变参数、等值前的主变参数和等值前的集电网络参数；
风电机组的运行场景为风电机组出力。
3.根据权利要求1所述的风电场单机等值建模方法，其特征在于，步骤S3中，等值机参数包括等值机基本参数和等值机运行参数；其中，
等值机基本参数包括发电机/变流器模型参数、风轮机及控制器参数、本地级控制器参数、电压穿越期间控制参数、电压恢复控制参数、以及不对称故障与虚拟惯量控制参数；
等值机运行参数包括：
Figure FDA0004115396810000011
其中，m为等值前同型号风电机组数量，Pi为等值前同型号风电机组中第i个风电机组出力，i＝1、2、…m，Pn为等值前同型号风电机组额定功率，Sn为等值前同型号风电机组额定容量，Peq为等值机的出力，Pn_eq为等值机的额定功率，Sn_eq为等值机的额定容量；
等值箱变参数包括：
Figure FDA0004115396810000021
公式2中，R1为与风电机组配套箱变的正序电阻，X1为与风电机组配套箱变的正序感抗，GM为与风电机组配套箱变的激励电导，BM为与风电机组配套箱变的激励电纳，R1eq为等值箱变的正序电阻，X1eq为等值箱变的正序感抗，GMeq为等值箱变的激励电导，BMeq为等值箱变的激励电纳；
等值集电网络参数包括：
Figure FDA0004115396810000022
公式3中，Si为等值前同型号风电机组中第i个风电机组视在功率，
Figure FDA0004115396810000023
为等值前同型号风电机组中第i个风电机组电流，Seq为等值机视在功率，/>
Figure FDA0004115396810000024
为等值机电流，/>
Figure FDA0004115396810000025
为等值机电压，
Figure FDA0004115396810000026
为风电场主变低压侧电压，Zeq为等值集电网络线路阻抗。
4.根据权利要求3所述的风电场单机等值建模方法，其特征在于，
Figure FDA0004115396810000027
公式4中，R1eq为等值集电网络线路的正序电阻，X1eq为等值集电网络线路的正序感抗，Re为取实部，Im为取虚部。
5.根据权利要求1所述的风电场单机等值建模方法，其特征在于，风电场详细模型和等值机模型均属于机电暂态模型。
6.根据权利要求1所述的风电场单机等值建模方法，其特征在于，步骤S2中，采用PSASP软件对建立风电场详细模型。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117313293A (zh) * 2023-11-30 2023-12-29 山东大学 一种直驱风电场小信号等值建模方法、***、终端及介质

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117313293A (zh) * 2023-11-30 2023-12-29 山东大学 一种直驱风电场小信号等值建模方法、***、终端及介质
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