CN104242336A - 基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法，所述方法包括下述步骤：(1)以连接于新能源电站内一条馈线上连接的新能源发电单元为研究对象，确定两台新能源发电单元的相互作用系数参考值为K₀；(2)根据两台新能源发电单元的相互作用系数参考值K₀，确定将馈线上的发电单元分群的数目N和群内发电单元的数量；(3)确定新能源电站等效简化模型。本发明所提供的方法充分考虑新能源发电单元之间暂态特性的差异性，等效简化后的新能源电站模型可准确模拟新能源电站并网的暂态响应特性。

Description

基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法

技术领域

本发明涉及一种新能源发电并网技术领域的方法，具体涉及一种基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法。

背景技术

目前的新能源发电是一种典型的间歇性电源。随着越来越多的新能源发电直接并入电网，其对电网供电稳定性的影响也越来越复杂，所以必须分析和研究相关电力系统的稳定性。较之常规火电机组，新能源发电单机容量较小，电力系统关注着新能源电站整体表现出的暂态响应特性，因此，为了避免大量新能源发电单元模型带来的维数灾问题，在研究大规模新能源发电并网稳定时，一般采用新能源电站等效简化模型。

新能源电站的暂态响应特性并非仅仅涉及新能源发电单元暂态响应特性的线性放大或叠加。目前的新能源发电主要是指风电和光伏，呈现“大规模、高集中”的开发模式和“高电压、大容量、跨区域、远距离”的输送模式。一个典型的风电场或光伏电站均采用多台风电机组或光伏发电单元经过箱变汇集至集电线路，通过多条馈线汇集至升压变，再通过送出线接入电力系统。当系统中的这些新能源发电注入率比较高时，从新能源电站接入点进入电网内抗相对较大，并网点电压对功率传输灵敏度较高，电网扰动时，新能源电站的暂态响应影响其并网点电压动态，并网点电压的动态变化又会影响新能源发电单元的暂态响应，需要充分考虑造成馈线上各新能源发电单元暂态响应特性的可能存在较大差异。因此，需要提供一种针对新能源发电并网的系统暂态稳定性，用尽可能少的发电单元反映新能源电站实际暂态响应特性、充分考虑新能源电站接入方式、汇集线路参数的建模方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法，本发明所提供的方法充分考虑新能源发电单元之间暂态特性的差异性，等效简化后的新能源电站模型可准确模拟新能源电站并网的暂态响应特性。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

(1)以连接于新能源电站内一条馈线上连接的新能源发电单元为研究对象，确定两台新能源发电单元的相互作用系数参考值K₀；

(2)根据两台新能源发电单元的相互作用系数参考值为K₀，确定将馈线上的发电单元分群的数目N和群内发电单元的数量；

(3)确定新能源电站等效简化模型。

进一步地，所述步骤(1)包括下述步骤：

1)搭建仿真系统模型；

2)短路故障计算；

3)搜寻新能源发电单元相互作用系数临界状态；

4)计算新能源发电单元相互作用系数参考值。

进一步地，所述步骤1)中，搭建仿真系统模型包括：搭建两台新能源发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型；新能源电站馈线长度初始值设置为1km；搭建单机2倍乘容量单台新能源发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型。

进一步地，所述步骤2)中，针对步骤1)建立的两个仿真系统模型，分别在新能源发电单元满发的情况下，设置送出线路发生中度电压跌落深度的三相短路故障，根据GB/T19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》，设置电压跌落深度为0.5pu，故障持续时间1.2s；

记录两台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率之和为P₁、无功功率之和为Q₁，记录2倍乘容量单台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率为P₂和无功功率为Q₂；记录时间为故障发生至故障结束后10s。

进一步地，所述步骤3)中，根据步骤2)的仿真结果计算式<1>；若式<1>不成立，则两台新能源发电单元间馈线长度增加1km，转步骤2)；若式<1>成立，则转步骤4)；

$\frac{1}{t_{\mathrm{on}}-t_{\mathrm{off}}}{\&Integral;}_{t_{\mathrm{on}}}^{t_{\mathrm{off}}}\frac{1}{2}\left(\right|P_1-P_2|+|Q_1-Q_2\left|\right)\mathrm{dt}\&GreaterEqual;0.2---<1>;$

式中，t_on为故障起始时刻；t_off为故障结束后10s；P₁和Q₁分别为两台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率之和和无功功率之和；P₂和Q₂分别为2倍乘容量单台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率和无功功率。

进一步地，所述步骤4)中，根据式<2>计算新能源发电单元相互作用系数K作为参考值K₀，其中SCR1为第一台新能源发电单元的短路比；SCR2为第二台发电单元的短路比；短路比定义为电网侧短路容量与新能源发电单元额定功率的比值，馈线长度根据步骤3)确定。

$K=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{SCR}2}{\mathrm{SCR}1}+\frac{\mathrm{SCR}1}{\mathrm{SCR}2})(1-\frac{\mathrm{SCR}2}{\mathrm{SCR}1})---<2>.$

进一步地，所述步骤(2)中确定将馈线上的发电单元分群的数目N和群内发电单元的数量包括下述步骤：

1>利用单机倍乘法将一条馈线上的新能源发电单元等效成N台，等效单台新能源发电单元的容量为整条馈线上新能源发电单元容量和的均分，集电线路的长度为整条馈线长度的均分；

2>给定一条馈线上等效发电单元的台数N＝2，根据式<2>计算两台新能源发电单元相互作用系数K；判断相互作用系数K与参考值K₀的关系，如果K值大于参考值K₀则增加N值，再次计算发电单元间相互作用系数K，直到K值小于参考值K₀，确定等效发电单元台数N值。

进一步地，所述步骤(3)中确定新能源电站等效简化模型包括下述步骤：

a)确定新能源发电单元等值模型：根据步骤(2)确定的一条馈线上等效新能源发电单元台数N，均分单一馈线上所有新能源发电单元的容量，单一新能源发电单元模型采用倍乘模型；

b)确定汇集线路等值模型：等值后的N台新能源发电单元间的集电线路长度为整个馈线长度的N等分，线路参数采用原有集电线路参数；

c)确定新能源发电单元箱变等值模型：等值后的N台新能源发电单元对应连接N台箱变，每台箱变的等值阻抗值Zeq表示为：

Z_eq＝Z/M    <3>。

式中，M为每台等值发电单元所代表的实际发电单元台数；Z为实际单台箱变阻抗。

与现有技术比，本发明达到的优异效果是：

(1)本发明所提供的方法充分考虑新能源发电单元之间暂态特性的差异性，等效简化后的新能源电站模型可准确模拟新能源电站并网的暂态响应特性；

(2)本发明所提供的方法可以使用较少的发电单元实现新能源电站等效简化建模，降低了仿真计算的维数；

(3)本发明所提供的方法原理清晰、操作简单、快速有效。

(4)本发明针对新能源发电并网的系统暂态稳定性，用尽可能少的发电单元反映新能源电站实际暂态响应特性、充分考虑新能源电站接入方式、汇集线路参数。

附图说明

图1是本发明提供的基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法的流程图；

图2是本发明提供的两台发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型图；

图3是本发明提供的2倍乘容量单台发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型图；

图4是本发明提供的SCR1含义图示；

图5是本发明提供的SCR2含义图示；

图6是本发明提供的某风电场详细模型示意图；

图7是本发明提供的单机聚合模型与实际风场暂态有功波形对比图；

图8是本发明提供的单机聚合模型与实际风场暂态无功波形对比图；

图9是本发明提供的单机聚合模型并网点和实际风场馈线上电压波形图；

图10是本发明提供的多机等值模型与实际风场暂态有功波形对比图；

图11是本发明提供的多机等值模型与实际风场暂态无功波形对比图；

图12是本发明提供的多机等值模型并网点电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

(1)以连接于新能源电站内一条馈线上连接的新能源发电单元为研究对象，确定两台发电单元的相互作用系数参考值为K₀；包括下述步骤：

1)搭建仿真系统模型。在仿真软件中搭建两台新能源发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型，如图2所示，馈线长度初始值设置为1km；搭建单机2倍乘容量单台发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型，如图3所示；

2)短路故障计算。针对步骤1)建立的两个仿真系统模型，分别在发电单元满发的情况下，设置送出线路发生中度电压跌落深度的三相短路故障(根据GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》，可设置电压跌落深度为0.5pu，故障持续时间1.2s)。记录图2中两台发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率之和为P₁、无功功率之和为Q₁，记录图3中2倍乘容量单台发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率为P₂、无功功率为Q₂；记录时间为故障发生至故障结束后10s；

3)发电单元相互作用系数临界状态搜寻。根据步骤2)的仿真结果计算式<1>。若式<1>不成立，则图2中两台发电单元间馈线长度增加1km，转步骤2)；若式<1>成立，则转步骤4)；

$\frac{1}{t_{\mathrm{on}}-t_{\mathrm{off}}}{\&Integral;}_{t_{\mathrm{on}}}^{t_{\mathrm{off}}}\frac{1}{2}\left(\right|P_1-P_2|+|Q_1-Q_2\left|\right)\mathrm{dt}\&GreaterEqual;0.2---<1>;$

式中，t_on为故障起始时刻；t_off为故障结束后10s。

4)发电单元相互作用系数参考值计算。根据式<2>计算发电单元相互作用系数K作为参考值K₀，其中SCR1为第一台发电单元的短路比；SCR2为第二台发电单元的短路比。短路比定义为电网侧短路容量与发电单元额定功率的比值，计算点分别如图4和图5所示，馈线长度根据步骤3)确定。

$K=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{SCR}2}{\mathrm{SCR}1}+\frac{\mathrm{SCR}1}{\mathrm{SCR}2})(1-\frac{\mathrm{SCR}2}{\mathrm{SCR}1})---<2>;$

(2)根据两台发电单元的相互作用系数参考值K₀，确定将馈线上的发电单元分群的数目N和群内发电单元的数量；包括下述步骤：

1>利用单机倍乘法将一个馈线上的发电单元等效成N台，等效单台发电单元的容量为整个馈线上发电单元容量和的均分，集电线路的长度为整个馈线长度的均分；

2>给定一个馈线上等效发电单元的台数N＝2，根据式(2)计算两台发电单元相互作用系数K。判断相互作用系数K与K0的关系，如果K值大于K0则增加N值，再次计算发电单元间相互作用系数K，直到K值小于K0，确定等效发电单元台数N值。

(3)确定新能源电站等效简化模型；包括下述步骤：

a)确定新能源发电单元等值模型。根据步骤(2)确定的一个馈线上等效发电单元台数N，均分单一馈线上所有发电单元的容量，单一发电单元模型采用倍乘模型；

b)确定汇集线路等值模型。等值后的N台发电单元间的集电线路长度为整个馈线长度的N等分，线路参数仍然采用原有集电线路参数；

c)确定发电单元箱变等值模型。等值后的N台发电单元对应连接N台箱变，每台箱变的等值阻抗值Zeq可表示为：

Z_eq＝Z/M    <3>；

式中，M为每台等值发电单元所代表的实际发电单元台数，可以是小数；Z为实际单台箱变阻抗。

实施例

本发明应用于某实际大型风电场等值，其详细模型示意图如图6所示，200MW的风电场安装1.5MW的变速风电机组134台。风电场中的风电机组分成12组，每组接11～12台机组不等，每台发电机采用单机连接单元变压器0.69/35KV的形式接至35KV架空线，1回架空线汇集每组的11～12台风电机组，经1条35KV电缆接至风电场升压变电站35KV母线。风电机组与箱式变压器的电气主接线采用一机一变压器的单元接线方式，风电机组出口电压为0.69kV，箱式变压器升压后输送至35kV架空线。箱式变压器低压侧与风电机组之间采用1kV低压电缆连接，共选用134台箱式变压器，箱式变压器容量为1600kVA，电压为0.69/35kV。每组风电机组经一条35kV电缆接至风电场升压变电站35kV母线，200MW的风电场共有12条35kV电缆。

分别以单一馈线上的风电机组为研究对象，搭建两台风电机组(机组容量1.5MW)与系统相连仿真系统如图2所示，并搭建2倍乘容量风电机组(机组容量3MW)与系统相连仿真系统，如图3所示。按照本发明方法计算得到两台风机的相互作用系数K0，利用两台风机的相互作用系数K0确定等效风电机组的台数N＝2。设计两组仿真实验验证本文所提风电场建模方法的有效性。第一组仿真比较单机聚合模型和实际风场暂态出力特性的差异。第二组仿真比较多机等值模型和实际风场暂态出力特性的差异。每条馈线含有12台机，同一条馈线上相邻两机之间集电线路长度为900m。每条馈线经60km输电线路接到110kv母线。故障发生在35kv输电线路上，故障形式为三相对称短路故障，10s时发生故障，10.5s时故障切除，故障期间风机会向电网注入无功。单机等值时按照常规建模方法进行等值。经过分析，多机等值时单条馈线可用两机去等值，每机容量为9WM，两机间集电线路长度为5km。图7和图8给出了单机聚合模型与实际风场暂态有功、无功波形对比；图9给出了单机聚合模型并网点、实际风场馈线上电压波形；图10和图11给出了多机等值模型与实际风场暂态有功、无功波形对比；图12给出了多机等值模型并网点电压波形。

通过仿真结果可以看出，在稳态时单机聚合模型和实际风场的出力差异不大。暂态时实际风场的有功、无功出力特性和单机聚合模型的特性差异较大，单机暂态期间的有功出力要小一些。应用本发明所提供的基于机组相互作用系数的风电场简化等值建模方法建立的风电场模型进行计算，不但可以准确模拟风电场的稳态出力特性，也可以准确模拟风电场的暂态出力特性。

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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.基于发电单元相互作用系数的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

(1)以连接于新能源电站内一条馈线上的新能源发电单元为对象，确定两台新能源发电单元的相互作用系数参考值为K₀；

(2)根据所述K₀确定馈线上的发电单元分群数目N和群内发电单元数量；

(3)确定新能源电站等效简化模型。

2.如权利要求1所述的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述步骤(1)包括下述步骤：

1)搭建仿真系统模型；

2)短路故障计算；

3)搜寻新能源发电单元相互作用系数临界状态；

4)计算新能源发电单元相互作用系数参考值。

3.如权利要求2所述的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述步骤1)包括：搭建两台新能源发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型；新能源电站馈线长度初始值设置为1km；搭建单机2倍乘容量单台新能源发电单元与实际送出系统连接的仿真系统模型。

4.如权利要求2所述的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述步骤2)中，针对步骤1)建立的两个仿真系统模型，分别在新能源发电单元满发的情况下，设置送出线路发生中度电压跌落深度的三相短路故障，根据GB/T 19963-2011《风电场接入电力系统技术规定》，设置电压跌落深度为0.5pu，故障持续时间1.2s；

记录两台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率之和为P₁、无功功率之和为Q₁，记录2倍乘容量单台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率为P₂和无功功率为Q₂；时间为故障发生至故障结束后10s。

5.如权利要求2所述的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据步骤2)的仿真结果如下式<1>所示；若式<1>不成立，则两台新能源发电单元间馈线长度增加1km，转步骤2)；若式<1>成立，则转步骤4)；

$\frac{1}{t_{\mathrm{on}}-t_{\mathrm{off}}}{\&Integral;}_{t_{\mathrm{on}}}^{t_{\mathrm{off}}}\frac{1}{2}\left(\right|P_1-P_2|+|Q_1-Q_2\left|\right)\mathrm{dt}\&GreaterEqual;0.2---<1>;$

式中，t_on为故障起始时刻；t_off为故障结束后10s；P₁和Q₁分别为两台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率之和和无功功率之和；P₂和Q₂分别为2倍乘容量单台新能源发电单元在故障和故障恢复期间输出的有功功率和无功功率。

6.如权利要求2所述的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述步骤4)中，按下式<2>计算新能源发电单元相互作用系数K作为参考值K₀，其中SCR1为第一台新能源发电单元的短路比；SCR2为第二台发电单元的短路比；短路比定义为电网侧短路容量与新能源发电单元额定功率的比值，馈线长度根据步骤3)确定。

$K=\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{SCR}2}{\mathrm{SCR}1}+\frac{\mathrm{SCR}1}{\mathrm{SCR}2})(1-\frac{\mathrm{SCR}2}{\mathrm{SCR}1})---<2>.$

7.如权利要求1所述的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述步骤(2)中确定馈线上的发电单元分群的数目N和群内发电单元的数量包括下述步骤：

1>利用单机倍乘法将一条馈线上的新能源发电单元等效成N台，等效单台新能源发电单元的容量为整条馈线上新能源发电单元容量和的均分，集电线路的长度为整条馈线长度的均分；

2>给定一条馈线上等效发电单元的台数N＝2，根据式<2>计算两台新能源发电单元相互作用系数K；判断相互作用系数K与参考值K₀的关系，如果K值大于参考值K₀则增加N值，再次计算发电单元间相互作用系数K，直到K值小于参考值K₀，确定等效发电单元台数N值。

8.如权利要求1所述的新能源电站等效建模方法，其特征在于，所述步骤(3)中确定新能源电站等效简化模型包括下述步骤：

a)确定新能源发电单元等值模型：根据步骤(2)确定的一条馈线上等效新能源发电单元台数N，均分单一馈线上所有新能源发电单元的容量，单一新能源发电单元模型采用倍乘模型；

b)确定汇集线路等值模型：等值后的N台新能源发电单元间的集电线路长度为整个馈线长度的N等分，线路参数采用原有集电线路参数；

c)确定新能源发电单元箱变等值模型：等值后的N台新能源发电单元对应连接N台箱变，每台箱变的等值阻抗值Zeq表示为：

Z_eq＝Z/M    <3>。

式中，M为每台等值发电单元所代表的实际发电单元台数；Z为实际单台箱变阻抗。