CN106602610B - 一种风电场等值模型的建立方法 - Google Patents

一种风电场等值模型的建立方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风电场等值模型的建立方法，首先在RTDS仿真平台的Draft上建立扫频模块和激励源主电路；建立电网的详细模型，并将电网中的电源置零；在RTDS仿真平台的Runtime中编写批处理脚本，实时改变Draft中受控电压源的输出值，将扫频电压、电流显示在特定图像中，并作为数据保存在指定文件夹中；根据扫频电压、电流数据计算各个频率下的导纳值，并在Matlab上采用矢量拟合函数将对地导纳、互导纳拟合为有理函数；将拟合所得的有理函数以一定格式保存在指定的文本文件中。利用上述方法建立的等值模型能够较准确地还原风电场的电磁暂态响应，从而为风电场接入电网的电磁暂态特性研究奠定基础。

Description

一种风电场等值模型的建立方法
技术领域
本发明涉及新能源电源等值建模与仿真技术领域，尤其涉及一种风电场等值模型的建立方法。
背景技术
目前，风电正在世界范围内迅猛发展，其在电网中所占比例逐步增加。然而风电与传统以同步发电机组为代表的火电的运行原理存在巨大差异。特别是变速恒频型风力发电机组，需要依赖电力电子变换器才能接入电网，这使得风电的电磁暂态过程与同步发电机相对存在很大差异。现阶段，风电场接入对电网电磁暂态特性影响的研究已成为热点。
现有技术中针对风电场及所接电网电磁暂态特性的研究多采用仿真手段，已有一些软件(比如RTDS、PSCAD等)虽然搭建了风电的模型，但是这些软件大多建立的是单台风电机组的模型，针对风电场的模型还很少。仅少数软件搭建了风电场电磁暂态模型，但是采用的是简单的容量加权方法。实际上，风电场内机组台数多，且分布于不同地理位置，其电磁暂态特性是多个元件的综合响应，大扰动下风电场的电磁暂态过程非常复杂。因此，采用简单容量加权的方法，并不能够真实再现风电场的实际电磁暂态过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种风电场等值模型的建立方法，利用该方法建立的等值模型能够较准确地还原风电场的电磁暂态响应，从而为风电场接入电网的电磁暂态特性研究奠定基础。
一种风电场等值模型的建立方法，所述方法包括：
步骤1、在RTDS仿真平台的Draft上建立扫频模块和激励源主电路；
步骤2、建立电网详细模型，并将其中电源置零；
步骤3、在RTDS仿真平台的Runtime中编写批处理脚本，实时改变Draft中受控电压源的输出值，将扫频电压、电流显示在特定图像中，并作为数据保存在指定文件夹中，达到扫频效果；
步骤4、根据扫频电压、电流数据计算各个频率下的导纳值，并在Matlab上采用矢量拟合函数将对地导纳、互导纳拟合为有理函数；
步骤5、将拟合所得的有理函数以一定格式保存在指定的文本文件中，实现风电场等值模型的建立。
在所述步骤1中：
所建立的扫频模块由10个频率实时受控的正弦波信号生成模块构成，并用加法器将该10个不同频率的正弦波信号叠加为一个信号。
在所述步骤2中，在建立电网的详细模型的基础上，进一步基于RTDS仿真平台的自定义元件来建立频率依赖模型，具体包括：
在RTDS/CBuilder中建立频率依赖模型主电路的图形界面与接口参数；
进一步编写频率依赖模型自定义元件的核心程序，通过编写程序将有理函数数据输入该自定义元件中；
编译所建立的频率依赖模型的自定义元件，将其接入电网，替代原先的无源网络。
在所述步骤2中，在建立电网的详细模型的基础上，进一步基于RTDS仿真平台来建立低频动态模型，具体包括：
将电网控制系统中的直流母线电压-功率外环断开，给定功率参考值；
从电网控制系统的电流内环PI控制器的输出端口断开，移除逆变器及有关的三角波生成、波形调制器，移除逆变器出线阻抗；
采用RTDS仿真平台自带元件库中的一阶惯性元件代替逆变器出线阻抗，并以电流内环PI控制器的输出值作为惯性环节的输入，且惯性环节的输出即为低频动态模型的输出电流标幺值；
利用RTDS仿真平台自带元件库中的比例放大元件，将所述输出电流标幺值放大为多台机输出电流的有名值；
进一步利用RTDS仿真平台自带元件库中的受控电流源代替风电机机组群，作为电网控制系统与主电路的接口接入并网点；
再将所述多台机输出电流的有名值作为低频动态模型控制信号的输入受控电流源。
在编写频率依赖模型自定义元件的核心程序的过程中，所述方法还包括：
在RAM区中编写计算状态方程中各项系数的程序；
在CODE区中计算对地导纳、互导纳上输出的历史电流；
在CODE区中计算各相总导纳和注入电流。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，利用上述方法建立的等值模型能够较准确地还原风电场的电磁暂态响应，从而为风电场接入电网的电磁暂态特性研究奠定基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例所提供风电场等值模型的建立方法流程示意图；
图2为本发明实施例所建立的扫频模块的整体示意图；
图3为本发明实施例所述某风电场无源网络的详细模型与等值模型输出电流曲线的示意图；
图4为本发明实施例所述永磁风电场详细模型与等值模型输出电流曲线的示意图；
图5为本发明实施例所述双馈风电场详细模型与等值模型输出电流曲线的示意图。
具体实施方式
下面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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例所提供风电场等值模型的建立方法流程示意图，所述方法包括：
步骤1、在RTDS仿真平台的Draft上建立扫频模块和激励源主电路；
在该步骤1中，所建立的扫频模块由10个频率实时受控的正弦波信号生成模块构成，并用加法器将该10个不同频率的正弦波信号叠加为一个信号。
同时，控制正弦波频率的信号Freq由WidthFreq和BaseFreq两个滑块的输出值决定。
举例来说，如图2所示为本发明实施例所建立的扫频模块的整体示意图，参考图2：
该模块由10个频率实时受控的正弦波信号生成模块构成，控制正弦波频率的信号Freq由WidthFreq和BaseFreq两个滑块的输出值决定：
Freq＝BaseFreq+WidthFreq*x(1)
其中，x＝1，2...9，设定WidthFreq默认值为10。
并用加法器将生成的10个不同频率的正弦波信号叠加为一个信号。
另外，上述搭建激励源主电路的过程可以是：
在A相接入一个受控电压源，将上述所得叠加信号转化为相应电压，将B、C两相接地。
步骤2、建立电网详细模型，并将其中的电源置零；
在该步骤中，在建立电网的详细模型的基础上，进一步基于RTDS仿真平台的自定义元件来建立频率依赖模型，具体包括：
首先在RTDS/CBuilder中建立频率依赖模型主电路的图形界面与接口参数；
在CBuilder的C File Associations选项卡中以C语言，进一步编写频率依赖模型自定义元件的核心程序，通过编写程序将有理函数数据输入该自定义元件中；其中，在编写频率依赖模型自定义元件的核心程序的过程中，可以在RAM区中编写计算状态方程中各项系数的程序；在CODE区中计算对地导纳、互导纳上输出的历史电流；在CODE区中计算各相总导纳和注入电流；
然后编译所建立的频率依赖模型的自定义元件，将其接入电网，替代原先的无源网络。
下面以具体的实例对上述核心程序的编写过程进行描述：
1)利用函数“fp＝fopen(Path,"r")；”打开存放拟合所得有理函数数据的Path文件；
2)调用函数fscanf函数，利用语句
“fscanf(fp,"％d％d％d％d",&Ys_Nr,&Ys_Nc,&Ym_Nr,&Ym_Nc)；”读入对地导纳、互导纳的实数极点数和共轭极点数；
3)调用函数fscanf函数，利用语句
“fscanf(fp,"％lf％lf",&Ys_R_RESD_R[i],&Ys_A_POLE_R[i])；”读入文本文件中以实数极点形式出现的对地导纳，将留数放于Ys_R_RESD_R[i]中，将极点存于Ys_A_POLE_R[i]中，同理可读入以实数极点形式出现的互导纳；
4)调用函数fscanf函数，利用语句
“fscanf(fp,"％lf％lf％lf％lf",&Ys_R_RESD_C[i][0],&Ys_R_RESD_C[i][1],&Ys_A_POLE_C[i][0],&Ys_A_POLE_C[i][1])；”读入文本文件中以共轭极点形式出现的对地导纳，将留数实部、虚部分别放于Ys_R_RESD_C[i][0]、Ys_R_RESD_C[i][1]中，将极点存于Ys_A_POLE_C[i][0]、Ys_A_POLE_C[i][1]中，同理可读入以共轭极点形式出现的互导纳；
5)调用函数fscanf函数，利用语句
“fscanf(fp,"％lf",&Ys_d)；fscanf(fp,"％lf",&Ys_h)；”读入对地导纳、互导纳的d、h参数；
6)计算当前仿真步下对地导纳、互导纳上输出的电流。互导纳、对地导纳的有理函数中4类加和项(二阶振荡环节、一阶惯性环节、微分环节、比例环节)分别可以视为二阶元件、一阶元件、电容元件、电阻元件。通过梯形积分法，每种元件的电流都能用当前仿真步和前几个仿真步的电压、电流表示。
对于二阶元件，其当前第n个仿真步长下电流I(n)与第n步电压U(n)、第n-1步电压U(n-1)和电流I(n-1)、第n-2步电流I(n-2)有关，其表达式为：
I(n)＝C11U(n)+C12U(n-1)+C13I(n-1)+C14I(n-2) (2)
其中各系数为：
其中，α＝2/Δt，仿真步长Δt利用语句“dt＝getTimeStep()；”获得。
对于一阶元件，其当前第n个仿真步长下电流I(n)与第n步电压U(n)、第n-1步电压U(n-1)和电流I(n-1)有关，其表达式为：
I(n)＝C21U(n)+C22U(n-1)+C23I(n-1) (3)
其中各项系数为：
对于电容元件，其当前第n个仿真步长下电流I(n)与第n步电压U(n)、第n-1步电压U(n-1)和电流I(n-1)有关，其表达式为：
I(n)＝C31U(n)+C32U(n-1)+C33I(n-1) (4)
其中，C31＝hα，C32＝-hα，C33＝-1。
对于电阻元件，其当前第n个仿真步长下电流I(n)与第n步电压U(n)有关，其表达式为：
I(n)＝hU(n) (5)
用C语言在程序中实现C11～C33各系数的计算，得到对地导纳、互导纳有理函数中各元件的输出电流，并将其叠加后得到第n个仿真步长下对地导纳、互导纳输出的电流瞬时值：
I(n)＝I1(n)+…+IN+2(n) (6)
其中，N为极点数。
7)按以下表达式，用C语言实现对地导纳、互导纳中电导的计算：
其中，Nc为共轭极点数，Nr为实数极点数。
8)利用语句
“CINJN1＝Ys_injI[0]+Ym_injI[0]+Ym_injI[1]；CINJN2＝Ys_injI[1]-Ym_injI[0]+Ym_injI[2]；CINJN3＝Ys_injI[2]-Ym_injI[1]-Ym_injI[2]；”
给频率依赖模型端口的三相电流赋值，CINJN1～CINJN3是在RTDS/CBuilder的CFile Associations中定义的频率依赖模型端口的三相注入电流(INJECTIONS)。
9)利用语句
“GN1＝Ys_Gtemp；GN2＝Ys_Gtemp；GN3＝Ys_Gtemp；GN12＝Ym_Gtemp；GN13＝Ym_Gtemp；GN23＝Ym_Gtemp；”
给频率依赖模型端口的相间导纳、对地导纳赋值。
GN1～GN3是对地导纳，GN12～GN23是互导纳，均在RTDS/CBuilder的C FileAssociations中定义为电导值(GVALUES)。对地导纳GN1的赋值语句为“"GN1","0","N1"，1，"TRUE"”；互导纳GN12的赋值语句为“"GN12","N2","N1"，1，"TRUE"”。
另外，进一步基于RTDS仿真平台来建立低频动态模型，以永磁风电机详细模型为例，上述过程具体包括：
将电网控制系统中的直流母线电压-功率外环断开，给定功率参考值；
从电网控制系统的电流内环PI控制器的输出端口断开，移除逆变器及有关的三角波生成、波形调制器，移除逆变器出线阻抗；
采用RTDS仿真平台自带元件库中的一阶惯性元件代替逆变器出线阻抗，并以电流内环PI控制器的输出值作为惯性环节的输入，且惯性环节的输出即为低频动态模型的输出电流标幺值；
利用RTDS仿真平台自带元件库中的比例放大元件，将所述输出电流标幺值放大为多台机输出电流的有名值；
进一步利用RTDS仿真平台自带元件库中的受控电流源代替风电机机组群，作为电网控制系统与主电路的接口接入并网点；
再将所述多台机输出电流的有名值作为低频动态模型控制信号的输入受控电流源。
步骤3、在RTDS仿真平台的Runtime中编写批处理脚本，实时改变Draft中受控电压源的输出值，将扫频电压、电流显示在特定图像中，并作为数据保存在指定文件夹中，达到扫频效果；
在该步骤中，具体可以利用for语句，循环改变BaseFreq的数值；
利用语句“MasterPlotLockState＝0；”解锁图像；
利用“UpdatePlots；”函数，刷新图像，直到波形变化趋于稳定；
利用语句“MasterPlotLockState＝1；”锁定图像；
调用ComtradePlotSave函数，利用“"FreqTest","\频率依赖等值模型数据\"::s::"Hz.cfg"；”
将标题为“FreqTest”图像中的数据保存于模型文件所在目录的“频率依赖等值模型数据”子文件夹内，文件类型为comtrade标准格式。
步骤4、根据扫频电压、电流数据计算各个频率下的导纳值，并在Matlab上采用矢量拟合函数将对地导纳、互导纳拟合为有理函数；
步骤5、将拟合所得的有理函数以一定格式保存在指定的文本文件中，实现风电场等值模型的建立。
在该步骤中，所述一定的格式具体为：
第一行：对地导纳实数极点数，对地导纳共轭极点数，互导纳实数极点数互导纳共轭极点数；
第二行～最后一行：按照以下形式依次存放对地导纳、互导纳的极点、留数、d、h参数。
下面以具体的算例来验证本发明所提风电场等值模型建立方法，本实例中：风电机作为电源已被置零，仅包含汇集线路、箱变、无源滤波器等无源元件；箱变、无源滤波器是小步长元件，其他无源元件是大步长元件，所有元件参数均来自实际调研数据。
按上述本发明实施例的方法提取风电场无源网络的频率特性，并以有理函数的形式，将参数输入所建频率依赖模型自定义元件中，将频率依赖模型接入并网点；另一方面，按本发明方法分别修改永磁、双馈风电机的控制系统，并分别作为低频动态模型接入并网点。
在风电场外部端口设置三相接地故障，如图3所示为本发明实施例所述某风电场无源网络的详细模型与等值模型输出电流曲线的示意图，等值前后的无源网络具有相同的电磁暂态响应；如图4所示为本发明实施例所述永磁风电场详细模型与等值模型输出电流曲线的示意图，如图5所示为本发明实施例所述双馈风电场详细模型与等值模型输出电流曲线的示意图，参考图4和5：等值前后的模型动态响应相同。
此外，由于等值模型中无变流器，RTDS的Rack(用以电磁暂态仿真计算的CPU板卡)使用从6台降低到1台，大大减小了运算负荷。
上述算例充分证明，与现有技术相比，本发明实施例所述建立方法能够利用自定义元件和自带元件库中元件，建立风电场的等值模型，频率依赖部分还原了风电场无源网络的暂态响应，低频动态部分则在保留风电机控制系统结构基础上对变流器进行了简化，减轻了仿真软件的计算负担，所建风电场等值模型与原详细模型具有相同的电磁暂态响应特性，对于实现大规模风电场等值与仿真具有重要意义。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实例中全部或部分流程，是可以通过计算机程序来完成，所述程序可以存储于计算机可读取存储介质中，所属程序在执行时，可包括上述各方法的流程。其中，所述的存储介质可以为光盘、U盘、移动硬盘等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种风电场等值模型的建立方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、在RTDS仿真平台的Draft上建立扫频模块和激励源主电路；
步骤2、建立电网详细模型，并将其中电源置零；
其中，在建立电网的详细模型的基础上，进一步基于RTDS仿真平台的自定义元件来建立频率依赖模型，具体包括：
在RTDS/CBuilder中建立频率依赖模型主电路的图形界面与接口参数；进一步编写频率依赖模型自定义元件的核心程序，通过编写程序将有理函数数据输入该自定义元件中；编译所建立的频率依赖模型的自定义元件，将其接入电网，替代原先的无源网络；
在建立电网的详细模型的基础上，进一步基于RTDS仿真平台来建立低频动态模型，具体包括：
将电网控制系统中的直流母线电压-功率外环断开，给定功率参考值；从电网控制系统的电流内环PI控制器的输出端口断开，移除逆变器及有关的三角波生成、波形调制器，移除逆变器出线阻抗；采用RTDS仿真平台自带元件库中的一阶惯性元件代替逆变器出线阻抗，并以电流内环PI控制器的输出值作为惯性环节的输入，且惯性环节的输出即为低频动态模型的输出电流标幺值；利用RTDS仿真平台自带元件库中的比例放大元件，将所述输出电流标幺值放大为多台机输出电流的有名值；进一步利用RTDS仿真平台自带元件库中的受控电流源代替风电机机组群，作为电网控制系统与主电路的接口接入并网点；再将所述多台机输出电流的有名值作为低频动态模型控制信号的输入受控电流源；
步骤3、在RTDS仿真平台的Runtime中编写批处理脚本，实时改变Draft中受控电压源的输出值，将扫频电压、电流显示在特定图像中，并作为数据保存在指定文件夹中，达到扫频效果；
步骤4、根据扫频电压、电流数据计算各个频率下的导纳值，并在Matlab上采用矢量拟合函数将对地导纳、互导纳拟合为有理函数；
步骤5、将拟合所得的有理函数以一定格式保存在指定的文本文件中，实现风电场等值模型的建立。
2.根据权利要求1所述风电场等值模型的建立方法，其特征在于，在所述步骤1中：
所建立的扫频模块由10个频率实时受控的正弦波信号生成模块构成，并用加法器将该10个不同频率的正弦波信号叠加为一个信号。
3.根据权利要求1所述风电场等值模型的建立方法，其特征在于，在编写频率依赖模型自定义元件的核心程序的过程中，所述方法还包括：
在RAM区中编写计算状态方程中各项系数的程序；
在CODE区中计算对地导纳、互导纳上输出的历史电流；
在CODE区中计算各相总导纳和注入电流。
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