CN112886586B - 一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法，其特点是，首先建立了暂态响应下双馈风电场有功控制模型，并根据双馈风电场所激发出动态响应提出不同扰动工况下的场景分类原则，其次在不同扰动场景下通过搭建的双馈风电场仿真系统模型进行仿真试验，揭示风电场并网侧输出特性与各风电机组输出特性的关联关系，确定不同运行工况下双馈风电机组等值模型功率恢复斜率控制参数，实现对不同场景下的有功功率恢复控制参数优化整定；最后通过对比不同扰动场景下参数优化后等值模型仿真结果与并网侧轨迹的差异度，确定不同扰动场景下参数优化后的有效性。具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统中风电场仿真验证的应用领域，是一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法。

背景技术

在现有技术中，随着电网中风电比例的不断增加，含高比例可再生能源和高比例电力电子装置的双高系统将对电力系统的安全稳定运行、电能质量、电压和频率控制等带来巨大的冲击，电力系统的动态特性也发生了质的改变。双馈风电机组中包含独立控制的双向功率换流器进而控制输入电网的有功、无功功率，这导致其稳态时的运行特性和受扰后的暂态特性都较火电机组复杂得多。为了保证电网运行的可靠性，同时制定新的电网规划、设计和运营策略，需要通过电力系统仿真工具模拟风电机组对电网故障的运行工况，还原电力系统真实的动态行为。因此，建立可靠的双馈风电场暂态响应下的功率控制模型成为电网稳定性分析及相应控制策略制定的重要影响因素。

电力系统在故障切除后电压迅速上升，双馈风电机组的电气量会发生剧烈电磁振荡，为了限制振荡的幅度，保护风电机组的安全，其电流增长的速度将会被限制，从而使得有功功率的爬坡速度也受到限制。当故障切除后，双馈风电场有功功率不会直接恢复稳态值，而是具有明显的按斜率恢复特性，并且厂家根据实际工程需要，对不同型号风电机组设置的恢复斜率并不相同；其次场内每台风电机组都有自己独立的功率控制系统，当风电机组机端电压或有功跌落达一定幅度时，在故障切除时会激发起有功功率的恢复特性，有功功率将按预定恢复斜率逐渐回升至初始状态，否则有功恢复斜率特性将不被激发。因此，在不同扰动工况下对双馈风电场等值模型中的功率控制参数进行优化整定具有重要的意义。

迄今未见有关一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种科学合理，适用性强，效果佳的用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法，旨在准确描述不同扰动工况下双馈风电场真实动态行为，通过基于实测轨迹中有效的动态特征建立暂态响应下的双馈风电场有功控制模型，根据双馈风电场所激发出动态响应对不同扰动工况进行场景分类，并在不同扰动场景下对控制参数的优化整定，确定暂态响应后双馈风电场等值模型中有功功率恢复控制参数，提高双馈风电场等值模型的仿真精度以及并网的可信度，为电力系统仿真验证工作提供科学合理的依据。

解决技术问题采用的技术方案是：一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法，其特征是，它包括以下内容：

1)建立暂态响应下双馈风电场有功控制模型

基于风电场真实的运行规律，考虑输出外特性的物理含义，建立双馈风电场有功控制模型，所述双馈风电场有功控制模型为简化励磁系统动态过程后的变流器控制模型，且模型中不包含发电机转子的机械状态变量，通过从电力系统中读取电压值，并根据电气控制部分提供的控制变量，计算注入并网点的有功电流，由于受到电力系统故障影响，为防止低电压对电力系统的不利影响，在模型中增加低电压有功功率控制逻辑，使机组有功功率经过斜率恢复最后重新进入稳态，有功电流控制方程为式(1)：

式中：I_P为向电网注入的有功电流；I_PB为功率解锁对应的电流值；I_PZ为功率闭锁对应的电流值；U_PB为功率解锁对应的电压值；U_PZ为功率闭锁对应的电压值；U为测量母线电压；I_pcmd为有功控制电流变量；K_p为有功恢复斜率；

通过添加有功功率控制模型，使得风电场出口处仿真有功与实测有功在故障期间具有相同的变化特性；

2)扰动场景的分类

基于风电场实测数据对不同扰动工况进行场景分类，分析不同的扰动场景下风电场动态响应特性，对确定双馈风电场有功控制模型参数的准确性提供依据，

针对不同扰动场景下，风电场被激发出的动态响应程度不同，将风电场在电网中受扰场景分为大型、中型和小型扰动三类：其所受扰动深度定义为式(2)：

式中：γ为扰动深度；U_s为实测稳态电压标幺值；U_min为扰动发生后，实测电压最小值，

经大量风电场出口实测数据的统计与分析，定义当γ＜10％时，扰动为小型扰动，在此类扰动下风电场的各个状态变量经过短暂的波动后很快恢复稳定状态；当10％≤γ≤15％时，扰动为中型扰动，在此类扰动下，风电场的有功功率波动具有一定幅度，并且有功功率在故障清除之后具有明显的按斜率恢复特征，经过一段时间的恢复过程，风电场重新恢复稳态运行状态；当γ＞15％时，扰动为大型扰动，此时风电场内的风电机组进入低电压穿越过程，更严重的将导致风电机组连锁脱网的现象，此时需要考虑风电机组的并网规范及厂家对机组脱网的控制方式；

3)有功功率恢复控制参数的优化整定

为了揭示风电场并网侧输出特性与各风电机组输出特性的关联关系，进一步验证双馈风电场等值模型中恢复控制参数的有效性，以风电场内部结构作为建模依据，基于PSASP仿真平台搭建双馈风电场仿真系统模型，通过利用双馈风电场仿真系统模型对电力系统不同运行工况进行仿真试验，确定风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，最终实现对有功功率恢复控制参数的优化整定，具体的优化策略如下：

①定各风机在大型扰动场景，即γ＞15％下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，给出大型扰动场景下优化后的控制参数；

②定各风机在中型扰动场景，即10％≤γ≤15％下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，给出中型扰动场景下优化后的控制参数；

③确定各风机在小型扰动场景，即γ＜10％下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，给出小型扰动场景下优化后的控制参数；

4)验证优化后等值模型参数有效性

为验证优化后双馈风电场等值模型中有功恢复斜率控制参数的可靠性，利用优化后的功率恢复控制参数开展仿真验证实验，通过对比不同扰动场景参数优化后等值模型仿真结果与并网侧轨迹的差异度，确定大型、中型和小型扰动场景下参数优化后的有效性，进而有效提高双馈风电场等值模型并网的可信度。

本发明是一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法，面对不同扰动工况下双馈风电场并网侧有功恢复斜率存在差异性的现象，首先建立了暂态响应下双馈风电场有功控制模型，并根据双馈风电场所激发出动态响应提出不同扰动工况下的场景分类原则，其次在不同扰动场景下通过搭建的双馈风电场仿真系统模型进行仿真试验，揭示风电场并网侧输出特性与各风电机组输出特性的关联关系，确定不同运行工况下双馈风电机组等值模型功率恢复斜率控制参数，实现对不同场景下的有功功率恢复控制参数优化整定；最后通过对比不同扰动场景下参数优化后等值模型仿真结果与并网侧轨迹的差异度，确定不同扰动场景下参数优化后的有效性。具有科学合理，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1为小型扰动场景下风电并网侧与等值模型有功功率对比图；

图2为中型扰动场景下风电并网侧与等值模型有功功率对比图；

图3为大型扰动场景下风电并网侧与等值模型有功功率对比图。

具体实施方式

下面利用附图和实施例，对本发明的一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法作进一步说明。

本发明的一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法，包括以下步骤：1)建立暂态响应下双馈风电场有功控制模型

基于风电场真实的运行规律，考虑输出外特性的物理含义，建立双馈风电场有功控制模型，所述双馈风电场有功控制模型为简化励磁系统动态过程后的变流器控制模型，且模型中不包含发电机转子的机械状态变量，通过从电力系统中读取电压值，并根据电气控制部分提供的控制变量，计算注入并网点的有功电流，由于受到电力系统故障影响，为防止低电压对电力系统的不利影响，在模型中增加低电压有功功率控制逻辑，使机组有功功率经过斜率恢复最后重新进入稳态，有功电流控制方程为式(1)：

式中：I_P为向电网注入的有功电流；I_PB为功率解锁对应的电流值；I_PZ为功率闭锁对应的电流值；U_PB为功率解锁对应的电压值；U_PZ为功率闭锁对应的电压值；U为测量母线电压；I_pcmd为有功控制电流变量；K_p为有功恢复斜率；

通过添加有功功率控制模型，使得风电场出口处仿真有功与实测有功在故障期间具有相同的变化特性。

2)扰动场景的分类

基于风电场实测数据对不同扰动工况进行场景分类，分析不同的扰动场景下风电场动态响应特性，对确定双馈风电场有功控制模型参数的准确性提供依据，

针对不同扰动场景下，风电场被激发出的动态响应程度不同，将风电场在电网中受扰场景分为大型、中型和小型扰动三类：其所受扰动深度定义为式(2)：

式中：γ为扰动深度；U_s为实测稳态电压标幺值；U_min为扰动发生后，实测电压最小值，

经大量风电场出口实测数据的统计与分析，定义当γ＜10％时，扰动为小型扰动，在此类扰动下风电场的各个状态变量经过短暂的波动后很快恢复稳定状态；当10％≤γ≤15％时，扰动为中型扰动，在此类扰动下，风电场的有功功率波动具有一定幅度，并且有功功率在故障清除之后具有明显的按斜率恢复特征，经过一段时间的恢复过程，风电场重新恢复稳态运行状态；当γ＞15％时，扰动为大型扰动，此时风电场内的风电机组进入低电压穿越过程，更严重的将导致风电机组连锁脱网的现象，此时需要考虑风电机组的并网规范及厂家对机组脱网的控制方式。

3)有功功率恢复控制参数的优化整定

具体实施例：以吉林省某风电场内部结构作为建模依据，基于PSASP仿真平台搭建双馈风电场仿真系统模型。仿真系统中包含实际风电场单回集电回路下20台1.5MW的双馈风电机组(同一母线下其它集电回路原理类似)，每台机组通过0.69/35kV升压变压器接入风场，风电场额定容量为30MW。电网以无穷大母线的形式表示，传输线的阻抗值为0.44千欧/千米，风电机组按照与并网点的电气距离接入。

①为了验证各风机在小型扰动场景下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，选取实际风电场单回集电回路下20台1.5MW的双馈风电机组进行测试实验，仿真步长为0.01s，0.5s时在并网处发生单相接地短路故障(电压扰动深度γ＜10％)，0.7s故障清除，给出该场景下优化后的斜率控制参数。

通过仿真结果分析可知，在小型扰动场景下双馈风电场中各个机组在故障结束后都没有激发有功恢复斜率特性，因此优化后的双馈风电场等值模型有功恢复斜率控制参数K_p设置为0，且不需要进行调整。图1为在某一小扰动场景下选取优化参数后的双馈风电场等值模型仿真结果与风电场并网侧有功功率对比图。

②为了验证各风机在中型扰动场景下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，同样选取实际风电场单回集电回路下20台1.5MW的双馈风电机组进行测试实验，仿真步长为0.01s，0.5s时在并网处发生单相接地短路故障(电压扰动深度10％≤γ≤15％)，0.7s故障清除，并给出中型扰动场景下不同扰动深度优化后的斜率控制参数。

经过仿真结果分析可知，中型扰动场景下不同扰动深度所激发的双馈风电机组台数不同，因此风电场并网侧有功恢复斜率值不同；为了解决中型扰动场景下参数不确定性问题，通过利用中型扰动场景下的不同扰动深度进行大量仿真实验，确定各扰动深度下双馈风电场内有功恢复斜率激发台数，进而对该扰动场景下双馈风电场等值模型中的有功恢复斜率控制参数K_p进行优化，具体参数整定值如表1所示，图2为在某一中型扰动场景下选取优化参数后的双馈风电场等值模型仿真结果与并网侧有功功率对比图。

表1不同扰动深度参数整定表

③为了验证各风机在大型扰动场景下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，同样选取实际风电场单回集电回路下20台1.5MW的双馈风电机组进行测试实验，仿真步长为0.01s，0.5s时在并网处发生单相接地短路故障(电压扰动深度γ＞15％)，0.7s故障清除，并给出大型扰动场景下优化后的斜率控制参数。

4)验证优化后等值模型参数有效性

经过仿真结果分析可知，在大型扰动场景下会将双馈风电场内所有风电机组恢复斜率全部激发，且双馈风电场风电场并网侧有功恢复斜率等于所有激发的风电机组的有功功率恢复斜率之和。以此双馈风电场为例，优化后的双馈风电场等值模型有功恢复斜率控制参数K_p设置为0.9，不同双馈风电厂可根据实际情况具体统计风电场内风机台数，进而确定有功恢复斜率控制参数。图3为在某一大扰动场景下选取优化参数后的双馈风电场等值模型仿真结果与并网侧有功功率对比图。

通过以上分析可知，本发明的一种用于双馈风电场等值模型暂态响应下功率恢复控制参数的优化整定策略，建立了含暂态响应下双馈风电场有功控制模型，提出了不同扰动工况下的场景分类原则，通过搭建的双馈风电场仿真系统模型进行仿真试验，揭示风电场并网侧输出特性与各风电机组输出特性的关联关系，实现对不同扰动场景下双馈风电机组等值模型功率恢复斜率控制参数的优化整定，最后通过对比不同扰动场景下优化后等值模型参数仿真结果与并网侧实测轨迹的差异度，验证不同扰动场景下优化后参数的有效性。

本发明的实施例并非穷举，本领域技术人员不经过创造性劳动的简单复制和改进，仍属于本发明权利保护的范围。

Claims (1)

1.一种用于双馈风电场等值模型功率恢复控制参数优化方法，其特征是，它包括以下内容：

1)建立暂态响应下双馈风电场有功控制模型

基于风电场真实的运行规律，考虑输出外特性的物理含义，建立双馈风电场有功控制模型，所述双馈风电场有功控制模型为简化励磁系统动态过程后的变流器控制模型，且模型中不包含发电机转子的机械状态变量，通过从电力系统中读取电压值，并根据电气控制部分提供的控制变量，计算注入并网点的有功电流，由于受到电力系统故障影响，为防止低电压对电力系统的不利影响，在模型中增加低电压有功功率控制逻辑，使机组有功功率经过斜率恢复最后重新进入稳态，有功电流控制方程为式(1)：

式中：I_P为向电网注入的有功电流；I_PB为功率解锁对应的电流值；I_PZ为功率闭锁对应的电流值；U_PB为功率解锁对应的电压值；U_PZ为功率闭锁对应的电压值；U为测量母线电压；I_pcmd为有功控制电流变量；K_p为有功恢复斜率；

通过添加有功功率控制模型，使得风电场出口处仿真有功与实测有功在故障期间具有相同的变化特性；

2)扰动场景的分类

基于风电场实测数据对不同扰动工况进行场景分类，分析不同的扰动场景下风电场动态响应特性，对确定双馈风电场有功控制模型参数的准确性提供依据；

针对不同扰动场景下，风电场被激发出的动态响应程度不同，将风电场在电网中受扰场景分为大型、中型和小型扰动三类：其所受扰动深度定义为式(2)：

式中：γ为扰动深度；U_s为实测稳态电压标幺值；U_min为扰动发生后，实测电压最小值；

经大量风电场出口实测数据的统计与分析，定义当γ＜10％时，扰动为小型扰动，在此类扰动下风电场的各个状态变量经过短暂的波动后很快恢复稳定状态；当10％≤γ≤15％时，扰动为中型扰动，在此类扰动下，风电场的有功功率波动具有一定幅度，并且有功功率在故障清除之后具有明显的按斜率恢复特征，经过一段时间的恢复过程，风电场重新恢复稳态运行状态；当γ＞15％时，扰动为大型扰动，此时风电场内的风电机组进入低电压穿越过程，更严重的将导致风电机组连锁脱网的现象，此时需要考虑风电机组的并网规范及厂家对机组脱网的控制方式；

3)有功功率恢复控制参数的优化整定

为了揭示风电场并网侧输出特性与各风电机组输出特性的关联关系，进一步验证双馈风电场等值模型中恢复控制参数的有效性，以风电场内部结构作为建模依据，基于PSASP仿真平台搭建双馈风电场仿真系统模型，通过利用双馈风电场仿真系统模型对电力系统不同运行工况进行仿真试验，确定风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，最终实现对有功功率恢复控制参数的优化整定，具体的优化策略如下：

①定各风机在大型扰动场景，即γ＞15％下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，给出大型扰动场景下优化后的控制参数；

②定各风机在中型扰动场景，即10％≤γ≤15％下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，给出中型扰动场景下优化后的控制参数；

③确定各风机在小型扰动场景，即γ＜10％下风电场并网侧有功响应特性与各风电机组有功响应特性的关联关系，给出小型扰动场景下优化后的控制参数；

4)验证优化后等值模型参数有效性

为验证优化后双馈风电场等值模型中有功恢复斜率控制参数的可靠性，利用优化后的功率恢复控制参数开展仿真验证实验，通过对比不同扰动场景参数优化后等值模型仿真结果与并网侧轨迹的差异度，确定大型、中型和小型扰动场景下参数优化后的有效性，进而有效提高双馈风电场等值模型并网的可信度。

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