CN115085260A - 新能源场站聚合模型的振荡模式保真度评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,包括:建立新能源场站并网系统的详细状态空间模型;对详细状态空间模型进行聚合等值得到新能源场站聚合模型;将详细状态空间模型和聚合模型线性化并提取各自的状态矩阵以获得系统主导振荡模式的特征值;在新能源场站发电单元在功率和控制参数上存在差异的情况下,得到详细状态空间模型与聚合模型下系统主导振荡模式的根轨迹曲线;计算根轨迹曲线中每一个特征值的频率与阻尼比,分别得到详细状态空间模型与聚合模型系统主导模式的频率与阻尼比的变化曲线;采用数值与趋势相似度相结合的方法评价频率与阻尼比曲线的相似性。
Description
技术领域
本发明属于输配电技术领域,具体涉及一种新能源场站聚合模型的振荡模式保真度评价方法。
背景技术
近年来,以风电、光伏为代表的新能源发电行业发展迅速,截至2021年底,我国风电装机容量已达3.28亿千瓦,约占全国发电装机总容量的13.8%;光伏装机容量已达3.06亿千瓦,约占全国发电装机总容量的12.3%,新能源发电的大规模接入已逐渐成为电力系统的发展趋势。然而新能源场站经高压直流(HVDC)或交流并网存在次/超同步、高频振荡的风险,在国内外的新能源场站中,发生过多起振荡现象。
新能源场站并网引发的振荡问题严重危害发电系统的安全稳定运行,因此,国内外学者对于新能源场站并网稳定性问题进行了大量研究。然而,在研究新能源场站并网系统的振荡稳定性问题时,为了降低模型阶数,提高计算效率,大部分文献对新能源场站进行了聚合等值,将场站中数量众多的风电、光伏发电单元聚合成多个或者一个等值发电单元,然而并没有给出新能源场站聚合模型运用于稳定性分析中的合理依据,也未考虑聚合前后振荡模态特征可能出现的不一致现象。
考虑到实际工程中大规模风电场和光伏电站的复杂程度,同一场站中不同发电单元的输出功率存在不一致的现象,其控制参数也可能由于来自不同厂家而存在差异,这些因素都可能影响聚合前后新能源场站的振荡模式,因此亟待评估新能源场站聚合模型下主导振荡模式的保真度。本发明提出了一种新能源场站聚合模型的振荡模式保真度评价方法,从数值和趋势两方面评价聚合模型与详细模型下新能源场站并网系统主导振荡模式频率与阻尼比的相似性,来分析和评估主导振荡模式在聚合前后的保真度。
发明内容
本发明的目的是提供新能源场站聚合模型的振荡模式保真度评价方法,其目的在于评价新能源场站聚合前后系统关键振荡模式的保真度,为达到上述发明的目的,本发明通过以下技术方案实现:
本发明提供了一种新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,建立新能源场站并网系统的详细状态空间模型;
步骤2,对所述新能源场站并网系统模型进行聚合等值得到新能源场站聚合模型;
步骤3,将所述详细状态空间模型和所述聚合模型线性化并提取各自的状态矩阵以获得系统主导振荡模式的特征值;
步骤4,考虑新能源场站内发电单元在功率和控制参数上存在差异的情况下,得到所述详细状态空间模型与所述聚合模型下系统主导模式的根轨迹曲线;
步骤5,计算所述根轨迹曲线中每一个特征值的频率与阻尼比,分别得到所述详细状态空间模型与所述聚合模型系统主导振荡模式的频率与阻尼比的变化曲线;
步骤6,采用数值与趋势相似度相结合的方法评价所述频率与阻尼比曲线的相似性。
进一步的,所述新能源场站包括风电场和光伏电站。
进一步的,建立所述详细状态空间模型的过程具体为:首先建立单个新能源发电单元的数学模型;其次建立新能源场站内部集电网络的数学模型;基于发电单元的参数、集电线路的参数并结合发电单元和集电网络的数学模型,确定所述并网系统的状态变量与输入输出变量,从而建立新能源场站并网系统的详细状态空间模型。
进一步的,所述聚合模型由等值发电单元和等值线路两部分组成,所述对新能源场站并网系统模型进行聚合等值包括发电单元功率等值、发电单元参数等值和集电线路等值。
进一步的,聚合后所述发电单元功率等于聚合前所有发电单元功率之和。
进一步的,所述聚合模型为多机聚合模型或单机聚合模型。
进一步的,所述发电单元参数包括发电单元容量、有功功率、控制器中比例系数以及积分系数,采用容量加权法对发电单元参数进行聚合。
进一步的,所述集电线路等值采用加权电压差法。
进一步的,所述频率与阻尼比的计算公式如下式所示:
f=Im(λ)/2π
其中:λ为系统主导振荡模式的特征值,f和ζ分别为频率与阻尼比。
进一步的,所述数值评价方法利用曲线或序列之间的距离来衡量相似性,采用Theil不等系数来衡量聚合前后主导模式频率与阻尼比曲线间的数值相似度;所述相似度的趋势评价方法通过相似子序列的长度与原序列长度的比值作为相似度的度量。
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为本发明提供的新能源场站聚合模型的振荡模式保真度评价方法流程示意图;
图2为风电场拓扑示意图;
图3为多机聚合模型;
图4为单机聚合模型;
图5为各链路发电单元有功出力不同时聚合前后系统主导振荡模式的根轨迹曲线;
图6为系统主导振荡模式频率与阻尼比的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例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,而不是全部实施例。
步骤1,建立新能源场站(风电、光伏)并网系统的详细状态空间模型
在该步骤中,首先建立单个新能源发电单元(风电机组和光伏逆变器)的数学模型;其次,考虑实际工程中新能源场站的网架结构,图2为风电场拓扑示意图,光伏电站结构与之类似,一个场站包括N条链路,每条链路上连接有m个发电单元,相邻发电单元间以及发电单元和公共连接点PCC点间通过电缆或架空线相连,建立新能源场站内部集电网络的数学模型;进而,参考工程中风电机组或光伏逆变器的参数、集电线路的参数并结合发电单元和集电网络的数学模型,确定系统的状态变量与输入输出变量,从而建立新能源场站并网系统的详细状态空间模型,具体如下式(1)所示:
其中,X为新能源场站并网系统的状态变量;U为输入变量;Y为输出变量;
步骤2,对新能源场站并网系统的详细状态空间模型进行聚合等值得到新能源场站聚合模型,如图3和4所示,分别为多机聚合模型和单机聚合模型,其中多机聚合模型为将新能源场站中同一链路上的发电单元聚合得到的等值模型,单机聚合模型为将新能源场站中所有发电单元聚合后的等值模型,新能源场站聚合模型由等值发电单元和等值线路两部分组成,等值参数计算方法如下:
(1)发电单元功率等值
聚合后发电单元的功率Peq等于聚合前所有发电单元功率之和。
Peq=P1+P2+P3+……+Pr (2)
(2)发电单元参数等值
这里考虑新能源场站内各个发电单元的电气参数相同,采用容量加权法对r个发电单元进行聚合,聚合后等值发电单元的电气及控制参数如式(3)所示。
式中,S为发电单元容量;P为有功功率;x、R、C分别为电路电抗、电阻、电容参数;Kpi和Kii分别表示第i个发电单元控制器中比例、积分系数;下标eq为聚合后机组的参数。
(3)集电线路等值
本发明对新能源场站集电线路的等值采用加权电压差法,也可采用其他方法计算等值线路参数,加权电压差法的具体计算步骤如下:
场站中每一发电单元相对于公共连接点PCC点的电压之差为:
式中:Uk为第k个发电单元的出口电压值;U为PCC点的电压;Pj为第j个发电单元的输出的有功功率;Zi为第i条集电线路的阻抗数值。
假定等值机组是由r个发电单元等值而成的,那么这r个发电单元的加权平均电压差可以表示成:
等值后发电单元1与PCC点之间的电压差为
如上是对集电系统阻抗的等值计算。而电缆电容的等值,可以在忽略不同发电单元电压差异的基础上,认为等值电容为同群发电单元所连接的集电系统的电缆电容的和值。
步骤3,将步骤1和步骤2中的新能源场站详细状态空间模型和聚合模型进行线性化处理并提取各自的状态矩阵A,对其进行分析以获得新能源场站详细状态空间模型和聚合模型下系统主导振荡模式的特征值,具体如下述公式所示:
步骤4,基于步骤3得到的新能源场站详细状态空间模型和聚合模型的线性化模型,考虑场站中不同链路发电单元在有功出力和控制参数上存在差异的情况下,分别对系统主导振荡模式做根轨迹分析,得到详细状态空间模型与聚合模型下系统主导振荡模式的根轨迹曲线,下面以功率差异为例说明系统主导振荡模式的根轨迹曲线的获得过程。
对图1所示的包含多条链路的详细新能源场站模型,固定1号链路上各发电单元参数及出力不变,调节其他链路上发电单元的有功出力依次递增n%,得到各链路发电单元有功出力不同时聚合前后系统主导振荡模式的根轨迹曲线,其结果形式如图5所示,在此基础上将其中的系统主导振荡模式根轨迹部分合并放大。
步骤5,基于步骤4得到的不同链路发电单元有功出力和控制参数不同时聚合前后系统主导振荡模式的根轨迹曲线,得到系统主导振荡模式频率与阻尼比随差异程度变化时的曲线,其中频率与阻尼比的计算公式如下式所示。
f=Im(λ)/2π (9)
其中:λ为新能源场站详细模型以及聚合模型下系统主导振荡模式的特征值,f和ζ分别为振荡模式的频率与阻尼比,图5中根轨迹曲线中的每一点经过式(9)和式(10)处理后分别得到系统主导振荡模式频率与阻尼比的变化曲线,其结果形式如图6所示。
步骤6,基于步骤5得到的聚合前后系统主导振荡模式频率与阻尼比的变化曲线,采用数值与趋势相似度相结合的方法评价聚合前后系统主导振荡模式在频率与阻尼比特征上的相似性,来分析功率或者控制参数差异性对聚合模型次同步模态保真度的影响。采用的数值和趋势相似度评价方法的具体步骤如下。
(1)系统主导振荡模式频率与阻尼比相似度的数值评价
数值评价利用曲线或序列之间的距离来衡量相似性,本发明采用Theil不等系数来衡量聚合前后系统主导振荡模式频率与阻尼比曲线间的数值相似度:
式中:D(X,Y)为X,Y间的数值准确度,xi、yi分别为曲线X,Y的第i个数值元素。在本发明中,xi为详细模型主导模式阻尼比、频率曲线中的数值元素,yi则为聚合模型阻尼比、频率曲线中的数值元素。
D(X,Y)的数值小说明聚合前后系统主导振荡模式频率与阻尼比的误差较大,数值相似性低;当该指标等于100%时,表示聚合模型下系统主导振荡模式的频率与阻尼比与详细模型完全一致。
(2)系统主导振荡模式频率与阻尼比相似度的趋势评价
本发明采用规范系数法作为趋势相似度的评价方法,该方法通过规范变换大幅降低了数值偏移、幅值大小以及噪点对趋势评价的影响,通过相似子序列的长度与原序列长度的比值作为相似度的度量,具体如式(12)所示:
式中:Xi,Yi分别为曲线X,Y中第i个相似的子序列;f(X,Y)取值为0~1,f(X,Y)的数值越大说明聚合前后主导振荡模式频率与阻尼比的趋势相似性越高。
由以上6个步骤即可评价功率、控制参数差异对新能源场站聚合模型下系统主导振荡模式保真度的影响。
上述实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案;因此,尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应当理解,仍然可以对本发明进行修改或者等同替换;而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,建立新能源场站并网系统的详细状态空间模型;
步骤2,对所述新能源场站并网系统模型进行聚合等值得到新能源场站聚合模型;
步骤3,将所述详细状态空间模型和所述聚合模型线性化并提取各自的状态矩阵以获得系统主导振荡模式的特征值;
步骤4,考虑新能源场站内发电单元在功率和控制参数上存在差异的情况下,得到所述详细状态空间模型与所述聚合模型下系统主导模式的根轨迹曲线;
步骤5,计算所述根轨迹曲线中每一个特征值的频率与阻尼比,分别得到所述详细状态空间模型与所述聚合模型系统主导振荡模式的频率与阻尼比的变化曲线;
步骤6,采用数值与趋势相似度相结合的方法评价所述频率与阻尼比曲线的相似性。
2.根据权利要求1所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,所述新能源场站包括风电场和光伏电站。
3.根据权利要求1所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,建立所述详细状态空间模型的过程具体为:
首先建立单个新能源发电单元的数学模型;其次建立新能源场站内部集电网络的数学模型;基于发电单元的参数、集电线路的参数并结合发电单元和集电网络的数学模型,确定所述并网系统的状态变量与输入输出变量,从而建立新能源场站并网系统的详细状态空间模型。
4.根据权利要求1所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,所述聚合模型为多机聚合模型或单机聚合模型。
5.根据权利要求1所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,所述聚合模型由等值发电单元和等值线路两部分组成,所述对新能源场站并网系统模型进行聚合等值包括发电单元功率等值、发电单元参数等值和集电线路等值。
6.根据权利要求5所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,聚合后所述发电单元功率等于聚合前所有发电单元功率之和。
7.根据权利要求5所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,所述发电单元参数包括发电单元容量、有功功率、控制器中比例系数以及积分系数,采用容量加权法对发电单元参数进行聚合。
8.根据权利要求5所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,所述集电线路等值采用加权电压差法。
10.根据权利要求1所述新能源场站聚合模型的系统主导振荡模式保真度评价方法,其特征在于,所述数值评价方法利用曲线或序列之间的距离来衡量相似性,采用Theil不等系数来衡量聚合前后主导模式频率与阻尼比曲线间的数值相似度;所述相似度的趋势评价方法通过相似子序列的长度与原序列长度的比值作为相似度的度量。
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Legal Events
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