新能源场站实用化单机等值方法

摘要

新能源场站实用化单机等值方法，涉及电力系统仿真建模技术领域。本发明是为了解决新能源场站传统单机等值方法计算量和精度无法兼顾的问题。本发明首先将新能源场站内所有新能源机组等值为一台机组，获得单机等值系统并运行至故障发生时刻t

说明书

技术领域

本发明涉及新能源场站的实用化单机等值方法，属于电力系统仿真建模技术领域。

背景技术

随着以光伏电站和风电场为代表的新能源场站并网规模的不断增加，正确评估其对电力系统的影响日益重要。然而，一个大型风电场和光伏电站往往包含几十台甚至上百台机组，如果对每台机组都单独建模，则会大大增加电力系统仿真模型的复杂度和仿真计算时间。因此，新能源场站的实用化等值建模工作的研究日益重要和迫切。

目前新能源场站的等值方法可以分为单机等值和多机等值两类。多机等值基于传统的发电机“同调”思想，通常以能够表征机组运行状态的特征量为分群指标，将具有相似或相同运行点的机组聚合成一台等值机。这类方法虽然可以达到较高的等值精度，但由于涉及机组分群和集电网络在不同等值机间的分摊等复杂环节，工程实用性较差。

单机等值方法无需对新能源场站内的机组分群，将整个场站等值为一台机组。这种方法计算简单，但无法表征场站内各机组动态行为的差异，当机组间的运行工况差异较大时，会导致较大的等值误差。若追求更高的等值精度需要配合较为复杂的智能优化算法优化新能源机组的一组或多组主导参数，使等值模型的动态响应和详细场站的尽可能地接近。尽管这种采用智能优化方法的等值精度较高，但由于风能和太阳能的随机性和间歇性，新能源场站的运行工况复杂多变，很难匹配到任一工况下的最优等值参数。而且由于涉及复杂的优化算法，计算量较大，无法实时在线计算。因此此类方法难以应用于工程实际。

发明内容

本发明是为了解决新能源场站传统单机等值方法计算量和精度无法兼顾的问题。现提供新能源场站的实用化单机等值方法。

新能源场站实用化单机等值方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将新能源场站内所有新能源机组等值为一台机组，获得单机等值系统，运行单机等值系统至t₀时刻，t₀表示新能源场站并网点处发生三相短路故障的时刻；

步骤二、单机等值系统从t₀时刻继续运行至t_c时刻，t_c表示故障清除时刻，在t₀时刻至t_c时刻运行过程中，将单机等值系统中等值机机端电压的标幺值U_eq(t)带入到新能源场站在故障期间有功功率的解析表达式：

用新能源场站在故障期间的有功功率替换单机等值系统有功功率控制通道在t₀～t_c时间段内相应时刻有功功率的参考值从而消除新能源场站单机等值模型在故障期间的等值误差，

式中，P、U、I分别代表有功功率、电压和电流；t是当前仿真运行时间；下标“eq”代表新能源场站的单机等值模型；上标“ref”代表参考值；下标“normal”代表正常工作状态；下标“i”代表新能源机组的编号；代表新能源场站单机等值模型有功功率控制通道在>0～t_c时间段内有功功率的参考值；P_{normal_i}和U_{normal_i}分别为机组i在正常工作状态时的有功功率和电压；I_{max_i}为最大电流，k_Q为常数；

步骤三、单机等值系统从t_c时刻继续运行，将运行过程中单机等值系统中等值机机端电压的标幺值U_eq(t)带入到新能源场站在故障清除后的有功功率动态行为的解析表达式：

用新能源场站在故障清除后的有功功率替换单机等值系统有功功率控制通道在故障清除后的有功功率参考值从而消除新能源场站单机等值模型在故障清除后的等值误差，

式中，k_i是新能源场站内第i台机组故障清除后的有功恢复速率，t_i是第i台新能源机组到达稳态的时刻。

优选地，步骤三还包括：将所有新能源机组按照各自稳态有功功率的大小进行升序排列P₁≤P₂≤…≤P_n，得到故障清除后所有机组达到各自稳态时刻的排序t₁≤t₂≤…≤t_n。

本发明的有益效果：

推导出了新能源场站故障穿越(fault ride-through,FRT)全过程有功动态行为的解析表达式，将传统单机等值模型的有功功率曲线与详细新能源场站模型的有功功率暂态响应曲线进行比较，探明了传统单机等值模型的误差来源于两个方面，分别为故障期间稳态功率的差异和故障清除后功率恢复速率的差异，分别根据新能源场站在故障期间的有功功率和新能源场站在故障清除后的有功功率的解析表达式计算出的值替换单机等值系统有功功率控制通道在t₀～t_c时间段内相应时刻有功功率的参考值和单机等值系统有功功率控制通道在故障清除后t_c～t_n时间段内相应时刻的有功功率参考值，形成了新的单机等值方法，有效地消除了等值误差。该方法计算简单方便，物理含义明晰，所需参数少，与现有等值方式相比等值效果好，便于工程技术人员掌握。

附图说明

图1为本申请所述的新能源场站实用化单机等值方法的流程图；

图2为由两机风电场组成的新能源场站详细模型和传统单机等值模型的故障响应仿真结果图；

图3为本申请所述的新能源场站实用化单机等值方法的原理示意图，曲线1表示传统单机等值模型的故障响应曲线，曲线2表示详细模型的故障响应曲线；

图4为某33*1.5MW的双馈型风电场的示意图；

图5为某33*1.5MW双馈型风电场的单机等值仿真系统；

图6为某33*1.5MW双馈型风电场各机组在某一时间断面测量得到的实际风速数据；

图7为详细双馈型风电场模型、传统单机等值模型及本申请提出的新能源场站的实用化单机等值模型的故障穿越全过程的暂态响应对比图，图7(1)为有功功率对比图，图7 (2)为无功功率对比图，图7(3)为电压对比图，图7(4)为电流对比图；

图8为某33*1.5MW的永磁直驱型风电场的示意图；

图9为某33*1.5MW永磁直驱型风电场的单机等值仿真系统；

图10为某33*1.5MW永磁直驱型风电场各机组在某一时间断面测量得到的实际风速数据；

图11为详细永磁直驱型风电场模型、传统单机等值模型及本申请提出的新能源场站的实用化单机等值模型的故障穿越全过程的暂态响应对比图，图11(1)为有功功率对比图，图11(2)为无功功率对比图，图11(3)为电压对比图，图11(4)为电流对比图；

图12为某30MW光伏电站的示意图；

图13为某30MW光伏电站的单机等值仿真系统；

图14为某30MW光伏电站各阵列在某一时间断面测量得到的实际光强数据；

图15为详细光伏电站模型、传统单机等值模型及本申请提出的新能源场站的实用化单机等值模型的故障穿越全过程的暂态响应对比，图15(1)为有功功率对比图，图15(2) 为无功功率对比图，图15(3)为电压对比图，图15(4)为电流对比图。

具体实施方式

新能源场站实用化单机等值方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将新能源场站内所有新能源机组等值为一台机组，获得单机等值系统，运行单机等值系统至t₀时刻，t₀表示新能源场站并网点处发生三相短路故障的时刻；

步骤二、单机等值系统从t₀时刻继续运行至t_c时刻，t_c表示故障清除时刻，在t₀时刻至t_c时刻运行过程中，将单机等值系统中等值机机端电压的标幺值U_eq(t)带入到新能源场站在故障期间有功功率的解析表达式：

用新能源场站在故障期间的有功功率替换单机等值系统有功功率控制通道在t₀～t_c时间段内相应时刻有功功率的参考值从而消除新能源场站单机等值模型在故障期间的等值误差，

式中，P、U、I分别代表有功功率、电压和电流；t是当前仿真运行时间；下标“eq”代表新能源场站的单机等值模型；上标“ref”代表参考值；下标“normal”代表正常工作状态；下标“i”代表新能源机组的编号；代表新能源场站单机等值模型有功功率控制通道在>0～t_c时间段内有功功率的参考值；P_{normal_i}和U_{normal_i}分别为机组i在正常工作状态时的有功功率和电压；I_{max_i}为最大电流，k_Q为常数；

步骤三、单机等值系统从t_c时刻继续运行，将运行过程中单机等值系统中等值机机端电压的标幺值U_eq(t)带入到新能源场站在故障清除后的有功功率动态行为的解析表达式：

用新能源场站在故障清除后的有功功率替换单机等值系统有功功率控制通道在故障清除后的有功功率参考值从而消除新能源场站单机等值模型在故障清除后的等值误差，

式中，k_i是新能源场站内第i台机组故障清除后的有功恢复速率，t_i是第i台新能源机组到达稳态的时刻；

步骤四、依据步骤一至步骤三的步骤实现单机等值系统在整个故障穿越过程中的有功功率校正，消除了新能源场站单机等值模型在整个故障穿越期间的等值误差，从而得到了能够详细模拟新能源场站故障穿越暂态行为的实用化单机等值模型。

本实施方式的效果为：

能源场站内所有新能源机组等值为一台机组，获得单机等值系统，运行单机等值系统至故障发生时刻(t₀)；然后，用新能源场站内每台新能源机组在正常工作状态时的有功功率P_{normal_i}、新能源场站内每台新能源机组在正常工作状态时的电压U_{normal_i}和运行到每段时刻时得到的单机等值系统中等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)，获得新能源场站在故障期间的有功功率(即图2中详细模型阶段1的有功功率)，用该有功功率替换单机等值系统有功功率控制通道在t₀～t_c时间段内相应时刻有功功率的参考值并运行单机等值系统至故障清除时刻(t_c)；单机等值系统从t_c时刻继续运行，得到所有机组达到稳态时刻的排序，将运行过程中单机等值系统中等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)>n)，从而得到校正后的单机等值模型。本申请提出的新能源场站的实用化单机等值方法克服了传统单机等值模型计算量和等值精度无法兼顾的问题。

本申请的方法计算简单方便，物理含义明晰，所需参数少，等值精度高，便于工程技术人员掌握。

1.传统单机等值的误差来源与机理分析

以两台串联的风电机组组成的新能源场站(机组相距500m，机组1和2的风速分别为7m/s和13m/s)为例，假设风电场并网点发生三相接地故障，并网点电压在t₀时刻跌落至约0.3p.u.，t_c时刻故障清除，机组1、机组2以及风电场出口处和其传统单机等值模型的故障响应如图2所示，图2中，阶段1表示新能源场站在故障期间的有功功率响应曲线，阶段2表示新能源场站在故障清除后的有功功率响应曲线。

由图2可知，故障开始后，机组1和机组2很快达到了故障期间各自的稳态值P₁(t_f)和>2(t_f)。详细风电场和传统单机等值模型也很快达到了各自的稳态值P_com(t_f)和P_eq(t_f)，但>com(t_f)≠P_eq(t_f)。

故障清除后，机组1和机组2分别从各自的初始值P₁(t_c)(＝P₁(t_f))和P₂(t_c)(＝P₂(t_f))>1和t₂时刻到达各自故障前的稳态值，并依次将整个风电场的恢复行为分为两个阶段。阶段1：机组1和机组2分别从各自的起始功率P₁(t_c)和P₂(t_c)以速率k₁和k₂恢复；阶段>

因此，第一段恢复过程，等值模型和详细风电场的误差来源于二者起始恢复功率(即故障期间的稳态功率)的差异。第二段恢复过程，等值模型和详细风电场的误差来源于二者恢复速率的差异，等值模型无法表征详细风电场在t₁时刻恢复速率的变化。

所以，传统单机等值模型和详细风电场模型的误差可以归结为两个方面：故障期间功率稳态值的偏差和故障恢复期间功率恢复速率的偏差。

2提出的改进的单机等值方法

2.1基本原理

根据上述对传统单机模型等值误差根源和机理的解析，本发明提出了基于故障穿越 (FRT)全过程有功动态行为校正的新能源场站实用化单机等值方法，原理如图3所示。

步骤二中的新能源场站在故障期间有功功率的解析表达式和步骤三中的新能源场站在故障清除后的有功功率动态行为的解析表达式均为本发明推导出来的公式。

优选地实施方式：步骤三还包括：将所有新能源机组按照各自稳态有功功率的大小进行升序排列P₁≤P₂≤…≤P_n，得到故障清除后所有机组达到各自稳态时刻的排序t₁≤t₂≤…≤t_n。

本实施方式的效果为：所有机组故障清除后进入的稳态时刻的排序根据机组的稳态有功功率的大小进行升序排列获得。

实施例：

新能源场站实用化单机等值方法，以风电场为例，所述方法包括以下步骤：

步骤一、将风电场内所有风电机组等值为一台机组，获得单机等值系统，运行单机等值系统至t₀时刻，t₀表示风电场并网点处发生三相短路故障的时刻；

步骤二、故障期间稳态有功功率的校正：单机等值系统从t₀时刻继续运行至t_c时刻，>0时刻至t_c时刻为故障期间，在此期间要根据详细风电场故障期间的稳态有功功率校正单机等值系统有功功率控制通道在t₀～t_c时间段内相应时刻有功功率的参考值：

详细风电场故障期间的稳态有功功率为：

式中，P是有功功率；n为风电场内风电机组的数量，i为风电机组按照其稳态有功功率的大小升序排列的标号；下标“com”代表整个风电场；t是当前仿真运行时间；t₀是故障发生时刻；t_c是故障清除时刻。

根据风电机组的运行原理，各机组故障期间的有功功率P_i(t)，由并网标准要求的无功支撑数值、功率优先函数(本申请采取无功优先控制)以及机组故障前的稳态有功功率和机端电压的跌落程度共同决定：

式中，U_i和I_{p_i}分别为风机i的电压和有功电流；P_{normal_i}和U_{normal_i}分别为风机i在正常工作状态时的有功和电压；I_{max_i}为最大电流；I_{q_i}为风机i的无功电流：

I_{q_i}(t)＝k_Q·(0.9-U_i(t)),0.2p.u.≤U_i(t)≤0.9p.u.(1-3)

式中，k_Q为常数，由并网标准决定。

那么，含有n台机组的风电场在故障期间的稳态有功功率可表示为：

当单机等值系统有功功率控制通道在t₀～t_c时间段内相应时刻有功功率的参考值被公式(1-4)更新后，其在故障期间的稳态有功功率即可和详细风电场的完全一致；

步骤三、故障清除后有功恢复速率的校正：当单机等值系统有功功率控制通道在t₀～t_c时间段内相应时刻有功功率的参考值被式(1-4)校正后，故障清除后单机等值系统的起始恢复功率即可和详细风电场的起始恢复功率相同，第一段恢复过程(t_c～t₁)的等值误差即可被自动消除。那么，故障恢复过程的等值误差即全部由阶段2恢复速率的不匹配导致。如果单机等值模型在阶段2的恢复速率被连续校正为详细风电场的恢复速率，阶段2的等值误差就可以被消除，

含有n台机组的风电场在故障清除后的功率恢复行为可表示为：

式中，t_i是第i台风电机组到达稳态的时刻。

由式(1-5)可知，校正后的单机等值模型的有功功率在t_c～t₁时间段按照速率恢复；在t₁～t₂时间段按照速率恢复；在t₂～t₃时间段按照速率恢复；依次类推，直至t_n时刻按照速率k_n恢复至风电场的稳态出力。即当风电场单机等值模型有功功率的参考值在故障恢复期间(t_c～t_n)被(1-5)连续更新后，其在故障恢复期间的有功功率动态行为即可和详细风电场的完全一致。

本申请提出的新能源场站的单机等值方法包含两个方面，分别是式(1-4)所示的故障期间的稳态功率校正策略和式(1-5)所示的故障清除后功率恢复速率校正策略，需要的参量为：每台风电机组的P_{normal_i},U_{normal_i}，I_{max_i}及故障期间每台机组的电压U_i(t)和故障清除后的有功恢复速率k_i。其中，P_{normal_i}可以根据机组感受到的风速和机组的功率特性曲线获得；每台风电机组的稳态电压U_{normal_i}可由简单的稳态潮流计算得到；I_{max_i}和k_i不随风速场景和仿真过程的变化而变化，可由机组的参数手册得到。

风电场等值的目的是：利用风电场内各风电机组和集电网络的稳态物理参数，建立一个能够准确模拟详细风电场动态响应特性的等值模型，从而在含大规模风电场的电网仿真分析中不必再依赖每台机组FRT过程中的电压和电流参量。因此，唯一不可获取的参数是各台机组在故障期间的实时电压U_i(t)。

实际新能源场站的集电线路一般联结10台左右的机组，机组之间的距离一般为几百米，所以每台机组的电压差异较小。因此，故障期间，每台机组的电压U_i可以由单机等值系统中等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)替代。利用U_eq替代U_i，产生的偏差分析如下：

1)采用U_eq替代U_i后，式(1-4)可更新为：

比较式(1-4)和式(1-6)可知：

a)当U_eq(t)<0.2p.u.时，U_eq替代U_i所引起的偏差为零。

b)当0.2p.u.≤U_eq(t)≤0.9p.u时，U_eq替代U_i所引起的偏差可表示为:

c)当U_eq(t)>0.9p.u.时，U_eq替代U_i所引起的偏差可表示为:

由于U_i和U_eq非常接近，因此U_eq替代U_i引起的故障期间功率和故障清除后起始恢复功率的偏差在实际应用中可以忽略。

2)采用U_eq替代U_i后，式(1-5)可更新为：

由式(1-9)可以看出，采用U_eq替代U_i，功率的恢复速率仍和替代前一样，不会引起恢复速率的附加偏差。另外，假设机组按照其稳态功率的大小升序排列，当第i台机组到达稳态功率时(t₁)，由于U_eq替代U_i引起的第i台风电机组的起始恢复功率偏差自动被消除，即t>t_i之后，自动从式(1-9)中消失，取而代之的是P_{normal_i}。直至消除掉所有风电机组由于采用U_eq替代U_i所引起的起始恢复功率偏差。因此，在整个恢复过程中，采用U_eq替代U_i所引起的附加偏差较小，且呈现逐渐缩减的趋势。

综上可知，为提升本发明等值方法的实用性，建议采用U_eq替代U_i，计算故障期间的功率和故障清除后的恢复速率，即分别采用公式(1-6)和公式(1-9)替代(1-4)和(1-5)。

本申请提出的新能源场站的实用化单机等值方法计算简单方便，物理含义明晰，所需参数少，等值精度高，便于工程技术人员掌握。

效果验证：

1、以图4所示的某双馈型风电场为例，该风电场共有33台1.5MW的双馈型风电机组组成，n＝33。各集电网络的长度也已标注在图4中。该风电场的主要参数如表1所示，单机等值仿真系统如图5所示，图5中等值集电网络、等值变压器和等值风电机组组成了等值新能源场站，图5中的等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)则为单机等值系统中等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)。

表1双馈型风电场的主要参数

图6为风电场内各台机组在某一时间断面测量得到的实际风速数据。在该组风速场景下，风电场并网点处发生三相短路故障，故障开始于70s，清除于70.1s，电压跌落至0.3p.u. 时，传统单机等值模型和本发明提出的新能源场站的实用化单机等值模型及详细双馈型风电场模型的故障穿越全过程的暂态响应对比如图7所示。

由图7可知，本发明提出的新能源实用化单机等值方法可以明显提高双馈型风电场传统单机模型的等值精度，风电场出口处的有功功率、无功功率、电压和电流的动态行为的跟踪效果均较好。

2、将新能源场站实用化单机等值方法应用于永磁直驱型风电场

以如图8所示的某永磁直驱型风电场为例，该风电场共有33台1.5MW的永磁直驱型风电机组组成，n＝33。各集电网络的长度也已标注在图8中。该风电场内风电机组的主要参数如表2所示，其单机等值仿真系统如图9所示，图9中等值集电线路、等值变压器组和等值风电机组组成了等值新能源场站，图9中的等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)>eq(t)。

表2永磁直驱型风电机组的主要参数

图10为该风电场内各台机组在某一时间断面测量得到的实际风速数据。在该组风速场景下，风电场并网点处发生三相短路故障，故障开始于2s，清除于2.15s，电压跌落至0.0p.u. 时，传统单机等值模型和本发明提出的新能源场站的实用化单机等值模型及详细永磁直驱型风电场模型的故障穿越全过程的暂态响应对比如图11所示。

由图11可知，本发明提出的新能源实用化单机等值方法可以明显提高永磁直驱型风电场传统单机模型的等值精度，风电场出口处的有功功率、无功功率、电压和电流的动态行为的跟踪效果均较好。

3、将新能源场站实用化单机等值方法应用于光伏电站

选取如图12所示的某光伏电站为研究对象，该光伏电站由30个光伏阵列组成，每个子系统容量为1MW，包含两个相同的500kW的单极式光伏发电单元，排列方式为10行3 列，容量共计30MW，因此n＝60。各集电网络的长度也已标注在图12中。该光伏电站光伏单元的主要参数如表3所示，其单机等值仿真系统如图13所示，图13中等值集电网络、等值变压器和等值光伏电站组组成了等值新能源场站，图13中的等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)则为单机等值系统中等值新能源场站出口电压的标幺值U_eq(t)。

表3光伏发电单元的主要参数

参数 数值 参数 数值 光伏发电单元容量 500KW 光伏组件开路电压 85.3V 直流侧最大电压 1000V 光伏组件最大功率点电压 72.9V 最大功率跟踪电压 480V-850V 光伏组件短路电流 6.09A 基准容量 30MW 光伏组件最大功率点电流 5.69A

该光伏电站内各光伏阵列在某一时间断面测量测到的实际光照强度数据如图14所示。在该组光照强度场景下，光伏电站并网点处发生三相短路故障，故障开始于2.5s，清除于 2.7s，电压跌落至0.2p.u.，传统单机等值模型和本发明提出的新能源场站的实用化单机等值模型及详细光伏电站模型的故障暂态响应对比如图15所示。

由图15可知，本申请提出的新能源实用化单机等值方法可以明显提高光伏电站传统单机模型的等值精度，光伏电站出口处有功功率、无功功率、电压和电流的动态行为的跟踪效果均较好。

本申请提出的新能源场站的实用化单机等值方法克服了传统单机等值模型计算量和等值精度无法兼顾的问题。该方法计算简单方便，物理含义明晰，所需参数少，等值精度高，便于工程技术人员掌握。