一种新能源电源简化建模方法与流程

1.本发明涉及配电网继电保护技术领域，具体为一种新能源电源简化建模方法。


背景技术：

2.随着越来越多的新能源工程投入，新能源发电的容量增大使发生故障时带来的危害也更加严重，使得新能源接入配电网的继电保护研究成为近些年的热点研究方向之一。继电保护的研究离不开建模仿真，大规模的新能源电源因其具有的复杂拓扑结构及控制特性增加了新能源电源模型的复杂性，存在无法高效仿真的技术难题，影响新能源接入配电网的继电保护研究。因此，建立简化的新能源电源模型对新能源接入配电网的继电保护研究具有重要的理论意义和实用价值。
3.目前，国内外对于新能源接入配电网后的建模方法主要有：
4.(1)提出了一种基于短路电流轨迹结构相似度的dfig电磁暂态同调机群的划分方法，该方法计及了影响dfig电磁暂态特性的正常运行工况、控制器响应特性、转子保护动作等因素，可对大容量双馈型感应风力发电机组群进行同调机群划分，但该方法未对分群阈值选取设定一个明确定义，分群原则依赖经验估计，对经验的要求较高，误差较大；
5.(2)考虑风电场对大电网影响关注出口动态动作，从出口特征入手忽略内部结构等效风场，有一定的效果，但是该方法采用的prony算法阶数较大，等效波形较杂散，拟合精度不够高；
6.(3)针对功率解耦控制的双馈风电机组建立了等效简化模型，但是该方法未完全脱离控制策略影响，且模型参数并未充分考虑系统外特性，具有一定的误差。


技术实现要素：

7.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种新能源电源简化建模方法，能够实现配电网内部故障仿真，提高模型的准确性和可信度，减小模型误差，同时不受新能源电源类型的控制，通用性好，适用范围广泛。
8.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种新能源电源简化建模方法，包括如下步骤，
10.获取接入新能源的配电网故障时的故障电压幅值；
11.获取配电网故障时控制系统响应曲线对应的外特性指标；
12.对故障电压幅值和外特性指标进行曲线拟合；
13.根据外特性指标建立故障电流表达模型；
14.基于故障电压幅值和外特性指标的拟合结果，建立故障电压幅值与故障电流表达模型之间的压控电流源模型，获得新能源电源的简化模型。
15.优选地，所述获取接入新能源的配电网故障时的故障电压幅值包括，
16.通过改变新能源接入配电网处的过渡电阻大小，采集到不同的电压跌落信号，并根据不同的电压跌落信号转化得到对应的故障电压幅值。
17.优选地，所述外特性指标包括上升时间、峰值时间、阻尼振荡周期和新稳态响应。
18.优选地，所述获取配电网故障时控制系统响应曲线对应的外特性指标包括，获取不同故障电压幅值下的故障电流有效值对应的外特性指标值；
19.以及获取不同故障电压幅值下的故障后电压电流相位差对应的外特性指标值。
20.优选地，所述不同故障电压幅值下的故障电流有效值的表达式为，
[0021][0022]
其中，t为时间自变量，t0为扰动时刻，ug为故障电压幅值，i0为原电流有效值，i(ug,t)为新电流有效值，ki为电流的衰减周期分量系数，αi为电流的衰减系数，ω
di
为电流的阻尼震荡角频率，θ0为衰减周期分量初相位。
[0023]
优选地，所述不同故障电压幅值下的故障后电压电流相位差的表达式为，
[0024][0025]
其中，t为时间自变量，t0为扰动时刻，ug为故障电压幅值，θ0(ug)为电压电流相位差，θ(ug,t)为故障后电压电流相位差，k
θ
为相位差的衰减周期分量系数，α
θ
为相位差的衰减系数，ω
dθ
为相位差的阻尼震荡角频率，θ0为衰减周期分量初相位。
[0026]
优选地，其特征在于，所述衰减周期分量系数、衰减系数、阻尼震荡角频率和衰减周期分量初相位根据获取的外特性指标计算获得。
[0027]
优选地，所述新能源接入配电网的方式包括，
[0028]
离网蓄电、并网发电或者离网蓄电和并网发电结合的方式。
[0029]
优选地，所述新能源采用风力发电机组或者光伏发电机组。
[0030]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0031]
本发明提供一种新能源电源简化建模方法，采用测试分析的建模思想，基于实验数据的简化建模的思路，忽略电源内部复杂的架构和控制信息以及新能源的输入波动，将新能源视为单端口黑箱模型。同时借助控制系统响应对应获取系统的外特性指标，并根据实验数据获取的故障电压幅值和外特性指标之间进行曲线模拟以此进一步来描述故障电流的表达式，减小建模误差，同时利用电压跌落试验数据样本构建故障电压幅值和故障电流表达式之间的关系，得到端口故障电压和故障电流值之间的关系，从而将新能源电源模型等效为压控电流源，有效解决因新能源复杂结构导致难以建模仿真，无法对新能源接入配电网的继电保护研究提供数据基础的问题。本发明提供的建模方法与等值建模思路相比，不依赖于机组拓扑结构和控制参数信息，可实现内部故障仿真且模型的准确性及可信度较高；与机理分析法比较，模型误差更小，且不受新能源电源类型的控制，通用性和适用性更高。
附图说明
[0032]
图1是本发明建模方法流程图；
[0033]
图2是本发明建模方法的原理示意图；
[0034]
图3是本发明建模方法的实施步骤图；
[0035]
图4是本发明实施例中的模型结构图；
[0036]
图5(a)是本发明实施例中的电流结果对比图；
[0037]
图5(b)是本发明实施例中的误差结果示意图。
具体实施方式
[0038]
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0039]
如图1所示，本发明一种新能源电源简化建模方法，包括如下步骤，
[0040]
获取接入新能源的配电网故障时的故障电压幅值；
[0041]
获取配电网故障时控制系统响应曲线对应的外特性指标；
[0042]
对故障电压幅值和外特性指标进行曲线拟合；
[0043]
根据外特性指标建立故障电流表达模型；
[0044]
基于故障电压幅值和外特性指标的拟合结果，建立故障电压幅值与故障电流表达模型之间的压控电流源模型，获得新能源电源的简化模型。
[0045]
本发明提供一种新能源电源简化建模方法，采用测试分析的建模思想，基于实验数据的简化建模的思路，忽略电源内部复杂的架构和控制信息以及新能源的输入波动，将新能源视为单端口黑箱模型。同时借助控制系统响应对应获取系统的外特性指标，并根据实验数据获取的故障电压幅值和外特性指标之间进行曲线模拟以此进一步来描述故障电流的表达式，减小建模误差，同时利用电压跌落试验数据样本构建故障电压幅值和故障电流表达式之间的关系，得到端口故障电压和故障电流值之间的关系，从而将新能源电源模型等效为压控电流源，有效解决因新能源复杂结构导致难以建模仿真，无法对新能源接入配电网的继电保护研究提供数据基础的问题。本发明提供的建模方法与等值建模思路相比，不依赖于机组拓扑结构和控制参数信息，可实现内部故障仿真且模型的准确性及可信度较高；与机理分析法比较，模型误差更小，且不受新能源电源类型的控制，通用性和适用性更高。
[0046]
进一步地，所述新能源接入配电网的方式包括，
[0047]
离网蓄电、并网发电或者离网蓄电和并网发电结合的方式。
[0048]
进一步地，所述新能源采用风力发电机组或者光伏发电机组。
[0049]
本发明提供的建模方法在具体实施过程中，采用测试分析法的建模思路，如图2所示，基于故障样本数据，借助数值拟合来求取故障电压幅值和故障电流之间的近似映射关系，以建立压控流源的简化模型，具体如图3所示，包括如下步骤，
[0050]
步骤1：根据变流器收到的电压跌落信号，获取故障电压幅值ug数据；
[0051]
步骤2：根据电网发生故障时，双馈风力发电机组的控制系统响应曲线得到相应的外特性指标w，包括上升时间tr、峰值时间t
p
、阻尼振荡周期td和新稳态响应a1。
[0052]
步骤3：应用数值拟合确定曲线外特性指标w与故障电压幅值ug的关系，拟合曲线表达式如式(1)所示：
[0053]
w＝w(ug)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
步骤4：由控制理论相关内容可得，系统在静态工作点处得到闭环函数y(t)，建立故障电流有效值和故障后电压电流相位差的表达式，如式(2)所示：
tg)为故障状态下a、b、c三相电流，tg时刻发生对称金属性短路故障，ug为故障电压幅值，f为工频，本实施例中设为50hz。
[0073]
实施例
[0074]
建立风电机组并网详细模型见图4，系统参数取自某示范性工程。
[0075]
4条配电线路长度分别为：l
ab
＝4.5km、l
bc
＝5.7km、l
cd
＝5.8km、l
ae
＝9.8km，线路参数为x＝0.335ω/km；r＝0.169ω/km，图4中di为保护安装点，正常运行时电压频率50hz，a相电压初相位为30
°
，电流有效值为0.575ka。
[0076]
本实施例中，所述获取接入新能源的配电网故障时的故障电压幅值包括，
[0077]
通过改变新能源接入配电网处的过渡电阻大小，采集到不同的电压跌落信号，并根据不同的电压跌落信号转化得到对应的故障电压幅值。
[0078]
进一步地，所述获取配电网故障时控制系统响应曲线对应的外特性指标包括，
[0079]
获取不同故障电压幅值下的故障电流有效值对应的外特性指标值；
[0080]
以及获取不同故障电压幅值下的故障后电压电流相位差对应的外特性指标值。
[0081]
步骤1：以在风机入接配电线路处设置三相短路故障为例，通过改变过渡电阻大小进而改变故障电压跌落程度，从而分别获得如表1和表2所示的不同电压跌落数据与电流有效值和电压电流相位差对应的外特性指标值。
[0082]
表1电压跌落和电流有效值对应的外特性指标
[0083][0084][0085]
表2电压跌落和电压电流相位差对应的外特性指标
[0086][0087]
步骤2：对电压跌落数据与电流有效值对应的外特性指标值进行曲线拟合，表达式如式(8)所示：
[0088][0089]
对电压跌落数据与电压电流相位差对应的外特性指标值进行曲线拟合，表达式如式(9)所示：
[0090][0091]
步骤3：根据上述分析得到的故障电流有效值、故障后电压电流相位差与故障电压幅值之间的关系通过整和可得到相应的表达式：
[0092]
其中，所述不同故障电压幅值下的故障电流有效值的表达式为，
[0093][0094]
其中，t为时间自变量，t0为扰动时刻，ug为故障电压幅值，i0为原电流有效值，i(ug,t)为新电流有效值，ki为电流的衰减周期分量系数，αi为电流的衰减系数，ω
di
为电流的阻尼震荡角频率，θ0为衰减周期分量初相位。
[0095]
本实施例中，如式(10)所示，
[0096][0097]
其中，所述不同故障电压幅值下的故障后电压电流相位差的表达式为，
[0098][0099]
其中，t为时间自变量，t0为扰动时刻，ug为故障电压幅值，θ0(ug)为电压电流相位差，θ(ug,t)为故障后电压电流相位差，k
θ
为相位差的衰减周期分量系数，α
θ
为相位差的衰减系数，ω
dθ
为相位差的阻尼震荡角频率，θ0为衰减周期分量初相位。
[0100]
本实施例中，如式(11)所示，
[0101][0102]
步骤4：建立描述故障电流的简化模型：
[0103][0104]
其中，ia(ug,t),ib(ug,t),ic(ug,t)分别为t时刻a、b、c三相不同电压跌落程度下故障电压幅值ug所映射的故障电流函数。
[0105]
步骤5：简化模型的效果评价。
[0106]
①
计算性能对比：利用pscad平台对简化模型与精确模型进行仿真，步长1ms，时长4s，统计两个模型耗时以及数据空间存储占用情况，如表3所示。
[0107]
表3两种模型计算性能对比
[0108][0109][0110]
②
数值对比：从图5(a)和图5(b)中可看出采用相同控制方式下的详细模型与简化模型在整体趋势上非常贴近，误差基本在5％以内，有效性得到验证。
[0111]
为实现上述目的,在本发明中采取的主要技术手段。要清楚、完整、准确地加以描述，要对发明的实质内容加以说明，公开的程度以所属技术领域的普通技术人员能够理解和实现为准。