一种评估风电场低电压穿越性能的场站等值建模方法与流程

1.本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种评估风电场低电压穿越性能的场站等值建模方法。


背景技术：

2.为解决化石资源短缺和生态环境污染的难题，政府相继出台了一系列鼓励清洁可再生能源发展的政策，太阳能、风能等清洁可再生能源的发展受到了广泛的重视，尤其是以风力发电为主的新能源发电发展势头迅猛。但是，随着风电机组装机容量在电力系统电源侧的占比越来越高，其运行特性对电力系统安全稳定的影响也越来越大。
3.为应对风电机组大量并网带来的影响，世界各国都对风电机组制定了严格的入网要求，其中低电压穿越能力往往被认为是其中最重要的一项。目前，针对风电机组低电压穿越能力的研究已经得到了广泛的开展并取得了一系列的研究成果。通过文献研究可知，低电压穿越能力作为风电机组本身的固有属性，其主要取决于风电机组所采取的低电压穿越控制策略及其对应的低电压穿越控制参数，一般情况下，风电机组的低电压穿越控制策略主要有2种形式，即低穿指定功率控制和低穿指定电流控制，其中以低穿指定电流控制为主。出于商业机密的原因，风电机组厂家一般不会公开具体的低电压穿越控制参数，但可根据风电机组的封装模型或型式试验报告辨识得到。
4.但是，目前在大型风电场的低电压穿越能力评估方面仍存在一定的困难，对于一个大型风电场，其风电场内往往有上百台风电机组，受限于仿真软件内存限制，难以对电网内所有风电场的每一个风电机组进行建模。
5.而作为电网规划运行的工作人员，鉴于风电机组低电压穿越能力对电网安全稳定运行的影响越来越大，迫切需要对风电场的低电压穿越性能进行较为全面、快速准确的模拟，以更好地分析低电压穿越期间风电场的响应特性，衡量其并网对电网安全稳定运行的影响。


技术实现要素：

6.鉴于上述，本发明提供了一种评估风电场低电压穿越性能的场站等值建模方法，其通过获取需要等值建模的风电场结构、元件参数及正常运行时的运行数据，确定风电场等值机并网线路和并网变压器的等效参数和正常运行时每台等值机分配的有功出力和无功出力，并根据低电压穿越时的运行数据依次确定每台等值机的低电压穿越控制参数。该方法采用序次递进的方式依次确定每台等值机的控制参数，等值机的聚合效果更为准确，同时采用解析推导的方式拟合确定等值机的低电压穿越控制参数，数学逻辑清晰，有效提高了风电场等值建模的效率。
7.一种评估风电场低电压穿越性能的场站等值建模方法，包括如下步骤：
8.(1)获取需要等值建模的风电场结构及元件参数数据，包括风电场的拓扑结构、风电场内汇集线路的阻抗z
line
、以及风电场内升压变压器的变比k
trans
及阻抗z
trans
；
9.(2)计算确定风电场等值机并网线路的等效阻抗z
line,eq
、并网变压器的等效阻抗z
trans,eq
及等效变比k
trans,eq
；
10.(3)获取需要等值建模的风电场正常运行时的运行数据，包括正常运行工况下风电场并网点的电压u0、输出的有功功率p0和无功功率q0；
11.(4)根据输出功率一致的原则计算确定正常运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
0,eq
和无功功率q
0,eq
；
12.(5)获取需要等值建模的风电场低电压穿越时的运行数据，包括风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场输出的有功功率p
lv
和无功功率q
lv
；
13.(6)根据输出功率一致的原则计算确定风电场并网点不同跌落电压u
lv,pcc
运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
lv,eq
和无功功率q
lv,eq
；
14.(7)设置风电场等值机数量为n，采用序次递进法拟合风电场第k台等值机低电压穿越时的有功功率p
lv,eq,k-跌落电压u
lv,eq
曲线和无功功率q
lv,eq,k-跌落电压u
lv,eq
曲线，建立每台风电场等值机低电压穿越时的有功功率-跌落电压函数p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)和无功功率-跌落电压函数q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)；
15.(8)根据所推导的低电压穿越控制参数计算公式计算得到第k台等值机低电压穿越时的有功功率控制参数k
plv1,k
、k
plv2,k
、k
plv3,k
，以及无功功率控制参数k
qlv1,k
、k
qlv2,k
、k
qlv3,k
；
16.(9)利用有功功率控制参数k
plv1,k
、k
plv2,k
、k
plv3,k
以及无功功率控制参数k
qlv1,k
、k
qlv2,k
、k
qlv3,k
控制风电场每台等值机机电暂态模型低压穿越仿真时的有功功率和无功功率，用以评估风电场的低电压穿越性能。
17.步骤(2)中确定风电场等值机并网线路等效阻抗z
line,eq
的具体方法为：整理需要等值建模的风电场结构及元件参数数据，根据阻抗和变比一致的原则，风电场等值机并网线路的等效阻抗z
line,eq
根据戴维南等效电路获得，首先将所有风力发电机的端口短路，计算风电场并网点的端口阻抗，然后根据并网变压器等效变比k
trans,eq
将其归算至低压侧。
18.确定风电场等值机并网变压器的等效阻抗z
trans,eq
及等效变比k
trans,eq
的具体方法为：整理需要等值建模的风电场结构及元件参数数据，根据阻抗和变比一致的原则，风电场等值机并网变压器的等效变比k
trans,eq
与风电场内升压变压器的变比k
trans
保持一致，即k
trans,eq
＝k
trans
；风电场等值机并网变压器的等效阻抗z
trans,eq
设置为0，即z
trans,eq
＝0，风电场等值机并网变压器为理想变压器。
19.步骤(4)中确定正常运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
0,eq
的具体方法为：根据输出功率一致的原则，正常运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
0,eq
为风电场输出的有功功率p0减去风电场等值机并网线路上的有功损耗δp
line,eq
，计算公式为p
0,eq
＝p
0-δp
line,eq
。
20.步骤(4)中确定q
0,eq
的具体方法为：
21.q
0,eq
＝q
0-δq
line,eq
，
22.其中，δq
line,eq
为正常运行工况下风电场等值机并网线路上的无功损耗。
23.步骤(6)中确定p
lv,eq
的具体方法为：
24.p
lv,eq
＝p
lv-δp
lv,line,eq
25.其中，δp
lv,line,eq
为风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场等值机并网
线路上的有功损耗；
26.确定q
lv,eq
的具体方法为：
27.q
lv,eq
＝q
lv-δq
lv,line,eq
28.其中，δq
lv,line,eq
为风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场等值机并网线路上的无功损耗。
29.步骤(7)中建立每台风电场等值机低电压穿越时的有功功率-跌落电压函数p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)的具体方法为：整理风电场等值机低电压穿越时需要保证的运行数据，形成有功功率测试数据集，根据测试数据集和等值机数量采用序次递进法依次建立低电压穿越时有功功率-跌落电压函数，第1台等值机根据有功功率测试数据集采用最小二乘法进行拟合，第k 1台等值机根据第k台等值机的拟合误差数据集采用最小二乘法进行拟合，有功功率-跌落电压函数的拟合公式均为二次多项式，其形式为p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)＝p
2,kulv,eq,k2
p
1,kulv,eq
；
30.建立每台风电场等值机低电压穿越时的无功功率-跌落电压函数q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)的具体方法为：整理风电场等值机低电压穿越时需要保证的运行数据，形成无功功率测试数据集，根据测试数据集和等值机数量采用序次递进法依次建立低电压穿越时无功功率-跌落电压函数，第1台等值机根据无功功率测试数据集采用最小二乘法进行拟合，第k 1台等值机根据第k台等值机的拟合误差数据集采用最小二乘法进行拟合，无功功率-跌落电压函数的拟合公式均为二次多项式，其形式为q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)＝q
2,kulv,eq2
q
1,kulv,eq
；
31.其中，u
lv,eq
为风电场等值机端口的跌落电压值，它等于风电场并网点跌落电压值u
lv
减去风电场等值机并网线路上的电压降落δu
lv,line,eq
，即u
lv,eq
＝u
lv
/k
trans,eq-δu
lv,line,eq
，k
trans,eq
为并网变压器等效变比。
32.步骤(8)中计算每台风电场等值机低电压穿越时的有功功率控制参数k
plv1,k
、k
plv2,k
、k
plv3,k
的具体方法为：整理每台风电场等值机低电压穿越时有功功率-跌落电压函数的二次多项式系数p
2,k
、p
1,k
，结合每台风电场等值机正常运行时分配的有功功率运行数据，具体包括正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
和分配的有功功率p
0,eq,k
，正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
等于风电场并网点电压值u0除以变压器变比k
trans,eq
再减去风电场等值机并网线路上的电压降落δu
line,eq
，即u
0,eq
＝u0/k
trans,eq-δu
line,eq
；风电场等值机分配的有功功率p
0,eq,k
按平均原则分配，即p
0,eq,k
＝p
0,eq
/n；根据功率计算公式得到低电压穿越有功功率控制参数计算公式为：
33.p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)＝p
2,kulv,eq,k2
p
1,kulv,eq
34.p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)
35.＝u
lv,eq
(k
plv1,kulv,eq
k
plv2,k
p
0,eq,k
/u
0,eq
k
plv3,k
)
36.＝k
plv1,kulv,eq2
(k
plv2,k
p
0,eq,k
/u
0,eq
k
plv3,k
)u
lv,eq
37.从而根据系数对应原则，得到k
plv1,k
＝p2,k、k
plv2,k
＝p
1,k
·u0,eq
/p
0,eq,k
、k
plv3,k
＝0；每台风电场等值机低电压穿越时的无功功率控制参数k
qlv1,k
、k
qlv2,k
、k
qlv3,k
的具体方法为：整理每台风电场等值机低电压穿越时无功功率-跌落电压函数的二次多项式系数q
2,k
、q
1,k
，结合每台风电场等值机正常运行时分配的无功功率运行数据，具体包括正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
和分配的无功功率q
0,eq,k
，正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
等于风电场并网点电压值u0减去风电场等值机并网线路上的电压降落δu
line,eq
，即u
0,eq
＝
u0/k
trans,eq-δu
line,eq
；风电场等值机分配的无功功率q
0,eq,k
按平均原则分配，即q
0,eq,k
＝q
0,eq
/n；低电压穿越无功功率控制参数计算公式为：
38.q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)＝q
2,kulv,eq,k2
q
1,kulv,eq
39.q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)
40.＝u
lv,eq
(k
qlv1,k
(0.9-u
lv,eq
) k
qlv2,kq0,eq,k
/u
0,eq
k
qlv3,k
)
41.＝-k
qlv1,kulv,eq2
(0.9k
qlv1,k
k
qlv2,kq0,eq,k
/u
0,eq
k
qlv3,k
)u
lv,eq
42.根据系数对应原则，得到k
qlv1,k
＝-q
2,k
、k
qlv2,k
＝0、k
qlv3,k
＝q
1,k-0.9k
qlv1,k
43.针对评估风电场接入电网后电力系统电压稳定性的应用场景，本发明评估风电场低电压穿越性能的场站等值建模方法，采用序次递进的方式依次确定每台等值机的控制参数，等值机的聚合效果更为准确，同时采用解析推导的方式拟合确定等值机的低电压穿越控制参数，数学逻辑清晰，有效提高了风电场等值建模的效率，能够很好地为评估风电场接入电网后电力系统的电压稳定性服务，为风电场的并网规划和实际运行提供一定的参考和指导。
附图说明
44.图1为本发明评估风电场低电压穿越性能的场站等值建模方法的流程图。
45.图2为某风电场的结构示意图。
46.图3为序次递进法的逻辑流程图。
具体实施方式
47.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
48.本发明评估风电场低电压穿越性能的场站等值建模方法如图1所示，具体步骤如下：
49.(1)获取需要等值建模的风电场结构及元件参数数据，包括风电场的拓扑结构、风电场内汇集线路的阻抗z
line
、以及风电场内升压变压器的变比k
trans
及阻抗z
trans
；
50.(2)计算确定风电场等值机并网线路的等效阻抗z
line,eq
、并网变压器的等效阻抗z
trans,eq
及等效变比k
trans,eq
；
51.(3)获取需要等值建模的风电场正常运行时的运行数据，包括正常运行工况下风电场并网点的电压u0、输出的有功功率p0和无功功率q0；
52.(4)根据输出功率一致的原则计算确定正常运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
0,eq
和无功功率q
0,eq
；
53.(5)获取需要等值建模的风电场低电压穿越时的运行数据，包括风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场输出的有功功率p
lv
和无功功率q
lv
；
54.(6)根据输出功率一致的原则计算确定风电场并网点不同跌落电压u
lv,pcc
运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
lv,eq
和无功功率q
lv,eq
；
55.(7)设置风电场等值机数量为n，采用序次递进法拟合风电场第k台等值机低电压穿越时的有功功率p
lv,eq,k-跌落电压u
lv,eq
曲线和无功功率q
lv,eq,k-跌落电压u
lv,eq
曲线，建立每台风电场等值机低电压穿越时的有功功率-跌落电压函数p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)和无功功率-跌
落电压函数q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)；
56.(8)根据所推导的低电压穿越控制参数计算公式计算得到第k台等值机低电压穿越时的有功功率控制参数k
plv1,k
、k
plv2,k
、k
plv3,k
，以及无功功率控制参数k
qlv1,k
、k
qlv2,k
、k
qlv3,k
；
57.(9)利用有功功率控制参数k
plv1,k
、k
plv2,k
、k
plv3,k
以及无功功率控制参数k
qlv1,k
、k
qlv2,k
、k
qlv3,k
控制风电场每台等值机机电暂态模型低压穿越仿真时的有功功率和无功功率，用以评估风电场的低电压穿越性能。
58.下面我们以某风电场为例，对该风电场进行等值建模，结构示意图如图2所示。
59.1、获取需要等值建模的风电场结构及元件参数数据
60.根据厂家提供的风电场规划数据和设备数据，对风电场结构及元件参数数据进行获取，具体包括风电场的拓扑结构、风电场内汇集线路的阻抗z
line
、以及风电场内升压变压器的变比k
trans
及阻抗z
trans
等；
61.2、确定风电场等值机并网线路和并网变压器的等效参数
62.整理需要等值建模的风电场结构及元件参数数据，根据阻抗和变比一致的原则，风电场等值机并网线路的等效阻抗z
line,eq
根据戴维南等效电路获得，首先将所有风力发电机的端口短路，计算风电场并网点的端口阻抗，然后根据并网变压器等效变比k
trans,eq
将其归算至低压侧；风电场等值机并网变压器的等效变比k
trans,eq
与风电场内升压变压器的变比k
trans
保持一致，即k
trans,eq
＝k
trans
；风电场等值机并网变压器的等效阻抗z
trans,eq
设置为0，即z
trans,eq
＝0，风电场等值机并网变压器为理想变压器。
63.3、获取需要等值建模的风电场正常运行时的运行数据
64.通过机电暂态仿真软件(psasp、pss/e、bpa等)搭建该风电场的仿真测试环境，对其正常运行时的数据进行获取，具体包括正常运行工况下风电场并网点的电压u0、输出的有功功率p0和无功功率q0。
65.4、确定正常运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
0,eq
和无功功率q
0,eq
66.整理正常运行工况下风电场并网点的电压u0、输出的有功功率p0、输出的无功功率q0，根据输出功率一致的原则，正常运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
0,eq
为风电场输出的有功功率p0减去风电场等值机并网线路上的有功损耗δp
line,eq
，计算公式为p
0,eq
＝p
0-δp
line,eq
；正常运行工况下风电场等值机需要输出的无功功率q
0,eq
为风电场输出的无功功率q0减去风电场等值机并网线路上的无功损耗δq
line,eq
，计算公式为q
0,eq
＝q
0-δq
line,eq
。
67.5、获取需要等值建模的风电场低电压穿越时的运行数据
68.基于所搭建的风电场的机电暂态仿真测试环境，测试风电场并网点不同跌落电压u
lv
情况下风电场的运行数据，具体包括风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场输出的有功功率p
lv
和无功功率q
lv
；可选取90％、75％、50％、35％和20％等5种典型的低电压运行工况。
69.6、确定风电场并网点不同跌落电压u
lv,pcc
运行工况下风电场等值机需要输出的有功功率p
lv,eq
和无功功率q
lv,eq
70.整理风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场输出的有功功率p
lv
和无功功率q
lv
，根据输出功率一致的原则，风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场等值
机需要输出的有功功率p
lv,eq
为风电场输出的有功功率p
lv
减去风电场等值机并网线路上的有功损耗δp
lv,line,eq
，计算公式为p
lv,eq
＝p
lv-δp
lv,line,eq
；风电场并网点不同跌落电压u
lv
运行工况下风电场等值机需要输出的q
lv,eq
为风电场输出的无功功率q
lv
减去风电场等值机并网线路上的无功损耗δq
lv,line,eq
，计算公式为q
lv,eq
＝q
lv-δq
lv,line,eq
。
71.7、建立每台风电场等值机低电压穿越时的有功功率-跌落电压函数p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)
72.整理风电场等值机低电压穿越时需要保证的运行数据，形成有功功率测试数据集，根据测试数据集和等值机数量采用序次递进法依次建立低电压穿越时有功功率-跌落电压函数，序次递进法的逻辑流程图如图3所示，其基本思路是第1台等值机根据有功功率测试数据集采用最小二乘法进行拟合，第k 1台等值机根据第k台等值机的拟合误差数据集采用最小二乘法进行拟合，有功功率-跌落电压函数的拟合公式均为二次多项式，其形式为p
lv,eq,k
(u
lv,eq
)＝p
2,kulv,eq,k2
p
1,kulv,eq
，u
lv,eq
为风电场等值机端口的跌落电压值，它等于风电场并网点跌落电压值u
lv
减去风电场等值机并网线路上的电压降落δu
lv,line,eq
，即u
lv,eq
＝u
lv
/k
trans,eq-δu
lv,line,eq
。
73.8、建立每台风电场等值机低电压穿越时的无功功率-跌落电压函数q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)
74.整理风电场等值机低电压穿越时需要保证的运行数据，形成无功功率测试数据集，根据测试数据集和等值机数量采用序次递进法依次建立低电压穿越时无功功率-跌落电压函数，序次递进法的逻辑流程图如图3所示，其基本思路是第1台等值机根据无功功率测试数据集采用最小二乘法进行拟合，第k 1台等值机根据第k台等值机的拟合误差数据集采用最小二乘法进行拟合，无功功率-跌落电压函数的拟合公式均为二次多项式，其形式为q
lv,eq,k
(u
lv,eq
)＝q
2,kulv,eq2
q
1,kulv,eq
，u
lv,eq
为风电场等值机端口的跌落电压值，它等于风电场并网点跌落电压值u
lv
减去风电场等值机并网线路上的电压降落δu
lv,line,eq
，即u
lv,eq
＝u
lv
/k
trans,eq-δu
lv,line,eq
。
75.9、确定每台风电场等值机低电压穿越时的有功功率控制参数k
plv1,k
、k
plv2,k
、k
plv3,k
76.整理每台风电场等值机低电压穿越时有功功率-跌落电压函数的二次多项式系数p
2,k
、p
1,k
，结合每台风电场等值机正常运行时分配的有功功率运行数据，具体包括正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
和分配的有功功率p
0,eq,k
，正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
等于风电场并网点电压值u0减去风电场等值机并网线路上的电压降落δu
line,eq
，即u
0,eq
＝u0/k
trans,eq-δu
line,eq
；风电场等值机分配的有功功率p
0,eq,k
按平均原则分配，即p
0,eq,k
＝p
0,eq
/n，n为风电场等值机台数；根据所推导的低电压穿越有功功率控制参数计算公式计算得到每台风电场等值机低电压穿越有功功率控制参数，所推导的低电压穿越有功功率控制参数计算公式为k
plv1,k
＝p2,k、k
plv2,k
＝p
1,k
·u0,eq
/p
0,eq,k
、k
plv3,k
＝0。
77.10、确定每台风电场等值机低电压穿越时的无功功率控制参数k
qlv1,k
、k
qlv2,k
、k
qlv3,k
78.整理每台风电场等值机低电压穿越时无功功率-跌落电压函数的二次多项式系数q
2,k
、q
1,k
，结合每台风电场等值机正常运行时分配的无功功率运行数据，具体包括正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
和分配的无功功率q
0,eq,k
，正常运行时风电场等值机的端口电压u
0,eq
等于风电场并网点电压值u0减去风电场等值机并网线路上的电压降落δu
line,eq
，即u
0,eq
＝u0/k
trans,eq-δu
line,eq
；风电场等值机分配的无功功率q
0,eq,k
按平均原则分配，即q
0,eq,k
＝q
0,eq
/n，n为风电场等值机台数；根据所推导的低电压穿越无功功率控制参数
计算公式计算得到每台风电场等值机低电压穿越无功功率控制参数，所推导的低电压穿越无功功率控制参数计算公式为k
qlv1,k
＝-q
2,k
、k
qlv2,k
＝0、k
qlv3,k
＝q
1,k-0.9k
qlv1,k
。
79.上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。