一种大规模风电集中接入电网的系统仿真方法技术方案

本发明专利技术提出了一种大规模风电集中接入电网的系统仿真方法，提出了大容量风电场的有效等值模式；基于大规模风电并网运行的特点，制定了能综合考虑风力发电的风资源特性、风力发电机动态响应特性及多风力发电机机型、风力发电机不同控制模式等差异性特点影响的大规模风电并网仿真分析原则；在此基础上构造了大规模风电集中接入电网的系统仿真评估的完整分析框架及流程。仿真分析结果表明，本发明专利技术所提出的大规模风电集中接入电网的系统仿真方法能较为全面及客观的计及大规模风电基地并网后由于其多风力发电机类型和响应特性差异性及风资源特性对电力系统动态特性的影响，准确评估风电并网对电力系统稳定运行造成的冲击和安全性瓶颈。这有利于调度运行人员准确把握大规模风电接入对系统特性的影响及其规律，对于指导制定相应的防范和改进措施，保证风电接入后系统的正常运行意义重大。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统的模拟与计算领域，以及可再生能源发电领域，具体涉及。
技术介绍
国外一些电力系统分析工具较早实现了风力发电机组的模拟，如PSS/E，DigSIlent等。国内长期以来缺少具有相应功能的计算工具，通过“十一五”期间风电机组建模研究，国内基本形成了实用的风电机组模型，并在软件中实现。但是，由于风电机类型较多，生产厂家众多，控制逻辑差别较大，目前国内外软件的风电机组建模工作对各类风电机组的覆盖均不够全面，对低电压穿越等新技术还缺乏准确模拟。 间歇性的风电可再生能源大规模并网后，由于其随机性和波动性，会引起电力系统运行模式发生较大的变化。比如旋转备用率，系统的调峰、调频服务安排等。另一方面，由于可再生能源自身的电力生产特点，大规模接入后也会对系统特性造成影响。比如，用风电大规模替代部分同步发电机组，系统的频率特性会发生变化。目前，多个风电装机比例较高的国家已经开始关注风电接入对电网频率稳定的影响。对于变速风电机组而言，由于其控制系统的控制作用使得变速风电机组转速与电网频率完全解耦，致使在电网频率发生改变时机组无法对电网提供频率响应，因此在电网频率改变时基于双馈电机的变速风电机组固有的惯量对电网表现成为一个“隐含惯量”，因此相应带来整个电网惯量的降低，在电网中发生功率缺额时，电网频率降低的变化率较高、频率跌落的幅度较大，不利于电网的频率稳定。因此，有必要深入分析可再生能源大规模接入后的系统有功、无功、频率、电压等动态特性的变化。国外的可再生能源发电目前的主流并网方式是分散式接入，而我国的可再生能源发电具有大规模集中接入、高电压远距离外送的特点。所以，关于可再生能源发电集中接入下的系统运行特性研究，基本上没有国外经验可以借鉴。 间歇式可再生能源大规模并网后，会给系统的运行控制增加难度。以风电为例，美国、德国、丹麦等国家，风电开发及并网运行较早，在风电场内部有功、无功控制理论以及装置研发等方面做了大量工作，取得了一定成绩。另外，并网运行后还在系统控制中心层面深入开展了针对风电的有功、无功自动控制以及调度技术的研发。 在电网扰动期间，可再生电源需要和电网进行协调配合，支撑电网安全。国外虽在支撑电网安全的可再生电源控制、保护等方面做了大量工作，取得了一定成果，但仍发生了电网故障时风电机组大面积脱网和无序并网的案例，如欧洲11.4大停电。作为环保能源，欧洲多数国家政府立法确保风电并网发电，但是由于风电出力的不可预测性，欧洲输电联盟(UCTE)电网正在承受着风电接入带来的越来越大的出力波动。本次事故前，因天气原因造成风电大发，导致系统重要断面潮流加重。事故发生后，低周地区大量风电机组跳闸，进一步加剧了系统功率缺额，而高周地区大量被切除的风电机组在系统频率恢复阶段自动并网，延缓了频率恢复过程，并造成系统潮流重新分布和部分断面功率越限。可见，针对故障期间可再生电源和电网的协调控制及保护方面还需进行更为深入和细致的研究。
技术实现思路
本专利技术的的目的是要在开展大规模风电基地集中并网的仿真分析中，有效计及大规模风电基地风资源特性的叠加效应、大风电基地风力发电机类型各异、响应特性各异、控制和保护系统各异所带来的动态响应的差异性，准确评估风电并网对电力系统稳定运行造成的冲击和安全性瓶颈。为此需要解决以下一些问题风电机组的准确建模、风电场的合理等值、适用于工程应用的风力发电机类型及其控制和保护系统差异性的有效评估、风电机组并网对系统动态特性影响的全面覆盖等。本专利技术针对上述问题首次明确提出了能综合考虑风力发电的风资源特性、风力发电机动态响应特性及多风力发电机机型、风力发电机不同控制模式等差异性特点影响的大规模风电并网仿真分析原则，基于该原则发展出了大规模风电集中接入电网的系统仿真评估的完整分析框架及流程，为风电基地的大规模并网提供了仿真分析的技术手段。以下将就本专利技术的
技术实现思路
进行具体描述 本专利技术的，其特征在于包括以下步骤 (1)根据所需研究的大型风电基地的风力发电机装机特点选择多风力发电机的仿真模型 其中，首先考虑所研究大型风电基地安装的风力发电机机型，所述风力发电机机型包括定速异步风力发电机、双馈式风力发电机和直驱式风力发电机等，其次考虑各类型风力发电机的装机额定容量，基于上述条件，建立并选择所需的风力发电机仿真模型及其相应的参数； (2)确定大容量风电场的合理等值原则 其中，基于电力系统的等值模拟原理，通过对比实际的多风力发电机风电场与等效的大容量风力发电机风电场的动态响应曲线，可将大容量风电场在稳态计算时用一定功率因数计算一定有功出力时的无功功率等效处理，动态计算采用单台大容量风电机组模拟等容量风电场； 对于风电场动态无功特性模拟按模拟等效后的等值风力发电机类型进行分别处理，具体原则如下 (A)固定转速风电机组采用普通异步发电机，其动态特性基本与异步机相同，发出有功的同时吸收无功功率，且不具备无功调节能力； (B)双馈变速风电机组通过变频器为转子提供励磁电流，具备调压能力，在发出有功功率的同时可调节无功功率，并根据系统的需要在一定范围内调节无功输出，考虑双馈变速风电机组所具有的两种运行模式恒功率因数控制模式和恒电压控制模式。 对于风电场送出系统的等值，如有实际系统数据，则根据实际参数进行化简等值，如缺乏实际数据，则根据2006年9月实行的《风电场接入电网技术规定》(国家电网公司组织中国电力科学研究院编写并公开发表)中对主变压器的要求，同时风电送出系统按两级升压的典型配置进行近似模拟； (3)大规模风电并网仿真分析原则的制定及等效分析 其中，基于所制定的能有效计及风电的风资源特性、风力发电机动态响应特性及多风力发电机机型、风力发电机不同控制模式的差异性特点的大规模风电并网仿真分析，需要进行基于各风电场风资源特性相关性的累加效应减小分析、多风力发电机类型的合理模拟修正分析、风力发电机控制模式差异性的有效计及分析以及风力发电机保护配置差异性的全面覆盖分析； (4)基于所建立的大规模风电集中接入电网的系统仿真评估的分析框架及流程，开展大规模风电集中接入电网的系统仿真评估分析。 其中，步骤(1)中所述多风力发电机的仿真模型包括 ①固定转速风力发电机模型 固定转速风力发电机模型的的基本环节包括四部分风力机、异步发电机、桨距控制系统和风速，风力机模型包括起升速、连接和传动的机械装置风力发电机叶片、以及轮毂、齿轮箱、传动轴和连轴器，桨距控制系统用于变桨距风力发电机，对于定桨距风力发电机，其叶片按失速效应设计，可根据风速的大小自动对风电功率进行调节； ②双馈风力发电机模型 双馈风力发电机模型的基本环节包括五部分风力机、桨距控制系统、发电机及换流器、励磁控制系统和风速模型，上述模型中的风速模型与固定转速风力发电机模型一致； ③固定转速风力发电机及双馈风力发电机对应的风功率模型 固定转速风力发电机及双馈风力发电机对应的风功率模型的相关函数式如下 Mm＝Mt(3) βc＝kωVw+kpp(Ps-Pref)+X(9) 式中 Mw为叶片输出转矩的标幺值(p.u.)；ρ为空气密度(kg/m3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大规模风电集中接入电网的系统仿真方法，其特征在于包括以下步骤：（１）根据所需研究的大型风电基地的风力发电机装机特点选择多风力发电机的仿真模型：其中，首先考虑所研究大型风电基地安装的风力发电机机型，所述风力发电机机型包括定速异步风力发电机、双馈式风力发电机和直驱式风力发电机等，其次考虑各类型风力发电机的装机额定容量，基于上述条件，建立并选择所需的风力发电机仿真模型及其相应的参数；（２）确定大容量风电场的合理等值原则：其中，基于电力系统的等值模拟原理，通过对比实际的多风力发电机风电场与等效的大容量风力发电机风电场的动态响应曲线，可将大容量风电场在稳态计算时用一定功率因数计算一定有功出力时的无功功率等效处理，动态计算采用单台大容量风电机组模拟等容量风电场；对于风电场动态无功特性模拟按模拟等效后的等值风力发电机类型进行分别处理，具体原则如下：（Ａ）固定转速风电机组采用普通异步发电机，其动态特性基本与异步机相同，发出有功的同时吸收无功功率，且不具备无功调节能力；（Ｂ）双馈变速风电机组通过变频器为转子提供励磁电流，具备调压能力，在发出有功功率的同时可调节无功功率，并根据系统的需要在一定范围内调节无功输出，考虑双馈变速风电机组所具有的两种运行模式：恒功率因数控制模式和恒电压控制模式。对于风电场送出系统的等值，如有实际系统数据，则根据实际参数进行化简等值，如缺乏实际数据，则根据国家电网公司的《风电场接入电网技术规定》中对主变压器的要求，同时风电送出系统按两级升压的典型配置进行近似模拟；（３）大规模风电并网仿真分析原则的制定及等效分析：其中，基于所制定的能有效计及风电的风资源特性、风力发电机动态响应特性及多风力发电机机型、风力发电机不同控制模式的差异性特点的大规模风电并网仿真分析，需要进行基于各风电场风资源特性相关性的累加效应减小分析、多风力发电机类型的合理模拟修正分析、风力发电机控制模式差异性的有效计及分析以及风力发电机保护配置差异性的全面覆盖分析；（４）基于所建立的大规模风电集中接入电网的系统仿真评估的分析框架及流程，开展大规模风电集中接入电网的系统仿真评估分析。...

【技术特征摘要】
1.一种大规模风电集中接入电网的系统仿真方法，其特征在于包括以下步骤(1)根据所需研究的大型风电基地的风力发电机装机特点选择多风力发电机的仿真模型其中，首先考虑所研究大型风电基地安装的风力发电机机型，所述风力发电机机型包括定速异步风力发电机、双馈式风力发电机和直驱式风力发电机等，其次考虑各类型风力发电机的装机额定容量，基于上述条件，建立并选择所需的风力发电机仿真模型及其相应的参数；(2)确定大容量风电场的合理等值原则其中，基于电力系统的等值模拟原理，通过对比实际的多风力发电机风电场与等效的大容量风力发电机风电场的动态响应曲线，可将大容量风电场在稳态计算时用一定功率因数计算一定有功出力时的无功功率等效处理，动态计算采用单台大容量风电机组模拟等容量风电场；对于风电场动态无功特性模拟按模拟等效后的等值风力发电机类型进行分别处理，具体原则如下(A)固定转速风电机组采用普通异步发电机，其动态特性基本与异步机相同，发出有功的同时吸收无功功率，且不具备无功调节能力；(B)双馈变速风电机组通过变频器为转子提供励磁电流，具备调压能力，在发出有功功率的同时可调节无功功率，并根据系统的需要在一定范围内调节无功输出，考虑双馈变速风电机组所具有的两种运行模式恒功率因数控制模式和恒电压控制模式。对于风电场送出系统的等值，如有实际系统数据，则根据实际参数进行化简等值，如缺乏实际数据，则根据国家电网公司的《风电场接入电网技术规定》中对主变压器的要求，同时风电送出系统按两级升压的典型配置进行近似模拟；(3)大规模风电并网仿真分析原则的制定及等效分析其中，基于所制定的能有效计及风电的风资源特性、风力发电机动态响应特性及多风力发电机机型、风力发电机不同控制模式的差异性特点的大规模风电并网仿真分析，需要进行基于各风电场风资源特性相关性的累加效应减小分析、多风力发电机类型的合理模拟修正分析、风力发电机控制模式差异性的有效计及分析以及风力发电机保护配置差异性的全面覆盖分析；(4)基于所建立的大规模风电集中接入电网的系统仿真评估的分析框架及流程，开展大规模风电集中接入电网的系统仿真评估分析。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)中所述多风力发电机的仿真模型包括①固定转速风力发电机模型固定转速风力发电机模型的的基本环节包括四部分风力机、异步发电机、桨距控制系统和风速，风力机模型包括起升速、连接和传动的机械装置风力发电机叶片、以及轮毂、齿轮箱、传动轴和连轴器，桨距控制系统用于变桨距风力发电机，对于定桨距风力发电机，其叶片按失速效应设计，可根据风速的大小自动对风电功率进行调节；②双馈风力发电机模型双馈风力发电机模型的基本环节包括五部分风力机、桨距控制系统、发电机及换流器、励磁控制系统和风速模型，上述模型中的风速模型与固定转速风力发电机模型一致；③固定转速风力发电机及双馈风力发电机对应的风功率模型固定转速风力发电机及双馈风力发电机对应的风功率模型的相关函数式如下Mm＝Mt(3)βc＝kωVw+kpp(Ps-Pref)+X(9)式中Mw为叶片输出转矩的标幺值(p.u.)；ρ为空气密度(kg/m3)；Ω为风力机的机械转速(rad/s)；A＝πR2，为风力机叶片的扫风面积，R为风轮机半径(m)；Vin、Vout分别为风力机的切入风速和切出风速(m/s)；ΩN与BMVA分别为风力机额定的机械角速度(rad/s)和系统基准容量(MVA)；Cp是风力机的风能利用系数，即单位时间内风力机所吸收的风能与通过叶片旋转面的全部风能之比，按照贝兹理论，Cp最大值为0.593，它与风力机的叶尖速比λ和桨距角β有关，在动态仿真中，将其表示为λ和β的非线性函数，即CP＝f(λ，β)，其中，风力机叶片顶端线速度与风速之比λ＝ΩR/Vw；Mt为轮毂转矩(p.u)；Mw为叶片转矩(p.u)；Th为时滞效应的时间常数(s)，Mm为输入到发电机侧做功的机械转矩(p.u)；rs分别为定子电压、电流和电阻(p.u)；为等效暂态电抗(p.u)；xs、xr、xm分别为定子漏抗、转子漏抗和激磁电抗(p.u)；Me为发电机的电磁转矩；Mm是输入到发电机侧的机械转矩；Ti为惯性时间常数。滑差s沿用电动机惯例的定义，即在作发电机运行时s为负值；为定...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁剑，申洪，孙华东，马世英，范越，张振宇，牛栓保，杨文宇，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，西北电网有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]