风电场聚合等值模型在振荡研究中的保真度评价

华北电力大学 NORTHCHINAELECTRICPOWERUNIVERSITY Team 风电场聚合等值模型在振荡研究中的 保真度评价 郭春义教授，博士生导师 华北电力大学 2023年5月 汇报提纲 Team 研究背景及意义 2保真度评价 3结论 第2页共32页 1.1研究背景及意义 新能源产业持续快速发展 Team 风电、光伏等新能源快速发展。截至2022年底，我国风电新增装机容量 37.63GW，累计装机容量365GW，占全球风机装机容量的39.5% ■煤电：气电：核电：生物质发电：常规水电：风电：■太阳能发电：■新型储能；抽水蓄能 1000全球累计装机容量（GW)中国累计装机容量（GW）80 70 800 60 60050 40 400 200 20 电源装机容量/（×10*kW） 10 2016年2017年2018年2019年2020年2021年2022年 202020252030203520402045205020552060 全球及中国累计风电装机容量零碳情景下2020-2060年电源装机结构[1] 数据来源：国家能源局、GWEC[1]舒印彪，张丽英，张运洲,等.我国电力碳达峰,碳中和路径研究[J] 中国工程科学，2021.23(6):1-14. 第3页共32页 1.1研究背景及意义 Team 风电场频发振荡威胁电网安全稳定 “双碳”背景下，风电、光伏、直流等多样化电力电子设备交互作用，引入了新的稳定性问题 以风电场为例，近年来次/超同步以及高频振荡现象频发，造成新能源脱网、 系统停运、设备损坏等，威电力系统的安全稳定运行。 风电场 (DFIG/SVG) 风电场 (PMSG/SVG) 时间地点 2012 6~8.5Hz 2013 广东南澳风电场 20-30Hz 冀北活源风电场 振荡频率 次同步振荡 光伏电站 (PV/SVG) 水电厂2015新疆哈密直驱风电场20Hz 2013新疆某风电场1kHz 高频振荡 火电2021冀北乌达莱风电场2.5kHz HVDC 多样化电力电子设备交互作用风电场振荡现象 第4页共32页 1.1研究背景及意义 Team 合理聚合等值是大规模风电场振荡机理分析的关键 单台风电机组包含机械-电气-控制等环节，多时频尺度交互，详细状态空间 模型可达数十阶。 大规模风电场包含上百台风电机组，详细建模工作量大、耗时长，需要合理 聚合等值。 机械环节 MSC 220kV220kv出线 相主变压器2主变压器 240MVA,230/37.5kV240MVA，230/37.5kV 电气环节 35kV35kv #1母线#2母线#3母线#4母线 GSC Pa 线路 1线路 线路线路5线路线路 1线路 #10线路 12线路 #13线路 风力机及永磁同步机 SVG 35kV±60MVar 电缆 图 sva 30MW等值风电机组 门图 DAS 架空线 DAS 图 控制环节 WT2 WTI 图8.LM PLM WT9Wr1oWT1 2MW风电机组（15台风机） WT12图wTIS WT13 WT14 jWT3 WT6WT7 单台直驱风机结构翼北某风电场拓扑（238台风机） 第5页共32页 1.1研究背景及意义 聚合等值模型能否保留原系统的振荡特征 空间分布导致不同风电场片区的风功率存在差异：尾流效应导致同一片区内不同机组风功率存在差异： 机组供应厂商不同导致机组型号、控制系统存在差异： Team 220kV 220kV出线 机型1机型2 #1主变压器#2主变压器风电场4#放大 链链 路 A区#1母线B区#2母线路 链路 风电场1#风电场2#风电场3#风电场4# 风向 风电场内部尾流效应 地理位置不同：机组型号不同 大规模风电场示意图 第6页共32页 1.2风电场聚合等值过程 步骤1风机分群聚类：基于风功率分群、基于排列地理位置分群等 Team 步骤2 步骤3 等值风机风速：拟合出实测风速-功率曲线，以等值前后功率相等 为原则，反推出等值风速。 等值风机参数：最常用的方法是容量加权法，以风机容量为权重 计算所有风机参数加权平均值。 步骤4集电线路等值参数等功率损耗法、加权电压差法等。 第7页共32页 1.3保真度评价思路Team 根据研究对象对风电场进行不同详细程度的等值 模型风电场 等值 风电场 建立基准模型 等值模型 状态空间模型阻抗模型链路等值片区等值风场等值 提取振荡的主导因素 提取 振荡分析方法主导因素 分析 特征值法阻抗分析法风功率线路风机参数 选取评价指标对等值模型进行保真度评价 保真度评价指标评价关键振荡特征 评价 相似度指标误差指标频率特征阻尼比特征幅相特征 第8页共32页 汇报提纲 Team 研究背景及意义 2保真度评价 3结论 第9页共32页 汇报提纲 Team 2.1等值模型在次同步振荡研究中的保真度评价 2.2等值模型在高频振荡研究中的保真度评价 第10页共32页 2.1等值模型在次同步振荡研究中的保真度评价Team 直驱风电场次同步振荡影响因素 当交流系统强度降低时，并网风电场会有次同步振荡风险 模式分析可知，直驱风机网侧变流器的直流电压外环、锁相环、电流内环是关 键参与环节。 信线路 流 华镇线路 等值线路 寿信线路单机聚合模型 等值线路 房信统路2机聚合模型 详细风电场模型4机聚合模型 直驱风电场聚合模型（16机-4机-2机-1机 *基准模型：324阶 *等值方法：容量加权法+等功率损耗法 第11页共32页 2.1等值模型在次同步振荡研究中的保真度评价Team 关键难点 难以同时考虑多种工况和不同参数的综合影响以及等值振荡特征的绝对误差及 趋势误差。 解决思路 连续变化运行工况或控制参数，综合数值相似度和趋势相似度，定量评价等值前 后频率和阻尼比的误差及变化趋势。 V(X,Y)=αD(X,Y)+(1-α)f(X,Y) D(X,Y)=(1)×100%F(X,Y)=旦I [1(x,)+1()] 1(x)+1(Y) x100% VX,Y)为综合相似度；DX,Y)为数值相似度；X,Y为趋势相似度： α=0.5为权重系数，x，y为等值前后次同步模态的频率或阻尼比。 第12页共32页 2.1等值模型在次同步振荡研究中的保真度评价Team （1风功率差异性对聚合模型次同步模态特征的影响 案例1：尾流效应使得不同链路上风机功率存在差异 所有风机初始功率均为1pu，考虑尾流效应，不同链路间风机存在功率差异△P。 考虑功率差异P从0逐渐增大到0.2pu，对比16机基准模型和4机、2机、单机 聚合模型次同步模态根轨迹 同一链路风机功率相同 链路 P1 P2 23 P4= WTIP5 WT2P6 WT3 27 WT4P8= 链路 WT5 WT6 WT7 WT8 162 AP=0 -AP AP 162 √16机模型 +4机模型 2机模型 AP单机模型 P9P10P11P12=-1-24P 链路S WT9WTIOWTI11WT12 156 -APAP=0.2p.u 不同链路风功率依次减小 AP P13P14P15 链路 P16-1-3△P 154 WT13WT14WT15WT16-9-8-79- 案例1风功率设置考虑功率差异时等值前后次同步模态根轨迹 第13页共32页 2.1等值模型在次同步振荡研究中的保真度评价Team （1）风功率差异性对聚合模型次同步模态特征的影响 案例1：尾流效应使得不同链路上风机功率存在差异 基于根轨迹曲线得到频率和阻尼比特征，采用数值和趋势相似度分别对其进行评价 25.816机模型 +4机模型O2机模型 √单机模型 频率相似度% 评价 风功率差异 数值趋势综合 单机模型99.9895.0597.52 24.6 0.055 00.040.080.120.160.2 AP/pu 2机模型 99.99 95.05 97.52 4机模型 99.99 95.05 97.52 16机模型（基准）100100100 16机模型 阻尼比相似度% 风功率差异 评价单机模型 0.05数值趋势综合 单机模型 尼比99.1295.0597.08 0.045 0.04 0.0350 0.040.080.120.160.2 AP/pu 2机模型 99.80 95.05 97.43 4机模型 99.99 95.05 97.52 16机模型（基准）100100100 结论：考虑链路间尾流效应导致的功率差异时，等值模型次同步模态频率、阻尼比保真度较高 第14页共32页 2.1等值模型在次同步振荡研究中的保真度评价Team （1）风功率差异性对聚合模型次同步模态特征的影响 案例2：尾流效应使得同一链路上风机功率存在差异 所有风机初始功率均为1pu，考虑尾流效应后，同一链路上功率依次减小AP 功率差异△P从0逐渐增大到o.2pu，分析思路同上 同一链路上风机功率依次减小△P25.8 -AP AP-AP016机模型0.05416机模型 + Pi=1 风向 P2=1-AP P3-1-2AV P1=1-3AP ILM WT2 WT3 WT4 P5=1 P6-1-AP P7-1-2AP P8-1-34AP +4机模型4机模型 O2机模型2机模型 25.4√单机模型0.05又单机模型 25阻 链 路0.042 2 24.6 WTSWT6W17&LM0.038 P9-1P10-1-APP11=1-2APP12=1-3AP 0.040.080.120.160.2 AP/pu 0.040.080.120.160.2 AP/pu WT9WT10 链路 WT11WT12 频率相似度% 风功率差异 阻尼比相似度% 风功率差异 P13-1P14=1-APP15=1-2APP16-1-34P单机模型 单机模型 WT13WT14 数值 趋势 综合 99.88 95.05 97.52 99.89 95.05 97.52 99.89 95.05 97.52 WT1S 链 路 WT16 2机模型 4机模型 2机模型 4机模型 案例2风功率设置16机模型（基准） 16机模型（基准）100100100 数值 趋势 综合 99.95 95.05 97.52 99.95 95.05 97.52 99.95 95.05 97.52 100 100 100 结论：考虑链路内尾流效应导致的功率差异时，等值模型的保真度仍然较高 第15页共32页 2.1等值模型在次同步振荡研究中的保真度评价Team （2）控制参数差异性对聚合模型次同步模态特征的影响 案例3：直流电压外环参数差异性对等值模型保真度的影响 考虑风机制造厂商不同，控制参数存在差异。 设定差异△Kp从0逐渐增大到0.5倍初始参数。 同一链路控制参数相同30 链路1控制参数为（Kp）?16机模型2机模型0.04?16机模型02机模型 +4机模型√单机模型+4机模型√单机模型 链路 不WTIWT2WT3tLM 28 率26 0.02 阻0 尼比 Xp 同链路2控制参数为（Kp+4Kp） 链链 2 路路24 -0.02 振荡现象不一致 WTSWT6WT7WTS 控制 参链路3控制参数为（Kp+2AKp） +Xp 2201020304050 -0.04 01020304050 数AKpdc/%AKpdc/% 依3外环参数差异外环参数差异 次频率相似度%阻尼比相似度% WT9WT10WTIIWT12数值趋势综合数值趋势综合 影 大 AKp 链路4控制参数为 链 路 +AKp (Kpt3△Kp)单机模型98.1898.5198.34单机模型51.4653.7352.60 98.68 2机模型 79.52 56.72 68.12 99.25 4机模型 99.98 98.51 99.24 100 16机模型（基准） 100 100 100 99.84 98.51 6666 98.51 100 100 2机模型 4机模型 WT13WT15WT16 控制参数差异设置16机模型（基准） 结论