一种接入电网风电容量分析方法和系统与流程

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种接入电网风电容量分析方法和系统。

背景技术：

基于电力电子元器件的变速恒频风电机组大规模并入电网，给传统电力系统的稳定分析带来了巨大的挑战，但是如何对风电机组的电气特性进行建模模拟，来满足大规模风电并网对电网影响分析的需求，成为研究的热点。现有的建模方法需要结合风电机组的物理模型以数字的形式进行编程实现，但是采用大量电力电子技术的风电机组需要以很小步长的电磁暂态模拟，难以适应千万千瓦风电基地接入大电网的仿真分析。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种接入电网风电容量分析方法和系统。该方法和系统基于风电机组在故障不同阶段的电压、电流、功率等典型电气量的变化，以阻抗的方式来实现风电等效模拟，在此基础上结合等值的外部电网，开展风电接入电网后的稳定分析，据此为判据来确定接入电网的风电容量。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种接入电网风电容量分析方法，其改进之处在于：

步骤1：根据预先建立的风电机组模型和接入的电网，确定仿真分析边界条件；

步骤2：基于所述风电机组模型和边界条件，采用风电阻抗等效方法仿真计算接入风电后电网的稳定性；

步骤3：当仿真计算结果为稳定时，执行步骤4；否则减少接入的风电机组，重复所述步骤2，采用风电阻抗等效方法仿真计算电网的稳定性，直到仿真计算结果为稳定；

步骤4：以电网稳定时接入的风电的容量作为接入电网风电容量。

本发明提供的第一优选技术方案，其改进之处在于，所述风电机组模型的建立，包括：

分别采集风电机组在故障前、故障中和故障后的电压幅值、有功和无功；

根据所述电压幅值、有功和无功，分别计算所述风电机组的等效电阻和等效电抗；

根据所述风电机组故障前、故障中和故障后的等效阻抗，建立用负阻抗表示的风电机组暂态仿真模型。

本发明提供的第二优选技术方案，其改进之处在于，所述根据所述电压幅值、有功和无功，分别计算所述风电机组的等效电阻和等效电抗，如下式所示：

其中，|u|为电压幅值，p为有功，q为无功，r为等效电阻，x为等效电抗。

本发明提供的第三优选技术方案，其改进之处在于，所述根据预先建立的风电机组模型和接入的电网，确定仿真分析边界条件，包括：

针对电网，根据接入电网的网架结构和运行方式，确定相应的故障场景，利用等值分析方法，将所述电网等效为电网等值系统，作为电网的仿真分析边界条件；

针对风电，基于风电机组模型，采用短路容量模拟单个风电场接入电网，仿真计算所述故障场景下，所述风电场的暂态响应特性，并计算所述风电场在故障前、故障中和故障后的暂态阻抗，作为所述风电的仿真分析边界条件。

本发明提供的第四优选技术方案，其改进之处在于，所述基于所述风电机组模型和边界条件，采用风电阻抗等效方法仿真计算接入风电后电网的稳定性，包括：

根据给定的风电基地的总容量和并网方式，结合单个风电场在所述故障下的暂态阻抗，计算所述风电基地的暂态阻抗；

根据所述风电基地的暂态阻抗，仿真计算将所述风电基地接入所述电网等值系统后，电网的稳定性。

本发明提供的第五优选技术方案，其改进之处在于，所述减少接入的风电机组，重复所述步骤2，采用风电阻抗等效方法仿真计算电网的稳定性，直到仿真计算结果为稳定，包括：

当仿真计算结果为不稳定时，根据预设的步长，减少所述风电基地接入电网的风电机组；

计算减少风电机组后所述风电基地的新暂态阻抗；

根据所述风电基地的新暂态阻抗，仿真计算将所述风电基地接入所述电网等值系统后，电网的稳定性；

当仿真计算结果为不稳定时，转入根据预设的步长，减少所述风电基地接入电网的风电机组，直到仿真计算结果为稳定。

一种接入电网风电容量分析系统，其改进之处在于，包括：边界条件模块、稳定性评估模块、循环仿真模块和容量确定模块；

所述边界条件模块，用于根据预先建立的风电机组模型和接入的电网，确定仿真分析边界条件；

所述稳定性评估模块，用于基于所述风电机组模型和边界条件，采用风电阻抗等效方法仿真计算接入风电后电网的稳定性；

所述所述循环仿真模块，用于当仿真计算结果为稳定时，调用容量确定模块；否则减少接入的风电机组并调用稳定性评估模块，直到仿真计算结果为稳定；所述容量确定模块，用于以电网稳定时接入的风电的容量作为接入电网风电容量。

本发明提供的第六优选技术方案，其改进之处在于，还包括用于建立风电机组模型的建模模块，所述建模模块包括数据采集单元、等效阻抗单元和建模单元；

所述数据采集单元，用于分别采集风电机组在故障前、故障中和故障后的电压幅值、有功和无功；

所述等效阻抗单元，用于根据所述电压幅值、有功和无功，分别计算所述风电机组的等效电阻和等效电抗；

所述建模单元，用于根据所述风电机组故障前、故障中和故障后的等效阻抗，建立用负阻抗表示的风电机组暂态仿真模型。

本发明提供的第七优选技术方案，其改进之处在于，所述边界条件模块包括电网边界条件单元和风电边界条件单元；

所述电网边界条件单元，用于根据接入电网的网架结构和运行方式，确定相应的故障场景，利用等值分析方法，将所述电网等效为电网等值系统，作为电网的仿真分析边界条件；

所述风电边界条件单元，基于风电机组模型，采用短路容量模拟单个风电场接入电网，仿真计算所述故障场景下，所述风电场的暂态响应特性，并计算所述风电场在故障前、故障中和故障后的暂态阻抗，作为所风电的仿真分析边界条件。

本发明提供的第八优选技术方案，其改进之处在于，所述稳定性评估模块包括：风电基地阻抗单元和稳定性评估单元；

所述风电基地阻抗单元，根据给定的风电基地的总容量和并网方式，结合单个风电场在所述故障下的暂态阻抗，计算所述风电基地的暂态阻抗；

所述稳定性评估单元，用于根据所述风电基地的暂态阻抗，仿真计算将所述风电基地接入所述电网等值系统后，电网的稳定性。

本发明提供的第九优选技术方案，其改进之处在于，所述循环仿真模块，包括：机组削减单元、新暂态阻抗计算单元、新稳定性计算单元和循环判断单元；

所述机组削减单元，用于当仿真计算结果为不稳定时，根据预设的步长，减少所述风电基地接入电网的风电机组；

所述新暂态阻抗计算单元，用于计算减少风电机组后所述风电基地的新暂态阻抗；

所述新稳定性计算单元，用于根据所述风电基地的新暂态阻抗，仿真计算将所述风电基地接入所述电网等值系统后，电网的稳定性；

所述循环判断单元，用于当仿真计算结果为不稳定时，调用机组削减单元，直到仿真计算结果为稳定。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

本发明构建预先建立的风电机组模型，确定仿真分析的边界条件，并采用采用风电阻抗等效方法仿真计算电网的稳定性，不稳定时减少接入的风电机组，直到仿真计算结果为稳定，据此来确定接入电网的风电容量，适应了千万千瓦风电基地接入大电网的仿真分析。

附图说明

图1为本发明提供的一种接入电网风电容量分析方法流程示意图；

图2为本发明提供的一个接入电网风电容量分析方法实施例的技术框架示意图；

图3a为1.5mw双馈风电机组并网点电压跌落至0.2pu时，风电场出口处的电压；

图3b为1.5mw双馈风电机组并网点电压跌落至0.2pu时，风电场出口处的有功功率；

图3c为1.5mw双馈风电机组并网点电压跌落至0.2pu时，风电场出口处的无功功率；

图4a为含双馈风电机组dfig的单端输电系统故障前线路结构图；

图4b为含dfig的单端输电系统故障前等效电路图；

图5a为含dfig的单端输电系统故障后线路结构图；

图5b为含dfig的单端输电系统故障后线路结构图；

图6为一种接入电网风电容量分析系统基本结构示意图；

图7为一种接入电网风电容量分析系统详细结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

实施例1：

本发明提供的一种接入电网风电容量分析方法流程示意图如图1所示，包括：

步骤1：根据预先建立的风电机组模型和接入的电网，确定仿真分析边界条件；

步骤2：基于风电机组模型和边界条件，采用风电阻抗等效方法仿真计算接入风电后电网的稳定性；

步骤3：当仿真计算结果为稳定时，执行步骤4；否则减少接入的风电机组，重复步骤2，采用风电阻抗等效方法仿真计算电网的稳定性，直到仿真计算结果为稳定；

步骤4：以电网稳定时接入的风电的容量作为接入电网风电容量。

下面给出一个接入电网风电容量分析方法的具体方法，该方法的技术框架如图2所示，包括：

步骤101：进行风电机组建模及其暂态阻抗分析，包括：

步骤101-1：建立用负阻抗表示的风电机组暂态仿真模型；

通常情况下负荷是吸收有功和无功的，电力系统仿真中负荷用正阻抗表示。而风机为发出有功和无功，故其用负的阻抗表示。

步骤101-2：在实际故障穿越测试中测量风电机组的输出功率和电压值，得到模型的阻抗值。

系统受到较大扰动后，风电将进入故障穿越模式，并启动动态无功支撑。通常双馈风电机组控制方式是恒功率因数控制，正常情况下向系统提供有功，不向系统提供无功；系统故障后故障期间双馈风电机组向系统提供一定的无功电流支撑；故障后按照一定的速率恢复有功。图3a为1.5mw双馈风电机组并网点电压跌落至0.2pu时，风电场出口处的电压，图3b为相应时刻风电场出口处的有功功率，图3c为相应时刻风电场出口处的无功功率。

由图3b和3c可知，故障前，双馈机风电场采用功率因数为1恒功率因素控制，向系统注入有功功率，无功功率为零，因此可将双馈风机等效为一负电阻r；设故障期间风电并网处电压为u，故障电流为i，那么双馈机组向系统注入功率为公式式(1)。

其中s为双馈机组向系统注入总功率，p为有功功率，q为无功功率，j为虚数单位，为电压，为电流；

可得：

r＝r+jx(3)

其中r为双馈风机等效阻抗，r为电阻，x为电抗；

进一步可得：

其中，|u|为电压幅值。由公式(4)可得：

联立公式(5)和公式(6)作为方程组，求解r和x，可得：

p、q和|u|通过实测得到，将p、q和|u|的值代入公式(7)，可得r和x的值。

图4a是含双馈风电机组dfig的单端输电系统故障前线路结构图，图4b是与4a对应的等效电路图；图5a是含dfig的单端输电系统故障后线路结构图，图5b是与5a对应的等效电路图。其中，sg为同步发电机组。

由图3b和3c可知，故障期间风机发出无功，向系统提供无功支撑，因此公式(5)中的q为负值，x也应为负值。

步骤102：根据风电机组模型和接入的电网，确定仿真分析边界条件，包括：

步骤102-1：对应电网，根据电网的网架结构及其运行方式，确定相应的故障场景，利用戴维南等效电路与诺顿等效电路的等值分析方法，将该电网等效为传统电源+线路+无穷大电网模式的电网等值系统，作为电网的仿真分析边界条件；

步骤102-2：对于风电，基于风电机组模型，采用短路容量模拟单个风电场接入电网，仿真计算给定故障场景下，并网风电场的暂态响应特性，包括电压、电流和功率等电气量，并计算风电场在故障前、故障中和故障后的暂态阻抗，作为风电的仿真分析边界条件。

步骤103：基于风电机组模型和边界条件，采用风电阻抗等效方法仿真计算接入风电后电网的稳定性，包括：

步骤103-1：根据给定的风电基地的总容量和并网方式，结合单个风电场在故障下的暂态阻抗，计算风电基地的总的暂态阻抗；

步骤103-2：将风电基地接入步骤102-1得到的电网等值系统，按照故障前、故障中和故障后分段仿真评估接入风电基地后电网影响，仿真计算电网的暂态稳定性。

步骤104：当评估结果为稳定时，执行步骤105；否则减少接入的风电机组，转入步骤103，采用风电阻抗等效方法仿真计算电网的稳定性，直到评估结果为稳定，具体为：

当评估结果为稳定时，转入步骤105；否则则按照预设的步长值减少风电基地的容量即接入的风电机组，并跳转至步骤103，直到评估结果为稳定。

步骤105：以电网稳定时接入的风电的容量作为接入电网风电容量。

实施例2：

基于同一发明构思，本发明还提供了一种接入电网风电容量分析系统，由于这些设备解决技术问题的原理与接入电网风电容量分析方法相似，重复之处不再赘述。

该系统基本结构如图6所示，包括：

边界条件模块、稳定性评估模块、循环仿真模块和容量确定模块；

其中，边界条件模块，用于根据预先建立的风电机组模型和接入的电网，确定仿真分析边界条件；

边界条件确定模块，用于根据风电机组模型和接入的电网，确定仿真分析边界条件；

稳定性评估模块，用于基于风电机组模型和边界条件，采用风电阻抗等效方法仿真计算接入风电后电网的稳定性；

循环仿真模块，用于当仿真计算结果为稳定时，调用容量确定模块；否则减少接入的风电机组并调用稳定性评估模块，直到仿真计算结果为稳定；容量确定模块，用于以电网稳定时接入的风电的容量作为接入电网风电容量。

接入电网风电容量分析系统详细结构如图7所示，该系统还包括用于建立风电机组模型的建模模块，建模模块包括数据采集单元、等效阻抗单元和建模单元；

数据采集单元，用于分别采集风电机组在故障前、故障中和故障后的电压幅值、有功和无功；

等效阻抗单元，用于根据电压幅值、有功和无功，分别计算风电机组的等效电阻和等效电抗；

建模单元，用于根据风电机组故障前、故障中和故障后的等效阻抗，建立用负阻抗表示的风电机组暂态仿真模型。

其中，根据电压幅值、有功和无功，分别计算风电机组的等效电阻和等效电抗，如下式所示：

其中，|u|为电压幅值，p为有功，q为无功，r为等效电阻，x为等效电抗。

其中，边界条件模块包括电网边界条件单元和风电边界条件单元；

电网边界条件单元，用于根据接入电网的网架结构和运行方式，确定相应的故障场景，利用等值分析方法，将电网等效为电网等值系统，作为电网的仿真分析边界条件；

风电边界条件单元，基于风电机组模型，采用短路容量模拟单个风电场接入电网，仿真计算故障场景下，风电场的暂态响应特性，并计算风电场在故障前、故障中和故障后的暂态阻抗，作为所风电的仿真分析边界条件。

其中，稳定性评估模块包括：风电基地阻抗单元和稳定性评估单元；

风电基地阻抗单元，根据给定的风电基地的总容量和并网方式，结合单个风电场在故障下的暂态阻抗，计算风电基地的暂态阻抗；

稳定性评估单元，用于根据风电基地的暂态阻抗，仿真计算将风电基地接入电网等值系统后，电网的稳定性。

其中，循环仿真模块，包括：机组削减单元、新暂态阻抗计算单元、新稳定性计算单元和循环判断单元；

机组削减单元，用于当仿真计算结果为不稳定时，根据预设的步长，减少风电基地接入电网的风电机组；

新暂态阻抗计算单元，用于计算减少风电机组后风电基地的新暂态阻抗；

新稳定性计算单元，用于根据风电基地的新暂态阻抗，仿真计算将风电基地接入电网等值系统后，电网的稳定性；

循环判断单元，用于当仿真计算结果为不稳定时，调用机组削减单元，直到仿真计算结果为稳定。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。