一种新能源发电系统模型的制作方法

本发明涉及一种新能源发电系统模型，属于新能源发电建模与仿真领域。

背景技术：

随着新能源发电在电力系统中的比例不断增加，其对电力系统的影响正在凸显。新能源发电系统的准确建模是分析大规模新能源并网稳定性、安全性和可靠性等方面影响的关键之一。目前，诸如风力发电、光伏发电、电池储能等新能源发电系统的并网接口大多采用电力电子装置，建模过程中，主要采用机理建模方法，基于各自工作原理、物理特性和控制策略，建立各组成部分的机理模型或整体系统模型，并未充分考虑其并网接口及其控制系统中存在的共性因素，增加了建模工作的复杂性，同时也不便于理解和掌握新能源发电系统在结构与控制策略等方面的共性特征。

有鉴于此，本发明提供一种新能源发电系统模型，以满足实际应用需要。

技术实现要素：

本发明的目的是：为克服上述缺陷，本发明提出了一种新能源发电系统模型，将新能源发电系统中具有共性特征的模块提取出来，从而使模型具有非常明显的模块化特征，降低了建模过程的工作量。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

一种新能源发电系统模型，其特征在于，所述新能源发电系统模型包括机网接口模块、有功控制模块、无功控制模块、故障控制与保护模块，以及电源模块；所述新能源发电系统模型具有典型的模块化特征，其中有功控制模块和无功控制模块涵盖具体的有功和无功控制策略，通过改变控制策略开关逻辑实现具体控制策略的切换；故障控制与保护模块分别对各新能源发电系统的故障控制与保护进行实现，并通过改变开关控制逻辑实现新能源发电系统故障控制与保护逻辑的判断与输出；电源模块通过开关的通断实现模型对于不同类型新能源发电系统的表征。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述机网接口模块由静态发电机或受控电流源实现，其输入为有功控制模块输出的有功参考电流与无功控制模块输出的无功参考电流，输出为新能源发电系统向电网注入的电流向量。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述有功控制模块涵盖具体的有功控制策略，通过改变控制策略开关逻辑实现具体控制策略的切换；有功控制模块的输入为场站级有功功率指令、频率参考值、故障控制与保护模块输出逻辑、电源模块输出的有功功率参考值、系统向电网发送的有功功率、系统频率、机端母线电压，输出为系统向电网注入的有功电流分量参考值。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述有功控制模块包含两种有功控制策略：一种采用有功功率除以机端电压；另一种控制策略为根据电网频率实现对有功参考电流的控制。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述有功控制模块包含稳态与暂态两种工作模式，由有功电流动态限幅计算模块实现。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述无功控制模块涵盖具体的无功控制策略，通过改变控制策略开关逻辑实现具体控制策略的切换；无功控制模块的输入为用户自定义的电压参考值、新能源发电系统并网点电压、场站级无功功率指令、网侧功率因数、电源模块输出的无功功率、故障控制与保护模块输出逻辑、系统向电网发送的无功功率、机端母线电压，输出为系统向电网注入的无功电流分量参考值。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述无功控制模块包括三种控制策略，第一种采用系统并网点电压与用户自定义参考电压进行比较后的差值通过PI环节计算得到，并可根据具体需求添加下垂控制；第二种由场站级控制系统直接分配；第三种为恒功率因数控制。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述无功控制模块包括稳态与暂态两种控制模式；稳态时，由相应策略计算改变无功功率参考值，以使新能源发电系统向电网输出无功功率得到调整；暂态模式下，系统向电网提供的无功功率根据标准要求设定。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述故障控制与保护模块的输入为新能源发电系统故障控制与保护的共性输入——并网点电压，输出为控制逻辑；对于风电、光伏和储能系统的个性输入在电源模块考虑，即自定义模块中实现。

如上所述的新能源发电系统模型，其特征在于，所述电源模块包含风力机、光伏电池、储能系统这些新能源发电系统电源，通过开关的通断实现与有功控制模块的连接；电源模块的输入为风速、辐照度、温度这类资源数据，输出为有功功率参考值。

本发明的有益效果是：本发明针对典型新能源发电系统的电力电子并网装置控制结构多样，建模方式繁杂的特点，构建一种基于静态发电机或受控电流源并网接口的新能源发电系统模型。仿真过程中，通过改变模块内模式控制开关的状态，达到切换有功和无功控制策略的目的；同时，用户可采用自定义或选择特定的电源模块，以实现对不同形式新能源发电系统的组态化建模。模型虽以典型新能源发电系统为例进行验证，但可表征一大类以电力电子装置作为并网接口的不同形式的新能源发电系统结构及其控制策略。

附图说明

图1为新能源发电系统模型结构。

图2为有功控制模块框图。

图3为无功控制模块框图。

图4为故障控制与保护模块框图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

本发明提供的一种新能源发电系统模型，根据风力发电、光伏发电、储能系统等典型新能源发电控制系统的模型特点，将新能源发电系统模型分为机网接口模块、有功控制模块、无功控制模块、故障控制与保护模块，以及电源模块。具有典型的模块化特征；其中有功控制模块和无功控制模块涵盖具体的有功和无功控制策略，通过改变控制策略开关逻辑实现具体控制策略的切换；故障控制与保护模块分别对各新能源发电系统的故障控制与保护进行实现，并通过改变开关控制逻辑实现新能源发电系统或任意组合系统故障控制与保护逻辑的判断与输出；电源模块通过开关的通断实现模型对于不同类型新能源发电系统的表征。

机网接口模块由静态发电机或受控电流源实现，其输入为有功控制模块输出的有功参考电流与无功控制模块输出的无功参考电流，输出为新能源发电系统向电网注入的电流向量。具体可按式(1)计算得到：

I_ac＝(i_dref·cosθ-i_qref·sinθ)+j(i_dref·sinθ+i_qref·cosθ) (1)

式中，i_dref与i_qref分别为静态发电机有功和无功电流参考值；cosθ、sinθ为机端母线电压相角的余弦和正弦值。

有功控制模块涵盖具体的有功控制策略，在本实施例中，包含两种有功控制策略：一种采用有功功率除以机端电压；另一种控制策略为根据电网频率实现对有功参考电流的控制。通过改变控制策略开关逻辑实现具体控制策略的切换。有功控制模块的输入为场站级有功功率指令、频率参考值、故障控制与保护模块输出逻辑、电源模块输出的有功功率参考值、系统向电网发送的有功功率、系统频率、机端母线电压，输出为系统向电网注入的有功电流分量参考值。

有功控制模块包含稳态与暂态两种工作模式，由有功电流动态限幅计算模块实现。稳态时，限幅为常数；当机端电压低于某值(0.9p.u)时，便进入暂态控制模式，有功电流限幅值根据机端电压值计算；当机端电压小于某值(0.4p.u)时，有功电流限幅值为0，此时系统不向电网发出有功功率。暂态过程完成之后，有功电流恢复的速率受有功电流恢复速率限值限制。

无功控制模块涵盖具体的无功控制策略，在本实施例中，无功控制模块包括三种控制策略，第一种采用系统并网点电压与用户自定义参考电压进行比较后的差值通过PI环节计算得到，并可根据具体需求添加下垂控制；第二种由场站级控制系统直接分配；第三种为恒功率因数控制。通过改变控制策略开关逻辑实现具体控制策略的切换。无功控制模块的输入为用户自定义的电压参考值、新能源发电系统并网点电压、场站级无功功率指令、网侧功率因数、电源模块输出的无功功率、故障控制与保护模块输出逻辑、系统向电网发送的无功功率、机端母线电压，输出为系统向电网注入的无功电流分量参考值。

无功控制模块包括稳态与暂态两种控制模式。稳态时，由相应策略计算改变无功功率参考值，以使新能源发电系统向电网输出无功功率得到调整；暂态模式下，系统向电网提供的无功功率根据标准要求设定。

有功控制模块和无功控制模块在切机条件下，退出运行，输出为零；具体切机逻辑由故障控制与保护模块根据切机条件计算得到。

故障控制与保护模块根据标准及相关规定，分别对各新能源发电系统的故障控制与保护进行实现，并通过改变开关控制逻辑实现新能源发电系统或任意组合系统故障控制与保护逻辑的判断与输出。故障控制与保护模块的输入为新能源发电系统故障控制与保护的共性输入——并网点电压，输出为控制逻辑。对于风电、光伏和储能系统的个性输入在电源模块考虑，即自定义模块中实现。例如，对于风电机组，风速保护将在风力机模型中实现。

电源模块包含风力机、光伏电池、储能系统等新能源发电系统电源，通过开关的通断实现与有功控制模块的连接。电源模块的输入为风速、辐照度、温度等资源数据，输出为有功功率参考值。

本发明应用于新能源发电系统模型的建立，对以风力发电、光伏发电、风光储混合系统为例，对本发明的有效性和正确性进行验证。

按照图1所示的新能源发电系统模型结构建立模型，具体地，有功控制模块、无功控制模块、故障控制与保护模块分别根据图2、图3和图4建立，图中，P_ord为电源模块输出的有功功率参考值；P为系统向电网发送的有功功率；f为系统频率；V为机端母线电压；Q为系统向电网发送的无功功率。P_dis为场站级有功功率指令；f_ref为频率参考值；V_protection为故障控制与保护模块输出逻辑；LVPL为有功电流动态限幅模块根据机端电压测量值计算得到的有功电流动态限幅值；rrpwr为暂态过程完成之后，有功电流恢复的速率限值；i_Pref为系统向电网注入的有功电流分量；T_v、T_p、T_IPcmd为时间常数。V_ref为用户自定义的电压参考值；V_reg为新能源发电系统并网点电压；Q_dis为场站级无功功率指令；为网侧功率因数；Q_ord为电源模块输出的无功功率；i_Qlv为低电压穿越期间，系统向电网提供的无功电流；i_Qref为系统向电网注入的无功电流分量。T_v为电压测量时间常数。电源模块包括风力发电、光伏发电和电池储能三种。

本发明实施以风力发电、光伏发电、风光储混合系统为代表的典型新能源发电系统为例进行验证，但可表征一大类以电力电子装置作为并网接口的不同形式的新能源发电系统结构及其控制策略。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。