一种全功率逆变型新能源电源的多机分群等值方法

1.本发明涉及电力系统等值建模技术领域，尤其涉及一种全功率逆变型新能源电源的多机分群等值方法。


背景技术：

2.我国风电装机容量快速增长，截止2021年4月，全国发电装机容量22.3 亿千瓦，同比增长9.5％，其中风电装机容量2.9亿千瓦，同比增长34.6％，增速远超发电装机总容量。风电、光伏等新能源电源大规模接入电网后，改变了电网拓扑结构和潮流分布，系统中电力电子装置故障特性凸显，其受控、畸变的短路电流与同步电源差异较大，影响保护动作性能及电网短路故障扰动下系统的安全运行水平。然而，在当前针对新能源场站的等值建模方法常采用单机倍乘的方法，在对大量运行状态不同的新能源电源进行等值建模时，单机等值模型精度较差，严重降低了短路后故障电流的精确性不利于继电保护装置的动作性能分析。
3.随着风电、光伏等新能源电源接入比例的快速增加，传统的单机等值模型不能满足实际生产运行的需要。而且，与同步发电机相比，采用电力电子技术并网的风电、光伏等新能源电源，它们的运行机理、并网拓扑结构和控制方式都存在差异。这导致新能源电源呈现复杂、特殊的故障暂态特性，对新能源电源高密度接入的场站建模提出了新的挑战。因此，亟需研究出适用于含新能源电源的等值建模方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种全功率逆变型新能源电源的多机分群等值方法，能够保证新能源电源的等值建模精度，简化等值模型复杂度，减少仿真时间，提高网络短路电流的计算效率。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.一种全功率逆变型新能源电源的多机分群等值方法，包括：
7.建立全功率逆变型电源的多机组短路电流解析模型，并对多机组短路电流解析模型以及等值模型分别进行相位换算；
8.根据机组是否进入低穿控制分为两类；
9.如果属于未进入低穿区间这一类别，则根据相位换算后的多机组短路电流解析模型与等值模型解析关系，采用单机等值方法进行等值建模；如果属于进入低穿区间这一类别，则根据相位换算后的多机组短路电流解析模型与等值模型解析关系，使用分群等值方法进行多机等值建模，利用多机等值建模产生的相对误差与电气量关系，计算电气量边界，根据电气量边界进行机组分群。
10.由上述本发明提供的技术方案可以看出，充分考虑了全功率逆变型新能源电源故障特性，根据不同的故障特征进行等值建模，进而建立了等值建模的误差与电气量的关系，并结合设立的误差边界，确定电气量边界实现分群；通过仿真试验表明，本发明最终获得的
适用于工程实用化的全功率逆变型新能源的等值模型简单，减少了仿真所需时长，并保持一定的精度，提高了含新能源电源的网络电流计算性能。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
12.图1为本发明实施例提供的一种全功率逆变型新能源电源的多机分群等值方法的流程图；
13.图2为本发明实施例提供的详细模型拓扑图示意图；
14.图3为本发明实施例提供的等值模型拓扑示意图；
15.图4为本发明实施例提供的电压跌落至0.5p.u.仿真验证图；
16.图5为本发明实施例提供的电压跌落至0.3p.u.仿真验证图；
17.图6为本发明实施例提供的人工实验中新能源集中接入地区系统拓扑；
18.图7为本发明实施例提供的实验验证图。
具体实施方式
19.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
20.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
21.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
22.下面对本发明所提供的一种全功率逆变型新能源电源的多机分群等值方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所涉及的设备未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
23.如图1所示，一种全功率逆变型新能源电源的多机分群等值方法，主要包括如下步骤：
24.步骤1、建立全功率逆变型电源的多机组短路电流解析模型，并对多机组短路电流解析模型以及等值模型分别进行相位换算。
25.全功率逆变型新能源电源的电流全部由网侧换流器输出，其故障特性主要分为低穿控制阶段(0.2un＜us≤0.8un)和外环控制阶段(0.8un＜us)，us为新能源(机组)锁相环输入的电压标幺值，un为场站端电压额定值。
26.本发明实施例中，根据相关的技术规定(具体为《风电场接入电力系统技术规定》)，建立全功率逆变型电源的多机组短路电流解析模型，表示为：
[0027][0028][0029]
其中，id、iq分别为全功率逆变型电源输出的短路电流的d、q轴电流，in为场站额定电流，i
max
为新能源场站允许输出的电路电流最大值，k为无功电流支撑系数(例如，可以设置k＝1.5)，p0为故障前场站输出功率。
[0030]
由于各机组参考相位不同，因此需归算至同一参考系下，参考相位可以选择同步机相位；或者，若新能源容量相比系统容量较小时，可选故障点相位作为参考相位；选择参考相位后，对所述全功率逆变型电源的多机组短路电流解析模型进行相位换算，换算获得稳态短路电流解析模型，表示为：
[0031][0032]
其中，i
d∑
、i
q∑
分别为等值前的全功率逆变型电源模型(相较而言，可称之为详细模型)换算到参考相位的短路电流的d轴、q轴电流；i
di
、i
qi
分别为机组i锁相环输出相位输出的短路电流的d轴、q轴电流，可以根据式(1)、(2)得到，θi为机组i锁相环输出相位和参考相位的差值。
[0033]
同理，对等值模型有：
[0034][0035]
式中：i
d∑eq
、i
q∑eq
分别为等值模型相位换算后输出的短路电流的d、q轴电流，θ
eq
为等值模型锁相环输出的相位与参考相位的差值，i
deq
、i
qeq
为等值模型相位换算前输出的短路电流的d、q轴电流，可以根据式(1)(2)得到。
[0036]
本领域技术人员可以理解，所述等值模型为电力系统常规的模型。
[0037]
步骤2、根据机组是否进入低穿控制分为两类。
[0038]
本发明实施例中，类别划分方式包括：若满足us》0.8un，则属于未进入低穿区间这一类别；若满足0.2un《us《0.8un，则属于进入低穿区间这一类别；
[0039]
此外，本发明不区分前述步骤1与步骤2的执行顺序，可同步执行，亦可先后执行。
[0040]
步骤3、如果属于未进入低穿区间这一类别，则根据相位换算后的多机组短路电流解析模型与等值模型解析关系，采用单机等值方法进行等值建模；如果属于进入低穿区间这一类别，则根据相位换算后的多机组短路电流解析模型与等值模型解析关系，使用分群等值方法进行多机等值建模，利用多机等值建模产生的相对误差与电气量关系，计算电气
量边界，根据电气量边界进行机组分群。
[0041]
本发明实施例中，多机等值建模的总体思路主要为：基于等值产生的短路电流误差进行分群等值，时间尺度在200至300毫秒内(此处的数值范围仅为举例，在实际应用中，用户可根据需求或者经验调整时间尺度的范围)，因此不考虑场站在故障过程中的机械部分或光伏阵列的动态过程。由于场站故障程度不同，不同的控制模式下其电流故障特征也不一致，先将机组是否进入低穿控制分为两类。未进入低穿区间的机组采用单机等值方法进行等值建模，进入低穿的机组基于逆变型电源的压控电流源特性，推导等值阻抗的计算方法，进一步根据短路电流误差的边界，计算其决定电流误差的电气量边界，根据各机组的电气量差异实现机组的分群等值。
[0042]
本发明实施例中，先讨论两台机组的等值方法，并可推广至两台以上机组的应用场景。等值后的场站拓扑如图3所示，将图2所示的详细模型的链式结构等值为并联结构。
[0043]
下面对于两类情况下的等值建模方式分别进行介绍。
[0044]
1、未进入低穿区间。
[0045]
当系统发生浅度电压跌落，逆变器电压外环未切除，根据前述式(1)(2)(3)可以得到：
[0046][0047]
式中：i
d∑
、i
q∑
分别为等值前的全功率逆变型电源模型换算到参考相位的短路电流的d 轴、q轴电流，i
d1
、i
d2
分别为机组1、机组2输出的短路电流的d轴电流，由式(2)得到，θ1、θ2分别为机组1、机组2锁相环输出的电压相位和参考相位的差值。
[0048]
同理可以得到等值模型归算后的短路电流为：
[0049][0050]
式中：i
deq
＝2(p1+p2)/(3u
deq
)为等值模型输出的短路电流d轴电流，式中p1、p2为机组 1、2输出的有功功率，u
deq
为等值模型的d轴电压，i
d∑eq
、i
q∑eq
分别表示等值模型换算到参考相位的短路电流d轴、q轴电流。
[0051]
由于场站汇集线路较短，其电抗相对较小，且未进入低穿区间电压跌落程度较浅，线路上的电压横分量较小，各节点间的相位差较小，忽略电压相位差并式(5)减式(6)，可以得到dq轴短路电流的等值误差为：
[0052][0053]
式中：u
d1
、u
d2
为机组1、2的d轴电压，dq轴短路电流的等值误差δi
dq
包含了δid与δiq两部分；根据上式，等值带来的短路电流dq轴电流误差主要由电压幅值的差异造成，因此采用加权平均电压的阻抗等值方法，将未进入低穿区间的机组分为一类，采用单机等值方法。
[0054]
加权平均电压法的计算公式为：
[0055][0056]
式中，m为风机机组数量，n为风场中干线式风机支路中风电机组数目，z
eq
为等值线路阻抗，zk为线路k的阻抗，pi、pj分别机组i、j的额定有功功率，下标i、j、h均为机组序号。
[0057]
现有技术中，单机等值法均应用于进入、未进入低穿两种控制，本发明上述介绍中，从理论上说明了对于未进入低穿控制的可行性，为了保持方法的完整性(包含对两种控制的多机建模)因此引用了加权平均电压的阻抗等值方法，并对其可行性加以理论证明。具体的，在本发明实施例中，未进入低穿区间的直接使用单机等值方法等值为1台机，进入低穿区间则进行分群等值(详见后文)。
[0058]
2、进入低穿区间。
[0059]
如之前所述，先介绍两台机组(称为机组1与机组2)的等值方法，当电压跌落程度较深时，新能源场站进入低穿控制，联立式(1)、(2)、(3)，可以得到：
[0060][0061]
其中，i
d∑
、i
q∑
分别为等值前的全功率逆变型电源模型换算到参考相位的短路电流的d 轴、q轴电流，θ1、θ2分别为机组1、机组2锁相环输出的电压相位和参考相位的差值， i
m1
、i
m2
分别为机组1、机组2中逆变器允许通过的最大电流，机组功率因数角为i
di
、i
qi
分别为机组i锁相环输出相位输出的短路电流的d轴、q轴电流， i＝1,2。
[0062]
化简可以得到：
[0063][0064]
上式中：
[0065][0066]
式(11)中的变量均为表达式推导过程中的中间变量。
[0067]
同理，可根据相位换算后的多机组短路电流解析模型及式(4)确定等值建模机组的短路电流，表示为：
[0068][0069]
式中：i
d∑eq
、i
q∑eq
分别为等值模型相位换算后输出的短路电流的d、q轴电流，i
deq
、i
qeq
为等值模型相位换算前输出的短路电流的d、q轴电流。
[0070]
比较式(12)与(10)可知，等值带来的dq轴电流误差由两部分组成：1、详细模型输出电流为各机组输出电流的矢量和，总电流的幅值(限幅值)小于i
m1
+i
m2
，若以容量不变，电流限幅值通常为额定电流的1.2倍，为等之前的机组限幅值相加为原则进行等值，因此等值模型输出的电流幅值为i
m1
+i
m2
，可见其带来的dq轴电流幅值误差无法避免。2、由于电流相位不同带来的余弦项误差。由上文分析，由于逆变型电源的压控电流源特性，是关于电压跌落程度的连续函数，那么令可以得到一个等效电压，以消除等值模型与详细模型间的余弦项误差，假设故障点的电压在等值前后不发生改变，因此可以通过等效电压计算等值阻抗，具体来说：
[0071]
由于故障点电流主要由系统侧提供，故认为并网点电压，在等值前后不发生改变，且为已知量，令等值前后的电流相位相等：则有等值前后的功率因数相等，忽略线路上的功率损耗得到等值模型的等效电压，表示为：
[0072][0073]
其中，p
eq
为等值建模的机组输出的有功功率，u
eq
为等值模型的等效电压，u
di
为详细模型各机组的机端电压即us。
[0074]
根据下式对等值线路长度进行计算：
[0075][0076]
其中，δu、δu分别为电压降落的纵分量、横分量，l为等值模型的线路长度，r、x 分别为线路的单位电阻、电抗。
[0077]
根据前文的分析，等值带来的幅值误差无法避免，电流相位不同带来的余弦项误差可以通过等值阻抗消除，因此可以通过推导其电流误差与电气量关系，根据给出的误差上限计算电气量边界，实现分群。
[0078]
式(10)减式(12)可以得到等值误差：
[0079][0080]
其中，δid与δiq分别表示d轴与q轴短路电流的等值误差；
[0081]
由于各风机出口电压跌落程度相近，因此δ较小，故对上式进行线性化，进行泰勒展开，并忽略高阶项，得到：
[0082][0083]
定义等值产生的相对误差为：
[0084][0085]
其中，ε(id)与ε(iq)分别表示等值产生的d轴与q轴短路电流的相对误差；
[0086]
由上式：
[0087][0088]
上式中的余弦项误差通过电压等效进行消除因此，式(18)第2项等于1，可以得到等值产生的相对误差为：
[0089][0090]
由式(19)可以得到，对进入低穿控制的风场进行等值，产生的误差主要由各风场的电流限幅值与各风场出口电压相位决定，因此可以根据等值产生的总相对误差界定进入低穿控制的风场的电气量边界(分群边界)，实现分群等值。
[0091]
前文介绍了进入低穿区间这一类别的两台机组的等值方法，同样可以扩展至n (n》2)台机组的场景；对于进入低穿区间这一类别，先利用相位换算后的多机组短路电流解析模型与等值模型对两个机组进行等值建模，得到等值机组，再与下一机组进行等值建模，共进行n-1次等值建模；利用n-1次等值建模产生的总相对误差与电气量的关系，计算电气量边界，根据等值建模过程中相关机组之间相角差与电气量边界的关系，进行机组分群。
[0092]
由上个步骤中两台机组等值的思想，同样可以推广至两台机组以上的场景。在第2次～第n-1次等值建模过程中，对于多次等值产生的误差，考虑第k次等值建模产生的相对误差最大的情况有：
[0093][0094]
其中，k＝[2,n-1]，下标j表示第k次等值过程中与等值机组进行等值的机组j的序号，第k次等值过程等值机组与机组j简称为两机组，εk与ε(i
dq
)表示等值产生的dq轴短路电流的相对误差(包含前述公式19中的ε(id)与ε(iq)两部分)，相角差θk表示第k次等值过程中的等值机组(涵盖了当前已等值的所有机组)锁相环输出相位和参考相位的差值，θj为机组j锁相环输出相位和参考相位的差值，为机组j锁相环输出相位和参考相位的差值，idj
、i
qj
分别为机组j锁相环输出相位输出的短路电流的d轴、q轴电流，i
dk
、 i
qk
分别为第k次等值过程中的等值机组输出的短路电流的d轴、q轴电流；可以根据式 (21)计算得到：
[0095][0096]
式中：i
m(k-1)
为第k-1次等值计算后等值模型的电流限幅值，表示为在k＝1时上式退化为式(11)中的δ的计算表达式。
[0097]
由此可以得到，通过n-1次等值建模，得到的等值机组输出的短路电流表示为：
[0098][0099]
其中，r＝1时，i
dq1
表示机组1锁相环输出相位输出的短路电流的d轴、q轴电流(即包含i
d1
与i
q1
)，ε1表示将机组1、2等值为等值机组1带来的dq轴短路电流误差(也即第1次等值建模产生的相对误差)，r》1时，i
dqr
表示第r次等值时等值机组输出短路电流的d、q 轴电流，εr表示第r次等值时等值产生的dq轴短路电流的相对误差(由当前已等值的所有机组与下一机组等值产生)。
[0100]
由式(22)可知，在进行第k次等值建模过程中，δ
k,j
小于归为一类机组中两机组的最大相角差δ
max
，则n-1次等值建模后的多机电流等值相对误差为：
[0101][0102]
式中：i
dq∑
表示等值前的全功率逆变型电源模型归算后的短路电流；p、t均表示机组的序号，ε0为对相角差最大的两机组等值建模产生的相对误差；
[0103]
化简得到：
[0104][0105]
其中，ε为多机等值建模产生的总相对误差，i
dqeq
包含i
deq
与i
qeq
两部分，i
deq
、i
qeq
为等值模型相位换算前输出的短路电流的d、q轴电流。
[0106]
则分为同类机组的相角差上限与多机等值产生的总相对误差ε的关系为：
[0107][0108]
由于相角差由电压跌落程度与电压相位共同决定，相角差上限δ
max
可以理解为电气量边界，上述式子(25)展示了等值建模产生的相对误差与电气量的关系，通过总相对误差ε可以计算出相角差上限δ
max
，将相角差上限δ
max
分别与每一次等值建模时相关机组的相角差δ
a,b
进行比较，如果δ
a,b
小于相角差上限δ
max
，则相关机组分为同一群；当前为第1 次等值建模时，a与b为两个机组的序号，当前不为第1次等值建模时，a为等值机组(涵盖了当前已等值的所有机组)，b为单个机组的序号。
[0109]
前文介绍了等值建模时如何根据电气量进行分群，下面对于等值后的模型参数进行介绍，多机等值模型的参数计算公式分别为：
[0110][0111]
式中：s
eqy
为等值机组y的容量，sw为机组w的容量，ny为分为群y的机组个数，s
teqy
为等值模型y变压器的容量，s
te
为变压器e容量，x
teqy
为等值模型y的变压器电抗，x
tu
为变压器u的电抗。
[0112]
本实施例上述方案，主要获得如下有益效果：本发明根据推导得到的电气量边界与误差的关系，可以根据所需建模精度即误差上限确定分群的电气量边界，进一步根据电气量边界确定场站的分群结果，将每个群等值为1台风机。本发明提出的多机等值建模方法能够保证新能源电源的建模精度，相比详细风场模型简化了等值模型复杂度，减少仿真时间，提高网络短路电流的计算效率。
[0113]
为了验证上述效果，通过仿真试验进行验证。
[0114]
以内蒙某风电场实际拓扑与参数为例，在pscad中搭建了如图2所示的风电场详细模型(包含5
×
10
×
2mw的永磁直驱风机的风电场)。风电机组经箱变(0.69kv/35kv)连接到并网点，并通过主变(35kv/220kv)由架空线路与外部电网相连。其中箱变的短路阻抗为6.39％，主变的短路阻抗13.54％。考虑较严工况风机间电缆线路取为1km。分别在并网点电压跌落时两种情况下验证了本发明的准确性。
[0115]
1、并网点电压跌落50％
[0116]
当并网点电压跌落至50％时，根据等值前后短路电流的误差计算等值边界，由 (17)(22)对风机进行分类，选取两单机等值前后归算后的dq轴电流误差小于0.4％，可以得到风场分群结果如表1所示。
[0117][0118][0119]
表1风场分群结果
[0120]
风电场采用传统单机等值模型、本发明所提等值模型和详细模型的故障电流及其误差如图4所示。图4中，左侧为a相电流曲线，三类曲线(详细模型、单机模型与等值模型对应的曲线重合)，右侧为等值误差，幅度较小的曲线对应为本发明所提等值模型，幅度较大的曲线对应为传统单机等值模型。
[0121]
等值前后产生的全电流最大误差与dq轴电流误差如表2所示。设置dq轴电流误差为 0.4％，则最终的到的误差应小于：1-(1-0.4％)3+1-(1-0.4％)2＝2％。电流误差略大于理论分析的误差范围，是由于本发明的理论分析忽略了线路上的功率损耗，当电压跌落程度较浅时，功率损耗较小，可以忽略，但当电压深度跌落时，此时忽略功率损耗，带来了一定
的误差，此时前文推到的阻抗等值方法未完全消除误差中的余弦项，但其精度仍高于传统单机等值方法与传统等值方法，证明了等值方法的准确性。
[0122][0123]
表2本发明所提等值方法与传统单机等值误差对比
[0124]
2、并网点电压跌落30％
[0125]
当并网点电压跌落至30％时，根据等值前后短路电流的误差计算等值边界，由 (17)(22)对风机进行分类，选取两单机等值前后归算后的dq轴电流误差小于0.4％，可以得到风场分群结果如表3所示：
[0126][0127]
表3风场分群结果
[0128]
·
风电场采用传统单机等值模型、本发明所提等值模型和详细模型的故障电流及其误差如图5所示。图5中，左侧为a相电流曲线，三类曲线(详细模型、单机模型与等值模型对应的曲线重合)，右侧为等值误差，幅度较小的曲线对应为本发明所提等值模型，幅度较大的曲线对应为传统单机等值模型。等值前后产生的全电流最大误差与dq轴电流误差如表4所示。本发明所提等值方法的准确性较好，并且最终得到的dq轴电流误差满足式(21)得到的分群边界与误差关系。
[0129][0130]
表4本发明所提等值方法与传统单机等值误差对比
[0131]
结合表2、表4可知，采用本发明所提等值方法与传统单机等值方法和传统阻抗等值方法相比，故障电流误差有明显降低。基于等值前后电流误差对风场群进行分类方法比传统的等值方法更加准确。
[0132]
为进一步验证所提等值建模方法的合理性，在陕西的风电场集中接入区域进行了人工短路实验，该区域网络拓扑如图6所示。
[0133]
图中35kv母ab段编号1-6分别为风场汇集线路，每条汇集线路均接入8-13台风电机组，系统参数如表5所示。短路故障设置在330kv输电线路上距2号主变直线距离约为 10km，故障类型为单相接地故障，故障持续时间为40ms。采用测点中永磁风机汇集线路的录波数据对本文所提等值建模方法进行验证。采用本文方法建立的等值模型输出短路电流与录波数据对比如图7所示，试验结果表明所提等值建模方法的实用价值。
[0134][0135]
表5新能源集中接入地区系统元件参数
[0136]
风电场本发明所提等值模型和人工短路实验数据对比如图7所示。图7中，由上至下分别为abc相电流，实线表示人工短路实验数据对应的短路电流曲线，虚线表示本发明所提等值模型的短路电流曲线。结果表明本发明所提等值方法的准确性较好，具有一定的工程实用性。
[0137]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0138]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。