一种适用于电磁暂态仿真分析的大规模风电场群快速仿真模型构建方法

1.本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种适用于电磁暂态仿真分析的大规模风电场群快速仿真模型构建方法。


背景技术：

2.随着风电装机容量在电力系统中所占的比重不断增大，未来新型电力系统的“源网荷储”各环节将高度电力电子化。风电机组是将风能转换为电能的基本单元，也是风电场群及并网系统正常运行的基本保证。风电机组以及机组与并网系统的动态特性之间存在着很强的耦合，在分析场群与并网系统间振荡、机组间谐振等问题时，需对风电场群展开精确仿真，以观测每台机组的详细内部特性。然而，风电场中包含大量的电力电子器件，开关动作频繁，搭建全详细的电磁暂态模型无法兼顾仿真规模、精度和效率。
3.为了提高仿真速度，常常将风电场群利用单机或多机法进行等值处理，但这类等值模型削弱了风电系统的可调性、灵活性，适用性较为局限。因此，有必要提出一种大规模全拓扑风电场模型的建立方法，通过利用单步时延受控源映射方法和长传输线解耦原理，使得风电场实现机组级和网络级的并行计算。该方法能够较为准确的反映风电系统在稳态和暂态工况下的特殊行为，为实现大规模风电场群的电磁暂态仿真提供了可行的解决方案。


技术实现要素：

4.本发明提供一种适用于电磁暂态仿真分析的大规模风电场群快速仿真模型构建方法，该快速仿真模型的构建方法包括以下步骤：
5.步骤1：针对链型风电场，基于电路中的替代原理，利用单步时延受控源映射方法将风电机组链路内各风电机组出口与前段线路之间进行拆分，拆分后每个子系统对应一个风电机组。
6.步骤2：依据风电机组和电网侧的相对电气特性，确定受控源类型及注入电流或注入电压的大小。对于第k台风电机组而言，其出口侧等效为一个受控电流源，其值为其前段所有机组输出电流之和i
k-1
(t-δt)；对于前段线路而言，其端口处等效为一个受控电压源uk(t-δt)，用于传递电网侧电压值。
7.步骤3：分析单条线路满足长传输线解耦的仿真步长要求，结合风电场群的线路特征，确定在5μs的仿真步长下，风电场群35kv送出馈线满足解耦要求。
8.步骤4：通过pscad v4.6的仿真设置功能，将满足要求的馈线通过长传输线解耦原理对风电系统进行网络拆分，各风场放置在不同的计算核心中，使用单独的emtdc进程仿真运行，进而实现风电场的网络级并行。
9.步骤5：结合步骤2和步骤4得到的两类解耦模型，最终得到风电场的多线程快速仿真模型。
10.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法没有对风电场模型进行等值简化，通过受控源节点映射和长传输线解耦原理将风电场解算过程中的高阶矩阵分解为多个低阶矩阵，以降低风电场计算复杂度，提高计算效率。
附图说明
11.图1为风电场拓扑示意图。
12.图2为典型电力系统示意图。
13.图3为分割示意图。
14.图4为仿真时序示意图。
15.图5为单相线路解耦模型示意图。
16.图6为风电场快速仿真模型示意图。
具体实施方式
17.本发明提供一种适用于电磁暂态仿真分析的大规模风电场群快速仿真模型构建方法；下面将对本发明的快速仿真模型构建步骤做进一步详细的说明。
18.步骤1：针对图1所示的链型风电场，利用受控源映射方法将单条链路的风电机组进行拆分。以图2的典型电路系统为例，利用受控源映射方法将其分割为图3的两个低纬度子系统。e1(t)和e2(t)分别为子系统1和子系统2的戴维南等效电压，z1和z2分别为两个子系统的等效阻抗。子系统1和子系统2通过电压、电流信号进行双向控制。将电路模型分割后，电磁暂态算法会自动求解各子系统的等效电路，最后将求解出的拆分节点处的电压、电流再分别赋值给各个子系统的受控源。
19.受控源输入天然地相差一个时间步长。子系统1将测到的拆分点处电压经过一个步长的时延传递给子系统2处的受控电压源作为输入，子系统2的支路电流也经过一个步长的时延作为子系统1受控电流源的输入，仿真时序示意图如图4所示。利用该原理将风电机组链路内各风电机组出口与前段线路之间进行解耦，以n台风电机组为例，该方法多余引入了n-1个节点，但可以将风电场拆分为n个子系统，每个子系统对应一个风电机组。
20.步骤2：确定风电机组间的受控源类型，对于风电机组链路而言，其电网侧被等效为一个受控电压源，对于电网而言，各条链路可等效为一个受控电流源。对于第k台风电机组而言，其出口侧等效为一个受控电流源，其值为其前段所有机组输出电流之和i
k-1
(t-δt)；对于前段线路而言，其端口处等效为一个受控电压源uk(t-δt)，用于传递电网侧电压值。通过风电机组和电网的相对电气特性，可得到风电场群机组级的并行仿真解耦模型。
21.步骤3：确定仿真步长和风电场群35kv送出馈线长度的关系，基于长输电线路解耦方法对风电场中满足要求的线路进行拆分。对于一条单相输电线路，在给定频率下，忽略频率变化对线路电阻和电感参数的影响，线路两端为j、k两端点，t时刻其电压、电流分别为uj(t)、ij(t)、uk(t)、ik(t)，设输电线路长为l，l0、c0分别为单位长度电感和单位长度电容。假设电磁波从j点到k点所需的时间为τ，波在t-τ时刻从j端点出发，t时刻到达k点，可得到解耦特性方程，如式(1)所示。
22.uj(t-τ)+ij(t-τ)zc＝uk(t)-ik(t)zc(1)
23.由式(1)变换可得：
24.ik(t)＝uk(t)/z
c-uj(t-τ)/z
c-ij(t-τ)(2)
25.将式(2)后两项定义为等效电流源：
26.ik(t-τ)＝-uj(t-τ)/z
c-ij(t-τ)(3)
27.单相线路解耦模型示意图如图5所示。等效电流源的值取决于上一个步长的电压、电流。ik(t)可用波阻抗zc与等效电流源ik(t-δt)表示，ij(t)可用波阻抗zc与等效电流源ij(t-δt)表示，解耦后的电路并无直接拓扑联系。通过长输电线自然解耦，每个子网只需要与前一步长的结果进行通信，且子网内部可以独立进行计算。
28.为了实现解耦效果，风电场仿真模型的仿真步长应该小于传输线的传播时延，在仿真步长为5μs时，传输线长度应大于1.5km，单个风电场中与并网母线连接的风机线路距离相对较长，约为2km左右，满足解耦要求。
29.步骤4：利用pscad v4.6的仿真设置功能对风电场进行网络级拆分，把不同风场模型放置在多个计算核心中，实现风场间的多核并行计算。pscad v4.6版本基于长输电线解耦原理提供了并行计算功能，能够将一个电气网络拆分成多个电气子网络，每个子网络用一个分离的case项目，使用单独的emtdc进程运行。各风电场可利用电气网络接口(electric network interface，eni)划分为多个小区域网络。通过仿真设置功能建立不同的仿真组，属于同一风场的风电机组放置到一个计算核心中，不同风场可以独立地在不同的处理器核心中运行，以此实现风电场网络级并行仿真模型。
30.步骤5：结合步骤2和步骤4，得到如图4所示的风电场快速仿真模型。首先，利用受控源映射方法，将节点信息由上一步长的电压、电流代替；其次，利用长输电线自然解耦的特性，利用pscad v4.6软件将不同的风电场放置到多个计算核心中，每个风电场独立于送出系统进行仿真计算。各风电场间通过eni接口进行电气交互，以实现多核并行计算，从而降低仿真负担。
31.最后应当说明的是：以上所述仅为本领域的技术人员容易理解的本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于电磁暂态仿真分析的大规模风电场群快速仿真模型构建方法。其特征在于，本发明从全详细的风电场模型出发，基于单步时延受控源映射方法对链式结构的风电机组进行系统拆分，大规模风电场群被拆分为多个子系统，每个子系统对应一个风电机组，大大降低了矩阵计算维度；通过分析风电场群的线路特征，确定了在仿真步长为5μs时，风电场与35kv所连接的馈线长度满足长传输线解耦要求；利用pscad v4.6的仿真设置功能对风电场进行网络级拆分，各风电场利用电气网络接口(electric network interface，eni)进行交互解算，不同风电场放置在多个计算核心中运行；进一步，结合单步时延受控源映射形成的机组级解耦模型和基于长传输线解耦后形成的网络级模型，得到风电场的多线程快速仿真模型。该方法包括以下步骤：步骤1：针对链型风电场，基于电路中的替代原理，利用单步时延受控源映射方法将风电机组链路内各风电机组出口与前段线路之间进行拆分，拆分后每个子系统对应一个风电机组。步骤2：依据风电机组和电网侧的相对电气特性，确定受控源类型及注入电流或注入电压的大小。对于第k台风电机组而言，其出口侧等效为一个受控电流源，其值为其前段所有机组输出电流之和i
k-1
(t-δt)；对于前段线路而言，其端口处等效为一个受控电压源u
k
(t-δt)，用于传递电网侧电压值。步骤3：分析单条线路满足长传输线解耦的仿真步长要求，结合风电场群的线路特征，确定在5μs的仿真步长下，风电场群35kv送出馈线满足解耦要求。步骤4：通过pscad v4.6的仿真设置功能，将满足要求的馈线通过长传输线解耦原理对风电系统进行网络拆分，各风场放置在不同的计算核心中，使用单独的emtdc进程仿真运行，进而实现风电场的网络级并行。步骤5：结合步骤2和步骤4得到的两类解耦模型，最终得到风电场的多线程快速仿真模型。2.根据权利要求书所述的一种适用于电磁暂态仿真分析的大规模风电场群快速仿真模型构建方法，其特征在于：步骤1到步骤5，前一个步骤是后一个步骤执行的基础，这5个步骤彼此之间环环相扣，为一个有机的、不可分割的整体。

技术总结
本发明涉及一种适用于电磁暂态仿真分析的大规模风电场群快速仿真模型构建方法。包括：1、基于替代原理，利用单步时延受控源映射方法将单条链路的风电机组进行拆分，通过引入n-1个节点将风电系统拆分为n个子系统，每个子系统对应一个风电机组；2、根据电网侧和风电机组侧电路的相对电气特性，确定风电机组间的受控源类型及注入大小，得到风电场群机组级的并行仿真模型；3、基于长输电线路解耦方法，在5μs的仿真步长下，分析风电场群满足解耦要求的线路；4、利用PSCAD V4.6的仿真设置功能，把风电场模型放置到不同的计算核心中进行解算，实现风电场群的网络级解耦；5、结合机组级解耦模型和网络级解耦模型，得到风电场的多线程快速仿真模型。仿真模型。仿真模型。


技术研发人员：许建中 王焱 邹明 赵成勇
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/9/13