大規(guī)模新能源場站建模仿真技術

大規(guī)模新能源場站建模仿真技術1目錄一、企業(yè)介紹二、背景和需求三、機電暫態(tài)仿真建模技術四、電磁暫態(tài)仿真建模技術五、應用案例2企業(yè)精神合作共贏創(chuàng)新引領精益求精市場導向北京韜能智創(chuàng)科技有限公司介紹

北京韜能智創(chuàng)科技有限公司（以下簡稱“韜能智創(chuàng)”）是根植于能源產業(yè)變革，積極推行新能源智慧場站建設和數字科技賦能的創(chuàng)新型科技企業(yè)。韜能智創(chuàng)以“四個革命、一個合作”能源安全戰(zhàn)略和“雙碳”經濟發(fā)展目標為方針，以“推動能源產業(yè)鏈科技創(chuàng)新，提升能源智慧化管理水平”為宗旨，秉承“創(chuàng)新引領、精益求精、市場導向、合作共贏”的精神，依托北京韜能咨詢顧問有限公司在能源行業(yè)的豐富資源，與上海交大、天津大學等國內知名高校及國網、南網等能源行業(yè)科研單位深度合作，致力于能源科技前沿創(chuàng)新技術研發(fā)，促進新型能源科技創(chuàng)新體系和能源技術革命不斷深化。

目前，根據大規(guī)模新能源場站智能化的需求，現研發(fā)設計的新能源并網發(fā)電系統(tǒng)控制保護系統(tǒng)FPT/DPT仿真試驗系統(tǒng)，在狀態(tài)洞察、實時操控、趨勢預測和模擬實驗等方面實現了新能源場站的模型化、可視化、智慧化管理，有助于解決清潔能源消納過程中電網波動性等問題，提高電網安全運行水平。目錄一、企業(yè)介紹二、背景和需求三、機電暫態(tài)仿真建模技術四、電磁暫態(tài)仿真建模技術五、應用案例45新型電力系統(tǒng)是我國能源轉型的戰(zhàn)略需要2030碳排放達峰、2060年前實現碳中和目標，推動我國能源轉型快速發(fā)展大規(guī)?？鐓^(qū)域交直流混聯(lián)，高比例可再生能源消納是新型電力系統(tǒng)面臨的重大技術挑戰(zhàn)大范圍強耦合系統(tǒng)呈現更加復雜電磁暫態(tài)特性，寬頻帶諧振、過電壓、頻率波動問題頻發(fā)電力現貨市場、新能源波動性導致系統(tǒng)不確定性增加，調度決策面臨更大壓力萬物互聯(lián)時代，能源系統(tǒng)的數據生產能力極大提升，亟待與之匹配的數據處理能力，以實現更加綠色高效的發(fā)展東南負荷中心中西部資源中心1.7億3.5億2019年2035年跨省跨區(qū)域功率交換（千瓦）電動汽車保有量（輛）350萬8000萬2019年2035年6仿真是認識和分析新型電力系統(tǒng)的最有效手段“雙高電力系統(tǒng)”存在的寬頻振蕩等新的動態(tài)特性不容忽視，大規(guī)模新能源場站等新型電力系統(tǒng)建模仿真技術成為國內外研究熱點7大規(guī)模新能源場站建模仿真的影響因素大系統(tǒng)仿真考慮的主要問題新能源場站模型仿真尺度新能源場站模型需要考慮的因素功角穩(wěn)定機電暫態(tài)慣量有功、無功動態(tài)特性附加控制特性(如虛擬慣量控制、附加阻尼控制等)頻率穩(wěn)定機電暫態(tài)慣量有功、無功動態(tài)特性發(fā)電設備一次調頻場站一次調頻電壓穩(wěn)定機電暫態(tài)有功、無功動態(tài)特性發(fā)電單元電壓控制場站電壓控制暫態(tài)過電壓機電暫態(tài)

/電磁暫態(tài)內外環(huán)、鎖相環(huán)控制站內阻抗功率分布控制與保護機電暫態(tài)

/電磁暫態(tài)過壓/低壓保護電壓不平衡保護過流保護短路電流保護頻率保護短路電流機電暫態(tài)

/電磁暫態(tài)站內阻抗變壓器阻抗其他場站設備機電暫態(tài)

/電磁暫態(tài)SVG調相機儲能多頻段振蕩電磁暫態(tài)內外環(huán)、鎖相環(huán)控制站內阻抗功率分布8相關標準及規(guī)定對新能源場站仿真模型要求《GBT40594-2021電力系統(tǒng)網源協(xié)調技術導則》第7點“新能源場站應在首次并網前90日向電網調度機構提供新建或改擴建的新能源場站涉網設備技術資料，并應包括下列內容：”b項“可用于電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真的風電機組/光伏發(fā)電單元（含風機/光伏組件、變流器、單元升壓變壓器等）、場站匯集線路及場站控制系統(tǒng)、SVG等無功調節(jié)裝置、儲能設備、用于新能源場站聯(lián)網的柔性直流等設備的模型及參數”?！禛BT40594-2021電力系統(tǒng)網源協(xié)調技術導則》9相關標準及規(guī)定對新能源場站仿真模型要求《GBT40594-2021電力系統(tǒng)網源協(xié)調技術導則》第6.3.10點“新能源場站應按照電網調度機構的要求配合開展參數優(yōu)化工作，并根據其各個元件模型和參數的變化情況，隨時反饋變更情況”《GBT40594-2021電力系統(tǒng)網源協(xié)調技術導則》10相關標準及規(guī)定對新能源場站仿真模型要求《南方電網新能源場站并網管理工作指引（試行）》“新能源場站應在并網前3個月向調度機構報送場站基礎資料，并網前1個月向調度機構報送設備并網計劃、試驗（含測試，以下同）與驗證方案，調度機構及時審查并反饋補充完善意見給新能源場站。”“新能源場站內各設備的電氣仿真計算模型參數及建模報告。新能源場站應根據調度機構仿真計算軟件及數據格式要求（參考附錄B），上報可用于電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真計算的風電機組/光伏發(fā)電單元（含風機/光伏組件、變流器、單元升壓變壓器等）及場站控制系統(tǒng)、SVG與調相機等無功調節(jié)裝置、儲能設備、用于新能源場站聯(lián)網的柔性直流等設備的模型、參數及建模驗證報告?！?1相關標準及規(guī)定對新能源場站仿真模型要求《關于印發(fā)云南電網2022年網源協(xié)調重點工作的通知》“按照《電力系統(tǒng)網源協(xié)調技術導則GB/T40594-2021》以及《南方電網新能源場站并網管理工作指引（試行）》要求，新能源場站應在首次并網90日前向管轄調度機構提供新建或改擴建的新能源場站涉網設備技術資料，并應包括下列內容：”b）項“可用于電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真計算的風電機組/光伏發(fā)電單元（含風機/光伏組件、變流器、單元升壓變壓器等）、場站匯集線路及場站控制系統(tǒng)、SVG等無功調節(jié)裝置、儲能設備、用于新能源場站聯(lián)網的柔性直流等設備的模型及參數”12相關標準及規(guī)定對新能源場站仿真模型要求截至2022年11月，華北能監(jiān)局和山東能監(jiān)辦已在2022年版發(fā)電廠并網運行管理實施細則中對模型提出明確要求；山西能監(jiān)辦尚未發(fā)布2022年修訂版并網實施細則，如下表：監(jiān)管部門要求考核辦法華北提供電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真計算的模型和參數、建模報告，并配合所屬電力調度機構開展模型審查和一致性核查。新建站應在并網前三個月向電力調度機構提交，不滿足要求的，每月按照當月裝機容量×0.3小時的標準進行考核；已投產電站，應在有關部門要求期限內提交，逾期未提交，每月按當月裝機容量×3小時考核。山東提交可用于電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真計算的模型和參數，包含光伏發(fā)電單元、光伏發(fā)電站匯集線路、變壓器、光伏發(fā)電單元/光伏發(fā)電站控制系統(tǒng)、無功補償裝置，提交建模報告并配合電力調度機構開展模型審查和一致性核查。未在要求期限內提交建模報告的光伏發(fā)電站，每月按當月上網電量1%考核。13相關標準及規(guī)定對新能源場站仿真模型要求根據各電網中調所使用的仿真工具不同，對應在PSCAD、RTDS、RTLAB、BPA、PSASP、ADPSS等平臺搭建光伏場站軟件仿真模型或填寫數據卡；完成模型校驗報告并配合中調完成模型審查及一致性校核。電磁暫態(tài)建模采用單機倍乘或機組等效等方法，視各中調要求確定；場站控制參數變更后模型同步更新。監(jiān)管部門要求考核辦法華北提供電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真計算的模型和參數、建模報告，并配合所屬電力調度機構開展模型審查和一致性核查。新建站應在并網前三個月向電力調度機構提交，不滿足要求的，每月按照當月裝機容量×0.3小時的標準進行考核；已投產電站，應在有關部門要求期限內提交，逾期未提交，每月按當月裝機容量×3小時考核。山東提交可用于電磁暫態(tài)和機電暫態(tài)仿真計算的模型和參數，包含光伏發(fā)電單元、光伏發(fā)電站匯集線路、變壓器、光伏發(fā)電單元/光伏發(fā)電站控制系統(tǒng)、無功補償裝置，提交建模報告并配合電力調度機構開展模型審查和一致性核查。未在要求期限內提交建模報告的光伏發(fā)電站，每月按當月上網電量1%考核。14提升新能源場站運行水平構建新能源場站全景數字模型，提升新能源場站電網支撐能力隨著新能源滲透率的提升，系統(tǒng)慣量降低，系統(tǒng)失穩(wěn)風險增加。通過改進新能源發(fā)電系統(tǒng)控制方法，可以提升新能源場站電網支撐能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性水平。通過建立符合工程實際的新能源場站、臨近變電站及周邊近區(qū)的電網全景模型，為系統(tǒng)穩(wěn)定性評估提供更加準確、有效的依據。某風電場不同控制策略對系統(tǒng)頻率的影響15提升新能源場站運行水平構建新能源場站全景數字模型，有效提升設備故障應對能力新能源場站是典型的“雙高”系統(tǒng)，故障成因較為復雜。通過建立符合工程實際的新能源場站、臨近變電站及周邊近區(qū)的電網全景模型，將能夠對規(guī)劃運行、工程調試、故障反演與分析等實際運維工作提供堅實的支撐作用，提升新能源場站的運行水平。不同故障下風機輸出功率波形16提升新能源場站運行水平構建新能源場站精細化數字模型，滿足寬頻帶振蕩分析要求在理想情況下，新能源場站能夠無差跟蹤控制指令，輸出電流無諧波。考慮到輸入功率波動、非線性數字控制、系統(tǒng)運行方式變化等因素的影響，新能源實際輸出難以做到完全無差控制，含有少量諧波。輸出諧波若被交流電網放大，易產生頻段從次同步到電力電子器件開關頻率的電磁振蕩。仿真模型的建立將對場站設計規(guī)劃、運行過程寬頻振蕩分析反演等環(huán)節(jié)提供支撐。基于端口阻抗特性的穩(wěn)定性分析新能源場站寬頻帶電磁振蕩波形17基于海量運行數據的仿真模型調優(yōu)新能源場站的動態(tài)特性由基本發(fā)電單元（光伏或風機）、集電線路以及場站控制等構成。由于新能源的天然波動性導致場站運行方式（工作點）以及動態(tài)特性十分復雜。單純基于數學原理的仿真模型無法完整準確反映場站的運行狀態(tài)，有必要基于海量運行數據對仿真模型進行調優(yōu)，從而更好地服務于場站運行需要。新能源場站接線示意圖不同運行方式下的系統(tǒng)阻抗目錄一、企業(yè)介紹二、背景和需求三、機電暫態(tài)仿真建模技術四、電磁暫態(tài)仿真建模技術五、應用案例1819新能源場站機電暫態(tài)建模仿真技術新型電力系統(tǒng)穩(wěn)定新特性和新穩(wěn)定性問題、寬頻振蕩機理及分析方法、新型電力潮流計算等20新能源場站機電暫態(tài)建模仿真技術某型SVG(50Mvar)高、低穿特性比對三相跌落至50%Un兩相跌落至20%Un無功功率無功功率——硬件在環(huán)——BPA仿真——硬件在環(huán)——BPA仿真三相升高至130%Un無功功率——硬件在環(huán)——BPA仿真低電壓穿越高電壓穿越三相升高至125%Un無功功率——硬件在環(huán)——BPA仿真21新能源場站機電暫態(tài)建模仿真技術某型風電機組特性對比三相20%電壓跌落大風工況結果22新能源場站機電暫態(tài)建模仿真技術機電電磁暫態(tài)混合仿真工具針對多個新能源接入情況的適應性升級，新能源場站能夠以電磁暫態(tài)模型的形式，通過混合仿真接入大網進行仿真，提高仿真效率目錄一、企業(yè)介紹二、背景和需求三、機電暫態(tài)仿真建模技術四、電磁暫態(tài)仿真建模技術五、應用案例2324新能源場站電磁暫態(tài)建模仿真技術基于PSCAD的光伏發(fā)電場站仿真模型25新能源場站電磁暫態(tài)建模仿真技術基于風電機組詳細模型的風電場全拓撲實時仿真方法，解決了聚合模型無法直觀地反映風電場內部接線形式與參數的問題基于FPGA的并行求解與時分復用技術，實現多臺風電機組（40臺以上）及其高頻開關特性（10kHz及以上）的高效求解，仿真步長小于1us采用FPGA加速風電機組一次系統(tǒng)（支持雙饋/直驅，2/3電平變流器）及其二次控制系統(tǒng)仿真模型，多核之間通過分布參數線路解耦，可以線性地提升仿真規(guī)模PCIeOP5600：集電網絡OP5607：風電機組風電場實時仿真系統(tǒng)配置示意圖26新能源場站電磁暫態(tài)建模仿真技術仿真精度對比參考模型：SimPowerSystems參考模型，步長50us高效模型：包含PWM開關過程，步長0.5us電網三相電流變壓器副邊三相電流定子三相電流網側變流器三相電流直流電壓變壓器副邊功率直驅機組啟動與故障工況對比仿真27新能源場站電磁暫態(tài)建模仿真技術基于風電場詳細模型的風電場動態(tài)特性研究相比于聚合模型，詳細模型的能夠更好地反映風電場集電網絡結構、機組到故障點電氣距離等因素的影響，從而對風電控制保護進行更精細化的測試被測風電場網側電壓網側電壓定子電壓直流電壓卸荷電流網側功率#3風機機端短路，觸發(fā)直流卸荷保護#2風機距短路點較近，通過功率控制避免觸發(fā)直流卸荷保護#4風機距短路點較遠，運行基本不受影響電壓跌落故障28新能源場站電磁暫態(tài)建模仿真技術基于風電場詳細模型的風電場阻抗特性研究相比于聚合模型，全拓撲模型能夠更加精確地刻畫風電場在數百到數千赫茲范圍內的阻抗特性，而這也是目前新能源場站建設與運行中問題頻發(fā)且需要重點關注的頻段基于實時仿真平臺完成這樣一個工況的阻抗計算由數小時~數天縮減到幾分鐘~十幾分鐘，具備較強實用性集中式聚合模型分布式全拓撲模型29新能源場站電磁暫態(tài)建模仿真技術基于MMC與風電模塊，構建大規(guī)模海上風電經柔性直