基于實測數(shù)據(jù)的風光儲電站有功及無功控制系統(tǒng)建模方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運行與新能源技術(shù)領域，尤其涉及一種基于實測數(shù)據(jù)的大型 風光儲電站有功及無功控制系統(tǒng)建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，以風力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的新能源正逐步成為中國重要的電力能源資 源，在滿足能源需求、改善能源結(jié)構(gòu)、減少環(huán)境污染、保護生態(tài)環(huán)境、促進經(jīng)濟社會發(fā)展等方 面發(fā)揮重要作用。
[0003] 由于風電、光伏發(fā)電都具有隨機性、波動性和間歇性等特點，并且在預測、調(diào)度和 控制上存在技術(shù)瓶頸，使得新能源的獨立發(fā)電特性和源網(wǎng)協(xié)調(diào)性與常規(guī)電源存在較大差 異。在風電場和光伏電站側(cè)配置動態(tài)響應特性好、壽命長、可靠性高的大規(guī)模儲能裝置，能 有效解決上述問題，從而促進新能源的集約化開發(fā)和利用，國外已有成功的工程實例。
[0004] 另據(jù)資料顯示，風能和太陽能也具有較好的資源互補性，適合聯(lián)合發(fā)電，實現(xiàn)資源 互補。中國已開始在河北張家口地區(qū)建設國家風光儲輸示范工程，總規(guī)模達到風電為 500麗，光伏為HKMW，儲能為70麗。
[0005] 風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運行特性決定了它對電力系統(tǒng)的影響程度，建立能夠準確 反映風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運行特性的模型是進行聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)及其對電力系統(tǒng)影響 等相關(guān)研究的基礎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 綜上所述，確有必要提供一種基于實測數(shù)據(jù)的大型風光儲電站有功及無功控制系 統(tǒng)建模方法。
[0007] -種基于實測數(shù)據(jù)的風光儲電站有功及無功控制系統(tǒng)建模方法，包括:步驟S10， 對大型風光儲電站各單機設備的數(shù)據(jù)進行采集及分類處理，獲得單場站數(shù)量、單場站有功 調(diào)節(jié)容量、時間以及調(diào)節(jié)精度、單場站無功調(diào)節(jié)容量、時間以及調(diào)節(jié)精度;步驟S20,對大型 風光儲電站分別建立風電場、光伏電站、儲能電站單場站模型；步驟S30,建立大型風光儲電 站集電線路、主變壓器、等值線路模型，對靜態(tài)無功補償發(fā)生器SVG、靜態(tài)無功補償裝置SVC、 電容器組、電抗器組參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使SVG、SVC、電容器組、電抗器組外特性與大型風光儲電 站實際工況相一致；以及步驟S40,對以上各模型進行時域仿真，獲得大型風光儲電站分層 控制系統(tǒng)模型。
[0008] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的基于實測數(shù)據(jù)的大型風光儲電站有功及無功控制 系統(tǒng)建模方法，采用考慮通信延時的大型風光儲電站有功/無功分層控制策略，能夠準確反 映風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的運行特性，為進行聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)及其對電力系統(tǒng)影響等相關(guān) 研究的提供了基礎。
【附圖說明】
[0009] 圖1為本發(fā)明提供的基于實測數(shù)據(jù)的大型風光儲電站有功控制系統(tǒng)模型。
[0010] 圖2為本發(fā)明提供的基于實測數(shù)據(jù)的大型風光儲電站無功控制系統(tǒng)模型。
[0011] 圖3為本發(fā)明提供的基于實測數(shù)據(jù)的大型風光儲電站建模流程圖。
[0012] 圖4為本發(fā)明提供的雙饋異步發(fā)電機模型圖。
[0013] 圖5為本發(fā)明提供的直驅(qū)異步發(fā)電機模型圖。
[0014] 圖6為本發(fā)明提供的光伏設備模型圖。
[0015]圖7為本發(fā)明提供的儲能模型圖。
[0016] 圖8為本發(fā)明提供的靜態(tài)無功補償發(fā)生器(SVG)模型圖。
[0017] 圖9為本發(fā)明提供的集電線路等值模型圖。
[0018] 圖10為本發(fā)明提供的大型風光儲電站分層控制策略與通信延時示意圖。
[0019] 圖11為本發(fā)明提供的大型風光儲電站全站等值模型示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 下面根據(jù)說明書附圖并結(jié)合具體實例對本發(fā)明的技術(shù)方案進一步詳細表述。
[0021] 請一并參閱圖1及圖2,圖1、圖2分別為本發(fā)明提供的基于實測數(shù)據(jù)的大型風光儲 電站有功控制、無功控制系統(tǒng)模型，其中風電機組n、光伏逆變器m以及儲能電池k分別代表 大型風光儲電站中各個設備的總數(shù)量，同時圖1和圖2分別展示了風光儲系統(tǒng)有功及無功閉 環(huán)控制的控制系統(tǒng)模型并在圖中展示了有功、無功控制在各個環(huán)節(jié)的指令周期。
[0022] 請一并參閱圖3,本發(fā)明實施例提供的基于實測數(shù)據(jù)的大型風光儲電站有功控制 系統(tǒng)及無功控制系統(tǒng)建模流程圖，主要包括如下步驟：
[0023] 步驟S10,對大型風光儲電站各單機設備的數(shù)據(jù)進行采集及分類處理，獲得單場站 數(shù)量、單場站有功/無功調(diào)節(jié)容量、時間以及調(diào)節(jié)精度；
[0024] 步驟S20,對大型風光儲電站分別建立風電場、光伏電站、儲能電站單場站模型；
[0025] 步驟S30,建立大型風光儲電站集電線路、主變壓器、等值線路模型，對靜態(tài)無功補 償發(fā)生器(SVG)/靜態(tài)無功補償裝置(SVC)、電容器組、電抗器組參數(shù)進行調(diào)節(jié)，使SVG/SVC、 電容器組、電抗器組外特性與實際工況相一致；以及
[0026]步驟S40,對各模型進行時域仿真，獲得大型風光儲電站分層控制系統(tǒng)模型。
[0027]在步驟S10中，對大型風光儲電站各單機設備的數(shù)據(jù)進行采集及分類處理包括：
[0028] 統(tǒng)計得到不同類型設備單機容量Sx、同類型設備臺數(shù)nx、通信延時、響應時間 <、調(diào)節(jié)時間<、調(diào)節(jié)精度nx%等數(shù)據(jù)(上標x代表不同類型的單機設備）。
[0029] 將同類型單機設備進行統(tǒng)計，可以得到單機個數(shù)、單機容量、單場站容量、同類型 單場站個數(shù)、單場站總體通信延時、單場站總體響應時間、單場站調(diào)節(jié)時間、單場站調(diào)節(jié)精 度等數(shù)據(jù)信息。
[0030] 在步驟S20中，對大型風光儲電站建立風電場、光伏電站、儲能電站單場站模型中， 包括雙饋型風電場、直驅(qū)型風電場、光伏電站、儲能設備，以及無功補償設備，如靜態(tài)無功補 償發(fā)生器(SVG)/靜態(tài)無功補償裝置(SVC)、電容器組、電抗器組。
[0031] 風電場、光伏電站和儲能電站都是由風電機組、光伏發(fā)電單元和儲能單元等單個 裝置積聚形成的綜合電站。
[0032] 具體的，所述風電場、光伏電站、儲能電站單場站模型的建立包括：
[0033] 步驟S21，建立雙饋型風電機組模型。
[0034] 雙饋異步發(fā)電機模型圖如圖4所示。模型包含以下幾個部分:空氣動力學模型、軸 系模型、最大功率追蹤及轉(zhuǎn)速控制器、槳距角控制器、三相繞線型異步電機、變頻器、變頻器 控制器。可以對以上各個環(huán)節(jié)分別進行建模，從而得到雙饋風電機組整體模型。
[0035] 步驟S22，建立直驅(qū)異步發(fā)電機模型圖如圖5。
[0036]直驅(qū)異步發(fā)電機模型圖如圖5所示，模型包含以下幾個部分:空氣動力學模型、軸 系模型、槳距角控制器、直驅(qū)多極發(fā)電機、變頻器、變頻器控制器。直驅(qū)同步發(fā)電機的變頻器 也采用矢量控制，在建模時，將各部分模型都變換到統(tǒng)一的定子電壓定向的坐標系中。對各 個環(huán)節(jié)分別進行建模，從而得到雙饋風電機組整體模型。
[0037]步驟S23,建立光伏逆變器模型。
[0038]常用的光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)有單級式和兩級式。兩級式結(jié)構(gòu)逆變器雖然從成本與 效率上不及單級逆變器，但其具有直流母線電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)設計靈活、控制目標明確等諸多 優(yōu)點，使兩級拓撲結(jié)構(gòu)得到了廣泛應用，成為當前光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的標準應用形式之一。其無 功控制能力僅與其外特性相關(guān)，這里可用一個可控的直流電流源替代。大功率并網(wǎng)逆變器 開關(guān)頻率不高，為有效降低濾波器體積和損耗，則采用LCL型濾波器設計。為了穩(wěn)態(tài)分析方 便，作出以下假設：1)忽略逆變器自身損耗及濾波電路損耗;2)只考慮基波分量，其余高次 諧波分量忽略不計?；谏鲜黾僭O條件，穩(wěn)態(tài)情況下，光伏逆變器無功控制能力的簡化模型 可以如圖6所示。
[0039]步驟S24,建立儲能單元數(shù)學模型；
[0040]大型儲能電站的儲能單元的總體結(jié)構(gòu)如圖7所示，其結(jié)構(gòu)和光伏發(fā)電單元的總體 結(jié)構(gòu)比較相似。儲能單元的建模主要包括儲能電池組模型、DC/AC換流器模型以及各部分之 間的數(shù)據(jù)接口。
[0041 ] 步驟S25,建立SVG數(shù)學模型。
[0042]對SVG數(shù)學建模分析，對無功電流檢測法和SVG控制策略的分析的研究，采用基于 d_q坐標變換的雙序無功電流檢測法，及可實現(xiàn)負載不平衡的無功功率補償策略，為驗證設 計的正確性和可行性，借助MATLAB仿真軟件在Simulink中建立整體系統(tǒng)仿真模型，并根據(jù) 其結(jié)果進行參數(shù)修改和控制策略優(yōu)化設計。SVG系統(tǒng)整體仿真模型如下所示，主要包括源模 塊、SVG變流器主電路、無功電流采集電路、控制電路、脈沖驅(qū)動模塊及負載模塊等部分。然 后根據(jù)步驟S10所得到的實際數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)機組容量、調(diào)整逆變器制部分的PI參數(shù)，使其外特性 與實際復數(shù)吻合。其仿真模型圖如圖8所示。
[0043] 在步驟S30中，在建立大型風光儲電站集電線路、主變壓器、等值線路模型過程中， 大型風光儲電站并網(wǎng)特性影響因素包括集電線路和主變壓器。具體的，所述大型風光儲電 站集電線路、主變壓器、等值線路模型的建立包括：
[0044] 步驟S31，以大型風光儲電站的潮流計算結(jié)果在等值前后保持一致為原則，保證并 網(wǎng)點注入功率在等值前后相同，并且集電線路在等值前后損耗也應相等。
[0045] 對于風光儲電站來說，場內(nèi)的集電線路具有一定的規(guī)模，這對風電場的并網(wǎng)特性 是有影響的，特別是風電場內(nèi)的無功平衡方面，因此，在風電場的建模中必須考慮風電場內(nèi) 集電線路的等值。
[0046] ( S^Zj -f W Cr ⑴
[0047] 式中，Szl = Si; Sz2 = S4S2，Zi，Z2表示各段線路阻抗值，Si、S2表示各段線路容量值， Sloss表示線路總損耗值，U表示線路電壓值。
[0048] 利用等值前后總損耗不變的原則，可以得到等值阻抗Zs:
[0049] 二(霉石 + S:|2Z2) / + 美f (2)
[0050] 將以上的結(jié)論推廣到n臺風機的集電線路等值中，可得等值阻抗：
[0052] 式中為二