2024年大规模风电并网送出系统高效高精度建模方法报告

大规模风电并网送出系统高效高精度建模方法 许建中 教授/博导 新能源电力系统全国重点实验室（华北电力大学）2024年10月30日 第2页，共19页 许建中，中国电力优秀青年科技人才奖，2023年 “柔性直流系统实时仿真基础理论、核心技术及工程应用”，中国电工技术学会科技进步一等奖（2020，排2）“超多电平柔性直流输电系统高效电磁暂态仿真及工程应用”，教育部技术发明二等奖（2022，排2）·“电网抵御凝冻灾害融冰关键技术及其应用”，贵州省技术发明一等奖（2022，排5）“特高压土800kV多端混合直流控制保护关键技术及装备”，中国电工技术学会科技进步一等奖（2023，排11，唯一高校获奖人）“静正同步事联补偿器（SSSC）关键技术、核心装备及工程应用”，中国电力科学技术进步奖一等奖（2024，排7） 证书 汇报提纲 研究背景及关键问题 Contents 二、建模原理介绍 三、实时仿真验证 第4页，共19页 研究背景及关键问题 大规模风电基地及其送出系统包含大量机组换流器及柔直换流器。电力电子器件微秒级的快速响应使得函需开展可全貌化刻画系统的电磁暂态建模及仿真研究 第5页，共19页 一、研究背景及关键问题 关键问题1：系统节点数高 >风电场中含有成百上千台风电机组，单台风电机组节点数可达25阶。>风电场系统面临高阶矩阵重构和求逆运算，其计算复杂度与节点数的3次方成正相关。 第6页，共19页 研究背景及关键问题 关键问题2：仿真步长小 >风力发电机发出的电能需经过机组换流器后并入电网。>为了确保仿真中换流器PWM控制的精度以及器件的快速动态响应特性，需要将仿真步长降低到10us左右。 （3800Hz换流器开关频率，按照一人周期内20个采样点计算，要求仿真步长13μs以下。 第7页，共19页 、研究背景及关键问题 关键问题3：等值法不精确 传统的简化算法或“以少代多”的单机/多机聚合等值模型，子丧失内部电路信息反演能力和控制器接口。 第8页，共19页 二、相关研究基础介绍 研究对象涵盖了大规模新能源场站和多类型输、变电环节电力电子设备。通过循环嵌套求解方法，对复杂拓扑的离散化电路进行节点消去，得到对应的广义诺顿等效电路，参与整体网络解算。最后通过反演得到内部的完整电气信息，不造成精度损失。 第9页，共19页 二、建模原理介绍 2.1.1风电机组通用精细化建模关键技术 基于离散化方法构建了直驱型/双馈型风电机组电气部分各核心设备模型，基于快速嵌套求解算法构建了风电机组仿真模型，完整保留机组内部信息，等效后仅含4个外节点。 第10页，共19页 2.1风电机组通用精细化建模关键技术 对建立的直驱、双馈机组模型进行离线仿真多工况精度测试，模型的平均相对误差不超过3%。当机组数达到50台时，等效模型计算效率相比详细模型加速比为306.06 第11页，共19页 二、建模原理介绍 2.2送出系统关键直流装备等效建模 送出系统包含集电线路、直流变压器、多类型换流器等。为提高大规模风电系统仿真效率，提出了适用于多类型子模块MMC、高频隔离型直流变压器的电磁暂态等效建模框架：通过等效显著降低节点数目，同时内部节点电气信息不丢失，可通过反演求解溯源。 第12页，共19页 2.2送出系统关键直流装备等效建模 经离线仿真对比测试，直流变压器等效模型平均相对误差低于1%，可实现1-2个数量级的提速MMC的通用等效模型最大相对误差低于4%可实现2-4个数量级的提速 第13页，，共19页 二、建模原理介绍 2.3新能源场站电气系统无损解耦并行 基于风电场受控源映射解耦方法实现机组间及机组内部元件解耦，提出戴维南/诺顿等效风电场无损节点收缩方法，完整保留内部信息息，等效后风电场电路模型仅含4个电气节点。 第14页，共19页 2.3新能源场站电气系统无损解耦并行 基于OpenMP并行技术，设计了大规模风电场并行计算架构，实现风电机组间等效参数计算过程并行化求解。模型平均相对误差不超过2%加速比近4个数量级（9692.7倍） 第15页，共19页 三、实时仿真验证 3.1风电机组模型效率及时域波形精度测试（RTDS） 仿真规模验证：相同仿真资源下，风力发电单元等值模型仿真规模可扩大至3倍。>仿真精度验证：一次电路仿真步长为5μs，二次控制仿真步长为50μS。在场站220kV并网点设置多种故障，进行精度测试。一次电路波形及误差情况如下，模型平均相对误差不超过3%。 第16页，共19页 3.2风电机组模型阻抗测试 阻抗扫描测试Zdd、ZdqZqd、Zqq波形（从上至下）如右图所示，全频段自研模型与RTDS模型仿真结果一致。 按下式计算全频段平均误差其中Y.和YM分别表示被测模型和参考模型的测量值，n为采样点个数。 第17页，共19页 三、实时仿真验证 3.3计及线路的风电场站模型精度 仿真精度验证：一次电路仿真步长为10μs，二次控制仿真步长为50μs。在场站220kV并网点设置多种故障，进行精度测试。一次电路波形及误差情况如下，模型平均相对误差不超过3.6% 第18页，共19页 大规模风电送出系统的离线和实时精细化仿真，核心是规模效率、精度、资源的平衡，通过模型等值和并行仿真，平衡点将逐渐向大规模、高速、高精度、低成本方向移动。 敬请各位专家和老师指导！