2024年大规模风电并网送出系统高效高精度建模方法报告

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和柔直换流器，电力电子器件的快速响应要求进行全貌化电磁暂态建模及仿真研究。
• 关键问题包括：系统节点数高（风电场成百上千台风电机组，单机节点数达25阶，计算复杂度与节点数的三次方成正比）、仿真步长小（为确保换流器PWM控制和器件动态响应，需将仿真步长降低至10μs左右）、等值法不精确（传统简化算法丧失内部电路信息反演能力和控制器接口）。

建模原理介绍

• 风电机组通用精细化建模关键技术：基于离散化方法构建直驱型/双馈型风电机组电气部分核心设备模型，采用快速嵌套求解算法构建仿真模型，等效后仅含4个外节点，离线仿真多工况精度测试显示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达306.06。
• 送出系统关键直流装备等效建模：提出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，可反演求解溯源。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。
• 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，等效后风电场电路模型仅含4个电气节点。基于OpenMP并行技术设计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）。

实时仿真验证

• 风电机组模型效率及时域波形精度测试（RTDS）：仿真规模验证显示，风力发电单元等值模型仿真规模可扩大至3倍；仿真精度验证显示，在场站220kV并网点设置多种故障时，一次电路仿真步长为5μs，二次控制仿真步长为50μs，一次电路波形及误差情况显示模型平均相对误差不超过3%。
• 风电机组模型阻抗测试：阻抗扫描测试Zdd、Zdq、Zqd、Zqq波形显示，全频段自研模型与RTDS模型仿真结果一致。全频段平均误差计算结果显示模型精度高。
• 计及线路的风电场站模型精度：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显示模型平均相对误差不超过3.6%。

研究结论

• 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。