大规模新能源场站建模仿真技术

大规模新能源场站建模仿真技术1目录一、企业介绍二、背景和需求三、机电暂态仿真建模技术四、电磁暂态仿真建模技术五、应用案例2企业精神合作共赢创新引领精益求精市场导向北京韬能智创科技有限公司介绍

北京韬能智创科技有限公司（以下简称“韬能智创”）是根植于能源产业变革，积极推行新能源智慧场站建设和数字科技赋能的创新型科技企业。韬能智创以“四个革命、一个合作”能源安全战略和“双碳”经济发展目标为方针，以“推动能源产业链科技创新，提升能源智慧化管理水平”为宗旨，秉承“创新引领、精益求精、市场导向、合作共赢”的精神，依托北京韬能咨询顾问有限公司在能源行业的丰富资源，与上海交大、天津大学等国内知名高校及国网、南网等能源行业科研单位深度合作，致力于能源科技前沿创新技术研发，促进新型能源科技创新体系和能源技术革命不断深化。

目前，根据大规模新能源场站智能化的需求，现研发设计的新能源并网发电系统控制保护系统FPT/DPT仿真试验系统，在状态洞察、实时操控、趋势预测和模拟实验等方面实现了新能源场站的模型化、可视化、智慧化管理，有助于解决清洁能源消纳过程中电网波动性等问题，提高电网安全运行水平。目录一、企业介绍二、背景和需求三、机电暂态仿真建模技术四、电磁暂态仿真建模技术五、应用案例45新型电力系统是我国能源转型的战略需要2030碳排放达峰、2060年前实现碳中和目标，推动我国能源转型快速发展大规模跨区域交直流混联，高比例可再生能源消纳是新型电力系统面临的重大技术挑战大范围强耦合系统呈现更加复杂电磁暂态特性，宽频带谐振、过电压、频率波动问题频发电力现货市场、新能源波动性导致系统不确定性增加，调度决策面临更大压力万物互联时代，能源系统的数据生产能力极大提升，亟待与之匹配的数据处理能力，以实现更加绿色高效的发展东南负荷中心中西部资源中心1.7亿3.5亿2019年2035年跨省跨区域功率交换（千瓦）电动汽车保有量（辆）350万8000万2019年2035年6仿真是认识和分析新型电力系统的最有效手段“双高电力系统”存在的宽频振荡等新的动态特性不容忽视，大规模新能源场站等新型电力系统建模仿真技术成为国内外研究热点7大规模新能源场站建模仿真的影响因素大系统仿真考虑的主要问题新能源场站模型仿真尺度新能源场站模型需要考虑的因素功角稳定机电暂态惯量有功、无功动态特性附加控制特性(如虚拟惯量控制、附加阻尼控制等)频率稳定机电暂态惯量有功、无功动态特性发电设备一次调频场站一次调频电压稳定机电暂态有功、无功动态特性发电单元电压控制场站电压控制暂态过电压机电暂态

/电磁暂态内外环、锁相环控制站内阻抗功率分布控制与保护机电暂态

/电磁暂态过压/低压保护电压不平衡保护过流保护短路电流保护频率保护短路电流机电暂态

/电磁暂态站内阻抗变压器阻抗其他场站设备机电暂态

/电磁暂态SVG调相机储能多频段振荡电磁暂态内外环、锁相环控制站内阻抗功率分布8相关标准及规定对新能源场站仿真模型要求《GBT40594-2021电力系统网源协调技术导则》第7点“新能源场站应在首次并网前90日向电网调度机构提供新建或改扩建的新能源场站涉网设备技术资料，并应包括下列内容：”b项“可用于电磁暂态和机电暂态仿真的风电机组/光伏发电单元（含风机/光伏组件、变流器、单元升压变压器等）、场站汇集线路及场站控制系统、SVG等无功调节装置、储能设备、用于新能源场站联网的柔性直流等设备的模型及参数”。《GBT40594-2021电力系统网源协调技术导则》9相关标准及规定对新能源场站仿真模型要求《GBT40594-2021电力系统网源协调技术导则》第6.3.10点“新能源场站应按照电网调度机构的要求配合开展参数优化工作，并根据其各个元件模型和参数的变化情况，随时反馈变更情况”《GBT40594-2021电力系统网源协调技术导则》10相关标准及规定对新能源场站仿真模型要求《南方电网新能源场站并网管理工作指引（试行）》“新能源场站应在并网前3个月向调度机构报送场站基础资料，并网前1个月向调度机构报送设备并网计划、试验（含测试，以下同）与验证方案，调度机构及时审查并反馈补充完善意见给新能源场站。”“新能源场站内各设备的电气仿真计算模型参数及建模报告。新能源场站应根据调度机构仿真计算软件及数据格式要求（参考附录B），上报可用于电磁暂态和机电暂态仿真计算的风电机组/光伏发电单元（含风机/光伏组件、变流器、单元升压变压器等）及场站控制系统、SVG与调相机等无功调节装置、储能设备、用于新能源场站联网的柔性直流等设备的模型、参数及建模验证报告。”11相关标准及规定对新能源场站仿真模型要求《关于印发云南电网2022年网源协调重点工作的通知》“按照《电力系统网源协调技术导则GB/T40594-2021》以及《南方电网新能源场站并网管理工作指引（试行）》要求，新能源场站应在首次并网90日前向管辖调度机构提供新建或改扩建的新能源场站涉网设备技术资料，并应包括下列内容：”b）项“可用于电磁暂态和机电暂态仿真计算的风电机组/光伏发电单元（含风机/光伏组件、变流器、单元升压变压器等）、场站汇集线路及场站控制系统、SVG等无功调节装置、储能设备、用于新能源场站联网的柔性直流等设备的模型及参数”12相关标准及规定对新能源场站仿真模型要求截至2022年11月，华北能监局和山东能监办已在2022年版发电厂并网运行管理实施细则中对模型提出明确要求；山西能监办尚未发布2022年修订版并网实施细则，如下表：监管部门要求考核办法华北提供电磁暂态和机电暂态仿真计算的模型和参数、建模报告，并配合所属电力调度机构开展模型审查和一致性核查。新建站应在并网前三个月向电力调度机构提交，不满足要求的，每月按照当月装机容量×0.3小时的标准进行考核；已投产电站，应在有关部门要求期限内提交，逾期未提交，每月按当月装机容量×3小时考核。山东提交可用于电磁暂态和机电暂态仿真计算的模型和参数，包含光伏发电单元、光伏发电站汇集线路、变压器、光伏发电单元/光伏发电站控制系统、无功补偿装置，提交建模报告并配合电力调度机构开展模型审查和一致性核查。未在要求期限内提交建模报告的光伏发电站，每月按当月上网电量1%考核。13相关标准及规定对新能源场站仿真模型要求根据各电网中调所使用的仿真工具不同，对应在PSCAD、RTDS、RTLAB、BPA、PSASP、ADPSS等平台搭建光伏场站软件仿真模型或填写数据卡；完成模型校验报告并配合中调完成模型审查及一致性校核。电磁暂态建模采用单机倍乘或机组等效等方法，视各中调要求确定；场站控制参数变更后模型同步更新。监管部门要求考核办法华北提供电磁暂态和机电暂态仿真计算的模型和参数、建模报告，并配合所属电力调度机构开展模型审查和一致性核查。新建站应在并网前三个月向电力调度机构提交，不满足要求的，每月按照当月装机容量×0.3小时的标准进行考核；已投产电站，应在有关部门要求期限内提交，逾期未提交，每月按当月装机容量×3小时考核。山东提交可用于电磁暂态和机电暂态仿真计算的模型和参数，包含光伏发电单元、光伏发电站汇集线路、变压器、光伏发电单元/光伏发电站控制系统、无功补偿装置，提交建模报告并配合电力调度机构开展模型审查和一致性核查。未在要求期限内提交建模报告的光伏发电站，每月按当月上网电量1%考核。14提升新能源场站运行水平构建新能源场站全景数字模型，提升新能源场站电网支撑能力随着新能源渗透率的提升，系统惯量降低，系统失稳风险增加。通过改进新能源发电系统控制方法，可以提升新能源场站电网支撑能力，提高系统稳定性水平。通过建立符合工程实际的新能源场站、临近变电站及周边近区的电网全景模型，为系统稳定性评估提供更加准确、有效的依据。某风电场不同控制策略对系统频率的影响15提升新能源场站运行水平构建新能源场站全景数字模型，有效提升设备故障应对能力新能源场站是典型的“双高”系统，故障成因较为复杂。通过建立符合工程实际的新能源场站、临近变电站及周边近区的电网全景模型，将能够对规划运行、工程调试、故障反演与分析等实际运维工作提供坚实的支撑作用，提升新能源场站的运行水平。不同故障下风机输出功率波形16提升新能源场站运行水平构建新能源场站精细化数字模型，满足宽频带振荡分析要求在理想情况下，新能源场站能够无差跟踪控制指令，输出电流无谐波。考虑到输入功率波动、非线性数字控制、系统运行方式变化等因素的影响，新能源实际输出难以做到完全无差控制，含有少量谐波。输出谐波若被交流电网放大，易产生频段从次同步到电力电子器件开关频率的电磁振荡。仿真模型的建立将对场站设计规划、运行过程宽频振荡分析反演等环节提供支撑。基于端口阻抗特性的稳定性分析新能源场站宽频带电磁振荡波形17基于海量运行数据的仿真模型调优新能源场站的动态特性由基本发电单元（光伏或风机）、集电线路以及场站控制等构成。由于新能源的天然波动性导致场站运行方式（工作点）以及动态特性十分复杂。单纯基于数学原理的仿真模型无法完整准确反映场站的运行状态，有必要基于海量运行数据对仿真模型进行调优，从而更好地服务于场站运行需要。新能源场站接线示意图不同运行方式下的系统阻抗目录一、企业介绍二、背景和需求三、机电暂态仿真建模技术四、电磁暂态仿真建模技术五、应用案例1819新能源场站机电暂态建模仿真技术新型电力系统稳定新特性和新稳定性问题、宽频振荡机理及分析方法、新型电力潮流计算等20新能源场站机电暂态建模仿真技术某型SVG(50Mvar)高、低穿特性比对三相跌落至50%Un两相跌落至20%Un无功功率无功功率——硬件在环——BPA仿真——硬件在环——BPA仿真三相升高至130%Un无功功率——硬件在环——BPA仿真低电压穿越高电压穿越三相升高至125%Un无功功率——硬件在环——BPA仿真21新能源场站机电暂态建模仿真技术某型风电机组特性对比三相20%电压跌落大风工况结果22新能源场站机电暂态建模仿真技术机电电磁暂态混合仿真工具针对多个新能源接入情况的适应性升级，新能源场站能够以电磁暂态模型的形式，通过混合仿真接入大网进行仿真，提高仿真效率目录一、企业介绍二、背景和需求三、机电暂态仿真建模技术四、电磁暂态仿真建模技术五、应用案例2324新能源场站电磁暂态建模仿真技术基于PSCAD的光伏发电场站仿真模型25新能源场站电磁暂态建模仿真技术基于风电机组详细模型的风电场全拓扑实时仿真方法，解决了聚合模型无法直观地反映风电场内部接线形式与参数的问题基于FPGA的并行求解与时分复用技术，实现多台风电机组（40台以上）及其高频开关特性（10kHz及以上）的高效求解，仿真步长小于1us采用FPGA加速风电机组一次系统（支持双馈/直驱，2/3电平变流器）及其二次控制系统仿真模型，多核之间通过分布参数线路解耦，可以线性地提升仿真规模PCIeOP5600：集电网络OP5607：风电机组风电场实时仿真系统配置示意图26新能源场站电磁暂态建模仿真技术仿真精度对比参考模型：SimPowerSystems参考模型，步长50us高效模型：包含PWM开关过程，步长0.5us电网三相电流变压器副边三相电流定子三相电流网侧变流器三相电流直流电压变压器副边功率直驱机组启动与故障工况对比仿真27新能源场站电磁暂态建模仿真技术基于风电场详细模型的风电场动态特性研究相比于聚合模型，详细模型的能够更好地反映风电场集电网络结构、机组到故障点电气距离等因素的影响，从而对风电控制保护进行更精细化的测试被测风电场网侧电压网侧电压定子电压直流电压卸荷电流网侧功率#3风机机端短路，触发直流卸荷保护#2风机距短路点较近，通过功率控制避免触发直流卸荷保护#4风机距短路点较远，运行基本不受影响电压跌落故障28新能源场站电磁暂态建模仿真技术基于风电场详细模型的风电场阻抗特性研究相比于聚合模型，全拓扑模型能够更加精确地刻画风电场在数百到数千赫兹范围内的阻抗特性，而这也是目前新能源场站建设与运行中问题频发且需要重点关注的频段基于实时仿真平台完成这样一个工况的阻抗计算由数小时~数天缩减到几分钟~十几分钟，具备较强实用性集中式聚合模型分布式全拓扑模型29新能源场站电磁暂态建模仿真技术基于MMC与风电模块，构建大规模海上风电经柔性直