【华北电力大学_许建中_】2024年大规模风电并网送出系统高效高精度建模方法报告_19页_5mb

2024年直流输电与电力电子学术年会总结

核心内容

本次学术年会聚焦于大规模风电并网送出系统的高效高精度建模方法，由许建中教授/博导在新能源电力系统全国重点实验室（华北电力大学）进行汇报。许教授是赵成勇教授直流输电团队的核心成员，研究方向为新能源电力系统电磁暂态建模仿真及工程应用，并拥有丰富的科研与学术经历。

主要观点

1. 研究背景与关键问题

随着大规模风电基地的发展，风电并网系统中包含大量风电机组和柔直换流器，其电力电子器件具有微秒级快速响应特性，因此对电磁暂态建模与仿真提出了更高的要求。

• 关键问题1：系统节点数高
  风电场中单台风电机组节点数可达25阶，导致系统建模复杂度高，计算效率低。节点数越多，计算复杂度与节点数的3次方成正比。

• 关键问题2：仿真步长小
  为了保证换流器PWM控制精度和器件快速动态响应，仿真步长需控制在10μs左右。对于3800Hz以下的开关频率，仿真步长需小于13μs。

• 关键问题3：等值法不精确
  传统等值方法（如单机/多机聚合）无法保留内部电路信息和控制器接口，导致仿真精度下降。因此，提出基于循环嵌套求解方法的广义诺顿等效建模方法，实现无损解耦并行，保留内部信息的同时显著减少节点数目。

2. 风电机组通用精细化建模关键技术

• 构建了直驱型与双馈型风电机组的电气部分核心设备模型，并基于快速嵌套求解算法实现仿真模型的高效构建。
• 等效后模型仅保留4个外节点，有效降低计算复杂度。
• 通过离线仿真测试，模型在多工况下平均相对误差不超过3%，在50台风机情况下，计算效率较详细模型提升306倍。

3. 送出系统关键直流装备等效建模

• 提出了适用于多类型子模块MMC和高频隔离型直流变压器的电磁暂态等效建模框架。
• 通过等效建模显著减少节点数目，同时保留内部电气信息，支持反向特性反演以溯源内部信息。
• 直流变压器等效模型平均相对误差低于1%，仿真效率提升1-2个数量级。
• MMC等效模型最大相对误差低于4%，仿真效率提升2-4个数量级。

4. 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，实现机组间及内部元件的无损解耦。
• 提出戴维南/诺顿等效方法，使风电场模型仅保留4个电气节点。
• 基于OpenMP并行技术设计并行计算架构，实现大规模风电场的并行化求解。
• 模型平均相对误差不超过2%，加速比达9692.7倍，极大提升了仿真效率。

5. 实时仿真验证（RTDS）

• 在RTDS平台验证了风电机组等值模型的效率与精度。
• 一次电路仿真步长为5μs，二次控制步长为50μs，在220kV并网点设置多种故障进行测试。
• 模型平均相对误差不超过3%，最大相对误差均<3%，验证了模型的高精度特性。

6. 阻抗测试

• 对风电机组的Zdd、Zdq、Zqd、Zqq进行了阻抗扫描测试，结果显示全频段自研模型与RTDS模型仿真结果一致，误差较小。

7. 计及线路的风电场站模型精度

• 仿真步长为10μs（一次电路）和50μs（二次控制）。
• 在220kV并网点设置多种故障，进行精度测试。
• 模型平均相对误差不超过3.6%，验证了模型在实际运行条件下的可靠性。

关键信息

• 模型等值与并行仿真是提升大规模风电送出系统仿真效率与精度的核心手段。
• 广义诺顿等效电路可有效减少节点数目，同时保留内部信息，支持反向特性反演。
• 加速比在50台机组时达到306倍，在100台机组时达到309倍。
• 仿真精度在不同工况下均控制在3%以内，验证了模型的可靠性与实用性。
• 实时仿真平台（如RTDS）是验证模型性能的重要工具，确保仿真结果与实际系统一致。

结论

大规模风电送出系统的高效高精度建模是实现新能源系统稳定运行和智能控制的关键。通过精细化建模、等效建模与并行计算技术的结合，可有效解决系统节点数高、仿真步长小、等值法不精确等问题，实现大规模、高速、高精度、低成本的仿真目标，为未来新能源电力系统的建模与仿真提供了新的思路与方法。