电力电子接口元件的自适应动态仿真模型研究

Renewable energy generation systems, such as wind and photovoltaic (PV) power are often connected to power grids through electronic interfaces. With fast developments of large-scale wind and PV power, it becomes more and more important to develop the accurate models for them to meet the requirements from power system operation and control. The proposed models around the world are mainly positive sequence models that can not exactly represent responses to unbalanced events. Furthermore, the investigation on adaptability of models is very few, and the medium- and long-term dynamic simulation models are seldomly researched and not accurate. So, there is a large need in developing adaptive dynamic models of power system elements with electronic interfaces, which are suitable for different renewable energy sources for simulations at different time scales. The application ranges of existing typical models for simulations at different time scales will be proposed by comparative study of typical transient electromagnetic, detailed electromechanical transient and simplified electromechanical transient wind turbine and PV unit models. Models considering negative control for electromechanical transient simulation will be established for wind turbines and PV units. A medium- and long-term dynamic simulation model, considering frequency control and reactive power coordinated control of renewable energy plants, will be established. Based on the characteristics of grid-connected electronic interface, a novel model validation method will be developed for power system elements with electronic interfaces. Finally, the adaptive dynamic simulation models for power system components with electronic interfaces will be established and verified.

以风电和光伏发电为代表的新能源发电系统普遍通过电力电子设备与电网接口，随着新能源的大规模快速发展，电网运行分析愈来愈需要准确的新能源发电系统模型。国内外已提出的大量模型主要是正序模型，不能准确反映不对称故障下的动态特性，且缺乏对模型的适应性研究，缺乏准确的中长期动态仿真模型。亟需研究建立适用于不同新能源种类、不同时间尺度的电力电子接口元件自适应动态仿真模型。通过研究对比风电机组/光伏发电单元现有典型的电磁暂态、详细机电暂态和简化机电暂态模型的差异，提出风电机组/光伏发电单元现有典型模型对于不同时间尺度的动态仿真问题的适用范围；研究建立考虑负序控制的风电机组/光伏发电单元机电暂态模型，研究建立考虑调频控制和无功协调控制的新能源场站中长期仿真模型；考虑新能源电力电子并网接口特征，研究提出适用于电力电子接口特征的电力系统元件模型验证方法。最终实现电力电子接口元件的自适应动态仿真模型建立和验证。

以风力发电和光伏发电为代表的新能源发电系统普遍通过电力电子变流器与电网接口，随着新能源的大规模快速发展，电网运行分析愈来愈需要准确的新能源发电系统模型。在模型适应性研究方面，现有新能源发电系统模型的适应范围研究欠缺、少量的新能源模型适应性研究仅给出了一些结论而欠缺理论分析，本项目以双馈型风电机组模型为例开展了理论分析和实测数据验证工作，提出了基于电流源的模型和基于PWM控制器模型的应用边界条件，通过对称工况、不对称工况下的理论分析和中国某风电场实测数据验证，说明了所提应用条件的准确性。在模型改进方面，针对国际上应用广泛的WECC光伏发电系统模型在中国某主流光伏逆变器的适应性研究中发现的功率“过冲”问题，基于混合数据仿真方法完成了模型验证，并提出了WECC光伏发电系统模型的改进方案，结合实测数据验证了改进后模型的准确性。此外，提出了新能源电站参与电网一次调频的基本控制模型和分段控制模型，并提出了新能源电站参与大电网一次调频的控制增益整定方法及其取值稳定范围。提出了基于无功裕度分配的光伏电站无功电压控制策略，提出了海上风电场经交流电缆送出系统的无功配置方案及无功协调控制策略。在模型验证方面，研究对比了各种混合数据仿真方法，提出了适用于大规模新能源模型参数验证的快速反应发电机法和变阻抗法具体实现方案，提出了包含混合仿真模型参数验证、参数灵敏度分析以及基于参数校正的新能源模型参数验证问题完整解决方案，基于中国西北地区某大型光伏电站并网系统实测数据验证了所提方案的可行性和正确性。开发了软件工具，并从现场实测瞬时值的建模与验证入手，探讨了考虑负序控制的风电机组和光伏发电系统模型及其验证问题。