陳圣哲 鄭潤生 劉承錫 董旭柱 呂蕊
摘 要:依托國內(nèi)新建含混合柔性直流外送的水風光多能互補一體化新型區(qū)域電力系統(tǒng)工程實際,針對該系統(tǒng)三個核心組成場站,即水電機組側(cè)、風光匯集系統(tǒng)側(cè)和混合柔性直流的區(qū)域化模型分別進行簡化建模,而后通過實驗對比驗證響應模型和本文提出的等效模型。結(jié)果表明,本文提出的新能源區(qū)域電力系統(tǒng)等效模型可以在發(fā)生故障時對系統(tǒng)動態(tài)過程在機電仿真尺度進行高精度等效。由于其具有易拓展性和廣泛適用性,可作為研究極大規(guī)模高比例新能源電力系統(tǒng)的實驗范式。
關(guān)鍵詞:水風光一體化;等效模型;混合柔直;動態(tài)過程分析
中圖分類號:TM712 文獻標志碼:A
0 引 言
可再生能源與水電一體化協(xié)調(diào)運行經(jīng)直流外送系統(tǒng)是一種新型發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以提高主網(wǎng)對可再生能源消納能力,而且可以提供可控、可調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的電力供應。近年來,風、光、水、儲多能互補的發(fā)電基地不斷建成,例如在青海省龍羊峽、烏江流域、雅礱江流域等地均建設(shè)了水風光互補發(fā)電基地[1]。區(qū)別于傳統(tǒng)電源因負荷隨機波動引發(fā)的電力系統(tǒng)隨機性波動,大規(guī)模清潔能源因具有獨特的運行特性,其本身固有的波動性成為高比例新能源電力系統(tǒng)隨機性的主要來源。由于輸入側(cè)波動性與輸出側(cè)負荷協(xié)同性不高、調(diào)峰調(diào)頻能力不足、跨區(qū)域電力的廣域外送通道不暢等因素,高比例新能源的富余輸出問題是各國研究的重點[2-5]。為了解決上述問題,本文聚焦基于混合柔直的水風光一體化新型電力系統(tǒng),從水電機組數(shù)?;旌戏抡妗^(qū)域電網(wǎng)全階數(shù)學模型構(gòu)建、混合直流輸電系統(tǒng)三個方面進行動態(tài)過程和穩(wěn)定性評估與分析。
在水電機組數(shù)模混合仿真研究中,一般會分別建立數(shù)字仿真子系統(tǒng)和物理仿真子系統(tǒng),前者作為離散系統(tǒng)通常以仿真模型方式呈現(xiàn),后者則基于實際設(shè)備物理連接形成連續(xù)系統(tǒng)。由于存在虛擬模塊和現(xiàn)實物理實際,其中的通訊協(xié)議和接口方式均存在差異性,因此水電機組數(shù)?;旌戏抡嫦到y(tǒng)的構(gòu)建范式有待進一步的研究。此外,將水電機組數(shù)?;旌洗笙到y(tǒng)分解為子系統(tǒng)后是否依然可以表征原系統(tǒng)特性,并進一步分析系統(tǒng)整體的“雙穩(wěn)”特性,同樣值得深入研究。Macdiarmid等[6]基于物理實際模糊數(shù)據(jù)構(gòu)建離散狀態(tài)空間模型,實現(xiàn)對仿真誤差邊界的量化。Agasun等[7]構(gòu)建基于模型仿真步長和接口時延的離散狀態(tài)空間模型,分析影響原系統(tǒng)“雙穩(wěn)”特性的關(guān)鍵參數(shù)。而Ren等[8]、Miao等[9]另辟蹊徑,從連續(xù)模型出發(fā)定義兩類干擾誤差(非理想接口干擾誤差和噪聲干擾誤差),針對電感耦合,阻抗分離的系統(tǒng)特性,分別實現(xiàn)了對模型“雙穩(wěn)”特性的判定。葉駿等[10]融合數(shù)字仿真子系統(tǒng)和物理仿真子系統(tǒng)的數(shù)理特性,基于水電機組數(shù)模混合模型,構(gòu)建了基于“幀—步長時序”的分析研究范式。然而,當前的建模方法主要針對具有單一接口的數(shù)字模擬混合仿真系統(tǒng),忽略了接口設(shè)備特性對信號傳遞的影響。對于那些存在模糊實際數(shù)據(jù)、維度高、非線性強或時變特性明顯的水電機組數(shù)?;旌戏抡嫦到y(tǒng),其建模方法還有待進一步的研究[11-12]。
在區(qū)域電網(wǎng)全階數(shù)學模型構(gòu)建方面,隨著新能源裝機容量占電力系統(tǒng)整體容量的比重不斷增加,電力系統(tǒng)內(nèi)部的隨機性波動問題愈發(fā)凸顯。目前,水風光一體化新型電力系統(tǒng)研究的熱點問題和研究方向主要包括隨機模型預測設(shè)計[13]、子系統(tǒng)設(shè)計[14-16]以及等效模型穩(wěn)定性研究[17-18]等。由于水風光一體化新型電力系統(tǒng)具有強耦合性和時變非線性,創(chuàng)建適用于上述系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析和評估方法,并設(shè)計針對隨機源影響下的全階控制策略,對水風光一體化新型電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行十分重要。
在混合直流輸電系統(tǒng)方面,由于水風光一體化系統(tǒng)電能外送的主要手段,在送端整流側(cè)部分采用以晶閘管為主要組成部分的常規(guī)直流,在受端逆變側(cè)部分采用以絕緣柵雙極晶體管為主要組成部分的柔性直流,當受端在電壓和功率控制模式上進行切換,可以實現(xiàn)對傳輸功率的重新分配以及多受端電能返送現(xiàn)象,因此,對于上述模型整體需要進行統(tǒng)一建模,以實現(xiàn)對系統(tǒng)整體穩(wěn)定性和動態(tài)過程的分析與評估。
1 水風光一體化電力系統(tǒng)經(jīng)直流外送模型構(gòu)建方法
1.1 基于數(shù)模混合的水電機組模型構(gòu)建方法
水電機組模型主要包括水輸入系統(tǒng)、水輪機、調(diào)速與隨動裝置、發(fā)電機與勵磁系統(tǒng)六個組成部分,其中有壓引水系統(tǒng)和水輪機兩個部分是水電機組的能量轉(zhuǎn)化端和電能輸出端,在文中將其更為精細化建模。水電站的引水系統(tǒng)由水輸入系統(tǒng)、蝸殼和尾水管道構(gòu)成。水輪機輸出通過調(diào)節(jié)導葉開口調(diào)整。導葉開口快速縮小時,水慣性使靠近導葉的管道水壓縮,引發(fā)水頭增大和水壓上升,導致管道膨脹。這一過程把水動能轉(zhuǎn)化為水和管道的彈性勢能,形成正壓水錘波沿管道向上游傳播。波浪在管道端反射,形成負壓水錘波,使水流回水庫,恢復管道和壓力到初始狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象。實際中,管道摩擦會導致傳播能量衰減,使水錘波逐漸減弱直至消失。水錘波在管道中傳播的速度稱為水錘波速,一個往返的時間稱為相長。水錘現(xiàn)象導致引水管道內(nèi)流量變化滯后于導葉開口變化,顯著影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果,增加系統(tǒng)不穩(wěn)定性,對水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)性能的影響不可忽視。
1.1.1彈性水擊模型
該模型用于描述當水在長管道中運動或在大波動范圍時的動態(tài)變化。式(1)和式(2)分別表示有壓管道非恒定流的運動方程和連續(xù)方程。
式中:x表示管道長度;n是摩擦損失系數(shù);S表示管道截面面積;l是管道直徑;v是水擊波速;H表示某斷面單位重量水能量;Q表示某斷面流量;t表示時間;g表示重力加速度;l表示水管長度。
由式(1)和式(2)可推導出斷面A和斷面B之間的水頭流量關(guān)系表達式如式(3)所示。
式中:,,,;ch和sh分別表示雙曲正弦和雙曲余弦函數(shù);壓力引水系統(tǒng)進水口斷面A壓力變化為0,即HA(S)=0。
根據(jù)式(3)可得如式(4)和式(5)所示的斷面B的相關(guān)微分方程。
式中:表示傳遞函數(shù),。h′f表示管流摩擦相對值在時域內(nèi)的變化率。將zc和r代入上式,由于h′f一般很小,所以通常將其忽略。
基于泰勒級數(shù)展開,可得彈性水擊模型流量水頭傳遞函數(shù)? 表達式
式中:Tw表示水流慣性時間常數(shù),Tw=hwTr;hf表示沿程摩擦損失的相對值;Tr表示有壓引水系統(tǒng)水錘壓力波反射時間。
2.2.2 剛性水擊模型
該模型用于描述當水在短管道中運動且在小波動范圍時水流在管道中的動態(tài)變化。在剛性水擊模型條件下,可以考慮略去次要因素,對式(6)進行簡化,得到剛性水擊模型流量—水頭的傳遞函數(shù)如式(7)所示,由此可得剛性水擊壓力引水系統(tǒng)模型。
2.2.3 水電機組中水輪機模型構(gòu)建
水輪機內(nèi)部流動復雜,目前關(guān)于水輪機的數(shù)學模型尚無較好解析描述方法,一般以水輪機的綜合特性曲線表示。流量和力矩是水輪機的兩個重要參數(shù),分別反映水輪機的水力特性和機械特性。鑒于缺少水輪機動態(tài)條件下的相關(guān)試驗參數(shù),水輪機動態(tài)特性通常采用水輪機穩(wěn)態(tài)工況下測得的力矩特性和流量特性來描述。當水輪機運行在穩(wěn)定狀態(tài)時,其內(nèi)部水的流量模型以及沖擊葉片力矩模型可以表征其動態(tài)特性?;谏鲜瞿P?,典型水輪機組的狀態(tài)特性可以分別表示為式(8)、式(9)。
式中:Mt表示水輪機力矩;Q表示水輪機內(nèi)部流量;α表示水輪機開度;n表示水輪機轉(zhuǎn)速;H表示正常工作狀態(tài)下噴射水流的能量。
在小波動過渡過程工況下,水輪機組的初始工況點假設(shè)為α = α0,n = n0,H = H0;當系統(tǒng)運行進入動態(tài)過程后,α = α0+Δα,n = n0+Δn,H = H0+ΔH,在工況點(α0,n0,H0)展開為泰勒級數(shù),忽略二階及以上的高階項后,可得水輪機動態(tài)運行方程為
分別取相對值,變換后的表達式為
式中:nr表示額定機組轉(zhuǎn)速;Hr表示額定水頭。用ey、eqy、ex、eqx、eh、eqh代替泰勒系數(shù),則式(12)和式(13)可改寫為:
式中:ey、eqy、ex、eqx、eh、eqh可分別定義為水輪機的6個傳遞系數(shù),由此可以建立混流式水輪機數(shù)學模型。對式(14)、式(15)進行拉普拉斯變換,可得變換后的公式為:
混流式水輪機模型綜合特性曲線如圖1所示,在該曲線上,r、0、1、2、3、4分別表示為額定工況、工況0~4,各工況點所對應的的橫縱坐標值分別表示該工況下的單位流量及單位轉(zhuǎn)速。由式(18)—式(22)求取各傳遞系數(shù)。
1.2 含混合直流的新能源區(qū)域電網(wǎng)建模方法
經(jīng)直流外送的新能源區(qū)域電力系統(tǒng)的等值建模方法研究是目前學術(shù)研究的熱點,而含混合直流送出的新型電力系統(tǒng)則是其中的重點和難點。含混合直流送出的電力系統(tǒng)一般從系統(tǒng)模式、系統(tǒng)參數(shù)和系統(tǒng)同調(diào)性三個角度進行等值化建模。本文根據(jù)水風光多能互補系統(tǒng)裝置硬件特性,采用同調(diào)等值理論的動態(tài)等值方法對區(qū)域電網(wǎng)進行動態(tài)等值。同調(diào)等值理論的基礎(chǔ)在于同調(diào)發(fā)電機群的劃分,即被研究系統(tǒng)遭受到擾動后,將外部系統(tǒng)搖擺特性相似或相同的發(fā)電機組劃為同一個同調(diào)發(fā)電機群。
設(shè)非線性負荷模型如式(23)所示。其中fsj +
flj + fzj = 1,qsj + qlj + qzj? = 1。
式中:PLj、PL0j、QLj和QL0j分別表示節(jié)點j的當前有功功率、初始有功功率、當前無功功率和初始無功功率;fsj 、flj和fzj分別表示非線性負荷有功功率在恒定阻抗、恒定電流和恒定功率分解方向上的比例系數(shù);qsj 、qlj和qzj 分別表示非線性負荷無功功率在上述三個方向的比例系數(shù);Vj 和V0j分別表示節(jié)點j的當前電壓和初始電壓。
非線性負荷模型通常由三個部分組成,包括恒定阻抗、恒定電流和恒定功率,因此,在處理非線性負荷節(jié)點時,該方法對這三個部分采取不同的處理方式。具體而言,恒定阻抗部分被轉(zhuǎn)換為等效阻抗并加入節(jié)點導納矩陣,而恒定電流部分和恒定功率部分用電流源來表示。通過這種方式得到網(wǎng)絡方程如式(24)所示,其中下標1表示保留的母線,下標2表示將要消除的母線。
采用高斯消去法對式(24)進行處理,可得式(25)。
式中:
其中和表示從消去母線轉(zhuǎn)到保留母線上的等效電流源,用負荷形式表示,并與保留母線上同類負荷合并,消去非線性負荷節(jié)點,即可得等值負荷。
除了在等值前后需保持系統(tǒng)潮流基本不變外,還應保證被研究系統(tǒng)受到一定擾動后,外部系統(tǒng)對研究系統(tǒng)的動態(tài)影響不畸變。因此,需要對影響系統(tǒng)動態(tài)性能的元件進行處理,這部分元件主要包括發(fā)電機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)。對原系統(tǒng)進行參數(shù)聚合一般有加權(quán)平均法和采用迭代優(yōu)化法(如Powell算法)兩種方法。后者使等值機和對應的同調(diào)機群具有相近的頻域響應特性。
Powell算法的數(shù)據(jù)處理繁雜程度及工作量均高于加權(quán)平均法,適用于大規(guī)模系統(tǒng)等值,實際應用表明動態(tài)等值的效果良好,本文主要采用Powell算法。進行發(fā)電機及其調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型聚合,需要作以下假設(shè):①線性與非線性部分可以分別聚合;②發(fā)電機各個環(huán)節(jié)可以分別聚合。在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上一般將發(fā)電機分為五個環(huán)節(jié)依次進行參數(shù)聚合,這五個環(huán)節(jié)分別是發(fā)電機轉(zhuǎn)子運動方程、調(diào)速器和原動機、發(fā)電機電磁回路、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機PSS裝置。
2 實驗驗證
混合柔直的水風光一體化新型電力系統(tǒng)拓撲如圖2所示。其中水能、風能和太陽能場站經(jīng)過交流母線匯集后通過常規(guī)直流送出,受端部分均采用基于模塊化變流器的柔性直流逆變器,同時需要注意的是,這種混合直流在送端和受端部分不可以功率返送,而在受端之間可以進行功率的相互傳輸。結(jié)合本文所提算法和上述模型,并基于恒功率損耗法,得到該算例系統(tǒng)等值參數(shù)(見表1)。
系統(tǒng)發(fā)生相同故障時,響應模型和等效模型的并網(wǎng)點有功功率和相角曲線如圖3所示。其中有功功率線平均偏差率為0.54%,相角曲線平均偏差率為0.13%,等值精度較高,從而驗證了本文提出的多適應性的基于軌跡靈敏度的系統(tǒng)參數(shù)辨識算法的有效性。
3 結(jié)束語
將水風光一體化集群的新型電力系統(tǒng)分解為水電機組側(cè)、新能源側(cè)和混合直流輸電線路三個部分,針對核心裝置即有壓引水系統(tǒng)和水輪機構(gòu)建基于數(shù)?;旌系乃姍C組模型,同步構(gòu)建含混合直流的新能源區(qū)域電力系統(tǒng),并對整體模型進行仿真實驗驗證,實現(xiàn)了對水風光一體化新型電力系統(tǒng)的建模和實驗分析。通過與響應模型進行對比,驗證了本文提出的等效模型可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時進行對應的理論分析和實驗驗證。本文研究的水風光一體化新型電力系統(tǒng)模型與構(gòu)建的區(qū)域電網(wǎng)全階數(shù)學模型具有普適性,可在此基礎(chǔ)上針對風光接入后系統(tǒng)的穩(wěn)定性、隨機源的波動性、大擾動下系統(tǒng)的脆弱性展開研究和評估。
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A Simplified Modeling Approach for a Hydro-wind-solar Integrated Novel Power System Based on Hybrid Flexible DC Transmission
CHEN Shengzhe1,ZHENG Runsheng2,3,LIU Chengxi2,3,DONG Xuzhu2,3, Rui1
(1.China Yangtze Power Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China;2. School of Electrical Engineering and Automation,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3. Hubei Engineering and Technology Research Center for AC/DC Intelligent Distribution Network,Wuhan 430072,China)
Abstract:Based on the project practice of newly constructed regional power system of hydro-wind-solar multi-energy complementary integration with hybrid flexible direct current (DC)transmission in China,this paper presents a simplified regionalization model for the three core components of the system. These components include the hydroelectric unit,the wind-solar integration system,and the hybrid flexible DC combining conventional DC and flexible DC. In addition,we compare the response model with the equivalent model proposed in this paper for experiment validation. The results demonstrate that the equivalent model proposed in this paper can work dynamically in the case of a system breakdown. Due to its easy scalability and wide applicability,the proposed method can serve as an experimental paradigm for ultra-large-scale power systems with a high proportion of new energy.
Key words:integration of wind,solar and hydro power;equivalent model;hybrid flexible DC transmission;dynamic process analysis
基金項目:湖北省重點研發(fā)計劃項目(2022AAA007);中國長江電力股份有限公司項目(Z242302010)
作者簡介:陳圣哲,男,工程師,博士,主要研究方向為新能源功率預測、新能源接入對電力系統(tǒng)及電站運行影響仿真、多能互補一體化技術(shù)。E-mail:chen_shengzhe@ctg.com.cn