基于参数辨识和数据测试的分布式微电网系统建模研究-张军军

中国电力科学研究院 国家能源太阳能发电研发（实验）中心 2018年 11月 9日 基于参数辨识和数据测试的分布式微电网 系统建模研究 汇报内容 1 微电网建模技术研究背景 2 基于参数辨识的微电网建模技术 3 微电网建模实例分析 4 结论及建议 微电网建模技术研究背景第一部分第一部分 微电网建模技术研究背景 ➢ 能源供给多样化 ➢ 满足用户的个性电力需求 ➢ 提高供电可靠性，满足供电质量的要求 基本特征 微电网结构 微电网建模技术研究背景 ◆ 分布式电源对系统的影响不容忽视 风光资源 波动性大、随机性强，预测难 新能源发电接入对电网 安全稳定运行带来 新的 挑战 电压 /频率 稳定 、调峰备用、 继电保护 、 电能质量 特高压直流容量大、控制复杂 、直流闭锁 特高压交直流输电新能 源接入提出 新的要求 高电压耐受、避免 连锁脱网 、 复杂工况下稳定性分析 特高压直流输电网 双 12脉冲阀组串接结构 微电网建模技术研究背景 亟需准确的 模型和参数 电网安全稳定 制定 控制措施 区域性可再生 能源规划开展并网分析 输电系统评估 安排生产 运行方式 微电网建模技术研究背景 ◆ 国标、行标及企标等技术要求 针对 模型及参数 测试方法 提出技 术要求 微电网建模技术研究背景 电力系统主要仿真软件 开发者 BPA Bonneville Power Administration 邦纳维尔电 力局 EMTP Electromagnetic Transients Program 邦纳维尔电 力局 PSCAD/EMTDC Power System Computer Aided Design/Electromagnetic Transients Program in-cluding Direct Current 曼尼托巴高 压直流输电 研究中心 NETOMAC Network Torsion Machine Control 西门子公司 PSASP Power SystemAnalysis Software Package 中国电力科 学研究院 DIgSILENT DIgSILENT GmbH公司 MATLAB Math- Works公司 半 实 物 仿 真 平 台 控 制 器 微电网建模技术研究背景 模型建立 分布式电源建模 微电网控制及负荷等建模 参数辨识及模型验证 辨识关键参数 数据对比，模型校验 误差分析 为满足调度分析需求，利用电力系统仿真软件，采用全数字 仿真，开展微电网建模及参数测试技术研究 基于参数辨识的微电网建模 技术第一部分第二部分 基于参数辨识的微电网建模技术 参数测试试验 参数辨识 模型验证微电网建模 光伏逆变器 风电变流器 储能变流器 基于参数辨识的微电网建模技术 P V 1L1C 升 压 变 T 12 0 0 0 k V A1 9 0 ～ 4 1 8 V / 1 0 k V Y /Δ 隔 离 变 T 2 1 0 / 1 0 k V 短 路 阻 抗 U k 4 容 量 2 M V A 上 级 升 压 变 T 3 1 1 0 / 1 0 . 5 k V 短 路 阻 抗 U k 1 0 . 5 容 量 3 1 . 5 M V A 1 0 k V 1 0 k V 1 0 k V 1 1 0 k V23 2C 3C L l - 1 L l - 2 L l - 3 K l - 1 K l - 2 K l - 3 K s - 1 K s - 2 K s - 3 L s - 1 L s - 2 L s - 3 公 共 电 网 - phI shRsdI IV 光伏电池等效电路图 光伏电池 光伏电池原理公式 ◆ 光伏逆变器模型 直流侧光伏电池建模 微电网建模 基于参数辨识的微电网建模技术 电压电流双环控制框图 ➢经 MPPT得到直流母线电压参考值， 与 母线电压比较后，经电压外环 PI控 制器调节 ， 得到 d轴电流环的参考值。 ➢三相电感电流经 abc/dq变换后转换为两相直流量 ，并 分别与 电流 参考信 比 较，经过电流内环 PI控制环器调节生成两相调制信号，通过 dq/abc 变换 形成三相调制信号 .调制信号与三角波比较后给三相逆变桥输出驱动脉冲。 dcV 电 压 控 制 器 C 电 流 控 制 器 电 流 控 制 器 S V P W M 调 制 −− 驱 动 信 号 dre fidi q i P L LdciM P P T dc re fV− au bu cu/abc dqqre fi /dq abc P V dcV di qi− 并网控制策略基于电网电压定向的矢量控制技术 微电网建模 ◆ 光伏逆变器模型 基于参数辨识的微电网建模技术 待辨识参数 微电网建模 ◆ 光伏逆变器模型 基于参数辨识的微电网建模技术 待辨识参数 微电网建模 ◆ 风电变流器模型 基于参数辨识的微电网建模技术 待辨识参数 微电网建模 ◆ 储能变流器模型 基于参数辨识的微电网建模技术 微电网系统有并网和离网运行两种稳态运行模式、并网切换到离网及离 网切换到并网的两种暂态运行模式。并网运行时需满足电压 /频率保护技术 要求。 微电网建模 ◆ 微电网保护控制模型 基于参数辨识的微电网建模技术 微电网建模 参数测试 - 逆 变 器 SZ SU测 量 点 1 测 量 点 2光 伏 方 阵 /可 控 直 流 电 源 电 网 扰 动发 生 装 置 外 部 电 网 开 关 K ◆ 控制指令 扰动 试验 有功和无功控制环参数 ◆ 辐照度 扰动 试验 有功 MPPT控制参数 ◆ 网侧电压 小扰动 试验 无功控制环参数 ◆ 网侧电压 大扰动 试验 故障穿越和保护参数 基于参数辨识的微电网建模技术 微电网建模 参数测试 控制指令扰动试验 → 有功和无功控制环参数 1 8 0 6 0 4 0 2 0 0 32 54 76 98 1 0 时 间 m i n 有 功 功 率 指 令 P n 1 0 0 A B C D E 1 1 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 0 32 54 76 98 1 0 时 间 （ m i n ） 无 功 功 率 （ Q m a x ） 1 1 1 2 1 3 1 4 容 性 感 性 A B C D E F G 基于参数辨识的微电网建模技术 微电网建模 参数测试 参数辨识 粒子群优化算法 粒子群优化算法是一种模拟鸟群觅食过程中的迁徙和群集行为的智能演化计算技术。 粒子当时所处的位置和速度决定了粒子移动时的方向和距离，且每个粒子都有一个由 目标函数决定的适应度值与之对应。每一次迭代过程中的各个粒子通过当前种群寻到 的最优解位置和历史寻优过程中粒子自身寻到的最优解位置来更新速度，通过不断的 迭代过程，可在解空间中对最优解进行搜索。 1 1 1 2 2 p - g - k k k k k ki d i d i d i d d i dv w v c r x c r x 1 1k k kid id idx x v 基于灵敏度的参数可辨识性分析 0 1 11 0 , . . . ,, . . . ,, , . . . ,, . . . ,,, . . . ,, . . . ,, l i m i i mi mimii ty tyty S i i       − →  K K S ii SKA 1 1  基于参数辨识的微电网建模技术 微电网建模 参数测试 参数辨识 参考厂家提供参数 ， 随机 生成第一代结果 利用 M a t l a b / S i m ul i nk 仿真模型进行计算 依据仿真结果和目标函 数 ， 计算拟合误差 ， 更新 个体误差结果 误差是否满足收敛条件 对结果进行优化 ， 生成新 一代种群 输出数据最优解 读取测试数据文件 ， 计算扰动类型 ， 拟合目标数据 初始化仿真模型参数 更新全局最优值 更新粒子的位置和速度 更新个体最优值和全局最 优值 达到最大 迭代次数 群体是否遍历完成 否 否 否 测试对象 待辨识参数 参数测试内容 光伏逆变器 最大功率跟踪控制环节参数 dPm_max、 dPm_min 最大功率跟踪控制测试 功率控制环节参数 Kp 、 Tp 、 Kq 、 Tq 电网电压扰动测试 风电机组 直流电压和无功功率控制环 节参数 Kp 、 Tp 、 Kq 、 Tq 电网电压扰动测试 储能变流器 功率斜率控制环节参数 dPord_max、 dPord_min 有功 /无功控制测试 PQ控制环节参数 Kp 、 Tp 、 Kq 、 Tq 电网电压扰动测试 基于参数辨识的微电网建模技术 微电网建模 参数测试 参数辨识 模型验证 模型验证试验与仿真 模型 评价 数据处理分析 相同条件与参数 测试 数据 处理 数值 仿真 仿真 模型 实际 系统 数据 区间 划分 误差 计算 开展 试验 模型评价 ◆ 网侧电压扰动 ◆ 有功指令给定 ◆ 无功指令给定 基于参数辨识的微电网建模技术 微电网建模 参数测试 参数辨识 模型验证 ➢ 稳态区间 平均偏差和最大偏差 ➢ 暂态区间 平均偏差 ➢ 全过程 加权偏差 电气参数 F1max F2max F3max FGmax 电压偏差， ΔUS/Un 0.02 0.05 0.05 0.05 电流 ， ΔI/In 0.10 0.20 0.15 0.15 无功电流， ΔIq/In 0.10 0.20 0.15 0.15 有功功率， ΔP/Pn 0.10 0.20 0.15 0.15 无功功率， ΔQ/Pn 0.10 0.20 0.15 0.15 F1max稳态区间平均偏差允许值； F2max暂态区间平均偏差允许值； F3max稳态区间最大偏差允许值； FGmax所有区间加权平均总偏差允许值 。 允许最大偏差值 微电网建模实例分析第一部分第三部分 微电网建模实例分析 ◆ 微电网实例 9 S 01 备用 9 W 33 9 S 01 微电网建模实例分析 ◆ 微电网参数测试 微电网建模实例分析 M V - 1 0 k V R e c G e n 7 2 D C B u s7 2 G e n 7 2 L V 7 R e c G e n 7 1 D C B u s7 1 G e n 7 1 L V 7 R e c G e n 7 D C B u s 7 G e n 7 L V 7 D C _ V F L V _ G r i d PV 串联电抗器 3 串联电抗器 2 串联电抗 . V A C s o u r c e 2- 绕组变压器 2- 绕组变 . G r o u n d i n g S w i t c h 7 2 S e r i e s R e a c t o r c h o p p e r 7 2 G G 7 . . 0 . 0 . . S e r i e s R e a c t o r 7 2 D C C a p a c i t o r 7 2 P W M G e n e r a t o r - S id e 7 2 P W M G r i d - S i d e 7 2 G r o u n d i n g S w i t c h 7 1 S e r i e s R e a c t o r c h o p p e r 7 1 G G 7 . . 0 . 0 . . S e r i e s R e a c t o r 7 1 D C C a p a c i t o r 7 1 P W M G e n e r a t o r - S id e 7 1 P W M G r i d - S i d e 7 1 G r o u n d i n g S w i t c h 7 S e r i e s R e a c t o r c h o p p e r 7 GG7 0 . 0 . . S e r i e s R e a c t o r 7 D C C a p a c i t o r 7 P W M G e n e r a t o r - S id e 7 P W M G r i d - S i d e 7 P C S V D C - V o l t a g e S o u r c e S e r i e s R e a c t o r L o a d 1 ◆ 微电网模型 微电网建模实例分析 ◆ 模型 参数辨识结果 稳态运行控制模块 名称 描述 辨识结果 -光伏 辨识结果 -风机 30kW 辨识结果 -风机 5kW旋 翼 辨识结果 - 风机 5kWH翼 辨识结果 -储 能 dPord_m ax 逆变器最大功率跟踪斜率上限 （ pu/s） 151.64 未做测试 12.46 dPord_m in 逆变器最大功率跟踪斜率上限 （ pu/s） 52.1 3.87 Kp 逆变器有功控制环节的 PI控制比例系数 0.637227467 1.55 1.72 0.77 0.53 Tp 逆变器有功控制环节的 PI控制积分时间常数（ s） 0.004998135 0.0083 0.0013 0.0013 0.0063 Kq 逆变器无功控制环节的 PI控制比例系数 1.196200634 1.33 1.34 0.077 0.68 Tq 逆变器无功控制环节的 PI控制积分时间常数（ s） 0.015701914 0.0022 0.0013 0.0054 0.0026 参数项目 测试工况 测试点 并网转离网控制 并网运行 ， 光伏 20kW， 储能放电 50kW， 无风电 ， 无负荷 ，设置并网转离网 。 光储交流侧、 PCC点 离网转并网控制 离网运行 ， 储能控制 ， 频率为 50Hz， 光伏 20kW， 负荷32kW， 设置离网转并网 。 光储交流侧、 PCC点 微电网建模实例分析 ◆ 仿真工况及模型验证结果 0 2 4 6 8 10 236 238 240 242 244 246 248 250 U/ V t/s Simu lat io n data Te s t d ata 0 2 4 6 8 10 -150 -100 -50 0 P/ k W t/s Simu lat io n date Te s t d ate 0 2 4 6 8 10 49. 0 49. 2 49. 4 49. 6 49. 8 50. 0 50. 2 50. 4 50. 6 50. 8 51. 0 F re /Hz t/s Simu lat io n data Te s t d ata 0 2 4 6 8 10 -20 0 20 40 60 80 100 120 P/ k W t/s Simu lat io n data Te s t d ata F1 F2 F3 PCC电压 0.0045 0.024 0.015 PCC频率 0.0002 0.0006 0.0005 PCC有功 0.014 0.029 0.062 储能有功 0.0024 0.016 0.035 结论及建议第一部分第四部分