[论文解读] Integration of Renewable Generators in Synthetic Electric Grids for Dynamic Analysis

Yijing Liu, Zeyu Mao+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 7, 2021

Power System Optimization and Stability参考文献 20被引用 6

一句话总结

本文提出一种自动化方法，利用真实世界中关于风力涡轮机发电机（WTG）类型和控制策略的统计数据，将风能和太阳能发电机组的动态模型集成到大规模合成电力系统中。通过基于实际电网数据分配真实模型构成和参数模板，该方法实现了精确的暂态稳定分析。仿真结果表明，在两个大规模测试案例（2000母线和10000母线）中，系统在N-1和N-2系统故障事件下均表现出稳定性能。

ABSTRACT

This paper presents a method to better integrate dynamic models for renewable resources into synthetic electric grids. An automated dynamic models assignment process is proposed for wind and solar generators. A realistic composition ratio for different types of wind turbine generators (WTG) is assigned to each wind generator. Statistics summarized from real electric grid data form the bases in assigning proper models with reasonable parameters to each WTG. A similar process is used to assign appropriate models and parameters to each photovoltaic (PV) generator. Multiple control strategies of the renewable resources are considered and tested in case studies. Two large-scale synthetic network test cases are used as examples of modeling the dynamics of renewable generators. Several transient stability metrics are adopted to assess the stability level after being subject to N-1 contingency event. Representative contingency events are given to demonstrate the performance of the synthetic renewable generator models.

研究动机与目标

• 解决缺乏公开可用的大规模电力系统案例中包含可再生能源发电机组动态模型的问题。
• 通过将合成电网扩展以包含风力和太阳能发电厂的动态模型，克服现有测试系统的局限性。
• 通过整合实际可再生能源发电机组的组成比例和控制策略，提高暂态稳定性研究的现实感和保真度。
• 通过可扩展且公开可用的合成测试案例，实现对高比例可再生能源渗透的未来电力系统进行全面动态分析。
• 提供一种可推广的框架，用于将任意类型发电机组的动态模型集成到合成电力系统网络中。

提出的方法

• 对真实世界电力系统案例进行统计分析，以确定类型3和类型4风力涡轮机发电机（WTG）的组成比例。
• 基于真实世界中的比例，使用基于概率的分配方法，将识别出的WTG组成比例映射到合成电网中的每个风力发电机上。
• 从实际系统数据中提取每个模块化组件（例如，发电机、励磁系统、桨距控制器、转矩控制器、电站控制器）的多个参数模板。
• 根据真实世界配置的统计分布，为每个合成可再生能源发电机组分配适当的模型类型和参数模板。
• 使用第二代通用模型对风力和太阳能光伏电站进行建模，包括功能验证和对多样化控制策略的灵活性。
• 将建模后的可再生能源发电机组集成到两个大规模合成网络测试案例中：ACTIVSg2000（2000母线）和ACTIVSg10k（10000母线），用于动态仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将风力和太阳能发电机组的动态模型真实地分配给合成电力系统网络，以反映实际电网组成？
• RQ2 可使用何种统计基础，为合成电网中的可再生能源发电机组分配合适的模型类型和参数？
• RQ3 集成到合成电网中的可再生能源发电机组在N-1和N-2系统故障事件下，其暂态稳定性能维持到何种程度？
• RQ4 所提出的方法能否生成支持可靠且可复现的暂态稳定性研究的合成动态案例，并具备高保真度的可再生能源发电表示？
• RQ5 风力和太阳能电站中不同的控制策略如何影响大规模合成电网中的系统动态特性？

主要发现

• 从实际西部电力协调委员会（WECC）案例中提取的类型3和类型4WTG组成比例，成功映射到合成风力发电机上，其中约三分之一为类型3，三分之二为类型4。
• 从实际系统数据中提取了每个动态组件（例如，励磁系统、桨距控制）的多个参数模板，并根据模型类型和控制策略，将其分配给合成发电机组。
• 在严重N-2故障事件下，集成可再生能源的10000母线合成案例表现出稳定的动态性能，频率和电压振荡在30秒内被有效抑制。
• 在161kV母线发生三相短路故障（在1.05秒时清除）后，系统频率和电压恢复至平衡状态，显示出令人满意的动态响应和暂态稳定性。
• 所有测试故障事件下的暂态稳定性指标——最小阻尼比（>3%）、母线频率在[59.5, 60.5] Hz范围内，以及电压最低点>故障前值的75%——均得到满足。
• 集成可再生能源发电机组后的合成案例在并网点具备有功和无功功率支撑能力，适用于灵敏度分析、规划以及交互式仿真研究。