含新能源场站的电力系统案例模型

1. 案例概述

本案例基于 Modelica 4.0.0.TY.1 标准库和 Sysplorer MCP 构建了一个“含新能源场站的电力系统案例模型”，顶层模型名为：

• RenewablePowerStationDemo

案例用于演示以下场景：

• 光伏出力在 5 s 发生下降
• 风电出力在 7 s 发生下降
• 储能根据新能源波动提供有功支撑
• PCC 电压发生暂降时，储能提供无功支撑
• 35 kV 场站经显式变比的升压变压器接入 110 kV 并网点

顶层图形结构可在 Sysplorer 中直接查看，导出图见：

• RenewablePowerStationDemo.png

2. 文件说明

本目录下的主要模型文件如下：

• RenewablePowerStationDemo.mo
  • 顶层案例模型
• SimplePQInjectorQS.mo
  • 光伏/风电等效三相平衡 P/Q 注入模块
• SimpleBESSQS.mo
  • 储能等效三相平衡 P/Q 注入模块，含 SOC
• SimpleGridSourceQS.mo
  • 外部电网等效三相准稳态电压源
• SimpleStepUpTransformerQS.mo
  • 显式变比准稳态升压变压器
• SimpleVariableShuntQS.mo
  • PCC 暂降扰动用可变并联支路

3. 建模实现说明

3.1 直接使用的标准库组件

直接使用的 Modelica 4.0.0.TY.1 标准库组件主要包括：

• 电气网络
  • Modelica.Electrical.QuasiStatic.Polyphase.Basic.Impedance
  • Modelica.Electrical.QuasiStatic.Polyphase.Basic.Star
  • Modelica.Electrical.QuasiStatic.SinglePhase.Basic.Ground
• 测量
  • VoltageQuasiRMSSensor
  • FrequencySensor
  • PowerSensor
• 控制与信号
  • Modelica.Blocks.Sources.Step
  • Modelica.Blocks.Sources.Constant
  • Modelica.Blocks.Sources.RealExpression
  • Modelica.Blocks.Continuous.FirstOrder
  • Modelica.Blocks.Math.Add

3.2 等效替代的部分

由于标准库中未直接提供专用的新能源电站和储能并网控制模型，因此做了如下等效：

• 光伏场站
  • 用 SimplePQInjectorQS 实现平衡三相有功注入
• 风电场站
  • 用 SimplePQInjectorQS 实现平衡三相有功注入
• 储能系统
  • 用 SimpleBESSQS 实现平衡三相 P/Q 注入和 SOC 变化
• PCC 电压暂降
  • 用 SimpleVariableShuntQS 在 PCC 挂接临时感性并联支路

说明：

• 最初尝试通过外部电网电压源直接做暂降
• 在引入显式变比变压器后，这种做法在准稳态网络下数值更敏感
• 因此最终采用“PCC 临时感性并联支路”来制造电压暂降
• 这样更稳定，也更适合当前案例的教学演示

3.3 显式变比升压变压器

SimpleStepUpTransformerQS 不是单纯的等效漏抗，而是带有明确变比参数的准稳态变压器：

• 一次侧线电压：35 kV
• 二次侧线电压：110 kV
• 额定容量：16 MVA
• 短路阻抗：8%
• 电压比：n = V1_LL / V2_LL

内部采用：

• 显式变比约束
• 一次侧折算漏抗

这样在图形上和参数上都比“单一阻抗替代变压器”更清晰。

4. 顶层系统结构

顶层系统包含以下主要部分：

• pvPlant
• windPlant
• bess
• localLoad
• stepUpTransformer
• transmissionLine
• gridPower
• gridImpedance
• externalGrid
• pccFault

对应物理结构为：

1. 光伏、风电、储能接入 35 kV 汇集母线
2. 本地负荷接在场站侧
3. 经 35/110 kV 升压变压器升压
4. 通过线路接至 PCC
5. PCC 与外部电网相连
6. PCC 挂接可变并联支路，用于形成暂降工况

5. 参数与工况

5.1 主要参数

• 系统频率：50 Hz
• 光伏额定容量：5 MW
• 光伏初始出力：4 MW
• 风电额定容量：5 MW
• 风电初始出力：4 MW
• 储能额定功率：2 MW
• 储能容量：4 MWh
• 储能初始 SOC：60%
• 本地负荷：3 MW + 1 Mvar
• 变压器容量：16 MVA
• 变压器变比：35 kV / 110 kV

5.2 扰动设置

• 光伏扰动
  • 5 s 时辐照度从 1000 降到 600
• 风电扰动
  • 7 s 时风速从 10 m/s 降到 8 m/s
• PCC 电压暂降扰动
  • 3 s ~ 3.5 s
  • 通过 pccFault 挂入临时感性并联支路实现

5.3 控制策略

• 储能有功控制
  • P_bess_ref = P_grid_target + P_load_nominal - P_pv - P_wind
• 储能无功控制
  • Q_bess_ref = Kq * (1 - V_pcc)
• 有功限幅
  • -2 MW ~ +2 MW
• SOC 约束
  • 20% ~ 90%

6. 默认仿真结果

默认仿真设置：

• StartTime = 0
• StopTime = 10
• 算法：Dassl
• 容差：1e-6

当前模型已可稳定完成 0 ~ 10 s 仿真。

关键观测点如下。

6.1 PCC 电压暂降

在 3.1 s 附近：

• V_pcc ≈ 0.956 pu
• Q_bess ≈ 0.347 Mvar

在 3.6 s 后电压恢复：

• V_pcc ≈ 0.978 pu
• Q_bess ≈ 0.184 Mvar

说明储能对 PCC 电压有无功支撑作用。

6.2 光伏下降后的有功支撑

在 5.1 s：

• P_pv ≈ 2.4 MW
• P_wind ≈ 4.0 MW
• P_bess ≈ 1.6 MW

说明光伏下降后，储能自动增加放电功率进行补偿。

6.3 风电下降后的有功支撑

在 7.1 s：

• P_pv ≈ 2.4 MW
• P_wind ≈ 2.048 MW
• P_bess ≈ 2.0 MW
• SOC ≈ 0.59976

说明风电下降后，储能继续提供支撑，并达到有功上限附近。

6.4 末端状态

在 10 s：

• SOC ≈ 0.59936
• f_grid = 50 Hz

说明在该工况下储能能量下降缓慢，频率保持稳定。

7. 如何在 Sysplorer 中使用

建议流程：

1. 打开 Sysplorer
2. 加载本目录下的 .mo 文件
3. 打开顶层模型 RenewablePowerStationDemo
4. 运行 0 ~ 10 s 仿真
5. 重点查看以下变量：
   • P_pv
   • P_wind
   • P_bess
   • P_grid
   • V_pcc
   • Q_bess
   • SOC
   • f_grid

8. 已知边界

本案例是教学友好的准稳态等效模型，不是 EMT 级详细模型。

当前边界如下：

• 光伏、风电、储能均为平衡三相等效
• 未建模逆变器开关细节、PLL、电流环、电压环
• 变压器为显式变比 + 漏抗的准稳态等效
• PCC 电压暂降通过临时并联支路实现，而不是直接修改无限大电网幅值

如果后续需要进一步提升真实性，可继续扩展：

• 更详细的风电机组模型
• 更详细的储能变流器控制
• 弱电网参数整定
• 更深的电压暂降/故障穿越工况

9. 当前交付结论

本案例当前已经满足以下目标：

• 顶层模型保持图形化结构
• 已引入显式变比升压变压器
• 已保留新能源波动和储能支撑逻辑
• 已支持 PCC 电压暂降与无功支撑演示
• 已能稳定完成 0 ~ 10 s 仿真

如果需要下一步继续完善，建议优先做：

1. 增加强电网/弱电网两组可切换场景
2. 对 pccFault 扰动幅值做参数化
3. 给结果变量增加更清晰的命名与分组