CN103529298B - 含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法及装置，该方法包括以下步骤：获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr；根据电磁谐振频率f_ssr计算风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq；判断线路电阻R_L与发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零；如果是，则判定风电系统存在次同步谐振。从而通过定量计算的方式实现了对风电系统是否发生次同步谐振的精确检测，本发明可用于风电输送系统规划设计及运行分析。

Description

含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法及装置

技术领域

本发明涉及风电系统，尤其涉及一种含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法及装置。

背景技术

风电已成为中国能源战略的重要组成分。但由于我国相当一大部分风电集中在新疆、甘肃、内蒙古等西北地区，而我国能源负荷中心却集中在东南沿海地区，因此在进行电力输送时必须采取高电压、大容量的输电模式实现“西电东送”。考虑到新建输电线路所带来的工程造价、输电走廊占用等问题，提高现有交流线路的输送能力具有非常重要的意义。在输电线路中加入串补电容器可以减小线路电抗，提高系统静态稳定极限和输送能力。

随着输电系统的发展，串补电容得到越来越多的应用，也取得了较好的经济效益。但是这种远距离、高串补度的输电方式可能会诱发风电系统的次同步谐振问题，从而影响大规模风电基地及外送系统的安全稳定运行。目前，仅是从学术上定性认识到风电系统通过串补输送时存在发生次同步谐振的风险，但却没有一套行之有效的定量评估方案，因而不能精确检测当前风电系统是否发生了次同步谐振。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法及装置，以通过定量计算的方式实现对风电系统是否发生次同步谐振的精确检测。

为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法，包括以下步骤：

获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr；

根据所述电磁谐振频率f_ssr计算所述风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq；

判断所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零；

如果是，则判定所述风电系统存在次同步谐振。

另一方面，本发明还提供了一种含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置，包括：

谐振频率获取模块，用于获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr；

等效电阻获取模块，用于根据所述电磁谐振频率f_ssr计算所述风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq；

谐振状态判断模块，用于判断所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零，如果是，则判定所述风电系统存在次同步谐振。

本发明通过获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr；根据电磁谐振频率f_ssr计算风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq；判断线路电阻R_L与发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零；如果是，则判定风电系统存在次同步谐振。从而通过定量计算的方式实现了对风电系统是否发生次同步谐振的精确检测，本发明可用于风电输送系统规划设计及运行分析。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明实施例的串联补偿输电系统的原理结构图。

图2为本发明实施例的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法的流程图；

图3为本发明实施例的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置的原理结构图。

图4为本发明实施例的一个电网等效电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

在描述本发明实施例之前，首先对含串补线路风电系统（以下简称风电系统）产生次同步谐振的机理进行分析，具体如下：

如图1所示，在没有串联补偿电容时，进行长距离电力输送时，线路中的电感值远远大于线路的电阻值，因此线路输送功率可以表示为：

$P=\frac{U_1{U}_2}{X_L}\sin \mathrm{\θ}=P_m\sin \mathrm{\θ}---\left(1\right)$

式中：X_L为线路感抗，U₁、U₂分别为线路首、末端电压，P_m为线路极限输送功率，θ为线路首末端电压相角差，即功角。图1中，GSC为机侧变流器，LSC为网侧变流器，X_c为线路容抗。

通过式（1）可知，在降低输电线路的电抗时，能提高线路传输功率。在高压远距离输电线路上，串联补偿电容器的作用相当于缩短线路的电气距离，从而提高线路的输电容量。在串联容抗为X_c的电容器后，线路的输电功率为：

$P=\frac{U_1{U}_2}{X_L-X_C}\sin \mathrm{\θ}---\left(2\right)$

在相同的功角θ下，线路增加的输送功率倍数为：

$\frac{X_L}{X_L-X_C}=\frac{1}{1-K_C}---\left(3\right)$

式中称为串补度。

在输电线路中增加串补之后降低了输电线路的电阻，提高了输电线路的输送功率。但是由于串补的存在，导致风电系统中的电网与风电机组以低于系统同步频率的方式进行能量交换。

由图1可知，在风电系统的同步频率为f₀时，风电系统的电磁谐振频率（即轴系自然谐振频率）为如果此时发电机的转速频率为f_m，则在此电磁谐振频率f_ssr下，风电系统的次同步谐振转差率为因为在风电系统中f_ssr一般是小于f_m的，因此S₁<0，所以在此电磁谐振频率f_ssr下，发电机的等效电阻为负值，如果该负值的绝对值超过了线路电阻，风电系统则会产生负阻尼，从而会因感应发电机效应而产生次同步谐振。

设发电机转子的旋转频率为f_m，当具有电磁谐振频率为f_ssr的电流I_s1流过定子绕组时，转子上会感应出频率f_ssr-f_m的电流分量I_r1，同时定子中的工频电流分量I_s2在转子上感应出频率f₀-f_m的电流I_r2，转子和定子电流分量相互作用，产生四个电磁转矩分量，如表1所示，四个电磁转矩分量之后就是发电机的电磁转矩，其频率为f_T=f₀-f_ssr。如果此时发电机的轴系自然谐振频率与f_T很接近，即风电系统的电磁谐振频率和发电机的转矩频率互补时，发电机和串补系统间通过持续的弱阻尼谐振或暂态作用进行能量交换，将会导致机电扭振互作用，产生次同步谐振。此时发电机中各转矩分量如下表1所示。

表1各转矩分量

当风电系统遭遇大扰动时，例如风电系统中投切串补时，会出现严重的暂态过度过程，该过程中有时会产生较大的次同步频率的电气量，如果此时系统的阻尼为负值，并且该分量的频率与轴系自然谐振频率互补，则会在短时间产生很大的暂态力矩，通过暂态扭矩放大作用，产生次同步谐振。

目前风电系统中，存在三种类型的风电机组：鼠笼异步型风电机组、双馈异步型风电机组、永磁同步型风电机组。其中，双馈感应型风电机组定子直接连接电网，转子上使用了双向变流器，谐振电流易进入发电机的控制器内部，因此，双馈感应型风电机组利用串补电容外送风电时易发次同步谐振。鼠笼异步型风电机组中无电力电子装置，因此，在利用串补电容外送风电时不存在产生次同步谐振的问题。永磁同步型风电机组虽然存在电力电子装置，但发电机和电网不存在物理连接，没有直接耦合，次同步谐振电流无法进入发电机定子绕组内，因此，永磁同步型风电机组在利用串补电容外送风电时也不存在次同步谐振的问题。

由以上分析可知，在风电系统中，大规模风电通过含串补线路输送时产生谐振的主要因素是感应发电机效应（InductionGeneratorEffect，IGE）。因此，在风电系统中我们可以通过分析电网的参数计算出电网本身固有的电磁谐振频率，然后通过计算分析在低转速时发电机转子等效电阻，并比较其与风电系统的线路电阻的数值之和是否小于零来判断系统是否存在负阻尼，进而可以判断出该风电系统是否存在发生次同步谐振的风险。

如图2所示，本发明实施例的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr。具体为：

根据公式计算风电系统的电磁谐振频率，其中，f_ssr为风电系统的电磁谐振频率，f₀为风电系统的同步频率，X_c为风电系统的线路容抗，X_L为风电系统的线路感抗。

步骤S2、根据电磁谐振频率f_ssr计算风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq。具体为：

设风电系统在风速V_n时其对应的发电机转速频率为f_m；

则在电磁谐振频率f_ssr下，风电系统的次同步谐振转差率为

则在电磁谐振频率f_ssr下，风电系统的发电机转子等效电阻其中，R_r为发电机转子电阻。

步骤S3、判断线路电阻R_L与发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零。

步骤S4、如果R_L+R_r,eq<0，则判定风电系统存在次同步谐振。

步骤S5、如果R_L+R_r,eq≥0，则判定风电系统不存在次同步谐振。随着风速的升高，发电机转速频率f_m逐渐升高，此时风电系统的次同步谐振转差率逐渐增大，则发电机的等效电阻R_r,eq逐渐变小，当R_L+R_r,eq=0风电系统刚好处于产生次同步谐振的临界状态，则此时对应的风速V_n即为风电系统的产生次同步谐振的最高风速。当R_L+R_r,eq>0系统趋于稳定，发生次同步谐振的风险也逐渐减小。

下面举实例来说明本发明实施例的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法。

结合图4所示，为某一风电系统的电网等效电路图，其线路参数和风机参数如表2。各取电压法，以100MW为基准容量，假设该地区的风电装机容量为100MW，则共有50台2MW风电机组并联运行，等效为单台100MW机组运行。

表2电网参数表

其中，X_ls为发电机定子感抗，X_m为漏磁感抗，X_lr为发电机转子感抗，R_s为发电机定子电阻，R_r为发电机转子电阻，R_L为线路电阻，X_L为线路感抗，X_c为线路容抗。

可见，该风电系统的谐振频率为：

$f_{\mathrm{ssr}}=\sqrt[f_0]{\frac{X_C}{X_L}}=34.66\mathrm{Hz}$

在该风电系统中，发电机对数p一般取2。在风电机组的切入风速V_m=3.5m/s下，风电机组的转速一般为1050转，此时发电机的频率为：

$f_m=\frac{n*p}{60}$

则：f_m=35，由于f_ssr=34.66，所以该风电系统的次同步谐振转差率为

$S_1=\frac{f_{\mathrm{ssr}}-f_m}{f_{\mathrm{ssr}}}=-0.0098$

在该风电系统中，发电机转子电阻为R_r=0.0055pu，则在次同步谐振下的等效电阻为：

$R_{r,\mathrm{eq}}=\frac{R_r}{S_1}=-0.56$

因此R_L+R_r,eq<0，整个风电系统的阻尼表现为负值，系统不稳定，由于感应发电机效应，该风电系统会发生次同步谐振。

随着风速的增加，发电机转子的转速逐渐升高，由于该风电系统结构并未发生变化，系统中固有的电气谐振频率并未变化，随着转速的升高，该风电系统的次同步谐振转差率S₁逐渐变小，发电机转子在次同步谐振下的等效电阻的绝对值逐渐变小，因此抵消风电系统正阻尼的能力逐渐变小，待风速达到一定值时，发电机转速进一步升高，整个系统表现为正阻尼时，感应发电机效应不再起作用，系统不再发生次同步谐振。

在该风电系统中，电网的阻尼为0.02pu，当发电机转子的等效负阻尼无法抵消电网正阻尼时，系统保持稳定。

此时： $\frac{R_r}{S_1^{*}}=-0.02$

对应的： $S_1^{*}=-0.275$

由公式可得f_m=44.19，此时对应的风速为V_n=7m/s，发电机转速为n=1326，因此在风速大于7m/s时，该风电系统的感应发电效应将不会再导致次同步谐振。风速V_n=7m/s为该系统发生次同步谐振的最高风速。

参考图3所示，本发明实施例的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置包括谐振频率获取模块31、等效电阻获取模块32和谐振状态判断模块33。其中，谐振频率获取模块31用于获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr；等效电阻获取模块32用于根据电磁谐振频率f_ssr计算风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq；谐振状态判断模块33用于判断线路电阻R_L与发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零，如果是，则判定风电系统存在次同步谐振。

其中，等效电阻获取模块31根据电磁谐振频率f_ssr计算风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq，具体为：

设风电系统在风速V_n时其对应的发电机转速频率为f_m；

则在电磁谐振频率f_ssr下，风电系统的次同步谐振转差率为

则在电磁谐振频率f_ssr下，风电系统的发电机转子等效电阻其中，R_r为发电机转子电阻。

其中，当线路电阻R_L与发电机转子等效电阻R_r,eq之和等于零，风电系统处于产生次同步谐振的临界状态，则此时风速V_n即为风电系统的产生次同步谐振的最高风速。

其中，谐振频率获取模块计算风电系统的电磁谐振频率，具体为：

根据公式计算风电系统的电磁谐振频率，其中，f_ssr为风电系统的电磁谐振频率，f₀为风电系统的同步频率，X_c为风电系统的线路容抗，X_L为风电系统的线路感抗。

本发明实施例通过以分析电网的参数计算出电网本身固有的电磁谐振频率，然后通过计算分析在低转速时发电机转子等效电阻，并比较其与风电系统的线路电阻的数值之和是否小于零来判断系统是否存在负阻尼，进而可以判断出该风电系统是否存在发生次同步谐振的风险。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr；

根据所述电磁谐振频率f_ssr计算所述风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq；

判断所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零；

如果是，则判定所述风电系统存在次同步谐振。

2.根据权利要求1所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法，其特征在于，

当所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和大于零时，则判定所述风电系统不存在次同步谐振。

3.根据权利要求1所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法，其特征在于，所述根据电磁谐振频率f_ssr计算所述风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq，具体为：

设所述风电系统在所述风速V_n时其对应的发电机转速频率为f_m；

则在所述电磁谐振频率f_ssr下，所述风电系统的次同步谐振转差率为

$S_1=\frac{f_{\mathrm{ssr}}-f_m}{f_{\mathrm{ssr}}};$

则在所述电磁谐振频率f_ssr下，所述风电系统的发电机转子等效电阻其中，R_r为发电机转子电阻。

4.根据权利要求1所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法，其特征在于，

当所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和等于零，所述风电系统处于产生次同步谐振的临界状态，则此时所述风速V_n即为所述风电系统的产生次同步谐振的最高风速。

5.根据权利要求1所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的方法，其特征在于，所述计算风电系统的电磁谐振频率，具体为：

根据公式计算所述风电系统的电磁谐振频率，其中，f_ssr为所述风电系统的电磁谐振频率，f₀为所述风电系统的同步频率，X_c为所述风电系统的线路容抗，X_L为所述风电系统的线路感抗。

6.一种含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置，其特征在于，包括：

谐振频率获取模块，用于获取风电系统的线路电阻R_L和电磁谐振频率f_ssr；

等效电阻获取模块，用于根据所述电磁谐振频率f_ssr计算所述风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq；

谐振状态判断模块，用于判断所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和是否小于零，如果是，则判定所述风电系统存在次同步谐振。

7.根据权利要求6所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置，当所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和大于零时，则判定所述风电系统不存在次同步谐振。

8.根据权利要求6所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置，其特征在于，所述等效电阻获取模块根据电磁谐振频率f_ssr计算所述风电系统在某一不低于切入风速的风速V_n时其发电机转子等效电阻R_r,eq，具体为：

设所述风电系统在所述风速V_n时其对应的发电机转速频率为f_m；

则在所述电磁谐振频率f_ssr下，所述风电系统的次同步谐振转差率为

$S_1=\frac{f_{\mathrm{ssr}}-f_m}{f_{\mathrm{ssr}}};$

则在所述电磁谐振频率f_ssr下，所述风电系统的发电机转子等效电阻其中，R_r为发电机转子电阻。

9.根据权利要求6所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置，其特征在于，

当所述线路电阻R_L与所述发电机转子等效电阻R_r,eq之和等于零，所述风电系统处于产生次同步谐振的临界状态，则此时所述风速V_n即为所述风电系统的产生次同步谐振的最高风速。

10.根据权利要求9所述的含串补线路风电系统中检测次同步谐振的装置，其特征在于，所述谐振频率获取模块计算风电系统的电磁谐振频率，具体为：

根据公式计算所述风电系统的电磁谐振频率，其中，f_ssr为所述风电系统的电磁谐振频率，f₀为所述风电系统的同步频率，X_c为所述风电系统的线路容抗，X_L为所述风电系统的线路感抗。