CN105186502A - 基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法，包括：基于模型参数确定电力系统的有关参数；设定CaseA是不接入双馈风机的电力系统；CaseB是将双馈风机接入到电网的母线上，并以此替换该母线上的同步发电机；确定当前电力系统安全域的参数空间，搜索电力系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界；对Case？A与Case？B的动态安全域进行对比分析；研究接入双馈风机后电力系统的动态安全域产生变化的原因，分析双馈风机接入后对电力系统暂态稳定性的影响。本发明在工程关心的范围内，用超平面进行拟合注入功率空间上含双馈风机电力系统动态安全域的边界；并揭示双馈风机接入对电力系统暂态稳定性的影响。

Description

基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定性领域，尤其涉及一种电力系统暂态稳定性分析方法。

背景技术

现代大型风电场普遍采用双馈风机(DoubleFedInductionGenerator,DFIG)等变速恒频机组，以提高风电场的效率与可控性。DFIG具有控制方式灵活、变频装置容量小、转速调节范围广、效率高等优点，但其动态特性与传统的同步电机相比具有较大的差异。

随着风电渗透率的增加，大量双馈风电场的接入对电力系统稳定性的影响已不容忽视。截止到目前，国内外学者已开展了大量有关含DFIG电力系统稳定性的研究。然而，现有文献在研究DFIG对电力系统稳定性的影响时，多采用时域仿真方法，该方法属于“逐点法”的范畴，即对既定的事故前功率注入和既定的事故进行仿真等以判断其稳定性，所得结论与系统的运行状态(即调度方案，也就是发电出力与负荷等节点注入功率)密切相关；在系统状态发生变化时，往往需要重新进行仿真计算，并且无法给出系统的整体稳定性测度。风电场出力具有波动性与不确定性，使得系统的运行状态更加复杂多变，因此，在含风电电力系统的安全性分析中，“逐点法”的上述缺陷更加凸显。

与“逐点法”相比，近年来发展迅速的安全域(SecurityRegion，SR)方法可以有效克服“逐点法”的缺陷。SR与系统的网络一一对应的，不依赖于系统的运行状态；在计算出SR的边界后，就可以通过判断系统当前的注入是否位于SR内来进行相关安全性校验。同时，SR可以给出当前运行点在域中的相对位置，以表征系统整体的安全稳定裕度。

近年来，对动态安全域(DynamicSecurityRegion，DSR)及其相关应用已进行了大量的研究。研究表明，采用拟合法求取DSR的边界，并经过大量计算，发现在工程关心的范围内，DSR的边界可以用一个或多个超平面进行拟合，并把由超平面边界表示的动态安全域称为实用动态安全域(PracticalDynamicSecurityRegion，PDSR)，当前，PDSR已成功应用于电力系统的多个方面，如安全监视、安全成本优化、紧急控制和电力系统概率安全评估等。但以往有关DSR的研究中，均未考虑DFIG的影响。DFIG的接入会对电力系统DSR带来哪些影响，其边界还能否用超平面近似拟合等问题有待于研究。

发明内容

本发明研究的为注入空间上保证事故后电力系统暂态稳定的DSR，提出了一种基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法，经过大量仿真计算发现，DFIG接入后，注入功率空间上DSR的边界仍可以用超平面进行拟合，并通过时域仿真验证了计算所得DSR边界的准确性。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法，包括以下步骤：

步骤一、由实际电力系统数据，基于同步发电机、双馈风机和负荷动态模型，确定电力系统的故障线路L_F、故障切除时间t_c、安全域边界临界稳定点搜过过程的收敛步长d_c、扩展临界点搜索扰动步长d_r；所述同步发电机忽略阻尼绕组的双轴模型，其中所述负荷动态模型中所有负荷均为恒功率负荷；

步骤二、设定场景CaseA和CaseB，其中，CaseA是不接入双馈风机的电力系统；CaseB是将双馈风机接入到上述CaseA电力系统的母线上，并以此替换该母线上的同步发电机；

步骤三、根据CaseA对应的电力系统的同步发电机模型、负荷动态模型和网络拓扑数据，确定该电力系统安全域的参数空间，搜索该电力系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界；

根据CaseB对应的电力系统的同步发电机模型、双馈风机模型、负荷动态模型和网络拓扑数据，确定该电力系统安全域的参数空间，搜索该电力系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界；

步骤四、在计算动态安全域条件相同的基础上，通过对CaseA与CaseB的动态安全域进行对比分析得出接入双馈风机后电力系统的动态安全域有所扩大；

步骤五、通过研究接入双馈风机后电力系统的动态安全域产生变化的原因，分析双馈风机接入后对电力系统暂态稳定性的影响，从而得出接入双馈风机可以提高电力系统的暂态稳定性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

当前，在研究含DFIG电力系统的暂态稳定问题时多采用时域仿真法，该时域仿真法属于“逐点法”的范畴，一旦系统运行方式发生变化时，需要重新进行计算；并且难以给出系统整体的稳定性测度。DSR方法可以有效克服“逐点法”的上述缺陷，但以往有关DSR的研究中未考虑DFIG的影响。有关含双馈风机电力系统动态安全域的计算方法与域边界的超平面拟合方法为电力系统研究人员从系统整体上分析双馈风机接入对电力系统暂态稳定性的影响，以及大量双馈风电场并网后，电力系统的安全监视与评估提供了有效的工具。

附图说明

图1是本发明基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法流程图；

图2是本发明中实施例新英格兰10机39节点系统接线图；

图3是本发明是图2所示系统三维空间上的DSR；

图4是本发明是图3所示DSR边界的验证(其中，设定有8个运行点)；

图5是本发明是CaseA和CaseB的DSR边界对比；

图6是实施例中同步机G37与DFIG的有功出力曲线；

图7是实施例中母线37电压幅值曲线；

图8是实施例中同步机G37与DFIG的无功出力曲线；

图9-1至图9-8分别是图4中所示1至8运行点的暂态仿真的功角摇摆曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明一种基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法，其实施流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤一：由实际电力系统数据，基于同步发电机、双馈风机和负荷动态模型，确定电力系统的故障线路L_F、故障切除时间t_c、安全域边界临界稳定点搜过过程的收敛步长d_c、扩展临界点搜索扰动步长d_r；所述同步发电机忽略阻尼绕组的双轴模型，其中所述负荷动态模型中所有负荷均为恒功率负荷。

本发明以新英格兰10机39节点系统为例，如图2所示。本发明中采用的同步发电机模型为忽略阻尼绕组的双轴模型，励磁器为IEEE-I型励磁系统；采用DFIG模型与典型参数；所有负荷均为恒功率负荷。预想事故为母线3到母线4线路发生三相短路故障，故障持续时间为0.1s。

步骤二：为了研究双馈风机对电力系统暂态稳定性的影响，考虑以下两种场景：场景CaseA和CaseB，其中，CaseA是不接入双馈风机的电力系统；CaseB是将双馈风机接入到实施例的CaseA电力系统的母线37上，并以此替换原系统中的同步发电机G37，

步骤三：根据当前电力系统元件模型参数和网络拓扑数据确定系统的控制参数空间，搜索系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界。包括：根据CaseA对应的电力系统的同步发电机模型、负荷动态模型和网络拓扑数据，确定该电力系统安全域的参数空间，搜索该电力系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界；根据CaseB对应的电力系统的同步发电机模型、双馈风机模型、负荷动态模型和网络拓扑数据，确定该电力系统安全域的参数空间，搜索该电力系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界；

为了便于结果的展示，首先研究三维空间上的DSR，即DSR在特定三维空间上的截面，在此基础上，进一步研究n维空间上的DSR。以CaseB为例，选取母线40(即DFIG出口母线)、母线38和母线27的有功注入作为参数空间，母线31为平衡母线，其余母线的发电与负荷数据保持初始值不变。系统的DSR如图3所示，由图示结果可知，接入DFIG后，在工程应用关心的范围内，三维空间上DSR的边界具有光滑线性特性。

为了验证DSR计算结果的正确性，在系统的注入空间上，选择若干运行点，进行时域仿真。运行点的选取如图4所示。

时域仿真结果如表1所示，暂态仿真的功角摇摆曲线如图9-1至图9-8所示。由结果可知，时域仿真结果与安全域结果一致，即本发明中计算所得含DFIG电力系统的DSR是准确的。

表1

步骤四：在计算条件相同的基础上，对CaseA与CaseB的安全域进行对比分析，如图8所示(通过适当的坐标旋转，三维空间上的超平面可变成如图所示的直线)。其中，CaseA中的参数空间为：G37有功出力、G38有功出力和母线27有功负荷。CaseB的参数空间为：DFIG有功出力(出口母线为bus40)、G38有功出力和母线27有功负荷。由结果可知，接入DFIG后，电力系统的DSR有所扩大。

步骤五：研究接入双馈风机接入后，系统的动态安全域有所扩大的原因，进而分析双馈风机接入后对电力系统暂态稳定性的影响，最终得出接入双馈风机可以提高电力系统的暂态稳定性。

选取图5所示的运行点进行时域仿真，由图5可知，接入DFIG之前，该运行点位于DSR之外，即是不满足暂态稳定约束；而在接入DFIG之后，由于DSR的外扩，该运行点位于域内，即满足暂态稳定约束。时域仿真结果如图6、图7和图8所示。其中，图6为同步机G37与DFIG的有功出力曲线；图7为母线37电压幅值曲线；图8为同步机G37与DFIG的无功出力曲线。

由图6至图8可知，在故障发生后，系统电压迅速下降，发电机有功出力骤减，无功出力增加；故障切除后，母线电压和发电机有功迅速回升。比较而言，在故障切除后(0.1s-1s)，DFIG无功出力增加的速度快于同步机，因此，CaseB中，系统母线电压逐渐恢复到稳定运行水平，而DFIG有功输出经过振荡后，也逐步恢复平稳状态；CaseA中，故障切除后，发电机也增加了无功出力，以使系统电压恢复到正常水平，但无功出力增加较慢，无法满足系统的需求，因此，系统的电压持续下降，直到整个系统失去暂态稳定。

同步机励磁系统的时延主要由励磁绕组时间常数与励磁装置本身的延迟特性决定，而DFIG无功控制回路的时延主要由DFIG励磁绕组时间常数与变流器回路延迟特性决定。与同步机相比，由于DFIG采用了电力电子装置的变流器进行励磁，其无功控制回路具有更快的调节特性，在暂态过程中，可以为系统提供更快的无功与电压支撑，从而改善系统的暂态稳定性。因此，接入DFIG后，系统的DSR有所外扩。

本发明经过大量的仿真计算发现：在工程关心的范围内，三维空间上，含DFIG电力系统的DSR边界具有较好的光滑线性特性，因此得出以下推论：在工程关心的范围内，n维空间上，含DFIG电力系统的DSR边界仍可以用超平面进行拟合。对CaseB，计算n维空间上的动态安全域，计算结果如表2所示(限于篇幅，仅给出了部分结果)。由结果可知，接入DFIG后，n维空间上的DSR边界可以用超平面进行拟合，最大拟合误差为1.93％，满足工程应用要求。

表2

大量仿真计算表明，在工程关心的范围内，接入DFIG后，电力系统的DSR边界仍可以用超平面进行拟合；并通过时域仿真验证了计算所得DSR边界的准确性。经过对比接入DFIG前后系统DSR边界的变化，发现DFIG具有较快的无功响应特性，可以在故障恢复中为系统提供无功支持，引起系统动态安全域有所外扩，即有利于系统的暂态稳定性。

本发明方法提出保障含双馈风机电力系统暂态稳定的安全域计算方法，并在工程关心的范围内，用超平面进行拟合注入功率空间上含双馈风机电力系统动态安全域的边界；该方法通过分析双馈风机接入对电力系统动态安全域的影响及其变化机理，揭示双馈风机接入对电力系统暂态稳定性的影响。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种基于安全域的含双馈风机电力系统暂态稳定性分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一、由实际电力系统数据，基于同步发电机、双馈风机和负荷动态模型，确定电力系统的故障线路L_F、故障切除时间t_c、安全域边界临界稳定点搜过过程的收敛步长d_c、扩展临界点搜索扰动步长d_r；所述同步发电机忽略阻尼绕组的双轴模型，其中所述负荷动态模型中所有负荷均为恒功率负荷；

步骤二、设定场景CaseA和CaseB，其中，CaseA是不接入双馈风机的电力系统；CaseB是将双馈风机接入到上述CaseA电力系统的母线上，并以此替换该母线上的同步发电机；

步骤三、根据CaseA对应的电力系统的同步发电机模型、负荷动态模型和网络拓扑数据，确定该电力系统安全域的参数空间，搜索该电力系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界；

根据CaseB对应的电力系统的同步发电机模型、双馈风机模型、负荷动态模型和网络拓扑数据，确定该电力系统安全域的参数空间，搜索该电力系统的临界点并拟合相应的动态安全域边界；

步骤四、在计算动态安全域条件相同的基础上，通过对CaseA与CaseB的动态安全域进行对比分析得出接入双馈风机后电力系统的动态安全域有所扩大；

步骤五、通过研究接入双馈风机后电力系统的动态安全域产生变化的原因，分析双馈风机接入后对电力系统暂态稳定性的影响，从而得出接入双馈风机可以提高电力系统的暂态稳定性。