CN109103903A - 一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统安全稳定技术领域的一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法。该方法通过对电网有关参数和直驱风机控制系统相关参数的获取，基于直驱风机控制系统结构，对系统建立实时的小信号模型，分析控制系统系统对输入谐波的响应过程，获得输出谐波的解析表达式，根据表达式中谐波间的相位关系得到用于判断系统稳定性的判据。通过分析计算得到的次同步频率范围内的判据值，可以获得系统发生次同步振荡的危险频率，利用判据W可实现某一控制器参数下系统稳定性的预判，为决策提供辅助信息，规避系统的次同步振荡风险。

Description

一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法

技术领域

本发明属于电力系统安全稳定技术领域，尤其涉及一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法。

背景技术

电力系统次同步振荡是由于系统中各类设备动态特性耦合作用引发的一种功率交互行为，次同步振荡的振荡频率，对于工频为50Hz的电力系统而言一般在8～50Hz之间。近年来随着世界范围风电装机容量的大幅提升，其导致的电力系统动态稳定问题非常突出，在我国西北电网中多次出现由直驱式永磁同步风机引发的次同步振荡问题，严重影响了电力系统的安全稳定运行，同时制约着风能外送使得电网整体经济效率降低。

风电机组并网采用全控式换流器件作为并网结构，其响应速度比传统火电机组大大提高，同时机组为电网提供的惯性大大降低。并网逆变器的经典控制模型包括功率外环、电流内环和锁相环三个控制环节，现有的次同步振荡识别方法均基于构造系统的特征方程，利用奈奎斯特等数值求解方法获得。实际中风能分布多位于电网末端，一般采用集中外送的方式将并联的风电机组发出的电能远距离输送到用电地区，而由于运行过程中系统运行工况处于实时变化状态，利用传统动力学方法研究稳定性问题时会面临构建状态方程时的维数灾害，并且需要实时采集的电气量较多收到信通系统的制约。由于直驱风机采用电力电子逆变器作为并网接口，在控制系统作用下其谐波形响应特性与传统火电机组具有重大区别，但目前缺乏便捷有效的针对直驱风机并网系统次同步振荡问题的判断方法。因而本专利提出一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法，通过建立其并网模型的小信号模型，分析输入输出谐波间的相位关系，进而判断该系统在次同步频域内的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取直驱风机并网结构的控制器参数、锁相环控制参数和电网运行参数，建立系统实时小信号模型；

(2)利用小干扰法进行谐波相位分析，得到输入输出谐波间的相位关系；

(3)利用输入输出谐波间的相位关系构造系统稳定性判据，进而判断系统发生次同步振荡的危险频率。

所述步骤(1)建立的系统实时小信号模型是根据网络拓扑结构将各个元件连接成系统，经线性化后得到的在小扰动分析状态下使用的模型，包括网侧换流器控制系统模型、锁相环模型以及电网结构模型。

所述步骤(2)利用小干扰法进行谐波相位分析的具体过程如下：

根据时域谐波的相位特性，利用系统实时小信号模型计算系统对输入测试信号的响应过程，得到在风机出口处由控制系统引起的电压谐波为：

将上述公式中与原有扰动频率相同部分的分量进行提取，得到这一分量与输入谐波间的相位关系，即判断系统稳定性所需获得相位为γ₁；

其中，

M＝Acosλ,N＝Asinλ

式中，Δu_as为风机出口处由控制系统引起的电压谐波，Δu_dref为d轴电压参考值，Δu_qref为q轴电压参考值，ω₀为工频，ω_s为扰动电流频率，K₁,K₂为谐波幅值，γ₁,γ₂为谐波相位，Σ为其他频率谐波级数和；D₁,D₂,D₃,D₄分别为变换中间量，K_pi为锁相环积分系数，A为相角误差幅值，A₁,B₁,B₂,M,N,C₁,C₂均为推导中间变量，λ为，K_PP为锁相环比例系数，L为输电线等效电感，K_ii为电流内环比例系数，Δθ为扰动引起相角误差，L_g为输电线等效电感，δ为扰动引起的换流器控制器输出电压相角，K_ip为电流内环比例系数。

所述步骤(3)利用输入输出谐波间的相位关系构造的系统稳定性判据表示为：

利用判据W，通过计算次同步频域内的W值，获得W随频率变化曲线，W大于零的点对应的频率即为系统次同步振荡的危险频率f_os。

本发明的有益效果在于：

本发明结合系统结构、运行参数以及调度和控制室提供信息对直驱风机并网系统建立实时的小信号模型，通过建立识别系统次同步振荡产生的判据，能够判断系统次同步振荡危险频率，从而为系统的整体控制过程提供相关信息。在实际系统中，在现有电网运行状态参数下，利用判据W可实现某一控制器参数下系统稳定性的预判，为决策提供辅助信息，规避系统的次同步振荡风险。

附图说明

附图1为判断直驱风机次同步振荡的方法流程图；

附图2为网侧换流器控制器方框图；

附图3为dq坐标系下的控制系统；

附图4为PLL原理图；

附图5为网侧换流器参考坐标系和系统的相位关系图；

附图6为谐波助增放大作用原理图；

附图7为判据W随频率变化曲线图；

附图8为直驱风机出口处功率波形；

附图9为直驱风机出口处电压频谱分析结果；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明针对直驱风机在并网过程中引发的次同步振荡问题，提出一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法，该方法根据时域谐波的相位特性进行稳定性分析，通过分析得到谐波间的相位关系，用于判断系统稳定性。附图1为判断直驱风机次同步振荡的方法流程图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

(1)获取直驱风机并网结构的控制器参数、锁相环控制参数和电网运行参数，建立系统实时小信号模型；

(2)利用小干扰法进行谐波相位分析，得到输入输出谐波间的相位关系；

(3)利用输入输出谐波间的相位关系构造系统稳定性判据，进而判断系统发生次同步振荡的危险频率。

本发明首先获取直驱风机并网结构的控制器参数、锁相环控制参数和电网运行参数，现役直驱风机一般采用电压源型逆变器作为并网接口，其并网原理图如图2所示，其控制系统和锁相环结构如图3所示，图中α、β代表换流器控制系统的同步旋转坐标系，为网侧换流器端口电压值，u_α,u_β为换流器输出电压值，u_αref,u_βref为电压指令值，i_α,i_β为流入换流器电流值，i_αref,i_βref为电流指令值，K_pi,K_ii为电流内环比例、积分系数，C,L,L_g为直流侧电容、网侧换流器连接电感、电网等效电感。其中C，L为固定值，L_g为等效参数，该参数可以在风机出口处进行量测，所有指令值和控制器参数均可实时获得，并且随着风电场运行状态以及电网运行情况受到电网调度中心和风电场控制室的调节。在获得各参数之后即可建立直驱风机并网的理论模型，由于参数的时变性，需要对其稳定性进行跟踪分析。分析过程如下：

(1)建立系统实时小信号模型

该模型是根据网络拓扑结构将各个元件连接成系统，经线性化后得到的在小扰动分析状态下使用的模型，包括网侧换流器控制系统模型、锁相环模型以及电网结构模型。建立过程如下：

在系统动态模型的线性化方程基础上，可以获得系统的小干扰响应特性，由图3、图4所示的锁相环控制系统得到直驱风机网侧换流器的两相同步坐标系下的电流内环控制的小信号方程：

采用电压定向控制的PLL小信号模型为：

由公式(2)可以看出，直驱风机控制系统的两相旋转参考坐标αβ在锁相环的作用下会因外部扰动量的存在而发生变化，附图5为网侧换流器参考坐标系和系统的相位关系图，由图5可得直驱风机控制系统的两相旋转参考坐标αβ与系统的全局两相旋转坐标dq间的关系。而在实际的风场中监测的是dq坐标系下的电气量，两坐标系下电气量的变换关系为：

由式(1)-式(3)可得到dq坐标系下的直驱风机控制器方程为：

(2)计算谐波相位

假设从PCC节点传入网侧一个扰动电流，则A相电流表示为：

Δi_a＝δcos(ω_st) (5)

式中，δ为幅值，ω_s为频率。

在忽略输电网络电阻的情况下，由公式(5)引起的A相电压波动为：

变换到dq坐标系下的电压、电流波动可以表示为：

将Δu_q代入公式(5)中得到：

由公式(8)和(9)可以得到传递函数矩阵G_dq(s)＝TG_αβ(s)T^-1，再将公式(7)和(8)代入公式(4)后得到dq坐标系下的电压指令值：

式中，E为谐波幅值，γ为谐波分量的相位。

将公式(10)变换到三相坐标系下得到：

式(10)和(11)中各量均可以通过和差化积公式求得，计算过程整体用间接量表示，其中：

M＝Acosλ,N＝Asinλ (15)

对公式(11)中与原有扰动频率相同部分的分量进行提取，得到这一分量与输入谐波间的相位关系，即判断系统稳定性所需获得相位为γ₁。

由于同频率谐波的相位差小于π/2，在叠加时彼此间会产生助增放大作用，进而产生相关频率的谐波振荡现象。通过比对小扰动输入信号与直驱风机控制系统响应后输出信号中同频率分量的谐波间相位关系，即可判断系统是否稳定。如图5所示的谐波助增放大作用原理图，当系统发生振荡时γ1为：

将式(20)代入式(22)得到系统振荡判据：

在实时确定风机的小信号模型后，利用判据W，通过计算次同步频域内的W值，获得W随频率变化曲线，曲线上W大于零的点对应的频率即为系统的次同步振荡频率f_os。

实施例1

下面以某风电厂为例对本发明进行模拟仿真，该风电厂由30台额定功率为1.5MW的直驱风机组成，位于电网末端，当地负荷率较低可以忽略不计。

1、直驱风机并网的动态等值建模；

风电场整体可以等值成额定容量为Sb＝1.5*30MVA的单台风机，其基准电压U_t＝575V,直流电压参考值U_dc ref＝1175V，L_g＝0.8mH，L＝1mH,C＝1mF，K_PP＝3120，K_Pi＝10，K_ii＝40。

2、依据判据W获得系统次同步振荡频率f_os；

附图7为采用上述参数形成的判据W随频率变化曲线图，从图7可以看出，在频率29.6Hz和70.4Hz下，判据W取得正值，此时系统的次同步振荡频率f_os分别对应于29.6Hz和70.4Hz。

依据以上数据，在MATLAB\simulink上搭建直驱风机并网的单机-无穷大模型，经运行分析，得到电路直驱风机出口处A-B相间电压波形的功率波形和频谱分析结果，附图8为直驱风机出口处功率波形，附图9为直驱风机出口处电压频谱分析结果；由图8和图9可以看出，功率在基准值基础上处于振荡状态，频谱分析结果显示，其振荡频率为29.6和70.4Hz，即利用W判据能够实时监测系统次同步稳定状态，获得系统的不稳定频率。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取直驱风机并网结构的控制器参数、锁相环控制参数和电网运行参数，建立系统实时小信号模型；

(2)利用小干扰法进行谐波相位分析，得到输入输出谐波间的相位关系；

(3)利用输入输出谐波间的相位关系构造系统稳定性判据，进而判断系统发生次同步振荡的危险频率。

2.根据权利要求1所述的一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法，其特征在于，所述步骤(1)建立的系统实时小信号模型是根据网络拓扑结构将各个元件连接成系统，经线性化后得到的在小扰动分析状态下使用的模型，包括网侧换流器控制系统模型、锁相环模型以及电网结构模型。

3.根据权利要求1所述的一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法，其特征在于，所述步骤(2)利用小干扰法进行谐波相位分析的具体过程如下：

根据时域谐波的相位特性，利用系统实时小信号模型计算系统对输入测试信号的响应过程，得到在风机出口处由控制系统引起的电压谐波为：

将上述公式中与原有扰动频率相同部分的分量进行提取，得到这一分量与输入谐波间的相位关系，即判断系统稳定性所需获得相位为γ₁；

其中，

M＝Acosλ,N＝Asinλ

式中，Δu_as为风机出口处由控制系统引起的电压谐波，Δu_dref为d轴电压参考值，Δu_qref为q轴电压参考值，ω₀为工频，ω_s为扰动电流频率，K₁,K₂为谐波幅值，γ₁,γ₂为谐波相位，Σ为其他频率谐波级数和；D₁,D₂,D₃,D₄分别为变换中间量，K_pi为锁相环积分系数，A为相角误差幅值，A₁,B₁,B₂,M,N,C₁,C₂均为推导中间变量，λ为，K_PP为锁相环比例系数，L为输电线等效电感，K_ii为电流内环比例系数，Δθ为扰动引起相角误差，L_g为输电线等效电感，δ为扰动引起的换流器控制器输出电压相角，K_ip为电流内环比例系数。

4.根据权利要求1所述的一种用于直驱风机引发次同步振荡的判断方法，其特征在于，所述步骤(3)利用输入输出谐波间的相位关系构造的系统稳定性判据表示为：

利用判据W，通过计算次同步频域内的W值，获得W随频率变化曲线，W大于零的点对应的频率即为系统次同步振荡的危险频率f_os。