CN109283427A - 含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于电力系统稳定运行分析技术领域的一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统及方法。所述系统由顺序相连的信息采集模块、原动系统和励磁系统动态能量分析模块、低频振荡源设备级定位结果输出模块构成；其定位方法是信息采集模块采集互联系统中双馈风电机组输出有功功率、发电机位置角、交直轴的电压电流信息，原动系统和励磁系统动态能量分析模块采集信息数据，计算双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况；由低频振荡源设备级定位结果输出模块判断并输出低频振荡源设备级定位结果，本发明能够在低频振荡期间快速、准确地识别含双馈风电机组的互联系统位于双馈风电机组励磁系统和原动系统中的振荡源。

Description

含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定运行分析技术领域，特别涉及一种含双馈风电机组 的互联电网低频扰动源定位系统及方法。

背景技术

随着大比例高渗透率含电力电子变流器的风电机组并网，电力系统的动态特 性发生了巨大变化，对系统安全稳定运行造成潜在威胁。由于风电出力特性与电 力系统对电源出力要求间存在不可避免的矛盾，风电并网会引起电网电压波动问 题、电网谐波问题、对继电保护元件的影响问题等，其中系统低频振荡是制约含 新能源并网互联系统的关键瓶颈之一。

针对互联电网低频振荡源定位问题，现有方法主要有：1.利用支路能量，通 过量测线路状态量对电力网络中的能量流向进行溯源，进而判断振荡源所在区 域。2.基于Hamilton和能量结构的暂态能量分析方法对发电机调速控制和励磁 控制系统施加的周期性扰动进行定位。3.通过支路能量割集法和基于WAMS的机 组机械功率与电气功率波动相位关系法对扰动源进行精准定位。这些方法能较准 确地判别扰动源所在机组或所在区域，但一方面电力系统的安全稳定运行原则要 求除了发现这些扰动源外，还需进一步确定发电机内部控制系统的能量流动关 系，以便从设备级的角度识别系统振荡源。另一方面，与传统电力系统不同，因 结构和控制方式的特殊性，双馈风电机组(doubly fed inductiongenerator， DFIG)接入电力系统后，不同运行方式下风机的控制方式、出力情况以及输送功 率情况均会对低频振荡模式产生显著差异，使含双馈风电机组系统的扰动源定位 更为棘手。

鉴于此，本发明对双馈风电机组内部功率流动特性进行研究，首先分析双馈 风电机组从风力机到传动轴、机侧变流器控制、转子励磁控制的能量传变特性。 然后，推导原动系统和励磁系统分别注入系统网络中的动态能量流的公式，进而 提出一种双馈风电机组强迫功率扰动源引发互联电网低频振荡的设备级定位方 法。

发明内容

本发明的目的是提供一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统及 方法。其特征在于，所述含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统由顺序 相连的信息采集模块、原动系统和励磁系统动态能量分析模块、低频振荡源设备 级定位结果输出模块构成；其中，信息采集模块采集互联系统中双馈风电机组输 出有功功率、发电机位置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电流信息， 并发送至原动系统和励磁系统动态能量分析模块；原动系统和励磁系统动态能量 分析模块采集信息数据，计算双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变 化情况；由低频振荡源设备级定位结果输出模块根据计算双馈风电机组原动系统 和励磁系统动态能量及其变化情况，判断并输出低频振荡源设备级定位结果。

一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统的互联电网低频扰动源 定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，信息采集模块采集互联系统中双馈风电机组输出有功功率、发电机位 置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电流信息，并将采集数据发送至原 动系统和励磁系统动态能量分析模块；

步骤2：原动系统和励磁系统动态能量分析模块利用采集模块得到的双馈风 电机组输出有功功率、发电机位置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴 电流信息对双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况进行分 析；

步骤3：低频振荡源设备级定位结果输出

根据原动系统和励磁系统动态能量分析模块输出的原动系统和励磁系统动态 能量及其变化情况，判断并输出低频振荡源设备级定位结果。

所述步骤2中的原动系统动态能量及其变化情况为双馈风电机组采用两质量 块模型，通过对两质量块模型中两个质量块运动方程积分，分析得到的能量等式， 获取双馈风机原动系统最终向电网注入的能量及其变化情况，其双馈风电机组的 两质量块模型为：

式中：H_w和H_g分别为等效风轮惯量和等效发电机惯量，ω_w和ω_g分别为风轮 转速和发电机转速，f为基频，θ为扭矩角，K_m为传动轴系的刚度系数，D_m为 等效互阻尼，T_m为风力机的机械转矩，T_e为发电机的电磁转矩；

分别对式(1)和式(2)表示的两个质量块运动方程积分，得：

将式(4)和式(5)求和即得到式(6):

上式中，δ_w和δ_g分别为风力机和发电机的位置角，式(6)即为分析得到的 能量等式，由此得知原动系统进入发电机的能量，一部分储存在等效质量块动能 中，一定时间内最终向电网中注入的能量为∫P_edδ_g。

所述步骤2中的励磁系统动态能量及其变化情况，考虑等效的双馈风机发电 机直、交轴励磁电动势、各励磁电势之间的关系，以及发电机定子交、直轴电压、 电流的关系式，求取励磁系统向发电机注入的总能量方程，最终得到励磁系统注 入电网的能量及其变化情况，所述考虑等效的发电机直交轴励磁电动势，直轴向 发电机注入的能量表示为其中E_q为交轴电动势，E_fq为励磁交 轴电动势，X_s和X′_s分别为定子电抗和暂态电抗，T′₀为转子参数影响的时间常数。

根据励磁电势之间的关系，可得其中E′_q为DFIG交轴暂态电 势,则该部分能量表示为：

考虑定子交轴电压U_sq、定子直轴电流I_sd及其关系式代入 式(5)得：

从而有：

式(8)、(9)中E′_q为交轴暂态电动势，同理求得交轴向发电机注入的能量：

式(10)中，E_d为直轴电动势，E′_d为直轴暂态电动势，U_sd为定子轴电压， I_sq定子交轴电流，将式(9)和式(10)相加即得到励磁系统向发电机注入的总能 量：

分析式(11)表达式的含义，得知励磁系统注入发电机的能量，一部分储存在 电磁势能中，剩下的经过阻尼消耗，最终向电网注入的能量为

所述步骤3，分析原动系统和励磁系统动态能量分析模块输出的原动系统动态 能量∫P_edδ_g和励磁系统动态能量在振荡过程中的变化情况，若两 个能量中的某个能量处于不断增加的情况，则该系统定位为双馈风电机组设备级 振荡源。

本发明的有益效果是能够在低频振荡期间快速、准确地识别含双馈风电机组 的互联系统位于双馈风电机组励磁系统和原动系统中的振荡源。

附图说明

图1为含双馈风电机组的互联电网系统低频扰动源设备级定位系统结构图。

图2为四机两区系统结构图。

图3为原动系统扰动下DFIG原动系统和励磁系统的注入能量图。

图4为励磁系统扰动下DFIG原动系统和励磁系统的注入能量图。

具体实施方式

本发明提供一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统及方法。下 面结合附图，对本发明作详细说明。

图1所示为含双馈风电机组的互联电网系统低频扰动源设备级定位系统构图。

所述含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统由顺序相连的信息采集 模块、原动系统和励磁系统动态能量分析模块、低频振荡源设备级定位结果输出 模块构成；其中，信息采集模块采集互联系统中双馈风电机组输出有功功率、发 电机位置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电流信息，并发送至原动系 统和励磁系统动态能量分析模块；原动系统和励磁系统动态能量分析模块采集信 息数据，计算双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况；由低频 振荡源设备级定位结果输出模块根据计算双馈风电机组原动系统和励磁系统动 态能量及其变化情况，判断并输出低频振荡源设备级定位结果。

一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统的互联电网低频扰动源 定位方法，包括以下步骤：

步骤1，信息采集模块采集互联系统中双馈风电机组输出有功功率、发电机位 置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电流信息，并将采集数据发送至原 动系统和励磁系统动态能量分析模块；

步骤2：原动系统和励磁系统动态能量分析模块利用采集模块得到的双馈风 电机组输出有功功率、发电机位置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电 流信息对双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况进行分析；

其中原动系统动态能量及其变化情况为双馈风电机组采用两质量块模型(如

图2所示)，通过对两质量块模型中两个质量块运动方程积分，分析得到的能量 等式，获取双馈风机原动系统最终向电网注入的能量及其变化情况，其双馈风电 机组的两质量块模型为：

式中：H_w和H_g分别为等效风轮惯量和等效发电机惯量，ω_w和ω_g分别为风轮 转速和发电机转速，f为基频，θ为扭矩角，K_m为传动轴系的刚度系数，D_m为 等效互阻尼，T_m为风力机的机械转矩，T_e为发电机的电磁转矩；

分别对式(1)和式(2)表示的两个质量块运动方程积分，得：

将式(4)和式(5)求和即得到式(6):

上式中，δ_w和δ_g分别为风力机和发电机的位置角，式(6)即为分析得到的 能量等式，由此得知原动系统进入发电机的能量，一部分储存在等效质量块动能 中，一定时间内最终向电网中注入的能量为∫P_edδ_g。

其中，励磁系统动态能量及其变化情况，考虑等效的双馈风机发电机直、交 轴励磁电动势、各励磁电势之间的关系，以及发电机定子交、直轴电压、电流的 关系式(如图3所示)，求取励磁系统向发电机注入的总能量方程，最终得到励 磁系统注入电网的能量及其变化情况，所述考虑等效的发电机直交轴励磁电动 势，直轴向发电机注入的能量表示为其中E_q为交轴电动势，E_fq为励磁交轴电动势，X_s和X′_s分别为定子电抗和暂态电抗，T′₀为转子参数影响的 时间常数。

根据励磁电势之间的关系，可得其中E′_q为DFIG交轴暂态电 势,则该部分能量表示为：

考虑定子交轴电压U_sq、定子直轴电流I_sd及其关系式代入 式(5)得：

从而有：

式(8)、(9)中E′_q为交轴暂态电动势，同理求得交轴向发电机注入的能量：

式(10)中，E_d为直轴电动势，E′_d为直轴暂态电动势，U_sd为定子轴电压， I_sq定子交轴电流，将式(9)和式(10)相加即得到励磁系统向发电机注入的总能 量：

分析式(11)表达式的含义，得知励磁系统注入发电机的能量，一部分储存在 电磁势能中，剩下的经过阻尼消耗，最终向电网注入的能量为

所述步骤3，分析原动系统和励磁系统动态能量分析模块输出的原动系统动态 能量∫P_edδ_g和励磁系统动态能量在振荡过程中的变化情况，若两 个能量中的某个能量处于不断增加的情况，则该系统定位为双馈风电机组设备级 振荡源；如图4所示，利用(6)式和(11)式计算得到的DFIG原动系统和励磁系 统的注入能量图(原动系统注入能量为实线，励磁系统注入能量为虚线)，励磁 系统在向电网侧注入能量，而原动系统则从系统中吸收了一部分能量，此时，低 频振荡源设备级定位结果输出模块给出振荡源位于双馈风电机组励磁系统的定 位结果。根据原动系统和励磁系统动态能量分析模块输出的原动系统和励磁系统 动态能量及其变化情况，判断并输出低频振荡源设备级定位结果。

Claims (5)

1.一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统，其特征在于，所述含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统由顺序相连的信息采集模块、原动系统和励磁系统动态能量分析模块、低频振荡源设备级定位结果输出模块构成；其中，信息采集模块采集互联系统中双馈风电机组输出有功功率、发电机位置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电流信息，并发送至原动系统和励磁系统动态能量分析模块；原动系统和励磁系统动态能量分析模块采集信息数据，计算双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况；由低频振荡源设备级定位结果输出模块根据计算双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况，判断并输出低频振荡源设备级定位结果。

2.一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统的互联电网低频扰动源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，信息采集模块采集互联系统中双馈风电机组输出有功功率、发电机位置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电流信息，并将采集数据发送至原动系统和励磁系统动态能量分析模块；

步骤2：原动系统和励磁系统动态能量分析模块利用采集模块得到的双馈风电机组输出有功功率、发电机位置角、直轴电压、交轴电压、直轴电流和交轴电流信息对双馈风电机组原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况进行分析；

步骤3：低频振荡源设备级定位结果输出

根据原动系统和励磁系统动态能量分析模块输出的原动系统和励磁系统动态能量及其变化情况，判断并输出低频振荡源设备级定位结果。

3.根据权利要求2所述一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统的互联电网低频扰动源定位方法，其特征在于，所述步骤2中的原动系统动态能量及其变化情况为双馈风电机组采用两质量块模型，通过对两质量块模型中两个质量块运动方程积分，分析得到的能量等式，获取双馈风机原动系统最终向电网注入的能量及其变化情况，其双馈风电机组的两质量块模型为：

式中：H_w和H_g分别为等效风轮惯量和等效发电机惯量，ω_w和ω_g分别为风轮转速和发电机转速，f为基频，θ为扭矩角，K_m为传动轴系的刚度系数，D_m为等效互阻尼，T_m为风力机的机械转矩，T_e为发电机的电磁转矩；

分别对式(1)和式(2)表示的两个质量块运动方程积分，得：

将式(4)和式(5)求和即得到式(6):

上式中，δ_w和δ_g分别为风力机和发电机的位置角，式(6)即为分析得到的能量等式，由此得知原动系统进入发电机的能量，一部分储存在等效质量块动能中，一定时间内最终向电网中注入的能量为∫P_edδ_g。

4.根据权利要求2所述一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统的互联电网低频扰动源定位方法，其特征在于，所述步骤2中的励磁系统动态能量及其变化情况，考虑等效的双馈风机发电机直、交轴励磁电动势、各励磁电势之间的关系，以及发电机定子交、直轴电压、电流的关系式，求取励磁系统向发电机注入的总能量方程，最终得到励磁系统注入电网的能量及其变化情况，所述考虑等效的发电机直交轴励磁电动势，直轴向发电机注入的能量表示为其中E_q为交轴电动势，E_fq为励磁交轴电动势，X_s和X′_s分别为定子电抗和暂态电抗，T′₀为转子参数影响的时间常数，

根据励磁电势之间的关系，可得其中E′_q为DFIG交轴暂态电势,则该部分能量表示为：

考虑定子交轴电压U_sq、定子直轴电流I_sd及其关系式代入式(5)得：

从而有：

式(8)、(9)中E′_q为交轴暂态电动势，同理求得交轴向发电机注入的能量：

式(10)中，E_d为直轴电动势，E′_d为直轴暂态电动势，U_sd为定子轴电压，I_sq定子交轴电流，将式(9)和式(10)相加即得到励磁系统向发电机注入的总能量：

分析式(11)表达式的含义，得知励磁系统注入发电机的能量，一部分储存在电磁势能中，剩下的经过阻尼消耗，最终向电网注入的能量为

5.根据权利要求2所述一种含双馈风电机组的互联电网低频扰动源定位系统的互联电网低频扰动源定位方法，其特征在于，所述步骤3，分析原动系统和励磁系统动态能量分析模块输出的原动系统动态能量∫P_edδ_g和励磁系统动态能量在振荡过程中的变化情况，若两个能量中的某个能量处于不断增加的情况，则该系统定位为双馈风电机组设备级振荡源。