CN109301842B - 一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，该方法通过采集风电场各条35kV集电线以及升压站出线三相相电压和三相相电流获取时域序列，然后对时域序列通过选择性滤波，滤除工频分量、高频分量，获取其中次同步/超同步振荡分量序列，对次同步/超同步振荡分量序列进行特征信息计算，得到次同步/超同步等效阻抗，接着对每一条集电线的阻抗按照电阻特性进行排序，按照排序切除负阻尼贡献最大的集电线，直至各条集电线都提供正电阻为止。该方法能够根据各条集电线对次同步/超同步振荡贡献的大小，精细化有步骤地切除产生振荡的风电机组，适合对风电机组大规模并网产生次同步/超同步振荡时进行有效防控。

Description

一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法
技术领域
本发明属于电力系统监测与控制技术领域，具体涉及一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法。
背景技术
与传统发电机不同，风、光等新能源发电均通过电力电子装置并入电网，其多时间尺度的控制特性与电网自身特征相互作用，将可能引发次同步到谐波频段内，从而带来传统电力系统中没有的控制不稳定和振荡问题。近年来，这类问题已经在电网中逐步凸显，且波及范围越来越广，造成的后果也越来越严重。2014年德国北部海上风电场经直流输电送出系统发生200多Hz谐波振荡，谐波电流达到基波的40％以上，导致高压直流整流器的滤波电容爆炸，造成整个风场关断10个月之久，震动了整个风电和高压直流产业界。2011年以来，我国河北沽原地区风电场发生了上百次由风电机群与串补电网相互作用而引发的次同步谐振，其频率在3～10Hz内变化，曾造成变压器异常振动和大量风机脱网。2015年我国新疆哈密风电汇集地区多次发生电网次/超同步振荡现象，甚至引发距离200km以外的多台高压直流配套火电机组扭振保护动作跳机。事后事故分析表明，造成此次次同步振荡的原因是由于大量新能源汇集在电网中引入了大量的次同步谐波，该谐波频率与发电机轴系的自然振荡频率互补时，导致电气-机械扭振互作用现象发生，即次同步振荡。更重要的是，该次同步振荡的形成机理与传统电力系统不一致，是由于大量新能源汇集引入的次同步谐波造成的，已有的监测、保护控制方法已经不再适用。
本发明针对大规模风电场汇集引入次同步谐波问题，通过对风电场升压站35kV集电线的负电阻特性提取，精准、有序地切除产生次同步振荡的风电机组，有效隔离激励源，保障系统安全稳定运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，能够准确有序地切除产生次同步振荡的风电机组，快速平息风电场的次同步振荡。
一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，该方法主要应用于风电场升压站，通过对集电线的负电阻进行特征排序，来选择要切除的集电线路。首先，采集各集电线以及升压站出线的三相电压和电流，计算升压站出线瞬时功率并以此判断是否发生振荡，若振荡发生，根据振荡频率滤波得到集电线的谐振电压、谐振电流、谐振阻抗；其次，判断谐振阻抗是否呈现负电阻特性，若存在负电阻则选取负电阻最大的集电线路切除，根据切除前后出线瞬时功率的衰减系数变化率，决定后续需要切除的集电线路；再次，若剩余集电线路均不具有负电阻特性而次同步振荡仍持续，则选择次同步振荡电流幅值最大的集电线路进行切除；最后，切除后延时稳定一段时间，重复以上步骤继续选择切除线路，直至次同步振荡消失或线路全部切除。
具体方案包括以下步骤：
(1)以采样频率fs采集第i条集电线(升压站进线)三相相电压uai、ubi、uci，三相相电流iai、ibi、ici，获取三相相电压uai、ubi、uci，三相相电流iai、ibi、ici的时间序列uai(k)、ubi(k)、 uci(k)和iai(k)、ibi(k)、ici(k)，同时以采样频率fs采集风场升压站出线的三相相电压uaoj、uboj、 ucoj，三相相电流iaoj、iboj、icoj，获取对应时间序列uaoj(k)、uboj(k)、ucoj(k)和iaoj(k)、iboj(k)、 icoj(k)，计算风场升压站出线的瞬时功率pj(k)；
(2)对pj(k)序列截取数据长度为N的有限长度数据窗，对数据窗内数据进行FFT计算得到频谱数据，寻找pj(k)频谱的极值点Pj(k1)并且Pj(k1)≥TH，即可认为存在振荡频率为
Figure BDA0001837798490000021
的次同步/超同步振荡，其中，TH为阈值，同时记录瞬时功率数据pj(k)，寻找振荡起始阶段瞬时功率的振荡包络线，并求取衰减系数dj，其中j表示次同步振荡切除线路的轮次，j＝0，1，…，n；
(3)对满足条件的频点频率
Figure BDA0001837798490000022
信号进行滤波提取，得到该频率下的实时序列
Figure BDA0001837798490000023
Figure BDA0001837798490000024
和
Figure BDA0001837798490000025
(4)在时间窗T内通过比较
Figure BDA0001837798490000026
实时序列，分别获取
Figure BDA0001837798490000027
序列的峰值
Figure BDA0001837798490000028
Figure BDA0001837798490000029
以及同相电压电流之间的相角
Figure BDA00018377984900000210
得到三相相阻抗的计算方式；
Figure BDA00018377984900000211
以及
Figure BDA00018377984900000212
(5)分别计算
Figure BDA0001837798490000031
的实部，得到从集电线看到的风电机组外部电阻特性，
Figure BDA0001837798490000032
(6)在风电场升压站计算集电线次同步频率下的相阻抗，实部分别为：
Figure BDA0001837798490000033
对于各条集电线的
Figure BDA0001837798490000034
按照从小到大进行排序；
(7)如果存在实部
Figure BDA0001837798490000035
为负，则第一轮切除操作先切除各条集电线的
Figure BDA0001837798490000036
Figure BDA0001837798490000037
中电阻最小的一条集电线，最小值为Rjmin，同时记录风场出线的瞬时功率为pj+1(k)，计算衰减系数dj+1；
(8)计算Δdj＝dj+1-dj，获取关联系数cj＝Δdj/Rjmin；
(9)去除切除掉的线路后，延长固定时间T1，重复步骤(2)～(6)，重新生成按照从小到大排列的各条线路阻抗实部集合，如果集合中存在负电阻，则从集合中从小到大选取负电组的线路，使得选择的线路负电阻之和R(j+1)min满足dj+1≤cj|R(j+1)min|，切除选择的负电阻特性线路，令j＝j+1，记录风场出线的瞬时功率为pj+1(k)，计算衰减系数dj+1；
(10)重复步骤(8)～(9)，直至不存在负电阻特性线路为止；
(11)判断计算出来的瞬时功率pj+1(k)，如果持续振荡，切除集电线中振荡电流幅值最大的线路；
(12)去除切除掉的线路后，延长固定时间T1，重复步骤(11)，直至振荡消除。
其中，在上述步骤(2)中：
寻找pj(k)频谱的极值点Pj(k1)并且Pj(k1)≥TH，其中TH以集电线额定功率和的0.5％来选取，对于瞬时功率的包络线的选择采用滑动数据窗内pj(k)最大值点来选择，滑动数据窗的时间宽度为100ms，以500ms内最大值点来进行衰减系数的计算，衰减系数的计算方式如下：
(1)对于500ms内pj(k)的最大值序列为pjmax(n)，分别求取对数，即lnpjmax(n)；
(2)对于对数序列数组[lnpjmax(n)，tn]，采用最小二乘法拟合，求取线性表达式y＝ax+b 中的a，即衰减系数，其中，y对应的数据序列为lnpjmax(n)，x对应的数据序列为tn。
其中，在上述步骤(4)中：
在时间窗T内通过比较
Figure BDA0001837798490000041
实时序列，分别获取
Figure BDA0001837798490000042
序列的峰值
Figure BDA0001837798490000043
Figure BDA0001837798490000044
以及同相电压电流之间的相角
Figure BDA0001837798490000045
时间窗T通常取1s，电压和电流的峰值通过判断极值点的方法获得，同相电压电流之间的相角计算方法如下：
(1)以A相为例进行说明，B、C相采用同样的计算过程，相角的计算基于DFT算法；
(2)对1s数据窗内的
Figure BDA0001837798490000046
数据序列进行离散傅里叶变换，得到电流序列
Figure BDA0001837798490000047
在频率
Figure BDA0001837798490000048
的实部
Figure BDA0001837798490000049
和虚部
Figure BDA00018377984900000410
具体计算公式如下：
Figure BDA00018377984900000411
其中，N为数据窗长度；
(3)根据实部和虚部，得到相角
Figure BDA00018377984900000412
把相角进行360度取余，使得相角在0～360°范围之间；
(4)对电压序列
Figure BDA00018377984900000413
重复(2)～(3)，得到电压序列的相角
Figure BDA00018377984900000414
(5)A相电压电流之间的相角
Figure BDA00018377984900000415
单位为度。
本发明具有以下有益效果：
本发明提出的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，相对于现阶段大规模风电场并网引发次同步振荡常规依据振荡幅值进行线路切除来说，基于负阻尼贡献的切除方法能够精确有序的切除振荡线路，快速隔离激励源，为风电场并网引发次同步振荡的保护与控制方案提供了一种解决方式。
附图说明
图1为本发明方法的实现流程图；
图2为瞬时功率衰减系数拟合计算示意图；
图3为电压电流相角示意图；
图4为从原始采样数据中分离出来的电压电流次同步(超同步)振荡分量以及相角及电阻图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案的具体实施作进一步详细说明。
如附图1所示为本发明公开的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法实现流程，首先，采集各集电线以及升压站出线的三相电压和电流，计算升压站出线瞬时功率并以此判断是否发生振荡，若振荡发生，根据振荡频率滤波得到集电线的谐振电压、谐振电流、谐振阻抗；其次，判断谐振阻抗是否呈现负电阻特性，若存在负电阻则选取负电阻最大的集电线路切除，根据切除前后出线瞬时功率的衰减系数变化率，决定后续需要切除的集电线路；再次，若剩余集电线路均不具有负电阻特性而次同步振荡仍持续，则选择次同步振荡电流幅值最大的集电线路进行切除；最后，切除后延时稳定一段时间，重复以上步骤继续选择切除线路，直至次同步振荡消失或线路全部切除。
根据以上流程，该方法具体采用以下步骤：
(1)以采样频率fs采集第i条集电线(升压站进线,i＝1,2,…..,m，m为升压站进线总条数)的三相相电压uai、ubi、uci，三相相电流iai、ibi、ici，获取三相相电压uai、ubi、uci，三相相电流iai、ibi、ici的时间序列uai(k)、ubi(k)、uci(k)和iai(k)、ibi(k)、ici(k)，同时以采样频率fs采集风场升压站出线的三相相电压uaoj、uboj、ucoj，三相相电流iaoj、iboj、icoj，获取对应时间序列uaoj(k)、uboj(k)、ucoj(k)和iaoj(k)、iboj(k)、icoj(k)，计算风场升压站出线的瞬时功率 pj(k)；在本实施案例中，采样频率fs为1200Hz，升压站进线为6条35kV集电线，电流额定值均为600A，升压站进线额定功率总和为200MW，升压站出线瞬时功率计算公式如下：
pj(k)＝uaoj(k)×iaoj(k)+uboj(k)×iboj(k)+ucoj(k)×icoj(k)
(2)对pj(k)序列截取数据长度为N的有限长度数据窗，对数据窗内数据进行FFT计算得到频谱数据；在本实施案例中，FFT数据窗口选择1s的数据窗口，频率分辨率做到1Hz，频率分析范围5～45Hz。频谱的极值点需满足两个条件：1)待判断点的幅值比左右相邻两点都大；2)待判断点的幅值大于集电线额定功率和的0.5％；在所有极值点中选择幅值最大的极值点对应的频率作为主振荡模式的振荡频率，在本实施案例中，振荡频率为24Hz。
在此步骤中，除根据pj(k)序列确定主振荡模式外，还需根据pj(k)序列确定出线的瞬时功率当前的衰减系数。衰减系数拟合过程如附图2所示：
出线瞬时功率呈发散趋势，取500ms数据窗即600个点中pj(k)的最大值，数据前移100ms 即120个点，再次求取500ms数据窗中pj(k)的最大值，依此循环，获得pj(k)序列的包络线 pjmax(n)，并求取对数，对序列数组[lnpjmax(n)，tn]进行最小二乘法线性拟合，得到本实施案例中的衰减系数0.06。
(3)对集电线的电压和电流信号进行滤波，得到滤波后的电压和电流序列。本实施案例中，出线瞬时功率的振荡频率为24Hz，采用其互补频率26Hz的带通滤波器和工频的带阻滤波器对6条集电线的电压和电流信号进行滤波，得到滤波后的电压和电流序列。滤波器选择巴特沃斯滤波器，通带(阻带)宽度为1Hz。滤波器的离散化格式为：
Figure BDA0001837798490000061
其中N(z)，D(z)为算子z的多项式，即：
N(z)＝bmzm+bm-1z(m-1)+...+b1z+b0
D(z)＝amzm+am-1z(m-1)+...+a1z+a0
以26Hz的带通滤波器为例，中心频率为26Hz，通带宽度为1Hz，m统一取6，则其存储系数为：
[7.203542671638010e-07，0，-2.161062801491403e-06，0，2.161062801491403e-06，0， -7.203542671638010e-07，1，-5.908769156805022e+00，1.460198909657936e+01，-1.931687801844037e+01，1.442745994507284e+01，-5.768365667066806e+00，9.645700166169481e-01]；
前7个系数为分子系数，后7个系数为分母系数，都按照m的降幂排列。
(4)阻抗计算过程
在本实施案例中，次同步电压和电流序列的幅值通过对滤波后的信号在时间窗500ms内的实时序列比较获得，以A相为例，6条集电线路的谐波电压和电流幅值分别为：
Figure BDA0001837798490000062
Figure BDA0001837798490000063
Figure BDA0001837798490000064
在非故障情况下，A、B、C三相的电压或电流特征相同，在本实施案例中选择A相进行计算。
次同步电压和电流之间的相角示意如附图3所示，对集电线1，滤波后的电流信号，选择 1s的数据窗，进行DFT计算，得到在频率26Hz的实部和虚部，
Figure BDA0001837798490000071
据此，得到电流序列在频率26Hz的相角：
Figure BDA0001837798490000072
同样的计算过程，得到电压序列在频率26Hz的相角：
Figure BDA0001837798490000073
集电线1的次同步电压与电流之间的相角为：
Figure BDA0001837798490000074
则集电线1的次同步电阻为：
Figure BDA0001837798490000075
同样的计算过程，计算得到其余集电线的次同步电阻，并按照从小到大排序为：
Figure BDA0001837798490000076
原始数据经过滤波后的信号以及计算得到的相角及电阻实时序列如附图4所示。
(5)选择负电阻最小的集电线3切除，切除后稳定2秒，计算出线瞬时功率的衰减系数为0.04，则关联系数为
Figure BDA0001837798490000077
(6)重复上述步骤，计算切除集电线3后，剩余5条集电线路在主振荡模式下的负电阻情况并排序，
Figure BDA0001837798490000078
选择切除集电线1和4，两者的负电阻之和满足条件dj+1≤cj|R(j+1)min|，即
Figure BDA0001837798490000079
(7)切除线路后稳定2秒，计算出线瞬时功率及其衰减系数，并判断集电线负电阻情况，若仍存在负电阻特性线路，按照上述原则选择切除线路，若振荡持续但不存在负电阻特性线路，从剩余集电线中选择谐波电流幅值最大的集电线路进行切除。
以上所述仅为本发明的一种实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：首先，采集各集电线以及升压站出线的三相电压和电流，计算升压站出线瞬时功率并以此判断是否发生振荡，若振荡发生，根据振荡频率滤波得到集电线的谐振电压、谐振电流、谐振阻抗；其次，判断谐振阻抗是否呈现负电阻特性，若存在负电阻则选取负电阻最大的集电线路切除，根据切除前后出线瞬时功率的衰减系数变化率，决定后续需要切除的集电线路；再次，若剩余集电线路均不具有负电阻特性而次同步振荡仍持续，则选择次同步振荡电流幅值最大的集电线路进行切除；最后，切除后延时稳定一段时间，重复以上步骤继续选择切除线路，直至次同步振荡消失或线路全部切除，其中，集电线是指升压站进线。
2.一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
(1)以采样频率fs采集第i条集电线三相相电压uai、ubi、uci，三相相电流iai、ibi、ici，获取三相相电压uai、ubi、uci，三相相电流iai、ibi、ici的时间序列uai(k)、ubi(k)、uci(k)和iai(k)、ibi(k)、ici(k)，同时以采样频率fs采集风场升压站出线的三相相电压uaoj、uboj、ucoj，三相相电流iaoj、iboj、icoj，获取对应时间序列uaoj(k)、uboj(k)、ucoj(k)和iaoj(k)、iboj(k)、icoj(k)，计算风场升压站出线的瞬时功率pj(k)，其中，集电线是指升压站进线；
(2)对pj(k)序列截取数据长度为N的有限长度数据窗，对数据窗内数据进行FFT计算得到频谱数据，寻找pj(k)频谱的极值点Pj(k1)并且Pj(k1)≥TH，即可认为存在振荡频率为fk1＝k1fs/N的次同步/超同步振荡，其中，TH为阈值，同时记录瞬时功率数据pj(k)，寻找振荡起始阶段瞬时功率的振荡包络线，并求取衰减系数dj，其中j表示次同步振荡切除线路的轮次，j＝0,1，…,n；
(3)对满足条件的频点频率
Figure FDA0003514872820000011
信号进行滤波提取，得到该频率下的实时序列
Figure FDA0003514872820000012
Figure FDA0003514872820000013
和
Figure FDA0003514872820000014
(4)在时间窗T内通过比较
Figure FDA0003514872820000015
实时序列，分别获取
Figure FDA0003514872820000016
序列的峰值
Figure FDA0003514872820000017
Figure FDA0003514872820000018
以及同相电压电流之间的相角
Figure FDA0003514872820000019
得到三相相阻抗的计算方式；
Figure FDA0003514872820000021
以及
Figure FDA0003514872820000022
(5)分别计算
Figure FDA0003514872820000023
的实部，得到从集电线看到的风电机组外部电阻特性，
Figure FDA0003514872820000024
(6)在风电场升压站计算集电线次同步频率下的相阻抗，实部分别为：
Figure FDA0003514872820000025
对各条集电线的
Figure FDA0003514872820000026
按照从小到大进行排序；
(7)如果存在实部
Figure FDA0003514872820000027
为负，则第一轮切除操作先切除各条集电线的
Figure FDA0003514872820000028
或者
Figure FDA0003514872820000029
或者
Figure FDA00035148728200000210
中电阻最小的一条集电线，最小值为Rjmin，同时记录风场出线的瞬时功率为pj+1(k)，计算衰减系数dj+1；
(8)计算Δdj＝dj+1-dj，获取关联系数cj＝Δdj/Rjmin；
(9)去除切除掉的线路后，延长固定时间T1，重复步骤(2)～(6)，重新生成按照从小到大排列的各条线路阻抗实部集合，如果集合中存在负电阻，则从集合中从小到大选取负电阻的线路，使得选择的线路负电阻之和R(j+1)min满足dj+1≤cj|R(j+1)min|，切除选择的负电阻特性线路，令j＝j+1，记录风场升压站出线的瞬时功率为pj+1(k)，计算衰减系数dj+1；
(10)重复步骤(8)～(9)，直至不存在负电阻特性线路为止；
(11)判断计算出来的瞬时功率pj+1(k)，如果持续振荡，切除集电线中振荡电流幅值最大的线路；
(12)去除切除掉的线路后，延长固定时间T1，重复步骤(11)，直至振荡消除。
3.根据权利要求2所述的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其中步骤(2)包括：
寻找pj(k)频谱的极值点Pj(k1)并且Pj(k1)≥TH，其中TH以集电线额定功率和的0.5％来选取，对于瞬时功率的包络线的选择采用滑动数据窗内pj(k)最大值点来选择，滑动数据窗的时间宽度为100ms，以500ms内最大值点来进行衰减系数的计算。
4.根据权利要求3所述的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其中衰减系数的计算方式如下：
1)对于500ms内pj(k)的最大值序列为pjmax(n)，分别求取对数，即ln pjmax(n)；
2)对于对数序列数组[ln pjmax(n)，tn]，采用最小二乘法拟合，求取线性表达式y＝ax+b中的a，即衰减系数，其中，y对应的数据序列为ln pjmax(n)，x对应的数据序列为tn。
5.根据权利要求2所述的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其中步骤(3)中滤波器选择巴特沃斯滤波器。
6.根据权利要求2所述的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其中时间窗T通常取1s。
7.根据权利要求6所述的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其中同相电压和电流的峰值通过判断极值点的方法获得。
8.根据权利要求7所述的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其中同相电压电流之间的相角计算方法基于DFT算法。
9.根据权利要求8所述的一种基于负阻尼贡献的风电场次同步振荡切除方法，其中同相电压电流之间的相角计算方法具体步骤如下：
1)对1s数据窗内的
Figure FDA0003514872820000031
数据序列进行离散傅里叶变换，得到电流序列
Figure FDA0003514872820000032
在频率
Figure FDA0003514872820000033
的实部
Figure FDA0003514872820000034
和虚部
Figure FDA0003514872820000035
具体计算公式如下：
Figure FDA0003514872820000036
其中，N为数据窗长度；
2)根据实部和虚部，得到相角
Figure FDA0003514872820000037
把相角进行360度取余，使得相角在0～360°范围之间；
3)对电压序列
Figure FDA0003514872820000038
重复1)～2)，得到电压序列的相角
Figure FDA0003514872820000039
4)A相电压电流之间的相角
Figure FDA00035148728200000310
单位为度；
5)采用与A相相同的方法计算B相和C相电压电流之间的相角。
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