CN109412203B - 一种风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法。针对风电多馈入电力系统，计算得到扩展导纳矩阵，得到风电多馈入电力系统的广义短路比和广义短路比临界值；比较广义短路比与广义短路比临界值之差的绝对值满足给定阈值，计算风电多馈入电力系统的广义短路比关于各风电设备额定容量的微增率，对风电设备进行容量微调上调；重新计算微增率，并根据微增率再次调整风机设备的额定容量，不断迭代处理得到容量极限。本发明方法，能获得从小干扰稳定性下风电多馈入电力系统并网容量的最大值，以此对风力发电机组的新建和扩建提供指导，有助于电力系统规划设计考虑的全面性。

Description

一种风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法

技术领域

本发明属于新能源规划设计技术领域，涉及了一种电力系统容量计算方法，具体涉及旨在提出了一种风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法。

背景技术

为积极应对传统化石燃料能源枯竭、全球气候变暖等世界性危机，大规模开发可再生能源已成为全球共识。风力发电由于其技术日臻成熟、能源分布广泛且易于获得，已成为当前最主要的可再生能源发电方式之一。但是我国风能资源多分布于西北华北地区，与东部负荷中心并不重合，电网结构较弱，大规模新能源的接入会显著影响交流电网特性，使交流电网相对变弱，容易产生小干扰稳定性问题，制约了新能源电站的并网规模。

目前的研究并未针对新能源机组多点馈入交流电网的系统，如风电机组的研究或通过等效方法视为单点接入交流电网(短路容量比指标)，或通过整体性研究而忽略馈入点处特性(穿透功率极限指标)，在馈入点处的稳定性研究都无法精确得到，故根据馈入点处小干扰稳定裕度来得到并网容量极限的研究亟待开展。

发明内容

依据该指标，本发明提出了一种考虑小干扰稳定性的风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法，其计算思路清晰、过程简洁，旨在从小干扰稳定性出发探究风电多馈入电力系统并网容量的最大值，以此对风力发电站的新建和扩建提供指导，有助于电力系统规划设计考虑的全面性。

本发明的技术方案采用如下步骤：

1)针对并网容量总和S_B∑、双馈风电机组网侧变流器和转子侧变流器内外环PI控制参数、交流网络拓扑和电网阻抗均确定的风电多馈入电力系统，计算得到扩展导纳矩阵J_eq，根据扩展导纳矩阵J_eq通过特征值分解得到风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR；根据预设已知的小干扰稳定裕度(作为目标)，即风电多馈入电力系统的线性化模型的主导特征根的阻尼比，得到小干扰稳定裕度对应的广义短路比临界值gSCR_ref；

2)比较广义短路比gSCR与广义短路比临界值gSCR_ref之差的绝对值满足给定阈值，计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各风电设备额定容量的微增率，对风电设备进行容量微调上调，并在当前并网容量总和S_B∑基础上同样增加一个单位，调整后重新计算广义短路比gSCR，记录调整后的并网容量总和S_B∑和广义短路比gSCR；

采用步骤1)方式重新计算广义短路比gSCR关于各风机设备额定容量的微增率，并根据微增率再次调整风机设备的额定容量，不断执行流程直至广义短路比gSCR与广义短路比临界值gSCR_ref差的绝对值满足给定阈值，此时系统并网容量即达到并网容量极限，以最后得到的并网容量总和S_B∑作为风电多馈入电力系统的容量极限，完成风电多馈入电力系统的并网容量极限计算

所述步骤1)具体为：

1.1)根据预设已知的小干扰稳定裕度与广义短路比的对应关系，由预设已知的小干扰稳定裕度求得gSCR_ref；

1.2)由交流网络拓扑和电网阻抗得到等值导纳矩阵B；

1.3)由各风电设备额定容量组成容量对角矩阵S_B，由下式得到扩展导纳矩阵和扩展导纳矩阵的最小特征值，最小特征值即为风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR；

gSCR＝minλ(J_eq)。

所述步骤2)具体为：

2.1)比较计算得到的广义短路比gSCR和广义短路比临界值gSCR_ref之间相差绝对值与偏差阈值ρ的关系，偏差阈值取为ρ＝0.001×gSCR_ref，若相差绝对值小于偏差阈值ρ或达到最大迭代次数则进入步骤2.5)，否则进入步骤2.2)；

根根据双馈风电机组的机械特性，风机叶片和齿轮等旋转部件具有较大惯量，为系统平滑运行提供了内在保障，双馈风电机组的稳定性变化缓慢，偏差阈值取为广义短路比临界值gSCR_ref的千分之一，即ρ＝0.001×gSCR_ref。

2.2)计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个风电设备额定容量的微增率；

2.3)比较步骤2.2)计算得到的各个微增率，记录微增率绝对值最小值对应的馈入支路k；

2.4)考虑风电机组稳定性变化迅速，将绝对值最小的微增率对应的馈入支路k的风电设备额定容量上调一个单位h，保守估计取h＝0.001×S_Bk，S_Bk表示为第k馈入支路的风电设备的额定容量，即为绝对值最小的微增率对应的风电设备的额定容量，并在当前并网容量总和S_B∑基础上同样增加一个单位h，调整后重新计算广义短路比gSCR，返回到步骤2.1)；

2.5)不断重复步骤2.1)～2.4)，输出迭代最后的并网容量总和S_B∑，为风电多馈入电力系统的并网容量极限。

所述步骤2)或者步骤2.2)中，采用以下公式计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个风电设备额定容量的微增率

其中，ψ_k表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的左特征向量ψ的第k个元素，φ_m表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的右特征向量φ的第m个元素，n为馈入的风电设备总数量，B_km表示等值导纳矩阵B中第k行第m列的元素，S_Bk表示第k台风电设备的额定容量，k表示风电设备的序数，即馈入支路的序数。

所述风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各风电设备额定容量的微增率均小于零，具体为：

记ψ、φ分别为扩展导纳矩阵J_eq对应特征值gSCR的左、右特征向量，即

ψJ_eq＝gSCRψ

J_eqφ＝gSCRφ

并考虑到等值导纳矩阵为对称阵，得：

其中，S_B表示风电设备的额定容量。

结合左右特征向量，推导得到风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各风电设备额定容量S_B的微增率为：

式中，φ_k是扩展导纳矩阵J_eq对应特征值gSCR的右特征向量φ的第k个元素。

所述步骤1)中，根据扩展导纳矩阵J_eq通过特征值分解得到风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR，具体为：

由各风电设备额定容量组成容量对角矩阵S_B，由交流网络拓扑和电网阻抗得到等值导纳矩阵B，扩展导纳矩阵J_eq计算为：

其中，B表示为风电多馈入电力系统的等值导纳矩阵；

通过对J_eq进行特征值分解，得到其特征值λ₁,λ₂,…,λ_n，其中的最小特征值作为风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR。

所述步骤2)中，计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个风电设备额定容量的微增率时，以风电多馈入电力系统主导特征根阻尼比不小于某一特定数值为其约束条件，建立以下约束条件：

σ(S_B)≥σ_ref

式中，σ(S_B)表示各个风电设备额定容量满足矩阵S_B时风电多馈入电力系统主导特征根阻尼比，σ_ref表示预设已知的小干扰稳定裕度对应的风电多馈入电力系统主导特征根阻尼比；

引入广义短路比指标表征系统小干扰稳定性后，约束条件表示为：

gSCR(S_B)≥gSCR_ref

其中，gSCR(S_B)表示各个风电设备额定容量满足矩阵S_B时风电多馈入电力系统的广义短路比。

本发明考虑工程实际中风电电站的规划设计问题，某风电电站有若干同型的风电设备，在已知该系统小干扰稳定裕度，即系统主导特征根临界阻尼比的条件下，如何规划各风电设备容量，使该系统容量总和达到最大值。

本发明中风电多馈入电力系统的具体设备为双馈风电机组，根据双馈风电机组的额定容量结合交流电网的拓扑结构，得到该多馈入系统的扩展导纳矩阵；考虑到扩展导纳矩阵定义中各变量的对称特性，通过特征值分解，可以在保证小干扰稳定性相同的前提下将风电多馈入系统解耦为多个等效风电单馈入系统；扩展导纳矩阵的特征值对应为各等效风电单馈入系统的短路比，则其最小值可表征多馈入系统整体的稳定裕度；结合特征值和特征向量性质可得广义短路比关于各馈入风机额定容量的微增率，依据该微增率对风电多馈入系统并网容量极限进行计算。

本发明的有益效果是：

本发明基于风电多馈入电力系统广义短路比指标，从小干扰稳定的角度得到风力发电站大规模并网条件下的容量极限，对风力发电站的新建和扩建提供指导，有助于电力系统规划设计考虑的全面性，在实际工程应用中可以有效减少小干扰稳定性问题的发生。

本发明方法，旨在从小干扰稳定性出发探究风电多馈入电力系统并网容量的最大值，以此对风力发电机组的新建和扩建提供指导，有助于电力系统规划设计考虑的全面性，针对风力发电机组具有优异的效果和应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例仿真验证中风电多馈入电力系统等效电路图。

图2为本发明实施例仿真验证中双馈风电机组DFIG控制框图。

图3为本发明并网容量极限计算方法的流程示意图。

图4为本发明实施例仿真验证中情景1下容量极限计算过程系统主导特征根轨迹。

图5为本发明实施例仿真验证中情景2下容量极限计算过程系统主导特征根轨迹。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

按照本申请发明内容完整方法实施的具体实施例如下：

在Matlab/Simulink软件中搭建风电三馈入电力系统，如图1所示。三馈入系统中的风机是双馈风电机组DFIG。DFIG网侧变流器外环采用恒Udc控制，转子侧变流器外环采用PQ功率控制，如图2所示。图2中各变量物理意义如下表1所示：

表1 DFIG变量对应表

DFIG变量的参数值如下表2所示：

表2实施例仿真验证中DFIG变量的参数值

定子有功功率参考值功率P<sub>sref</sub>/p.u.	1
		定子无功功率参考值功率Q<sub>sref</sub>/p.u.	0
直流电容电压参考值U<sub>dcref</sub>/p.u.	1
		直流电压控制PI环节参数K<sub>pdc</sub>	0.4
直流电压控制PI环节参数K<sub>idc</sub>	8
		PQ控制PI环节参数K<sub>ppq</sub>	0.02
PQ控制PI环节参数K<sub>ipq</sub>	60
		转子侧变流器电流内环PI环节参数K<sub>pi</sub>	1
转子侧变流器电流内环PI环节参数K<sub>ii</sub>	9
		网侧变流器电流内环PI环节参数K<sub>pii</sub>	0.5
网侧变流器电流内环PI环节参数K<sub>iii</sub>	10
		锁相环PI环节参数K<sub>ppll</sub>	15
锁相环PI环节参数K<sub>ipll</sub>	3500

风电三馈入系统的交流网络参数如下表3所示：

表3实施例仿真验证中交流电网参数

给定风电三馈入系统额定容量总和S_∑为5.5p.u.，三馈入系统额定容量分别为S_B＝diag(1.5,3,1)，系统广义短路比gSCR＝6.365。假设电网要求系统小干扰稳定裕度满足主导特征根阻尼比大于0.04，则可计算得到相对应的gSCR最小值gSCR_ref＝3.716。采用图3所示流程图进行优化计算，其中微增率偏差阈值ρ设为0.0001，最大迭代次数设为10000，以及设备额定容量微调步长h设为0.001p.u.。结果表明，电力电子三馈入电力系统的广义短路比gSCR由初始值6.365减小为满足约束条件的数值3.716，三馈入系统的电力电子设备并网容量总和S_B∑＝9.867p.u.，极限容量所对应的各馈入点容量分配为S'_B＝diag(1.794,5.382,2.691)。

对于该风电三馈入系统，考虑如下两种情景，选用等比例增加各馈入点并网容量的方法进行对比：

情景1：当系统扩建后广义短路比达到gSCR_ref时，主导特征根阻尼比均达到0.04，满足小干扰稳定裕度的要求。采用等比例方法扩建容量为3.920p.u.，小于本文提出的基于广义短路比微增率方法的扩建容量4.367p.u.。两种方法下，随着容量增加，系统特征根变化轨迹如图4所示(注：扩建过程中主导特征根均为共轭复根，仅选取虚部为正/负的根进行作图说明)。

情景2：当系统扩建后容量达到S_B∑max＝9.867p.u.时，采用等比例方法扩建各馈入点容量分配为S″_B3＝diag(2.691,5.382,1.794)，广义短路比仅可以达到gSCR＝3.548，主导特征根阻尼比仅可以达到0.036，无法像本文所提方法一样满足小干扰稳定裕度的要求。两种方法下，随着容量增加，系统特征根变化轨迹如图5所示(注：扩建过程中主导特征根均为共轭复根，仅选取绝对值为正/负的根进行作图说明)。

本发明基于风电多馈入电力系统广义短路比指标，从小干扰稳定的角度得到风力发电站大规模并网条件下的容量极限，能够对风力发电站的新建和扩建提供准确指导，有助于电力系统规划设计考虑的全面性，在实际工程应用中可以有效减少小干扰稳定性问题的发生，具有突出显著的技术效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法，其特征在于包括以下步骤：

1)针对并网容量总和S_B∑、双馈风电机组网侧变流器和转子侧变流器内外环PI控制参数、交流网络拓扑和电网阻抗均确定的风电多馈入电力系统，计算得到扩展导纳矩阵J_eq，根据扩展导纳矩阵J_eq通过特征值分解得到风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR；根据预设已知的小干扰稳定裕度，得到小干扰稳定裕度对应的广义短路比临界值gSCR_ref；

2)比较广义短路比gSCR与广义短路比临界值gSCR_ref之差的绝对值是否满足给定阈值，计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各风电设备额定容量的微增率，对风电设备进行容量微调上调，并在当前并网容量总和S_B∑基础上同样增加一个单位，调整后重新计算广义短路比gSCR，记录调整后的并网容量总和S_B∑和广义短路比gSCR；然后采用步骤1)方式重新计算广义短路比gSCR关于各风机设备额定容量的微增率，并根据微增率再次调整风机设备的额定容量，不断执行上述过程直至广义短路比gSCR与广义短路比临界值gSCRref差的绝对值满足给定阈值，以最后得到的并网容量总和SB∑作为风电多馈入电力系统的容量极限；

所述步骤2)具体为：

2.1)比较计算得到的广义短路比gSCR和广义短路比临界值gSCR_ref之间相差绝对值与偏差阈值ρ的关系，偏差阈值取为ρ＝0.001×gSCR_ref，若相差绝对值小于偏差阈值ρ或达到最大迭代次数则进入步骤2.5)，否则进入步骤2.2)；

2.2)计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个风电设备额定容量的微增率；

2.3)比较步骤2.2)计算得到的各个微增率，记录微增率绝对值最小值对应的馈入支路k；

2.4)将绝对值最小的微增率对应的馈入支路k的风电设备额定容量上调一个单位h，取h＝0.001×S_Bk，S_Bk表示为第k馈入支路的风电设备的额定容量，并在当前并网容量总和S_B∑基础上同样增加一个单位h，调整后重新计算广义短路比gSCR，返回到步骤2.1)；

2.5)不断重复步骤2.1)～2.4)，输出迭代最后的并网容量总和S_B∑，为风电多馈入电力系统的并网容量极限；

所述步骤2)或者步骤2.2)中，采用以下公式计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个风电设备额定容量的微增率

其中，ψ_k表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的左特征向量ψ的第k个元素，φ_m表示扩展导纳矩阵J_eq特征值gSCR的右特征向量φ的第m个元素，n为馈入的风电设备总数量，B_km表示等值导纳矩阵B中第k行第m列的元素，S_Bk表示第k台风电设备的额定容量，k表示风电设备的序数。

2.根据权利要求1所述的一种风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法，其特征在于：所述步骤1)中，根据扩展导纳矩阵J_eq通过特征值分解得到风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR，具体为：

由各风电设备额定容量组成容量对角矩阵S_B，由交流网络拓扑和电网阻抗得到等值导纳矩阵B，扩展导纳矩阵J_eq计算为：

其中，B表示为风电多馈入电力系统的等值导纳矩阵；

通过对J_eq进行特征值分解，得到其特征值λ₁,λ₂,…,λ_n，其中的最小特征值作为风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR。

3.根据权利要求1所述的一种风电多馈入电力系统并网容量极限计算方法，其特征在于：所述步骤2)中，计算风电多馈入电力系统的广义短路比gSCR关于各个风电设备额定容量的微增率时，建立以下约束条件：

s(S_B)≥s_ref

式中，s(S_B)表示各个风电设备额定容量满足容量对角矩阵S_B时风电多馈入电力系统主导特征根阻尼比，s_ref表示预设已知的小干扰稳定裕度对应的风电多馈入电力系统主导特征根阻尼比；

引入广义短路比指标表征系统小干扰稳定性后，约束条件表示为：

gSCR(S_B)≥gSCR_ref

其中，gSCR(S_B)表示各个风电设备额定容量满足容量对角矩阵S_B时风电多馈入电力系统的广义短路比。

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