CN109657902B - 考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法，根据双馈风机的定子、转子的电压磁链方程推导出外特性等效模型，对接线复杂的集电线路，采用整体处理的方法，对输入输出建立方程，得到集电线路的阻抗参数。以等值前后风机次同步振荡特性一致性为约束条件，基于层次分析法构建了所有因素的判断矩阵，引入cosine相似度计算判断矩阵的特征向量的相似度，若相似度小于阈值，则认为该两台风电机次同步振荡特性一致，可视为同调组。最后以双馈风机实际输出有功功率为权重来计算等值机的等效暂态内电势及各等值机组的等效参数。这样，既满足了含大规模风电机组的大电网等值化简需求，又能保证等值前后的次同步振荡的一致性，更能反映风电场的真实动态特性，也为后续分析大规模风电场的次振荡特性及并网对大电网的影响打下了基础。

Description

考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法

技术领域

本发明涉及可再生能源技术领域，特别是涉及一种考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法。

背景技术

近些年，绿色可再生能源快速发展，风能作为最重要的清洁能源之一，凭着其蕴能丰富、易获取的巨大优势受到了各个国家的重视与关注。风电将在未来能源舞台上扮演愈来愈重要的角色。风力发电机的模型以及对电力系统的影响被广泛研究。但随着风电场的爆发性增长，一个风电场通常有上百台风电机组成，因此无法对每一台风机都进行详细建模分析。这时需要对风电场作等值处理，进行合理等效的简化，化成一个能准确表征风电场整体动态特性的风电场模型。从而减小系统规模，节省人力物力的同时还能便于系统分析控制。

我国风能最为丰富的地区是“三北”地区(东北、华北、西北)，而当地无法消纳风电场所发出的电能，生产的电能需要通过远距离输电送到负荷中心，而在电能传输的过程中，无功消耗逐渐增多，因此在风电场串联电容进行无功补偿是常用的补偿方式。然而，串联补偿的补偿过高将可能导致次同步振荡现象。2009年，美国德克萨斯州的一处风电场发生了双馈风机与固定串补间相互作用产生了次同步振荡，幅值持续增加，造成大量风电机组脱网及机组设备的损坏。次同步振荡现象可能导致发电机组的轴系损坏，严重时可能在短时间内产生巨大扭转应力折断轴系组件。因此等值前后对次同步振荡特性的影响应当具有一致性。

目前，大多文献对风电场的等值基于同调原理，通过某一特征量对风电机进行分群，再对同一组内风电机进行聚合。而同一风场内风机特性相近，最终多以一台风机等值整个风电场。文献往往仅关心等值机与原风电场的输出功率特性是否一致，而未考虑对次同步振荡特性的影响。在18年文献中，有学者通过对比研究，得出了风电场容量配比及线路阻抗参数对次同步振荡特性有一定影响的结论。因此，若基于一个可综合表征容量配比和线路阻抗参数的变量对双馈风电场进行合理划分同调机组，则可有效地提高等值的精度和保持原特性。目前鲜有这种合理分群方法研究的相关文献。构建一种考虑次同步振荡特性的风机模型是很有必要的。对于采用层次分析方法构造归一化分群依据，仍无专利将其运用于双馈风机的分群上，而同步发电机与双馈风机的控制特性与关键参数均有较大差别，因而有必要对双馈风机构建系统的分群依据。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明致力于提供一种考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法，以实现双馈风机同调机群的合理划分，减少建模数量，同时保证了次同步振荡特性的一致性。

为达到上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法，包括如下步骤：

步骤S10，联立双馈风机的定子和转子的电压、磁链方程，基于等效前后输出功率特性不变，建立双馈风机外特性等效模型；

步骤S20，忽略风电场中复杂的集电线路，通过补偿等值电路阻抗的方式等效替代集电线路的作用，并求出补偿等值阻抗的值；

步骤S30，以等值前后风机次同步振荡特性一致性为约束条件，提出基于层次分析模型的双馈风机同调机群分群依据，对所有影响因子构建判断矩阵，引入Cosine相似度计算矩阵特征向量的相似程度，并以此作为分群指标，完成对双馈风机更合理的分组；

步骤S40，对新同调组内双馈风机进行聚合，以风电机实际输出功率为权重计算各等值机组的等效参数，保证了等值前后输出特性一致。

本发明的考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法，定义一个能综合表征风电机容量配比及线路阻抗等因素的变量，作为风电机同调判别依据，以实现双馈风机同调机群的合理划分，能够一定程度上减少建模数量，同时保证了次同步振荡特性的一致性。根据双馈风机的定子、转子的电压磁链方程推导出外特性等效模型，对接线复杂的集电线路，采用整体处理的方法，对输入输出建立方程，得到集电线路的阻抗参数。以等值前后风机次同步振荡特性一致性为约束条件，基于层次分析法构建了所有因素的判断矩阵，引入cosine相似度计算判断矩阵的特征向量的相似度，若相似度小于阈值，则认为该两台风电机次同步振荡特性一致，可视为同调组。最后以双馈风机实际输出有功功率为权重来计算等值机的等效暂态内电势及各等值机组的等效参数。这样，既满足了含大规模风电机组的大电网等值化简需求，又能保证等值前后的次同步振荡的一致性，更能反映风电场的真实动态特性，也为后续分析大规模风电场的次振荡特性及并网对大电网的影响打下了基础。

附图说明

图1为本发明的考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法的流程图；

图2为双馈风机外特性等效模型图。

图3为集电线路处理前风机模型。

图4为集电线路处理后风机模型。

图5为基于层次分析模型提出的双馈风机双层模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体例子对本发明例子的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

参看图1，考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值，包括有如下步骤：

步骤S10，联立双馈风机的定子和转子的电压、磁链方程，基于等效前后输出功率特性不变，建立双馈风机外特性等效模型；

步骤S20，忽略风电场中复杂的集电线路，通过补偿等值电路阻抗的方式等效替代集电线路的作用，并求出补偿等值阻抗的值；

步骤S30，以等值前后风机次同步振荡特性一致性为约束条件，提出基于层次分析模型的双馈风机同调机群分群依据，对所有影响因子构建判断矩阵，引入Cosine相似度计算矩阵特征向量的相似程度，并以此作为分群指标，完成对双馈风机更合理的分组；

步骤S40，对新同调组内双馈风机进行聚合，以风电机实际输出功率为权重计算各等值机组的等效参数，保证了等值前后输出特性一致。

其中，步骤S10的具体步骤是：

(1)在不考虑磁饱和前提下，双馈风机在d-q轴上解耦，同步旋转坐标系中定子和转子的电压标幺值方程式如式(1)所示：

同步旋转坐标系中定子和转子的电压标幺值方程式如式(2)所示：

式中:u、i、ψ分别为电压、电流和磁链；R、L分别为电阻和电感；下标中的s、r分别代表定子、转子；w表示转差率；p为微分算子；L_m表示互感。

B.联立式(1)、(2)，消去转子电流可得式(3)：

式中，

C.令

联立式(3)(4)，可构成电压的统一表达式：

U_s＝R_sI_s+jX_sI_s+E' (5)

其中，由于X_s＞＞R_S,因此双馈风机外特性等效模型如下：

E'＝U_s-jZ_sI_s (6)

式中，E'＝E'_d+jE'_q。

式(6)即等效二端口形式，可看作外特性等效电路，E'为双馈风机等效内电势，U_s为端口电压，Z_s为等效内阻抗。双馈风机的等效电路图参见图2。

其中，步骤S20的具体步骤为：

风电场内部接线复杂，无法对每一台双馈风机的集电线路接线方式分别做处理，本专利对集电线路采取整体处理的方式，仅考虑该整体线路的输入量与输出量，建立等量关系，推导出转移阻抗Z_l’，其中，U'是风电场出线端电压：

步骤S30的具体步骤为：

以等值前后风机次同步振荡特性一致性为约束条件，提出基于层次分析模型的双馈风机同调机群分群依据，对所有影响因子构建判断矩阵，引入Cosine相似度计算矩阵特征向量的相似程度，并以此作为分群指标，对双馈风机重新分组。

归一化处理方式：根据层次分析法(AHP)，构建影响因子判断矩阵P(式10)，求取判断矩阵P最大特征根λ_max对应的特征向量x_max。x_max中的元素为同一层次因素对于上一层次因素因素相对重要性的排序权值，即各影响因子的权重系数，如式(8)

Px＝λx(x≠0)

(8)

x_max＝(k₁,k₂,k₃,k₄)其中，x_max向量中的元素，x_i＝k_i，(i≦4)；

设双馈风机x和双馈风机y所对应的特征向量为x_max和y_max，(9)

(i,j∈N*,i,j≦4)则计算：

其中，x_i和y_i为特征向量x_max和y_max中对应的元素，即归一化的影响因子权重系数，|T(x_max,y_max)|范围在[0，1]之间，值越大，说明夹角越大，两点相距就越远，相似度就越小。根据实际项目需求，T(x_max,y_max)在可取不同的范围区间作为双馈风机同调分组的依据，一般考虑在0附近波动的区间作为同调区间。

由于双馈风机d-q轴解耦，可对交直轴分别控制，因此，对外不体现惯性，双馈风机对系统的影响多以发出功率的来表征。对于按归一化变量进行分组的双馈风机机群，采用以双馈风机实际输出功率为权重的聚合方法。以等值机等效内电势为例，作一次参数聚合，其余参数聚合原理相同。设有N台同调双馈风机，则等值机的等效内电势

计算方式见公式(11)：

以双馈风机输出功率为权重的发电机聚合算法，等值机的暂态内电势由同调机群中所有的风机决定，每个风机所占权重取决于他们的输出功率。这种方法，等值机能够准确代表大风电机组的动态特性，由于小风电机组对系统的影响很小，因此，这种聚合方法具有很高的准确性。将属于同群的双馈风机的

母线通过复变比移相变压器连接到等效暂态内电势

母线。

其中，步骤S40的具体步骤是：

各等值机等效参数为：

式中:P、Q、H_g、H_t和K_s分别为有功功率、无功功率、发电机转子惯性时间常数、风力机转子惯性时间常数和轴系刚度系数；X_seq、R_seq分别为等值机的定子电抗与电阻；X_sN、R_sN分别为第N台风机的定子电抗与电阻；Z_seq为等值机等效内阻抗；X_req、R_req分别为等值机的转子电抗及转子电阻；X_rN、R_rN分别为第N台风机的转子电抗与电阻。下标中的eq代表等值机参数。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S10，联立双馈风机的定子和转子的电压、磁链方程，基于等效前后输出功率特性不变，建立双馈风机外特性等效模型；

步骤S20，忽略风电场中复杂的集电线路，通过补偿等值电路阻抗的方式等效替代集电线路的作用，并求出补偿等值阻抗的值；

步骤S30，以等值前后风机次同步振荡特性一致性为约束条件，提出基于层次分析模型的双馈风机同调机群分群依据，对所有影响因子构建判断矩阵，引入Cosine相似度计算矩阵特征向量的相似程度，并以此作为分群指标，完成对双馈风机更合理的分组；

步骤S40，对新同调组内双馈风机进行聚合，以双馈风机实际输出功率为权重计算各等值机组的等效参数，保证了等值前后输出特性一致；

所述双馈风机定子和转子电压方程如下：

所述双馈风机定子和转子磁链方程如下：

其中:u、i、ψ分别为电压、电流和磁链；R、L分别为电阻和电感；下标中的s、r分别代表定子、转子；L_m表示互感；p为微分算子；w表示转差率；

联立公式(1)和公式(2)，消去转子电流的电压方程如下所示：

式中，

令

其中，双馈风机外特性等效模型如下：

E'＝U_s-jZ_sI_s

E'为双馈风机等效内电势，U_s为端口电压，Z_s为等效内阻抗。

2.根据权利要求1所述的考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法，其特征在于，

风电场内部集电接线复杂，对集电线路的处理采用整体处理的方式，对其输入输出端做等效处理，得到转移阻抗Z_l’

其中，U'是风电场出线端电压；

以等值前后风机次同步振荡特性一致性为约束条件，提出基于层次分析模型的双馈风机同调机群分群依据的步骤具体包括：

选取线路阻抗参数Z，风机容量C，平均风速S以及端电压受扰曲线相似度V作为影响因子；

根据层次分析法，构建影响因子判断矩阵A，其中a_ij表示第i个元素相对于第j个元素的重要程度，求取判断矩阵A最大特征根λ_max对应的特征向量x_max，Ax＝λx(x≠0)

对特征向量x_max进行归一化处理，使向量中各元素之和为1，即各影响因子的权重系数：

x_max＝(k₁,k₂,k₃,k₄)

基于此提出双馈风机同调机群分群依据，引入Cosine相似度计算不同风电机组的特征向量之间的相似程度，若其Cosine相似度接近，则可认为风电机组同调，

T(x_max,y_max)范围在[-1，1]，对T(x_max,y_max)取绝对值，使得|T(x_max,y_max)|范围在[0，1]之间，值越大，说明夹角越大，两点相距就越远，相似度就越小，因此，当该值在0附近波动时即可认为两风电机组同调，根据实际情况对次同步振荡特性一致性的要求不同，可设置不同的阈值作为其分群依据。

3.根据权利要求2所述的考虑次同步振荡特性的双馈风机动态等值方法，其特征在于，在进行合理的分组后，所述步骤S40的各等值机等效参数为：

式中:P、Q、H_g、H_t和K_s分别为有功功率、无功功率、发电机转子惯性时间常数、风力机转子惯性时间常数和轴系刚度系数；下标中的eq代表等值机参数。

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