CN109713686A - 一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法 - Google Patents

一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法 Download PDF

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Abstract

一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，属于电力系统运维技术领域，本发明通过对风电电力系统风电支路模式能量建模，构建了简单直观、物理意义清晰的风电电力系统风电支路模式势能函数，可以以此分析风电支路模式势能的构成及变化规律，研究支路模式势能变化对系统小干扰稳定性的影响；还可以分析风电支路模式势能对状态变量的灵敏度，分析不同状态变量的敏感程度，从而通过调整状态变量来控制和抑制低频振荡；构造仿真算例，将扰动后量测计算的风电支路模式势能和频域模式势能对比，验证了所提方法的有效性，具有较高的实际应用价值。

Description

一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法
技术领域
本发明属于电力系统运维技术领域，特别是涉及到一种应用于高渗透率风电电力系统低频振荡定量分析和抑制的能量解析。
背景技术
高比例可再生能源并网将成为未来电力系统的重要特征，高渗透率风电出力的随机性和不确定性，加剧了电力系统小干扰稳定的复杂程度，使得电力系统安全稳定运行面临着更大的挑战。
能量函数能描述电力系统能量变化关系，已有学者将能量函数引入到低频振荡问题，从能量角度分析低频振荡的作用机理，有效识别网络中的薄弱环节、实现振荡度评估，为解决低频振荡的分析与抑制提供切实可行的新思路，对研究小干扰稳定性具有重要意义。但对高渗透率风电电力系统能量角度分析并未深入。因此现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，通过对风电电力系统风电支路模式能量建模，构建了简单直观、物理意义清晰的风电电力系统风电支路模式势能函数，可以以此分析风电支路模式势能的构成及变化规律，研究支路模式势能变化对系统小干扰稳定性的影响；还可以分析风电支路模式势能对状态变量的灵敏度，分析不同状态变量的敏感程度，从而通过调整状态变量来控制和抑制低频振荡；构造仿真算例，将扰动后量测计算的风电支路模式势能和频域模式势能对比，验证了所提方法的有效性，具有较高的实际应用价值。
一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、获得风电支路模式势能表达式
利用公式
其中：△P为风机功率增量，△θ为风电支路母线电压相角增量；
风电支路有功表达式为
xm为双馈风机的电磁电抗，xs为双馈风机的定子电抗，iqr为双馈风机的q轴转子电流，V为节点电压；
线性化得：
式中，Δiqr为双馈风机的q轴转子电流增量，ΔV为节点电压增量；
通过系统小干扰下状态方程获得
式中，ci＝ΨiΔx(0)，Δx(0)为状态变量增量的初值，λi(i＝1，…，7)为特征值；Ψi为左特征向量；Φi为右特征向量；
通过网络变量线性化增量函数获得
式中，F＝-D-1C＝[F1,F2...]T
步骤二、获得风电支路模式势能总表达式
根据步骤一获得的各状态变量各自对应的特征值，获得风电支路模式势能总表达式，
风电支路势能由自相关模式和互相关模式构成，自相关模式由机电自相关模式和风电状态量自相关模式构成，互相关模式由机电互相关模式、风电状态量互相关模式和机电-风电状态量互相关模式构成，
其中：△Vpz为风电支路模式势能自相关部分，
ΔVph为风电支路模式势能互相关部分；
式中，下角标第一个符号代表行，第二个符号代表列；
步骤三、分析风电支路模式势能对状态变量的灵敏度
对风机出口支路模式势能状态变量灵敏度的状态变量求偏导数，表达式为：
式中：y1～y16为常系数，△δi为发电机的功角增量，△ωm为DFIG的转子角速度增量，△idr为DFIG的d轴转子电流增量；
获得风电支路模式势能对状态变量的灵敏度与发电机功角、风机转子角速度、风机转子d轴和q轴电流有关，与发电机转子角速度、风速和桨距角无关，并通过调整状态变量控制和抑制低频振荡。
所述步骤一中的系统小干扰下状态方程解的一般形式为
式中：ci＝ΨiΔx(0)，λi(i＝1，，7)为特征值，Ψi为左特征向量，Φi为右特征向量。
所述步骤一中的网络变量线性化增量函数为
式中：F＝-D-1C＝[F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7]T，
式中，Vx是状态向量；A、B、C、D是系数矩阵；Vu是系统输入向量。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，通过对风电电力系统风电支路模式能量建模，构建了简单直观、物理意义清晰的风电电力系统风电支路模式势能函数，可以以此分析风电支路模式势能的构成及变化规律，研究支路模式势能变化对系统小干扰稳定性的影响；还可以分析风电支路模式势能对状态变量的灵敏度，分析不同状态变量的敏感程度，从而通过调整状态变量来控制和抑制低频振荡；构造仿真算例，将扰动后量测计算的风电支路模式势能和频域模式势能对比，验证了所提方法的有效性，具有较高的实际应用价值。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明发电机和双馈风机接入无穷大系统示意图。
图2为本发明风电渗透率为20％时风电支路总模式势能分析示意图。
图3为本发明风电渗透率为20％时风电支路自相关模式势能分析示意图。
图4为本发明风电渗透率为20％时风电支路互相关模式势能分析示意图。
图5为本发明风电渗透率为20％时风电支路机电风电状态量分量分析示意图。
图6为本发明不同风电渗透率时风电支路主导模式分析示意图。
图7为本发明20％风电渗透率时风电支路模式势能对状态变量灵敏度示意图。
图8为本发明80％风电渗透率时风电支路模式势能对状态变量灵敏度示意图。
图9为本发明理想的风电支路机电自相关模式势能示意图。
图10为本发明量测的风电支路机电自相关模式势能示意图。
图中1-发电机、2-双馈风机、3-变压器、4-输电线路、5-无穷大系统母线。
具体实施方式
一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，首先，对含有风电电力系统小干扰稳定性进行理论分析，
同步发电机采用经典二阶模型，忽略励磁系统和调速动态，双馈风机DFIG采用五阶模型，同步发电机和双馈风机构成微分方程为
其中：δ为发电机的功角，ω为发电机的转速，νw为风速，ωm为DFIG的转子角速度，θp为DFIG的桨距角，idr为DFIG的d轴转子电流，iqr为DFIG的q轴转子电流，M为发电机的惯性时间常数，Pm为发电机的机械功率，PE为发电机的电磁功率，τ为时间常数，Tm为DFIG的机械转矩，Te为DFIG的电磁转矩，Hm为DFIG的转子惯量，Kp为桨距控制增益，φ为随机相角，Tp为DFIG的桨距角时间常数，KV为DFIG的电压控制增益，xm为DFIG的电磁电抗，xs为DFIG的定子电抗，Pw*(ωm)为功率转速特性；
将发电机和双馈风机构成微分方程简化成矩阵形式为
式中：xo＝[νw，ωm，θp，idr，iqr]T为风机状态向量，
u＝[θi，Vi，vf，pm，p，q，ωs，pwa，vref]T为输入向量；
系统小干扰下状态方程解的一般形式为
式中：ci＝ΨiΔx(0)，λi(i＝1，，7)为特征值，Ψi为左特征向量，Φi为右特征向量；
网络变量线性化增量函数为
式中：F＝-D-1C＝[F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7]T
风电支路模式势能为
其中：△P为风机功率增量，△θ为风电支路母线电压相角增量；
风电支路有功表达式为
线性化得：
由(3)式得：
由(4)式得：
风电支路模式势能总表达式为
风电支路势能由自相关模式和互相关模式构成，自相关模式由机电自相关模式和风电状态量自相关模式构成，互相关模式由机电互相关模式、风电状态量互相关模式和机电-风电状态量互相关模式构成，
其中：ΔVpz为风电支路模式势能自相关部分，ΔVph为风电支路模式势能互相关部分；
风机出口支路模式势能对状态变量灵敏度即对状态变量求偏导数，表达式为
式中：y1～y16为常系数；
由(12)式可知风电支路模式势能对状态变量的灵敏度与发电机功角、风机转子角速度、风机转子d轴和q轴电流有关，与发电机转子角速度、风速和桨距角无关。分析不同状态变量的敏感程度，从而通过调整状态变量来控制和抑制低频振荡。
以发电机和双馈风机接入无穷大系统为对象进行详细分析，用电力系统分析软件PSAT(Power System Analysis Toolbox)仿真分析如图1所示，对20％渗透率风电时风电支路模式势能进行分析，如图2～图5所示。机电自相关模式是风电支路模式势能的主导模式，因此对不同渗透率风电机电自相关模式进行分析，如图6所示.再分析20％和80％风电渗透率时风电支路模式势能对各状态变量的灵敏度，如图7和图8所示，已知风机转子角速度与机电尺度下的转速环有关，风机转子d轴和q轴电流与非机电尺度下的电流环有关。本算例风机转子角速度灵敏度大于风机转子d轴和q轴电流灵敏度，即机电尺度下的转速环灵敏度大于非机电尺度下的电流环灵敏度，随着风电渗透率的增加，机电尺度下的转速环始终占主导地位。考虑风电渗透率为20％时，当母线3设置0.05秒小扰动，提取扰动后的风电支路有功功率和母线电压角度信号，计算风电支路势能，进行模态辨识提取机电自相关模式势能。将扰动后计算的风机模式势能和频域模式势能对比，如图9和图10所示两者基本一致，从而证明所提方法的有效性。
本发明通过对风电电力系统风电支路模式能量建模，构建了简单直观、物理意义清晰的风电电力系统风电支路模式势能函数，可以以此分析风电支路模式势能的构成及变化规律，研究支路模式势能变化对系统小干扰稳定性的影响；还可以分析风电支路模式势能对状态变量的灵敏度，分析不同状态变量的敏感程度，从而通过调整状态变量来控制和抑制低频振荡；构造仿真算例，将扰动后量测计算的风电支路模式势能和频域模式势能对比，验证了所提方法的有效性，具有较高的实际应用价值。

Claims (3)

1.一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
步骤一、获得风电支路模式势能表达式
利用公式
其中：△P为风机功率增量，△θ为风电支路母线电压相角增量；
风电支路有功表达式为
xm为双馈风机的电磁电抗，xs为双馈风机的定子电抗，iqr为双馈风机的q轴转子电流，V为节点电压；；
线性化得：
式中，Δiqr为双馈风机的q轴转子电流增量，ΔV为节点电压增量；
通过系统小干扰下状态方程获得
式中，ci＝ΨiΔx(0)，Δx(0)为状态变量增量的初值，λi(i＝1，…，7)为特征值；Ψi为左特征向量；Φi为右特征向量；
通过网络变量线性化增量函数获得
式中，F＝-D-1C＝[F1,F2...]T
步骤二、获得风电支路模式势能总表达式
根据步骤一获得的各状态变量各自对应的特征值，获得风电支路模式势能总表达式，
风电支路势能由自相关模式和互相关模式构成，自相关模式由机电自相关模式和风电状态量自相关模式构成，互相关模式由机电互相关模式、风电状态量互相关模式和机电-风电状态量互相关模式构成，
其中：△Vpz为风电支路模式势能自相关部分，
ΔVph为风电支路模式势能互相关部分；
式中，下角标第一个符号代表行，第二个符号代表列；
步骤三、分析风电支路模式势能对状态变量的灵敏度
对风机出口支路模式势能状态变量灵敏度的状态变量求偏导数，表达式为：
式中：y1～y16为常系数，△δi为发电机的功角增量，△ωm为DFIG的转子角速度增量，△idr为DFIG的d轴转子电流增量；
获得风电支路模式势能对状态变量的灵敏度与发电机功角、风机转子角速度、风机转子d轴和q轴电流有关，与发电机转子角速度、风速和桨距角无关，并通过调整状态变量控制和抑制低频振荡。
2.根据权利要求1所述的一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，其特征是：所述步骤一中的系统小干扰下状态方程解的一般形式为
式中：ci＝ΨiΔx(0)，λi(i＝1，，7)为特征值，Ψi为左特征向量，Φi为右特征向量。
3.根据权利要求1所述的一种高渗透率风电电力系统风电支路模式能量解析方法，其特征是：所述步骤一中的网络变量线性化增量函数为
式中：F＝-D-1C＝[F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7]T，
式中，Vx是状态向量；A、B、C、D是系数矩阵；Vu是系统输入向量。
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