CN110417054B - 一种双馈风电并网系统稳定性调整系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈风电并网系统稳定性调整系统及方法，属于风力发电系统技术领域，解决了现有技术中针对双馈风电并网系统中机网耦合难以量化分析及调整系统稳定性的难题。该方法包括如下步骤：在产生低频振荡的电网系统中采集双馈风电机组端口电压和电流数据，计算双馈风电机组端口实时动态能量；根据计算得到的实时动态能量，得到双馈风电机组耗散强度；根据双馈风电机组耗散强度评估得到双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平；基于锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，直至阻尼水平满足要求为止。本发明能够实现及时的振荡稳定预警，通过调整锁相环参数实现系统的稳定性调整。

Description

一种双馈风电并网系统稳定性调整系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统技术领域，尤其涉及一种双馈风电并网系统稳定性调整系统及方法。

背景技术

随着风电机组的大规模并网，风电并网稳定性问题逐渐突出。双馈风电机组转子与定子之间的弱耦合作用，使得风机在系统受扰后呈现弱阻尼特性，而锁相环的引入在稳定风机并网电压的同时，增强了风机与电网的耦合作用，尤其在风机机端检测到低频振荡后锁相环可能放大系统振荡，恶化系统阻尼水平，威胁电网安全稳定运行。因此，亟待开展机网耦合作用对系统低频振荡影响机理的研究。

目前，风电机组的低频振荡稳定问题已逐渐成为国内外众多专家和学者研究的热点。然而，现有研究仍依赖于系统中所有机组的状态变量，且只能定性分析机网耦合作用。针对机网耦合程度的量化，以及锁相环参数导致机网耦合并使得系统受扰失稳的诱因，仍缺乏相应研究。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种双馈风电并网系统低频振荡稳定分析系统及方法，用于分析双馈风电并网系统小干扰稳定性，解决针对双馈风电并网系统中机网耦合难以量化分析及调整系统稳定性的难题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面提供一种双馈风电并网系统稳定性调整方法，包括如下步骤：

在产生低频振荡的电网系统中采集双馈风电机组端口电压和电流数据，计算双馈风电机组端口实时动态能量；

根据计算得到的实时动态能量，得到双馈风电机组耗散强度；

根据双馈风电机组耗散强度评估得到双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平；

基于锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，直至所述阻尼水平满足要求为止。

进一步地，计算双馈风电机组端口实时动态能量采用以下模型：

其中：P_e为双馈风电机组出的有功功率；θ为xy轴与dq轴的夹角或表示风机锁相环的锁相角；U_d、U_q、I_d和I_q分别为双馈风电机组输出端口的电压和电流的dq轴分量。

进一步地，根据计算的实时动态能量，得到双馈风电机组耗散强度，包括如下步骤：

从计算的实时动态能量中，拟合得到非周期分量ΔW^D；

基于所述非周期分量ΔW^D随时间的变化斜率得到双馈风电机组耗散强度ΔE。

进一步地，若双馈风电机组耗散强度大于零，双馈风电机组对低频振荡系统呈现正阻尼，并且耗散强度越大，双馈风电机组对系统振荡的阻尼水平越大，耗散强度越小，双馈风电机组对系统振荡的阻尼越弱；

若双馈风电机组耗散强度为零，双馈风电机组对低频振荡没有阻尼作用；

若双馈风电机组耗散强度小于零，双馈风电机组对低频振荡呈现负阻尼水平。

进一步地，利用下述步骤得到锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律：

基于锁相环动态响应表达式和锁相环相角与双馈风机动态能量的映射关系表达式，得到含锁相环动态响应的双馈风电机组动态能量表达式；

基于所述动态能量表达式，得到锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型；

基于所述锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型得到锁相环耦合耗散强度和自由耗散强度与锁相环参数的关系；

根据所述关系，获得锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律。

进一步地，所述锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律为：

若锁相环未激发振荡模态，双馈风机的耗散强度恒为正值，且随Kp参数的增大而减小，随Ki参数的增大而增大；

若锁相环激发振荡模态，当锁相环激发的振荡频率与机电振荡频率一致时，双馈风机负耗散强度达到最大值；通过增大Kp参数或调整Ki参数远离

其中，Kp为锁相环比例增益系数；ω_m为机电振荡频率；Us为DFIG定子电压。

另一方面，提供一种双馈风电并网系统稳定性调整系统，包括数据采集模块、耗散强度计算模块、机网耦合分析模块、结果输出模块和稳定性调整模块；

所述数据采集模块用于采集双馈风电机组端口电压和电流数据，并将其传递给耗散强度计算模块；

所述耗散强度计算模块接收数据采集模块传递的数据，计算低频振荡期间双馈风电机组发出的动态能量，并提取其中的非周期分量，求取非周期分量的变化斜率即为耗散强度；

所述机网耦合分析模块用于评估机网耦合程度及双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平，并分析锁相环参数对耗散强度的作用机理；

所述结果输出模块用于输出双馈风电并网系统稳定水平及锁相环对稳定性的影响规律；

所述稳定性调整模块用于调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，使所述阻尼水平满足要求。

进一步地，所述耗散强度计算模块接收数据采集模块传递的数据，基于下式计算得到低频振荡期间双馈风电机组发出的动态能量：

其中：P_e为双馈风电机组出的有功功率；θ为xy轴与dq轴的夹角或表示风机锁相环的锁相角；U_d、U_q、I_d和I_q分别为双馈风电机组输出端口的电压和电流的dq轴分量。

进一步地，所述结果输出模块输出的所述影响规律为：

若锁相环未激发振荡模态，双馈风机的耗散强度恒为正值，且随Kp参数的增大而减小，随Ki参数的增大而增大；

若锁相环激发振荡模态，当锁相环激发的振荡频率与机电振荡频率一致时，双馈风机负耗散强度达到最大值；通过增大Kp参数或调整Ki参数远离

其中，Kp为锁相环比例增益系数；ω_m为机电振荡频率；Us为DFIG定子电压。

进一步地，所述机网耦合分析模块按照如下步骤得到锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律：

基于锁相环动态响应表达式和锁相环相角与双馈风机动态能量的映射关系表达式，得到含锁相环动态响应的双馈风电机组动态能量表达式；

基于所述动态能量表达式，得到锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型；

基于所述锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型得到锁相环耦合耗散强度和自由耗散强度与锁相环参数的关系；

根据所述关系，获得锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

1)本发明提供的双馈风电并网系统稳定性调整方法，通过采集双馈风电机组端口电压和电流数据，计算双馈风电机组端口实时动态能量，进而获得双馈风电机组耗散强度，整个计算过程中计算量小，能够在线实时监测动态能量变化，为后续稳定判别提供基础数据支撑；根据双馈风电机组耗散强度得到双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平，能够在线量化评估系统阻尼水平，实现及时的振荡稳定预警，并通过针对性调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，保障了电网的运行稳定性和安全性，整个调整过程更快捷、更高效、更科学。

2)本发明提供的双馈风电并网系统稳定性调整系统，机网耦合分析模块评估机网耦合程度及双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平，实现了机网耦合程度的定量分析，并揭示了锁相环参数对系统振荡发散的作用机理；结果输出模块能够输出双馈风电并网系统稳定裕度及机网耦合程度；稳定性调整模块基于锁相环对稳定性的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，实现了系统稳定性水平评估与参数调整的相互配合，能够快速实现将阻尼水平调整至满足系统稳定性要求，提升了系统的工作效率。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例一中的双馈风电并网系统稳定性调整方法流程图；

图2为实施例一和二中新英格兰10机39节点系统；

图3为实施例三中场景1双馈风机耗散强度随PLL控制参数变化图；

图4为实施例三中场景1自由和耦合耗散分量随PLL参数的变化图；

图5为实施例三中场景1不同PI参数下锁相角及G10功角振荡曲线；

图6为实施例三中场景1不同Ki参数下的风机耗散强度及其自由和强迫分量；

图7为实施例三中场景1不同Kp参数下的风机耗散强度及其自由和强迫分量；

图8为实施例三中场景1不同PLL控制参数下的G10功角振荡曲线；

图9为实施例三中场景1不同PLL控制参数下的锁相角振荡曲线；

图10为实施例三中场景2双馈风机耗散强度随PLL控制参数变化图；

图11为实施例三中场景2自由和耦合耗散分量随PLL参数的变化图；

图12为实施例三中场景2不同PI参数下锁相角及G10功角振荡曲线；

图13为实施例三中场景2双馈风机耗散强度随PLL控制参数变化图；

图14为实施例三中场景2自由和耦合耗散分量随PLL参数的变化图；

图15为实施例三中场景2不同PLL控制参数下的锁相角振荡曲线；

图16为实施例三中场景2不同PLL控制参数下的锁相角振荡曲线；

图17为实施例三中场景3双馈风机耗散强度随PLL控制参数变化图；

图18为实施例三中场景3自由和耦合耗散分量随PLL参数的变化图；

图19为实施例三中场景3不同PI参数下锁相角及G10功角振荡曲线；

图20为实施例三中场景3双馈风机耗散强度随PLL控制参数变化图；

图21为实施例三中场景3自由和耦合耗散分量随PLL参数的变化图；

图22为实施例三中场景3不同PLL控制参数下的锁相角振荡曲线。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

一种双馈风电并网系统稳定性调整方法，流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤一：在产生低频振荡的电网系统中采集双馈风电机组端口电压和电流数据，计算双馈风电机组端口实时动态能量；

步骤二：根据计算得到的实时动态能量，得到双馈风电机组耗散强度；

步骤三：根据双馈风电机组耗散强度评估得到双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平；

步骤四：基于锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，直至阻尼水平满足要求为止。

具体实施时，可通过重复步骤一到步骤三，判断阻尼水平是否满足要求。通过调整锁相环参数，提高阻尼水平，使系统快速稳定，保证了电网安全稳定的运行。

在步骤一中，在产生低频振荡的电网系统中采集双馈风电机组端口电压U和电流I_G信息，采样频率取整数个振荡周期，并将电压电流数据代入双馈风电机组动态能量模型表达式(式4)中，计算得出双馈风电机组端口实时动态能量。

其中，建立双馈风电机组动态能量模型过程如下：

基于节点电流方程可以实现电力系统能量函数的构造，对任意系统的节点电流方程取虚部并积分，可构造一种能量函数如式(2)所示。

I_in＝YU_B-I_G+I_L (1)

W_sum＝∫Im(((YU_B-I_G+I_L)^*)TdU_B) (2)

式中，Y为系统导纳矩阵，U_B为母线电压列向量，I_G和I_L分别为发电机节点注入电流和负荷节点注入电流列向量。Im(·)表示取复数的虚部。

式(2)中发电机部分能量可表示为：

由端口电压电流表示的机端能量模型具有通用性，但对于不同类型发电机由于其内部结构的差异可能导致能量函数的具体表达式不同。本专利考虑含双馈风电机组的电力系统，在dq坐标系下构建双馈风电机组的动态能量模型，如式(4)表示：

其中：P_e为双馈风电机组输出的有功功率；θ为xy轴与dq轴的夹角，亦可表示风机锁相环的锁相角；U_d、U_q、I_d和I_q分别为双馈风电机组输出端口的电压和电流的dq轴分量。

由于动态能量周期分量在单位振荡周期内的变化量为0，动态能量的耗散与产生主要由非周期分量决定。若非周期分量在T时间内变化量为正值，DFIG耗散动态能量，阻尼为正；若非周期分量在T时间内变化量为负值，DFIG发出动态能量，阻尼为负。

步骤二中，根据步骤一中计算得到的实时动态能量，得到双馈风电机组耗散强度。具体的，根据步骤一中获取的实时动态能量信息，线性拟合动态能量中的非周期分量，并计算非周期分量变化率，将将双馈风电机组动态能量的非周期分量变化斜率定义为耗散强度，记作：ΔE，其表达式为：

其中，ΔW^D为动态能量中拟合得出的非周期分量，Δt为单位时间变化。

步骤三中，根据双馈风电机组耗散强度ΔE评估双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平。具体的，当双馈风电机组耗散强度为正值时，即当ΔE＞0时，双馈风电机组对低频振荡系统呈现正阻尼，有助于系统振荡收敛，并且ΔE越大，双馈风电机组双馈风电机组对系统振荡的阻尼水平越大，ΔE越小，双馈风电机组对系统振荡的阻尼越弱。若双馈风电机组耗散强度为零，双馈风电机组对低频振荡无阻尼作用。当双馈风电机组耗散强度为负时，即ΔE＜0时，此时双馈风电机组对低频振荡系统呈现负阻尼水平，双馈风电机组向系统中持续注入动态能量，不利于系统稳定，且诱使系统振荡发散。

步骤四，基于锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，直至阻尼水平满足要求为止。

获取锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律的步骤为：基于锁相环动态响应表达式和锁相环相角与双馈风机动态能量的映射关系表达式，得到含锁相环动态响应的双馈风电机组动态能量表达式；基于所述动态能量表达式，得到锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型；基于所述锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型得到锁相环耦合耗散强度和自由耗散强度与锁相环参数的关系；根据所述关系，获得锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律。具体如步骤S401和S402：

步骤S401、解析锁相环参数与耗散强度的映射关系。

(1)推导锁相环相角与双馈风机端口动态能量的映射关系；

假设风电并网系统中出现ω_d频率的低频振荡，电流振荡分量幅值为I_n，双馈风机并网点电流dq轴分量表示为：

并网点电压dq轴分量和电流之间的关系式为：

由锁相环产生的输出功率误差可表示为：

其中，Δθ_s为DFIG并网点电压相角变化量，Δθ_pll为锁相环相角变化量，

为功率因数，Us为DFIG定子电压。

将式(6)、(7)、(8)代入式(5)中，可得锁相环相角与双馈风机动态能量的映射关系如式(9)所示。

其中，θ_s0为DFIG并网点电压相角变化量，θ_pll0为锁相环相角变化量。

(2)解析锁相环动态能量响应表达式；

锁相环动态方程可以表示为：

ω_{s_PLL}＝K_ix_PLL-K_pu_sq

其中：x_PLL为跟踪定子d轴电压的误差积累，u_sq为双馈风机定子q轴电压,θ_PLL表示观测到的定子电压矢量领先xy坐标中x轴的角度，ω_{s_PLL}为锁相环测得的dq标系旋转角速度，ω_n为电网频率，K_p和K_i为锁相环PI控制器参数，如图2所示。

根据锁相环的工作原理，风机定子q轴的定向电压为：

U_sq＝U_ssin(θ-θ_PLL) (10)

由于在小干扰时，θ-θ_PLL的值很小，故式(21)可近似为：

U_sq≈U_s(θ-θ_PLL) (11)

将式(11)代入锁相环动态方程，并进行线性化后，锁相环动态过程可以由二阶常系数微分方程表示：

受扰后风机并网点母线电压相角动态特性可表示为：

式中：Ω₀为母线电压相角的扰动初始幅值，r为母线电压相角的衰减系数，ω_m为机电振荡频率，

为扰动产生的相移。

对方程(12)进行求解可得锁相环的动态响应表达式为：

Δθ_pll＝Δθ_pll(1)+Δθ_pll(2)

Δθ_pll(2)＝e^rt(bcosω_mt+dsinω_mt) (13)

其中，Δθ_pll(1)为锁相环的自由响应，

和

分别为两个特征根，

和

为由锁相角初始值Δθ₀和转速初始值Δω₀决定的系数，Δθ_pll(2)为强迫响应，

为锁相环的振荡模态频率，

为该振荡模态的衰减系数。

(3)解析锁相环参数与耗散强度的映射关系。

将式(13)代入式(9)中，得到含锁相环动态响应的双馈风电机组动态能量表达式为：

式(14)中前两项均为与锁相环强迫响应Δθpll(2)相关的能量部分，反映双馈风机和系统间的能量耦合，记为机网耦合能量ΔW_couple；最后一项为仅与锁相环自由响应Δθpll(1)相关，反映PLL的固有阻尼作用，记为自由响应能量ΔWf_ree。这两部分能量的表达式为：

将式(15)代入式(5)中求解含锁相环参数的耗散强度表达式为：

其中，ΔE_couple为与耦合能量ΔW_couple对应的机网耦合耗散强度，反映机网耦合对低频振荡的阻尼水平；ΔE_free为与自由响应能量ΔW_free对应的自由耗散强度，反映机组自身阻尼水平。

步骤S402、根据锁相环参数与耗散强度的映射关系，揭示锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律。

由锁相环动态响应表达式(式13)可知，锁相环自由响应存在激发和未激发振荡模态两种情况。

第一种情况，当锁相环未激发振荡模态时，

Δθ_pll(2)＝e^rt(bcosω_mt+dsinω_mt)。此时，∫Δθ_sdΔθ_pll(1)为周期振荡分量，即Δθ_s和Δθ_pll(1)之间不存在耦合作用，双馈风机的机网耦合耗散强度仅受PLL强迫响应的影响。

此时耦合耗散强度和自由耗散强度表达式为：

其中，

B＝ω_m[2r-(r₁+r₂)]。

由于r,r₁,r₂<0，自由耗散强度ΔE_free恒大于0，且由于K_pU_s＝-(r₁+r₂)，K_iU_s＝r₁r₂，ΔE_free的值随K_p参数的增大而减小，随K_i参数的增大而增大。

耦合耗散强度ΔE_couple的正负主要受r和r₁+r₂的大小决定。当PLL控制参数满足r＞r₁+r₂时，ΔE_couple＞0，机网耦合呈现正阻尼，其值随K_p参数的增大而减小，随K_i参数的增大而增大；当PLL控制参数满足0＞r＞r₁+r₂时，ΔE_couple＜0，机网耦合呈现负阻尼作用，但此时

自由耗散占主导作用，总耗散强度为正，双馈风机对系统呈现正阻尼作用。

由上述分析可知，当锁相环未激发振荡模态时，双馈风机的耗散强度恒为正值，且随K_p参数的增大而减小，随K_i参数的增大而增大，此种PLL参数设置下，双馈风电机组能够较好的阻尼系统侧振荡产生的强迫和自由响应。

第二种情况，当锁相环激发的振荡频率β≠ω_m时，Δθ_pll(1)＝e^αt(C₁cosβt+C₂sinβt)，Δθ_s和Δθ_pll(1)之间呈现弱耦合作用，此时耦合耗散强度和自由耗散强度之和恒为正值。当锁相环振荡模态频率β与机电振荡频率ω_m接近时，Δθ_s和Δθ_pll(1)产生耦合耗散强度表达式为：

其中，ΔE_couple2为由Δθ_s和Δθ_pll(1)耦合新增的耗散强度，Δω₀为锁相环转速变化初始值，Δδ₀为锁相角变化初始值。

当锁相环呈弱阻尼，即0＞α＞＞r时，耦合耗散强度简化为：

由于锁相环受扰后Δω₀,Δδ₀＜0，ΔE_couple2＜0，此时，Δθ_s和Δθ_pll(1)之间的耦合将恶化双馈风电机组的阻尼作用。当α和r均保持不变时，改变K_i参数调整锁相环的振荡模态频率β向ω_m变化，当β＝ω_m时，ΔE_couple2达到极小值，双馈风电机组负耗散强度达到最大，向系统中持续注入动态能量，此时机网产生的共振作用等效为强迫振荡源向电网中传播，诱使系统振荡发散。

ΔE_couple2极小值表达式可表示为：

当双馈风电机组与系统强耦合时，其耦合耗散强度随α的增大而减小，即增大K_p参数，可提升PLL自由响应的阻尼水平，并提高ΔE_couple2的极小值，降低双馈风机对系统振荡的发散作用。

由上述分析可知，当锁相环激发振荡模态时，PLL自由响应Δθ_pll(1)和系统振荡Δθ_s之间的耦合作用将引入负耗散强度项，尤其在两者在频率相等发生共振，且PLL呈现弱阻尼时，负耗散强度达到极小值，此时双馈风机放大系统振荡，并等效为强迫振荡源向电网中注入动态能量，恶化系统阻尼水平。也就是说，若锁相环激发振荡模态，当锁相环激发的振荡频率与机电振荡频率一致时，双馈风机负耗散强度达到最大值；通过增大K_p参数或调整K_i参数远离

也即调整锁相环激发的振荡频率远离机电振荡频率，其中，Kp为锁相环比例增益系数；ω_m为机电振荡频率；Us为DFIG定子电压。当

时，锁相环激发的振荡频率等于机电振荡频率，两者发生共振，双馈风机负耗散强度达到最大值。

步骤S403、在获取双馈风电机组阻尼水平的影响规律后，基于锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，使产生低频振荡的系统振荡收敛，直至阻尼水平满足要求为止。

基于步骤S402中对锁相环自由响应存在的激发和未激发振荡模态两种情况分析，得到锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律：第一种情况，当锁相环参数满足

时，锁相环不激发振荡模态，机网间不存在振荡模态耦合，此时双馈风电机组对低频振荡呈现正阻尼，且减小K_p参数或增大K_i参数均可能增大双馈风电机组耗散强度，提升系统稳定性；第二种情况，当锁相环参数满足

时，锁相环激发振荡模态，机网间可能出现振荡模态耦合，此时增大K_p参数或调整K_i参数使得锁相环振荡模态远离系统振荡模态均将有利于提升双馈风机对低频振荡的阻尼作用。

综上，调整锁相环参数提高双馈风电机组阻尼水平的过程为：在系统中产生低频振荡时，优先将锁相环参数调整至

即锁相环未激发振荡模态场景下，此时耗散强度ΔE＞0，双馈风电机组对系统振荡呈现正阻尼作用，有利于系统稳定，该场景下增大K_i参数或减小K_p参数，均能提升系统阻尼水平，加快振荡收敛。当锁相环参数受限于

时，即锁相环激发振荡模态场景下，增大K_p参数，或调整K_i参数使锁相环激发的振荡频率远离机电振荡频率，直至ΔE由ΔE≤0变为ΔE＞0，有助于提升系统稳定水平，抑制振荡发散。

与现有技术相比，本实施例提供的双馈风电并网系统稳定性调整方法，提出了基于耗散能量的双馈风机并网系统低频振荡分析方法，构建了含锁相环的双馈风电机组耗散能量模型，并据此分析了含锁相环的风电机组与电网间的交互作用。与传统分析方法相比，本发明无需求取系统中所有机组的状态变量，仅从风机本身出发，通过机网耦合耗散强度，能准确量化机网间的耦合程度，评估机网耦合对风机的阻尼作用，并能够准确揭示了强耦合下机网能量交互诱使系统振荡发散的物理过程。通过采集双馈风电机组端口电压和电流数据，计算双馈风电机组端口实时动态能量，进而获得双馈风电机组耗散强度，整个计算过程中计算量小，能够在线实时监测动态能量变化，为后续稳定判别提供基础数据支撑；根据双馈风电机组耗散强度得到双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平，能够在线量化评估系统阻尼水平，实现及时的振荡稳定预警，并通过针对性调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，保障了电网的运行稳定性和安全性，整个调整过程更快捷、更高效、更科学。

实施例二

本发明的一个具体实施例，公开了一种双馈风电并网系统稳定性调整系统，包括数据采集模块、耗散强度计算模块、机网耦合分析模块、结果输出模块和稳定性调整模块；所述数据采集模块用于采集双馈风电机组端口电压和电流数据，并将其传递给耗散强度计算模块；所述耗散强度计算模块接收数据采集模块传递的数据，计算低频振荡期间双馈风电机组发出的动态能量，并提取其中的非周期分量，求取非周期分量的变化斜率即为耗散强度；所述机网耦合分析模块用于评估机网耦合程度及双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平，并分析锁相环参数对耗散强度的作用机理；所述结果输出模块用于输出双馈风电并网系统稳定水平及锁相环对稳定性的影响规律；所述稳定性调整模块用于调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，使所述阻尼水平满足要求。

其中，所述耗散强度计算模块接收数据采集模块传递的数据，基于下式计算得到低频振荡期间双馈风电机组发出的动态能量：

其中：P_e为双馈风电机组出的有功功率；θ为xy轴与dq轴的夹角或表示风机锁相环的锁相角；U_d、U_q、I_d和I_q分别为双馈风电机组输出端口的电压和电流的dq轴分量。

其中，所述结果输出模块输出的所述影响规律为：若锁相环未激发振荡模态，双馈风机的耗散强度恒为正值，且随K_p参数的增大而减小，随K_i参数的增大而增大；若锁相环激发振荡模态，当锁相环激发的振荡频率与机电振荡频率一致时，双馈风机负耗散强度达到最大值；通过增大K_p参数或调整K_i参数能够调整锁相环激发的振荡频率远离机电振荡频率变化，即通过增大Kp参数或调整Ki参数远离

其中，Kp为锁相环比例增益系数；ω_m为机电振荡频率；Us为DFIG定子电压。

其中，所述机网耦合分析模块按照如下步骤得到锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律：基于锁相环动态响应表达式和锁相环相角与双馈风机动态能量的映射关系表达式，得到含锁相环动态响应的双馈风电机组动态能量表达式；基于所述动态能量表达式，得到锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型；基于所述锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型得到锁相环耦合耗散强度和自由耗散强度与锁相环参数的关系；根据所述关系，获得锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律。

与现有技术相比，本实施例提供的双馈风电并网系统稳定性调整系统，机网耦合分析模块评估机网耦合程度及双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平，实现了机网耦合程度的定量分析，并揭示了锁相环参数对系统振荡发散的作用机理；结果输出模块能够输出双馈风电并网系统稳定裕度及机网耦合程度；稳定性调整模块基于锁相环对稳定性的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，实现了系统稳定性水平评估与参数调整的相互配合，能够快速实现将阻尼水平调整至满足系统稳定性要求，提升了系统的工作效率。由于本实施例提供的系统与实施例一提供的方法实施例原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。

实施例三

以如图2所示的新英格兰10机39节点系统为例，考虑本发明在不同场景的适用性，分别设置三相瞬时短路、负荷功率波动以及强迫振荡三种仿真场景，场景参数设置如表1所示。

表1仿真场景参数设置

新英格兰该系统可分为4大区域，其中，区域1由G1组成，区域2由G2、G3组成，区域3由G4-G7组成，区域4由G8-G10组成。将区域1中同步发电机G1以等容量的含虚拟惯量控制的双馈风电机组组成的风电场代替，即BUS39处接入由1000台额定容量为1.5MW的双馈风电机组构成的风电场。

运行耗散强度分析模块，运行结果为：

1)场景1

(1)锁相环未激发振荡模式时

当锁相环未激发振荡模式时，不同控制参数下双馈风电机组的耗散强度变化趋势如图3所示。此时双馈风机的耗散强度均为正值，且随K_i参数的增大而增大，随K_p参数的增大而减小，双馈风电机组对系统低频振荡呈现正阻尼作用。

进一步分析双馈风电机组的耗散强度中的组成分量变化情况。耦合耗散强度和自由耗散强度随锁相环参数的变化如图4所示。在图4(a)中，当K_i<1.3时，出现0＞r＞r₁+r₂，此时ΔE_couple＜0，但是由于自由耗散强度占主导作用，ΔE_free＞ΔE_couple，双馈风电机组整体呈现正耗散作用，随着K_i参数的增大，ΔE_couple＞0，且ΔE_free，ΔE_couple均随K_i参数的增大而增大。在图4(b)中，ΔE_free，ΔE_couple均大于0，且随K_p参数的增大而减小。

通过时域仿真对比四组控制参数下锁相环和同步机功角曲线，如图5所示。当锁相环未激发振荡模态时，Δθ_pll(1)中的振荡分量主要由强迫响应决定，其振荡频率与系统机电振荡频率一致。当增大锁相环K_i参数时，Δθ_pll(1)的振荡幅值减小，系统侧功角振荡有小幅度降低；当增大锁相环K_p参数时，Δθ_pll(1)的振荡幅值增大，双馈风电机组对系统低频振荡的阻尼降低，系统侧功角振荡略微增大，但整体呈现正阻尼水平。

(2)锁相环激发振荡模式时

当锁相环激发振荡模式时，由于K_i参数的变化将影响机网间的耦合作用，本发明首先分析锁相环弱阻尼情况下(K_p＝0.1)，不同K_i参数下的双馈风电机组耗散强度变化，如图6所示。

在图6(a)中，随着K_i参数的不断增大，PLL的振荡频率逐渐向机电振荡频率0.7201Hz靠近，风机的耗散强度由原来的正值逐渐下降为负值，在机电振荡频率附近，双馈风机耗散强度达到极小值。耗散强度主导的两个分量如图6(b)所示。风机自由耗散强度随着K_i参数的增加逐渐减少，耦合耗散强度在机电振荡频率处出现最低值，此时风机与电网呈现强耦合，双馈风电机组持续向电网注入动态能量，放大系统振荡，恶化系统阻尼。

双馈风电机组耗散强度极小值随K_p的变化曲线如图7所示。在K_p较小，PLL呈现弱阻尼状态时，风机耗散强度为负值；随着K_p逐渐增大，PLL振荡模式阻尼增强，双馈风电机组耗散强度逐渐增大变为正值。耗散强度构成分量如图7(b)所示。耦合耗散强度和自由耗散强度均随K_p的增大而减小，当K_p>0.3时，两者之和大于0，此时虽然机网间产生共振，系统低频振荡被放大，但双馈风电机组对系统振荡仍呈现正阻尼，不会诱使系统发散。

为验证上述结论的正确性，本发明分别针对K_p＝0.1,0.3，0.6，K_i＝20以及K_p＝0.1，K_i＝17,20,26这六组数据进行时域仿真，锁相角和G10的功角曲线分别如图8和图9所示。K_i＝20，K_p＝0.1时，机网耦合产生共振，且PLL呈现弱阻尼系统出现振荡失稳，随着K_p的增大，系统和锁相环振荡逐渐衰减收敛至稳定。当PLL维持弱阻尼水平，增大K_i参数，使得β逐渐接近ω_m，机网发生共振，锁相环逐渐呈现等幅振荡，同步机功角间振荡初期有短暂收敛过程，但由于DFIG持续注入振荡分量，功角振荡发展成等幅振荡，系统失稳；当β远离ω_m时，机网耦合降低，系统振荡收敛。

2)场景2

(1)锁相环未激发振荡模式时

图10描绘的是当锁相环未激发振荡模态时，双馈风电机组耗散强度随控制参数的变化情况。双馈风电机组耗散强度恒为正值，且随K_i的增大而增大，随K_p的增大而减小，说明此种参数情况下，双馈风电机组对系统振荡呈现正阻尼作用。

耦合耗散和自由耗散强度分量随控制参数的变化如图11所示。耦合耗散强度和自由耗散强度恒大于0，且耦合耗散占主导地位，这是由于在此场景下，PLL的强迫响应分量远大于自由响应分量。两种耗散强度均随K_i的增大而增大，随K_p的增大而减小。

在K_p＝45，K_i＝2,4以及K_p＝30,50，K_i＝4这四组控制参数下的锁相角和G8功角曲线如图12所示。此种场景下，锁相角响应曲线受强迫响应主导，其振荡趋势与系统侧振荡相近。当K_i参数增大时，双馈风电机组阻尼增大，PLL振荡幅值降低，G8的功角振荡也有略微收敛。当K_p参数增大时，双馈风机阻尼降低，PLL和G8功角振荡幅值均增大，但整体阻尼仍为正值，系统最终收敛至稳定。根据该时域仿真结果可以验证本发明的正确性和有效性。

(2)锁相环激发振荡模式时

当锁相环激发振荡模式时，双馈风电机组耗散强度随控制参数变化趋势如图13所示。从图中可以明显看出，当K_i＝46时，双馈风电机组耗散强度存在极小值，且该值随K_p参数的增大而增大。

双馈风电机组耦合耗散和自由耗散分量如图14所示。在图14(a)中，自由耗散强度恒为正值，耦合耗散强度为负值，且在K_i＝46处存在极小值。由于PLL的强迫响应大于自由响应，在此种场景下，耦合耗散强度占主导作用，两者之和为负值，双馈风电机组持续向系统注入动态能量，恶化阻尼水平。在图14(b)中，随着K_p参数的增大，自由耗散强度和耦合耗散强度均增大，直到K_p>0.56时，两者之和变为正值，此时双馈风电机组阻尼转为正值，系统由失稳变为稳定。

本发明分别在K_p＝0.1,0.3,0.5，K_i＝46以及K_p＝0.1，K_i＝40,46,50这六组参数下进行时域仿真，锁相角和G8功角曲线如图15和图16所示。当K_i＝46，且PLL呈现弱阻尼时，机网耦合共振使得系统侧和锁相环内出现等幅振荡，随着K_p不断增大，双馈风机对共振的阻尼逐渐增大，振荡逐渐收敛。通过改变K_i参数，改变β和ω_m的距离，当β和ω_m越接近，随着锁相环振荡的发散，同步机功角振荡也呈现等幅振荡趋势，当β远离ω_m时，机网耦合降低，共振减弱，双馈风机对振荡阻尼作用增大。

3)场景3

(1)锁相环未激发振荡模式时

当系统中出现强迫振荡时，双馈风机将持续向系统吸收振荡能量。锁相环未激发振荡模式时，双馈风机耗散强度随锁相环参数的变化情况如图17所示。其变化规律与前两种场景类似，且恒为正值。

自由和耦合耗散强度分量随控制参数变化如图18所示，在此场景下，自由耗散强度和耦合耗散强度均为正值，但双馈风电机组的自由耗散占主导地位，两者均随K_i的增大而增大，随K_p的增大而减小。

不同控制参数下的锁相角和Bus39母线电压相角时域仿真图如图19所示。当K_i参数增大时，锁相角振荡幅值减小，当K_p参数增大时，锁相角振荡幅值增大，Bus39电压相角虽然也有类似的变化规律，但由于此时机网耦合程度相对较小，其变化幅值较小。

(2)锁相环激发振荡模式时

当锁相环激发振荡模式时，随着β向ω_m的接近，锁相环与系统产生共振，此时双馈风电机组作为振荡源，向系统中注入振荡能量，耗散强度变为负值，且在二者频率相等时达到极小值。双馈风电机组耗散强度随PLL控制参数变化如图20所示。

图21示出了自由和耦合耗散强度随锁相环控制参数变化的情况。可以明显看出，当β向ω_m接近时，耦合耗散强度急剧减小变为负值，此时双馈风机向系统中注入振荡能量，并在两者相等时注入的振荡能量达到最大值，该极值随K_p的增大不断增大。

此场景下的锁相角时域仿真曲线如图22所示。随着K_p参数的增加，锁相角等幅振荡幅值逐渐下降；当K_i＝10.6时，即锁相环振荡模态频率与系统频率相等时，双馈风机与系统产生共振放大系统振荡幅值，双馈风机阻尼变为负值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双馈风电并网系统稳定性调整方法，其特征在于，包括如下步骤：

在产生低频振荡的电网系统中采集双馈风电机组端口电压和电流数据，计算双馈风电机组端口实时动态能量；

根据计算得到的实时动态能量，得到双馈风电机组耗散强度；

根据双馈风电机组耗散强度评估得到双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平；

基于锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律，调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，直至所述阻尼水平满足要求为止。

2.根据权利要求1所述的双馈风电并网系统稳定性调整方法，其特征在于，计算双馈风电机组端口实时动态能量采用以下模型：

其中：P_e为双馈风电机组出的有功功率；θ为xy轴与dq轴的夹角或表示风机锁相环的锁相角；U_d、U_q、I_d和I_q分别为双馈风电机组输出端口的电压和电流的dq轴分量。

3.根据权利要求1所述的双馈风电并网系统稳定性调整方法，其特征在于，根据计算的实时动态能量，得到双馈风电机组耗散强度，包括如下步骤：

从计算的实时动态能量中，拟合得到非周期分量ΔW^D；

基于所述非周期分量ΔW^D随时间的变化斜率得到双馈风电机组耗散强度ΔE。

4.根据权利要求1-3任一所述的双馈风电并网系统稳定性调整方法，其特征在于，若双馈风电机组耗散强度大于零，双馈风电机组对低频振荡系统呈现正阻尼，并且耗散强度越大，双馈风电机组对系统振荡的阻尼水平越大，耗散强度越小，双馈风电机组对系统振荡的阻尼越弱；

若双馈风电机组耗散强度为零，双馈风电机组对低频振荡没有阻尼作用；

若双馈风电机组耗散强度小于零，双馈风电机组对低频振荡呈现负阻尼水平。

5.根据权利要求1所述的双馈风电并网系统稳定性调整方法，其特征在于，利用下述步骤得到锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律：

基于锁相环动态响应表达式和锁相环相角与双馈风机动态能量的映射关系表达式，得到含锁相环动态响应的双馈风电机组动态能量表达式；

基于所述动态能量表达式，得到锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型；

基于所述锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型得到锁相环耦合耗散强度和自由耗散强度与锁相环参数的关系；

根据所述关系，获得锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律。

6.根据权利要求5所述的双馈风电并网系统稳定性调整方法，其特征在于，所述锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律为：

若锁相环未激发振荡模态，双馈风机的耗散强度恒为正值，且随锁相环比例增益系数Kp参数的增大而减小，随锁相环积分增益系数Ki参数的增大而增大；

若锁相环激发振荡模态，当锁相环激发的振荡频率与机电振荡频率一致时，双馈风机负耗散强度达到最大值；通过增大Kp参数或调整Ki参数远离

其中，Kp为锁相环比例增益系数；ω_m为机电振荡频率；Us为DFIG定子电压；Ki为锁相环积分增益系数。

7.一种双馈风电并网系统稳定性调整系统，其特征在于，包括数据采集模块、耗散强度计算模块、机网耦合分析模块、结果输出模块和稳定性调整模块；

所述数据采集模块用于采集双馈风电机组端口电压和电流数据，并将其传递给耗散强度计算模块；

所述耗散强度计算模块接收数据采集模块传递的数据，计算低频振荡期间双馈风电机组发出的动态能量，并提取其中的非周期分量，求取非周期分量的变化斜率即为耗散强度；

所述机网耦合分析模块用于评估机网耦合程度及双馈风电机组对低频振荡的阻尼水平，并分析锁相环参数对耗散强度的作用机理；

所述结果输出模块用于输出双馈风电并网系统稳定水平及锁相环对稳定性的影响规律；

所述稳定性调整模块用于调整锁相环参数，提高双馈风电机组的阻尼水平，使所述阻尼水平满足要求。

8.根据权利要求7所述的双馈风电并网系统稳定性调整系统，其特征在于，所述耗散强度计算模块接收数据采集模块传递的数据，基于下式计算得到低频振荡期间双馈风电机组发出的动态能量：

其中：P_e为双馈风电机组出的有功功率；θ为xy轴与dq轴的夹角或表示风机锁相环的锁相角；U_d、U_q、I_d和I_q分别为双馈风电机组输出端口的电压和电流的dq轴分量。

9.根据权利要求8所述的双馈风电并网系统稳定性调整系统，其特征在于，所述结果输出模块输出的所述影响规律为：

若锁相环未激发振荡模态，双馈风机的耗散强度恒为正值，且随锁相环比例增益系数Kp参数的增大而减小，随锁相环积分增益系数Ki参数的增大而增大；

若锁相环激发振荡模态，当锁相环激发的振荡频率与机电振荡频率一致时，双馈风机负耗散强度达到最大值；通过增大Kp参数或调整Ki参数远离

其中，Kp为锁相环比例增益系数；ω_m为机电振荡频率；Us为DFIG定子电压；Ki为锁相环积分增益系数。

10.根据权利要求8所述的双馈风电并网系统稳定性调整系统，其特征在于，所述机网耦合分析模块按照如下步骤得到锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律：

基于锁相环动态响应表达式和锁相环相角与双馈风机动态能量的映射关系表达式，得到含锁相环动态响应的双馈风电机组动态能量表达式；

基于所述动态能量表达式，得到锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型；

基于所述锁相环机网耦合能量模型和自由响应能量模型得到锁相环耦合耗散强度和自由耗散强度与锁相环参数的关系；

根据所述关系，获得锁相环参数对双馈风电机组阻尼水平的影响规律。

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