CN110425092B - 一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统及方法，属于风力发电系统技术领域，解决了现有针对系统受扰后激发多振荡模态的情况下难以准确定位振荡源机组的难题。该方法包括以下步骤：采集系统各机组输出端口的电压和电流信息，获得各发电机组的动态能量随时间变化曲线；将呈上升趋势的曲线对应的发电机组作为备选机组；获取并处理备选机组中同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱和/或含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱，将主导振荡模态最大的机组作为振荡源参考机组；计算其余每一备选机组与振荡源参考机组的能量频谱相似度系数，确定振荡源机组。本发明实现了系统受扰后激发多振荡模态的情况下振荡源机组的准确定位。

Description

一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统技术领域，尤其涉及一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统及方法。

背景技术

虚拟惯量作为双馈风电机组的附加控制环节，虽可在一定程度上改善系统的惯量和频率响应特性，但也打开了双馈风电机组在扰动下与系统功率互通的通道，加强了机网间的耦合作用：虚拟惯量会降低风电并网系统的阻尼水平，诱使双馈风电机组参与的振荡模态呈现弱阻尼，系统受扰后易振荡发散失稳。另一方面，系统振荡过程中，除了主导振荡模态还可能激发其余弱阻尼振荡模态，多振荡模态相耦合使得系统振荡波形中的频率分量更为复杂，主导振荡源机组难以被准确定位。因此，为保障风电并网系统受扰后的稳定水平，对主导模态下的振荡源机组进行准确定位已成为亟待解决的关键问题。

目前，电力系统低频振荡扰动源定位已逐渐成为国内外众多专家和学者研究的热点。然而，现有振荡源定位的研究主要针对传统电力系统，均未考虑含虚拟惯量的风电并网系统受扰产生多振荡模态耦合的影响，难以区分主导振荡模态和非主导振荡模态的振荡源机组，无法准确定位系统振荡源。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统及方法，用以解决针对系统受扰后激发多振荡模态的情况下难以准确定位振荡源机组的难题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位方法，包括以下步骤：

步骤1：采集系统各机组输出端口的电压和电流信息，获得各发电机组的动态能量随时间变化曲线；

步骤2：将所述动态能量随时间变化曲线中呈上升趋势的曲线对应的发电机组作为备选机组；

步骤3：获取备选机组中同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱和/或含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱；

步骤4：对所述能量频谱和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，将主导振荡模态最大的机组作为振荡源参考机组；

步骤5：在振荡源参考机组的主导振荡模态±0.3Hz频段下，计算其余每一备选机组与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数，根据相似度系数大小确定振荡源机组。

进一步地，所述步骤1中，通过下式得到各发电机组的动态能量，以便获得各发电机组的动态能量随时间变化曲线：

其中：P_e为各机组输出有功功率；δ为xy轴与dq轴的夹角，当该发电机组为同步机组时，δ为机组的功角；当该机组为含锁相环双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；当该机组为含虚拟惯量的双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；U_d、U_q、I_d和I_q分别为各机组输出端口的电压和电流的d、q轴分量。

进一步地，所述步骤3包括，将各发电机组的动态能量在时域上进行傅里叶分解，得到频率成分f(k)对应的能量幅值A(k)，k＝1,2,3,4,…,N/2，N为离散信号的长度；

同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱均为A(k)；

含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱为A(k)/f²(k)。

进一步地，还包括对所述能量频谱的幅值和/或类能量频谱的幅值进行归一化处理后，再对归一化后的所述能量频谱和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理；所述归一化处理的计算公式为：

其中，S(k)为各频率对应的能量频谱幅值，同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱幅值S(k)＝A(k)，含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱幅值S(k)＝A(k)/f²(k)，

为能量频谱幅值的平均值，N为频率个数，S'(k)为归一化处理后的能量频谱幅值。

进一步地，步骤4中，对0.1Hz-2.5Hz频段上所有归一化后的能量频谱幅值和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，得到每台机组各振荡模态能量频谱幅值和/或类能量频谱的幅值对相应机组所有能量频谱幅值之和的占比，所述占比最大的机组为振荡源参考机组。

进一步地，步骤5中，通过下式计算其余每一备选机组与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数：

其中，x，y分别为主导振荡模态±0.3Hz频段下两个机组的能量频谱数据，r为计算得出的相似度系数。

进一步地，步骤5中，当与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数大于等于0.7±0.05时，将该机组确定为振荡源机组。

另一方面，提供一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统，其特征在于，包括数据采集模块、动态能量计算模块、能量频谱分析模块和结果输出模块；

所述数据采集模块用于采集系统各机组输出端口的电压和电流信息，并将其传递给动态能量计算模块；

所述动态能量计算模块接收数据采集模块传递的数据，计算各发电机组的动态能量随时间变化趋势，并将其传递给能量频谱分析模块；

所述能量频谱分析模块接收各机组输出端口的动态能量数据，进行能量频谱计算，并通过对比各机组与参考振荡源机组能量频谱的相似度，定位系统振荡源；

所述结果输出模块用于输出主导振荡模态及对应的系统振荡源机组。

进一步地，所述动态能量计算模块利用下述公式计算各发电机组的动态能量随时间变化曲线：

其中：P_e为各机组输出有功功率；δ为xy轴与dq轴的夹角，当该发电机组为同步机组时，δ为机组的功角；当该机组为含锁相环双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；当该机组为含虚拟惯量的双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；U_d、U_q、I_d和I_q分别为各机组输出端口的电压和电流的d、q轴分量。

进一步地，所述能量频谱分析模块的工作过程为：

将所述动态能量随时间变化曲线中呈上升趋势的曲线对应的发电机组作为备选机组；

获取备选机组中同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱和/或含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱；

对所述能量频谱和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，将主导振荡模态最大的机组作为振荡源参考机组；

在振荡源参考机组的主导振荡模态±0.3Hz频段下，计算其余每一备选机组与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数，根据相似度系数大小确定振荡源机组。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果之一：

1)本发明提供的基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位方法，通过测量机组端口的电压、电流信息，实时监测振荡过程中各发电机组的动态能量随时间变化曲线，初步确定备选机组，实现系统阻尼的在线评估以及振荡分量传导路径的在线追踪；通过比较振荡模态临近频段下，不同机组端口的动态能量频谱相似度，能够避免非主导振荡模态对振荡源定位的影响，实现复杂系统工况下主导振荡源机组的快速、准确识别，有助于及时隔离故障机组，抑制振荡的发展和发散，保障系统的安全稳定运行。

2)本发明提供的基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统，所述能量频谱分析模块接收各机组输出端口的动态能量数据，进行能量频谱计算，并通过对比各机组与参考振荡源机组能量频谱的相似度，能够快速、准确的识别并定位出系统振荡源，实现了在线识别振荡源，为系统稳定安全运行提供有力的保障。

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为实施例中基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位方法流程图；

图2为实施例中锁相环模型；

图3为实施例中典型虚拟惯量控制框图；

图4为实施例中含双馈风电机组的互联系统模型；

图5为实施例中新英格兰10机39节点系统；

图6为实施例中各发电机组动态能量变化曲线；

图7为实施例中备选机组能量频谱；

图8为实施例中各机组能量频谱相似度柱状图。

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。

本发明涉及一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位方法，该方法是基于振荡源机组的频谱特征是主导振荡模态远大于非主导振荡模态这一理论支撑实现的。为了便于理解本申请的技术方案，先通过以下理论分析，详细阐述振荡源机组的频谱特征是主导振荡模态远大于非主导振荡模态，具体分析过程如下：

步骤S1、建立含虚拟惯量及锁相环控制环节的双馈风电机组动态能量模型。

锁相环模型动态方程可以表示为：

ω_{s_PLL}＝K_{I_PLL}x_PLL-K_{P_PLL}u_sd

式中：x_PLL为跟踪定子d轴电压的误差积累，u_sd为双馈风机定子d轴电压,δ_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。

虚拟惯量控制模型可以表示为：

式中：x_ω为引入的中间变量；f_meas为系统频率测量值，可由锁相环测得，即

根据系统频率偏差，通过虚拟惯量控制释放出的有功功率变化量P_vir的数学表达式为：

其中，K_ω为虚拟惯量控制的比例参数，K_ω>0。

引入虚拟惯量控制后，转子变流器的有功参考值P_ref随系统频率的变化进行相应调整。由虚拟惯量引起的双馈风电机组定子侧有功功率变化值ΔP_s为：

基于节点电流方程的系统能量函数构建方法，对节点电压U_B、发电机注入电流I_G及负荷电流I_L沿系统轨迹积分得到系统的能量：

W＝∫I_m(((YU_B-I_G+I_L)^*)^TdU_B) (1)

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。I_m表示取复数的虚部。

取系统能量中的发电机部分能量，并将节点电压、节点电流值进行dq变换，结合发电机转子运动方程，得到机端动态能量表达式：

其中：P_e为各机组输出有功功率；δ为xy轴与dq轴的夹角，当该发电机组为同步机组时，δ为机组的功角；当该机组为含锁相环双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；当该机组为含虚拟惯量的双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；U_d、U_q、I_d和I_q分别为各机组输出端口的电压和电流的dq轴分量。

考虑到直接测量的电气量中包含与振荡无关的稳态分量，由式(1)得到的动态能量无法准确反映振荡中能量的累积过程。为滤除能量稳态分量的影响，利用电气量的变化量计算振荡过程中产生的动态能量为：

式(3)中各机组风机端口动态能量分为两部分：

ΔW₁＝-∫ΔP_edΔδ_pll (4)

其中：ΔW₁部分为锁相环产生的能量，ΔW₂部分为网侧线路产生的能量。

虚拟惯量将锁相环输出的频率值作为输入，通过改变定子输出有功功率实现系统惯量支撑。因此，虚拟惯量主要对式(4)中ΔW₁产生影响，将含虚拟惯量的有功功率变化量代入式(4)中，可得含虚拟惯量的ΔW₁表达式为：

式(5)中ΔW₂主要由线路参数决定。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轴分量可分别表示为：

并网点电压和电流的dq轴分量之间的关系可表示为：

将式(7)和式(8)代入式(5)中可得：

由式(9)可知，线路产生的动态能量为恒定值，不包含周期分量，且不影响动态能量的上升和下降趋势。因此，低频振荡过程中，双馈风电机组的动态能量主要受锁相环和虚拟惯量影响。

步骤S2、根据式(6)得出的含虚拟惯量的双馈风电机组动态能量表达式，推导含虚拟惯量及锁相环的双馈风电机组作为振荡源和非振荡源时的能量频谱，并分析其能量频谱特征，具体过程如下：

步骤S201、构建含双馈风电机组的互联电力系统模型。

对互联系统而言，低频振荡存在两种振荡模式，分别为局部振荡模式和区域间振荡模式。这两种振荡模式均可用两个机群间的相对振荡来表示。因此，本发明以等值的三机系统为例，进行能量频谱的理论推导，系统结构图如图4所示。其中，G3为参考机群。系统受扰后，G1和G3间产生的振荡模态为ω₁，且为主导振荡模态，G1为振荡源机群；G2和G3间产生的振荡模态为ω₂，为非主导振荡模态，G2为非振荡源机群；母线4的电压相角产生的振荡分量为Δθ₄＝asinω₁t+bsinω₂t，且a＞b。

步骤S202、推导同步机组、含锁相环双馈风电机组以及含虚拟惯量的双馈风电机组作为振荡源和非振荡源时的能量频谱。

(1)同步机作为振荡源时的能量频谱表达式为：

其中，C₁、C₂、M₁、N₁、M₂和N₂分别为G1功角振荡的幅值分量系数，

其中，K_D、K_s、K_N分别为：

(2)同步机作为非振荡源时的能量频谱表达式为：

其中，G₀、H₀、G₁、H₁、G₂和H₂分别为G2功角振荡的幅值分量系数。

其中，K_D2、K_s2、K_N2分别为：

(3)含锁相环双馈风电机组作为振荡源时的能量频谱表达式为：

其中，A₀、B₀、A₁、B₁、A₂和B₂的表达式分别为：

(4)含虚拟惯量双馈风电机组作为振荡源时的能量频谱表达式为：

步骤S203、分析同步机组、含锁相环双馈风电机组以及含虚拟惯量的双馈风电机组作为振荡源和非振荡源时的能量频谱特征。

同步机振荡源能量频谱中，由于

与

成正比，数量级较大，而K_D1的数量级较小，因此

此时振荡源机组G1的频谱满足

即主导频率分量的能量幅值远大于非主导频率分量的能量幅值。

同步机非振荡源机组能量频谱满足

即主导频率分量可能接近或小于非主导频率分量。

含锁相环的双馈风电机组为振荡源时，其能量频谱与作为振荡源的同步机能量频谱类似，即主导频率分量远大于其他频率分量。当双馈风电机组为非振荡源时，其能量频谱与同步机非振荡源能量频谱类似，与振荡源机组能量频谱具有明显区别。

虚拟惯量的引入会改变风电机组的能量频谱，即在各能量分量幅值上引入频率系数

无法直接判断主导振荡模态和非主导振荡模态的大小。因此，本发明构建类能量频谱，以消除虚拟惯量引入的频率系数的影响。双馈风电机组的类能量频谱

可表示为：

含虚拟惯量的双馈风电机组类能量频谱与含锁相环的双馈风电机组能量频谱特征一致，因此，含锁相环和虚拟惯量的双馈风电机组振荡源与非振荡源之间的类能量频谱有明显区别。

根据上述能量频谱分析可知，振荡源机组的能量频谱特征为：主导振荡模态能量幅值分量远大于非主导振荡模态能量幅值分量，而非振荡源机组的能量频谱特征为：主导振荡模态能量幅值分量与非主导振荡模态能量幅值分量接近，甚至小于非主导振荡模态幅值分量。

实施例一

基于前述理论分析，本实施例中的基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：采集系统各机组输出端口的电压U和电流I_G信息，代入式(2)中，以便获得各发电机组的动态能量随时间变化曲线。

步骤2：将动态能量随时间变化曲线中呈现上升趋势的曲线对应的发电机组划分为备选机组，即将负阻尼机组划分为备选机组。

步骤3：获取备选机组中同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱和/或含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱。

将各发电机组的动态能量在时域上进行傅里叶分解，得到频率成分f(k)对应能量幅值为A(k)，k＝1,2,3,4,…,N/2，N为离散信号的长度；同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱均为A(k)；含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱为A(k)/f²(k)。

由于能量频谱幅值数据中存在奇异样本数据，会影响相似度分析结果的准确性，因此为了消除数据中噪声影响，利用下述公式对能量频谱的幅值和/或类能量频谱的幅值数据进行归一化处理：

其中，A(k)为各频率对应的能量频谱幅值，同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱幅值S(k)＝A(k)，含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱幅值为S(k)＝A(k)/f²(k)，

为能量频谱幅值的平均值，N为频率个数，S'(k)为归一化处理后的能量频谱幅值。

步骤4：对能量频谱的幅值和/或类能量频谱的幅值进行归一化处理后，对能量频谱和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，得到每台机组各振荡模态能量频谱幅值和/或类能量频谱的幅值对相应机组所有能量频谱幅值之和的占比，所述占比最大的机组为振荡源参考机组。

动态能量中包含非周期分量，可能影响各振荡模态的能量频谱幅值大小。由于每台机组都有多个振荡模态能量频谱幅值，为消除非周期分量的影响，便于统一比较不同振荡模态频谱幅值大小，对低频振荡的频段如0.1Hz-2.5Hz频段上所有归一化后能量频谱幅值和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，即求取各振荡模态能量频谱幅值和/或类能量频谱的幅值对相应机组所有能量频谱幅值之和的占比，并从备选机组中选取主导振荡模态占比最大的机组，作为振荡源参考机组。

步骤5：在振荡源参考机组的主导振荡模态±0.3Hz频段下，计算其余每一备选机组与振荡源参考机组的能量频谱相似度系数，根据相似度系数大小确定振荡源机组。

其中，x，y分别为主导振荡模态±0.3Hz频段下两个机组的能量频谱数据，r为计算得出的相似度系数。

通过比较相似度系数r的大小，当与振荡源参考机组的能量频谱相似度系数大于等于0.7±0.05时，该机组为振荡源机组，当与振荡源参考机组的能量频谱相似度系数小于0.7±0.05时，该机组为非振荡源机组。

与现有技术相比，本实施例提供的基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位方法，根据同步机能量频谱与双馈风电机组的类能量频谱特征，提出了一种基于能量频谱相似度的低频振荡源追溯方法，通过测量机组端口的电压、电流信息，实时监测振荡过程中各发电机组的动态能量随时间变化曲线，初步确定备选机组，实现系统阻尼的在线评估以及振荡分量传导路径的在线追踪；通过比较振荡模态临近频段下，不同机组端口的动态能量频谱相似度，能够避免非主导振荡模态对振荡源定位的影响，实现复杂系统工况下主导振荡源机组的快速、准确识别，有助于及时隔离故障机组，抑制振荡的发展和发散，保障系统的安全稳定运行。与传统方法相比，本发明在系统受扰后激发多振荡模态的情况下，能够避免非主导振荡模态对振荡源定位的影响，实现复杂系统工况下振荡源机组的准确识别。

实施例二

本实施例提供一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统，包括数据采集模块、动态能量计算模块、能量频谱分析模块和结果输出模块；

所述数据采集模块用于采集系统各机组输出端口的电压和电流信息，并将其传递给动态能量计算模块；

所述动态能量计算模块接收数据采集模块传递的数据，计算各发电机组的动态能量随时间变化趋势，并将其传递给能量频谱分析模块；

所述能量频谱分析模块接收各机组输出端口的动态能量数据，进行能量频谱计算，并通过对比各机组与参考振荡源机组能量频谱的相似度，定位系统振荡源；

所述结果输出模块用于输出主导振荡模态及对应的系统振荡源机组。

本实施例中，所述动态能量计算模块利用下述公式计算各发电机组的动态能量随时间变化曲线：

其中：P_e为各机组输出有功功率；δ为xy轴与dq轴的夹角，当该发电机组为同步机组时，δ为机组的功角；当该机组为含锁相环双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；当该机组为含虚拟惯量的双馈风电机组时，δ为锁相角；U_d、U_q、I_d和I_q分别为各机组输出端口的电压和电流的d、q轴分量。

本实施例中，所述能量频谱分析模块的工作过程为：

将所述动态能量随时间变化曲线中呈上升趋势的曲线对应的发电机组作为备选机组；

获取备选机组中同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱和/或含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱；

对所述能量频谱和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，将主导振荡模态最大的机组作为振荡源参考机组；

在振荡源参考机组的主导振荡模态±0.3Hz频段下，计算其余每一备选机组与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数，根据相似度系数大小确定振荡源机组。

本实施例供的基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统，能量频谱分析模块接收各机组输出端口的动态能量数据，进行能量频谱计算，并通过对比各机组与参考振荡源机组能量频谱的相似度，能够快速、准确的识别并定位出系统振荡源，实现了在线识别振荡源，为系统稳定安全运行提供有力的保障。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一相应的技术效果。

实施例三

本实施例采用双馈风机并联等效模型来模拟整个风电场，进一步验证实施例一的定位方法，如图3所示的新英格兰10机39节点系统图，风电场由1000台完全相同的双馈异步风机并联组成，风机出口并联在母线39处向电网供电，每台风机的额定容量为1.5MW，并且按照额定出力运行；风电场首先经过0.69/20kV场内变压器，再经过20/230kV变压器连接到母线5处进行输电，其余发电机为同步发电机。

本实施例设置场景为：t＝2s时在风机机械转矩设置一个频率为0.48Hz的周期性小扰动引发系统振荡，风机的有功功率发生近似幅值为43kW的等幅振荡。

运行动态能量计算模块，结果为：

测量系统中各发电机组端口有功功率、相角及电压电流值，计算各发电机组振荡过程中动态能量变化曲线，如图6所示。其中，DFIG、G2和G4的动态能量均呈现上升趋势，即为负阻尼作用。

运行能量频谱分析模块，结果为：

将三台负阻尼机组划分为备选机组，进行FFT变换，求取动态能量频谱并进行标准化如图7所示。其中DFIG采取类能量频谱进行分析。由图7可知，四台机组的最大能量频谱均出现在2倍振荡频率0.96Hz处。同时，对比该频段下所有机组的能量频谱可知，DFIG主导振荡模态占比最大，根据振荡源能量频谱特征判断此时DFIG为振荡源机组之一。

为了进一步验证其他机组是否为振荡源，本实施例取主导振荡模态±0.3Hz的频段，根据相似度公式，对各机组能量频谱相似度进行计算，由于相似度系数矩阵为实对称阵，故取上三角阵数据，同时为了对比效果更加显著，将各机组与其自身相似度(应为1)置0作柱状图，如图8所示。根据图8可知，在该频段下，其余各机组与DFIG的能量相似度均较在0.6以下，相关性较低，因此主导振荡模态下振荡源仅为DFIG，G2、G3和G4均不是主导振荡模态下的振荡源。

为探究G2和G4被主导振荡模态激发的新振荡模态，对比G2和G4的能量频谱可知，除了主导振荡频率分量，这两台机组中还存在1.64Hz左右的非主导能量频率分量。本发明进一步针对1.64±0.3Hz的频段进行能量频谱分析。对比G2、G3和G4中1.64Hz频率分量的占比可知，G2中该频率分量占比最大，因此G2为1.64Hz非主导振荡模态对应的振荡源之一。计算G3、G4分别与G2在非主导频段下的能量频谱相似度如表1所示。

表1 相关机组能量频谱相似度系数

由表1可知，此时G4与G2的能量频谱具有较高相似性为0.878，而G3在该频段下与G2的能量频谱相似度仅为0.521，相关性较弱。由此可以判断得出，G2、G4为非主导模态下的振荡源，是由强迫振荡激发产生的区间振荡。虽然这两台机组的动态能量呈现增长趋势，机组阻尼为负，但不是主导模态下的振荡源。由此可以验证，仅依赖能量变化趋势无法准确辨识振荡源，而本发明所提方法能够有效准确地定位主导振荡模态下的振荡源机组。

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)

1.一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集系统各机组输出端口的电压和电流信息，获得各发电机组的动态能量随时间变化曲线；

步骤2：将所述动态能量随时间变化曲线中呈上升趋势的曲线对应的发电机组作为备选机组；

步骤3：获取备选机组中同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱和/或含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱；

步骤4：对所述能量频谱的幅值和/或类能量频谱的幅值进行归一化处理，对低频振荡频段上所有归一化后的所述能量频谱和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，将主导振荡模态最大的机组作为振荡源参考机组；

步骤5：在振荡源参考机组的主导振荡模态±0.3Hz频段下，计算其余每一备选机组与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数，根据相似度系数大小确定振荡源机组。

2.根据权利要求1所述的振荡源定位方法，其特征在于，所述步骤1中，通过下式得到各发电机组的动态能量，以便获得各发电机组的动态能量随时间变化曲线：

其中：P_e为各机组输出有功功率；δ为xy轴与dq轴的夹角，当该发电机组为同步机组时，δ为机组的功角；当该机组为含锁相环双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；当该机组为含虚拟惯量的双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；U_d、U_q、I_d和I_q分别为各机组输出端口的电压和电流的d、q轴分量。

3.根据权利要求1所述的振荡源定位方法，其特征在于，所述步骤3包括，将各发电机组的动态能量在时域上进行傅里叶分解，得到频率成分f(k)对应的能量幅值A(k)，k＝1,2,3,4,…,N/2，N为离散信号的长度；

同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱均为A(k)；

含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱为A(k)/f²(k)。

4.根据权利要求3所述的振荡源定位方法，其特征在于，所述归一化处理的计算公式为：

其中，S(k)为各频率对应的能量频谱幅值，同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱幅值S(k)＝A(k)，含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱幅值S(k)＝A(k)/f²(k)，

为能量频谱幅值的平均值，N为频率个数，S'(k)为归一化处理后的能量频谱幅值。

5.根据权利要求4所述的振荡源定位方法，其特征在于，步骤4中，对0.1Hz-2.5Hz频段上所有归一化后的能量频谱幅值和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，得到每台机组各振荡模态能量频谱幅值和/或类能量频谱的幅值对相应机组所有能量频谱幅值之和的占比，所述占比最大的机组为振荡源参考机组。

6.根据权利要求1所述的振荡源定位方法，其特征在于，步骤5中，通过下式计算其余每一备选机组与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数：

其中，x，y分别为主导振荡模态±0.3Hz频段下两个机组的能量频谱数据，r为计算得出的相似度系数。

7.根据权利要求1所述的振荡源定位方法，其特征在于，步骤5中，当与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数大于等于0.7±0.05时，将该机组确定为振荡源机组。

8.一种基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统，其特征在于，包括数据采集模块、动态能量计算模块、能量频谱分析模块和结果输出模块；

所述数据采集模块用于采集系统各机组输出端口的电压和电流信息，并将其传递给动态能量计算模块；

所述动态能量计算模块接收数据采集模块传递的数据，计算各发电机组的动态能量随时间变化趋势，并将其传递给能量频谱分析模块；

所述能量频谱分析模块接收各机组输出端口的动态能量数据，进行能量频谱计算，并通过对比各机组与参考振荡源机组能量频谱的相似度，定位系统振荡源；

所述结果输出模块用于输出主导振荡模态及对应的系统振荡源机组。

9.根据权利要求8所述的基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统，其特征在于，所述动态能量计算模块利用下述公式计算各发电机组的动态能量随时间变化曲线：

其中：P_e为各机组输出有功功率；δ为xy轴与dq轴的夹角，当该发电机组为同步机组时，δ为机组的功角；当该机组为含锁相环双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；当该机组为含虚拟惯量的双馈风电机组时，δ为锁相环的锁相角δ_pll；U_d、U_q、I_d和I_q分别为各机组输出端口的电压和电流的d、q轴分量。

10.根据权利要求8所述的基于能量频谱的风电并网系统振荡源定位系统，其特征在于，所述能量频谱分析模块的工作过程为：

将所述动态能量随时间变化曲线中呈上升趋势的曲线对应的发电机组作为备选机组；

获取备选机组中同步机组、含锁相环双馈风电机组的能量频谱和/或含虚拟惯量的双馈风电机组的类能量频谱；

对所述能量频谱和/或类能量频谱的幅值进行标幺化处理，将主导振荡模态最大的机组作为振荡源参考机组；

在振荡源参考机组的主导振荡模态±0.3Hz频段下，计算其余每一备选机组与所述振荡源参考机组的能量频谱相似度系数，根据相似度系数大小确定振荡源机组。

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