CN110492496B - 一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法 - Google Patents

一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及风电场切机技术领域，具体涉及一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法。本发明提供了一种在风电场诱发电网次同步振荡的场景下，基于简单有效的次同步振荡判别方法，用指数拟合次同步振荡的振幅，根据拟合参数确定振荡的形式。若为发散或等幅模式则进一步确定发散速率，根据发散速率确定切机台数，进而提出了次同步振荡下风电场分步切机策略，保证了风电机组的适量切除，尽可能抑制次同步振荡。本发明能根据次同步振荡发散速率自动调整切机台数，不仅能快速可靠的消除次同步振荡，同时还最大程度保存了次同步振荡下风电机组数量，提高了风电场经济效益，保障了电网的安全稳定。

Description

一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及风电场次同步振荡抑制技术领域，具体涉及一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法。
背景技术
在中国，风力发电量逐年攀升，大规模风电场一般通过带串联补偿的交流传输或高压直流输电进行风电外送。已有研究指出，大规模的风电接入弱交流系统由高压直流输电线路或串联补偿后的交流输电线路外送时可能诱发电力系统的次同步振荡。当该电气振荡频率与振荡所在区域的同步发电机轴系某阶固有扭振频率形成拍频时，有可能造成损毁，并进而严重威胁电网的安全稳定。
现阶段对于次同步振荡模态的辨识已较为成熟，在检测出发散或稳定的次同步振荡后一般采取主动切除整个风电场的方式，破坏振荡成立条件，从源头上根除振荡，但盲目切除过量机组不仅造成巨大的发电经济损失，且容易造成电网电压问题。因此，需要研究在出现次同步振荡的场景下，可保障电网安全的适量切机方法，最大程度地保存风电机组。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是针对因风电场接入导致次同步振荡的情况，根据振荡发散速率自动调整切机台数，快速抑制次同步振荡现象。具体技术方案如下：
一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法，包括以下步骤：
S1：用指数函数拟合次同步振荡的振幅，根据拟合参数确定次同步振荡处于发散模式、等幅模式还是收敛模式；
S2：若次同步振荡处于发散模式或等幅模式，则进一步确定发散速率，根据发散速率对相应数目的风机进行切机；
S3：一段时间后，再次检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式则切除部分风电机组；
S4：重复进行步骤S3，若次同步振荡处于收敛模式则终止切机操作。
优选地，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：当发生次同步振荡时，可通过检测联络线上有功功率的变化情况来判断是否发生了次同步振荡，判据为：
Figure BDA0002122888650000011
其中，P(t)为t时刻有功功率，Ps为启动门槛值；
S12：在振荡检测启动判据成立后，首先记录下联络线有功功率相邻的极大值点
Figure BDA0002122888650000012
极小值点
Figure BDA0002122888650000021
然后求出不同时刻次同步振荡的振荡幅度Fk，计算得到次同步振荡发生后0.5s内的振幅数据Fk(k＝1,2,3…)：
Figure BDA0002122888650000022
S13：利用下述指数函数对Fk进行拟合；
F(t)＝a·e-bt+c；
S14：对拟合后的振幅函数求导，得到F′(t)＝-ab·e-bt；其中，a、b、c为拟合所得指数函数的各参数；
若系数ab＜0，则判定次同步振荡处于发散模式；
若系数ab＞0，则判定次同步振荡处于收敛模式；
若系数ab≈0，则判定次同步振荡处于等幅模式。
优选地，引入参数ζ，若参数ab位于区间[-ζ,ζ]，则判定次同步振荡处于等幅模式；当参数ab位于[-∞,-ζ]区间时，则判定次同步振荡分别处于发散模式；当参数ab位于[ζ,+∞]区间时，则判定次同步振荡分别处于收敛模式。
优选地，所述步骤S2中当次同步振荡分别处于发散或等幅模式时，设定风机的切机台数随发散速率增加而线性增长。
优选地，所述步骤S4具体为：2个振荡周期后，再次检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式，便切除余下风机的一半；再经过2个振荡周期后检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式，便切除所有余下风机。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种在风电场诱发电网次同步振荡的场景下，基于简单有效的次同步振荡判别方法，用指数拟合次同步振荡的振幅，根据拟合参数确定振荡的形式。若为发散或等幅模式则进一步确定发散速率，根据发散速率确定切机台数，进而提出了次同步振荡下风电场分步切机策略，保证了风电机组的适量切除，尽可能抑制次同步振荡。本发明能根据次同步振荡发散速率自动调整切机台数，不仅能快速可靠的消除次同步振荡，同时还最大程度保存了次同步振荡下风电机组数量，提高了风电场经济效益，保障了电网的安全稳定。
附图说明
图1振荡发散速度和切机比例关系曲线；
图2双馈风电场并网等值模型；
图3对比方案下风机切除对系统功率的影响曲线；
图4本发明所提方案下风机切除对系统功率的影响曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明通过监测联络线有功功率，确定次同步振荡的形式及发散速率，提出了考虑振荡发散速率与风电机组切除台数的对应关系的风电场分步切机策略。首先用指数衰减函数拟合次同步振荡功率振幅函数，然后设计了振荡发散速率与风电机组切除台数的对应关系，并基于此分步对风电场实施切机操作。一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法，包括以下步骤：S1：用指数函数拟合次同步振荡的振幅，根据拟合参数确定次同步振荡处于发散模式、等幅模式还是收敛模式；具体步骤如下：
S11：当发生次同步振荡时，可通过检测联络线上有功功率的变化情况来判断是否发生了次同步振荡，判据为：
Figure BDA0002122888650000031
其中，P(t)为t时刻有功功率，Ps为启动门槛值；
S12：在振荡检测启动判据成立后，首先记录下联络线有功功率相邻的极大值点
Figure BDA0002122888650000032
极小值点
Figure BDA0002122888650000033
然后求出不同时刻次同步振荡的振荡幅度Fk，计算得到次同步振荡发生后0.5s内的振幅数据Fk(k＝1,2,3…)：
Figure BDA0002122888650000034
S13：利用下述指数函数对Fk进行拟合；
F(t)＝a·e-bt+c；
S14：对拟合后的振幅函数求导，得到F′(t)＝-ab·e-bt；其中，a、b、c为拟合所得指数函数的各参数；
若系数ab＜0，则判定次同步振荡处于发散模式；
若系数ab＞0，则判定次同步振荡处于收敛模式；
若系数ab≈0，则判定次同步振荡处于等幅模式。
考虑一定的测量和计算误差，引入参数ζ，若参数ab位于区间[-ζ,ζ]，则判定次同步振荡处于等幅模式；当参数ab位于[-∞,-ζ]区间时，则判定次同步振荡分别处于发散模式；当参数ab位于[ζ,+∞]区间时，则判定次同步振荡分别处于收敛模式。其中，ζ与风机型号和风电场规模有关，一般取1即可。
S2：若次同步振荡处于发散模式或等幅模式，则进一步确定发散速率，根据发散速率对相应数目的风机进行切机。为保证尽量缩短次同步振荡抑制时间，第一轮切机数量的选取至关重要。当次同步振荡分别处于发散模式或等幅模式时，为兼顾次同步振荡抑制速度及风电场运行经济性，设定风机的切机台数随发散速率增加而线性增长，方程式为y＝dx+f，该直线经过点(ζ,0)和点(abmin,1)。
S3：一段时间后，再次检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式则切除部分风电机组；
S4：重复进行步骤S3，若次同步振荡处于收敛模式则终止切机操作。具体为：2个振荡周期后，再次检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式，便切除余下风机的一半；再经过2个振荡周期后检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式，便切除所有余下风机。
abmin的取值如下所述：
当振荡发散速度过大时，若次同步振荡在第一轮切机后无法收敛，则其在第二轮切机之前的短时间内就将对电网产生严重不利影响，为避免此类情况发生，本发明设置振荡发散速度上限为abmin，当检测到ab＜abmin时，切除全部风机。振荡发散速度和切机比例的关系如附图1所示。其中，abmin和风机型号、风电场规模有关，一般取-22。
为了验证本发明所提供方法的可行性,在PSCAD中搭建图2所示双馈感应风机并网等值模型。图2是一个典型的点对网远距离大容量输电系统，其中风电场包含67台型号相同的1.5MW双馈感应风机，它们的控制参数及运行状态一致，通过35kV/220kV升压变压器T连接到220kV母线，并通过220kV输电线路与200km外的电网系统相连，传输线上装有串补度不定的串联补偿电容器。图2中其余部分重要仿真参数如下：风速Vwind＝8m/s，线路电阻为r1＝0.0532Ω/km，r0＝0.184Ω/km，线路电容为c1＝0.0127μF/km，c0＝0.0775μF/km，转子侧变流器PI参数为KP1＝0.05，T1＝0.2145，KP2＝2.0，T1＝1.54。
仿真验证时，第一轮切机方案中取ζ＝1，对应切机0；abmin＝-22，对应切机100％。利用发散速度为ζ、abmin时对应的切机台数即可计算得到振荡发散时的切机台数表达式，为y＝-0.04348x+0.04348。
当串补电容C＝50μF时，电网测得的有功功率如图3所示，计算可得振荡频率为22Hz，判断发生了振荡。此时，获取振荡后0.5s内的振荡幅值数据并进行指数拟合，可得a＝1553，b＝-0.00676，c＝-1549，ab＝-10.5<-1，振荡发散。
将根据次同步振荡振幅大小进行多轮切机设定为对比方案，此时对应第一轮切机数目为31.1％，即切除21台风机，仿真结果如图3所示。第一轮切机后，振荡仍未收敛，故进行第二轮切机，此时再切除23台风机。第二轮切机后，振荡收敛，不再进行切机。总共切除了24台风机后，振荡收敛，保留了23台风机。相比传统的“一刀切”方案，提高了风电场运行经济性与电网的风电消纳能力，具有显著优势。
若按本发明所提切机方案，即图1所示切机曲线进行切机，此时对应切机50％，即切除34台风机，仿真结果如图4所示。第一轮切机后，间隔0.5s后再次进行振荡检测及指数拟合，可得此时a＝-643.9，b＝-0.0032，c＝644.8，ab＝2.06>1，振荡收敛，不再进行切机。此时，经过一轮切机即可消除次同步振荡，共可保留33台风电机组，与对比方案相比，切机台数更少且切机速度更快，具有明显优势。
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：用指数函数拟合次同步振荡的振幅，根据拟合参数确定次同步振荡处于发散模式、等幅模式还是收敛模式；
S2：若次同步振荡处于发散模式或等幅模式，则进一步确定发散速率，根据发散速率对相应数目的风机进行切机；
S3：一段时间后，再次检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式则切除部分风电机组；
S4：重复进行步骤S3，若次同步振荡处于收敛模式则终止切机操作。
2.根据权利要求1所述的一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下步骤：
S11：当发生次同步振荡时，通过检测联络线上有功功率的变化情况来判断是否发生了次同步振荡，判据为：
Figure FDA0002122888640000011
其中，P(t)为t时刻有功功率，Ps为启动门槛值；
S12：在振荡检测启动判据成立后，首先记录下联络线有功功率相邻的极大值点
Figure FDA0002122888640000012
极小值点
Figure FDA0002122888640000013
然后求出不同时刻次同步振荡的振荡幅度Fk，计算得到次同步振荡发生后0.5s内的振幅数据Fk(k＝1,2,3…)：
Figure FDA0002122888640000014
S13：利用下述指数函数对Fk进行拟合；
F(t)＝a·e-bt+c；
S14：对拟合后的振幅函数求导，得到F′(t)＝-ab·e-bt；其中，a、b、c为拟合所得指数函数的各参数；
若系数ab＜0，则判定次同步振荡处于发散模式；
若系数ab＞0，则判定次同步振荡处于收敛模式；
若系数ab≈0，则判定次同步振荡处于等幅模式。
3.根据权利要求2所述的一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法，其特征在于：引入参数ζ，若参数ab位于区间[-ζ,ζ]，则判定次同步振荡处于等幅模式；当参数ab位于[-∞,-ζ]区间时，则判定次同步振荡处于发散模式；当参数ab位于[ζ,+∞]区间时，则判定次同步振荡处于收敛模式。
4.根据权利要求1所述的一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤S2中当次同步振荡分别处于发散或等幅模式时，设定风机的切机台数随发散速率增加而线性增长。
5.根据权利要求1所述的一种新的含风电电网次同步振荡抑制方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：2个振荡周期后，再次检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式，便切除余下风机的一半；再经过2个振荡周期后检测振荡频率和发散趋势及速率，若次同步振荡继续处于发散模式，便切除所有余下风机。
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