CN110504695A - 一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，基于系统的实际测量数据计算双馈风机在强迫振荡中的参与度，因此无需构建系统模型，不受模型和参数精确度的影响。本发明无需双馈风机控制方式信息，在复杂系统及实际系统的应用中具有更好的适应性。相比现有的方法，本发明所采用的双馈风机能量函数包含了外界输入的信息，从而能够考虑外界扰动源与系统的交互作用，能够针对由外部扰动源引起的强迫振荡，对双馈风机在其中的响应特征更准确地进行分析。

Description

一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法
技术领域
本发明涉及电力系统分析领域，特别是涉及一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法。
背景技术
随着风电等新能源在电力系统中的应用逐渐增多，由风电引发的强迫振荡问题也日益突出。风电场中的风速波动，电力电子器件的控制方式变化等，均有可能在系统中引发大幅度的强迫振荡。双馈风机当前在风电场中应用广泛，对其在强迫振荡中的动态特性进行分析具有重要的意义。
模态分析法是一种目前较为普遍的用于分析振荡问题的方法。该方法通过对系统进行建模分析，获取有关系统振荡的特征信息，由计算得到的参与因子可以获得系统中的元件在振荡中的参与程度，从而分析各元件之间的交互作用。然而相比于同步机，双馈风机的控制方式多样，模型复杂，参数难以获得，给构建精确的模型进行实际应用带来困难。此外，该方法的参与因子由系统的状态矩阵计算得到，无法考虑存在外界输入时的情况，从而难以对由外界扰动引发的强迫振荡进行分析。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，能够解决现有技术中存在的“模型复杂，参数难以获得，难以对由外界扰动引发的强迫振荡进行分析”这些技术问题。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，包括以下步骤：
S1：在双馈风机受到随机风速扰动的情况下，获取双馈风机定子侧的电压和电流信息；
S2：计算双馈风机内部的能量函数，所述能量函数包括双馈风机中的定子电感储能W1'和双馈风机的总能量W2'；
S3：对步骤S2中的能量函数采用FFT进行频域分析，获取在频率范围(f1,f2)内的第一波动分量A1'(f)和第二波动分量A2'(f)，其中第一波动分量A1'(f)是W1'经过FFT后得到的，第二波动分量A2'(f)是W2'经过FFT后得到的；f为频率范围(f1,f2)内的频率，f1为频率范围(f1,f2)的最低频率，f2为频率范围(f1,f2)的最高频率；
S4：计算双馈风机在随机风速扰动下的参与度K'(f)＝A2'(f)/A1'(f)；
S5：计算步骤S4所得的参与度的平均值，获得评估双馈风机在强迫振荡中行为特征的阈值指标K0；
S6：双馈风机所在系统发生强迫振荡时，计算双馈风机中的定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2；
S7：对步骤S6得到的W1和W2采用FFT进行频域分析，获取W1和W2在强迫振荡频率f0处的幅值A1和A2；
S8：计算双馈风机在强迫振荡频率f0下的参与度K1＝A2/A1；
S9：比较双馈风机在强迫振荡频率f0下的参与度K1和参与度阈值K0的关系：若K1＞K0，则判定参与度强，也即双馈风机主动参与系统中的强迫振荡；否则，判定参与度弱，也即双馈风机被动响应系统中的强迫振荡。
进一步，所述步骤S6中，定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2通过以下过程计算得到：双馈风机所在系统发生强迫振荡时，获取双馈风机定子侧的电压和电流信息；计算双馈风机内部的能量函数，所述能量函数包括定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2。
进一步，所述步骤S2中的定子电感储能W1'和双馈风机的总能量W2'通过以下式子得到：
W1'＝∫(X'IqsdIqs+X'IdsdIds) (1)
W2'＝∫(-IxdVy+IydVx) (2)
其中，X'为发电机的暂态电抗，Iqs为定子侧交轴电流，Ids为定子侧直轴电流，Ix为双馈风机端电流的x轴分量，Iy为双馈风机端电流的y轴分量，Vx为双馈风机端电压的x轴分量，Vy为双馈风机端电压的y轴分量。
进一步，所述步骤S3中，f1等于双馈风机的低频振荡模态的最小频率，f2等于双馈风机的次同步振荡模态的最大频率。
进一步，所述f1＝0.2Hz，f2＝50Hz。
进一步，所述步骤S5中的阈值指标K0通过式(3)得到：
有益效果：本发明公开了一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
1)本发明基于系统的实际测量数据计算双馈风机在强迫振荡中的参与度，因此无需构建系统模型，不受模型和参数精确度的影响。
2)本发明无需双馈风机控制方式信息，在复杂系统及实际系统的应用中具有更好的适应性。
3)相比现有的方法，本发明所采用的双馈风机能量函数包含了外界输入的信息，从而能够考虑外界扰动源与系统的交互作用，能够针对由外部扰动源引起的强迫振荡，对双馈风机在其中的响应特征更准确地进行分析。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中第一波动分量A1'(f)的FFT结果波形图；
图3为本发明具体实施方式中第二波动分量A2'(f)的FFT结果波形图；
图4为本发明具体实施方式中双馈风机在随机风速扰动下的参与度K'(f)的FFT结果波形图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
双馈风机的模型可表示成端口受控哈密顿(PCH)系统的形式：
其中x代表状态变量，u代表输入量；J(x)为一反对称矩阵，代表了系统组件之间的关系；g(x)代表输入量与系统之间的关系，H代表双馈风机的能量函数，表示储存在双馈风机不同部分之间的能量。线性化后即为状态矩阵，而u在强迫振荡中代表了扰动源对系统的作用。双馈风机的能量函数的变化可以表示为：
结合式(1)可得：
由于J(x)为一反对称矩阵，式(3)中的第一项为零，因此可得：
可知，双馈风机中的能量变化同时与系统自身的属性外部扰动源作用于系统的方式g(x)，以及扰动源自身的属性u有关。且能量变化与扰动源的幅值间呈线性关系，因此在消除了外部扰动源幅值对能量函数变化的影响之后，即可根据双馈风机总能量的变化情况来评估双馈风机在强迫振荡中的参与度情况。
为了消除扰动源幅值对强迫振荡的影响，对双馈风机内部的电感性元件暂态能量变化进行分析。在系统发生振荡时，双馈风机定子电感的暂态能量变化可以表示为：
dW1＝X'IqsdIqs+X'IdsdIds (5)
式中，X'为发电机的暂态电抗，Iqs为定子侧交轴电流，Ids为定子侧直轴电流。则电感能量的变化与定子侧交直轴电流的变化呈线性关系。在强迫振荡分析中，电流的变化与扰动源的幅值大小同样呈线性关系，又因为X'为一定值，所以定子电感上的能量变化只扰动源的幅值大小和频率有关。从而可以作为基准值消除双馈风机总能量中扰动源幅值的影响，进而通过能量函数评估双馈风机在系统发生强迫振荡时的参与度。
本具体实施方式公开了一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：在双馈风机受到随机风速扰动的情况下，获取双馈风机定子侧的电压和电流信息；
S2：计算双馈风机内部的能量函数，所述能量函数包括双馈风机中的定子电感储能W1'和双馈风机的总能量W2'；
S3：对步骤S2中的能量函数采用FFT进行频域分析，获取在频率范围(f1,f2)内的第一波动分量A1'(f)和第二波动分量A2'(f)，其中第一波动分量A1'(f)是W1'经过FFT后得到的，第二波动分量A2'(f)是W2'经过FFT后得到的；f为频率范围(f1,f2)内的频率，f1为频率范围(f1,f2)的最低频率，f2为频率范围(f1,f2)的最高频率；
S4：计算双馈风机在随机风速扰动下的参与度K'(f)＝A2'(f)/A1'(f)；
S5：计算步骤S4所得的参与度的平均值，获得评估双馈风机在强迫振荡中行为特征的阈值指标K0；
S6：双馈风机所在系统发生强迫振荡时，计算双馈风机中的定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2；
S7：对步骤S6得到的W1和W2采用FFT进行频域分析，获取W1和W2在强迫振荡频率f0处的幅值A1和A2；
S8：计算双馈风机在强迫振荡频率f0下的参与度K1＝A2/A1；
S9：比较双馈风机在强迫振荡频率f0下的参与度K1和参与度阈值K0的关系：若K1＞K0，则判定参与度强，也即双馈风机主动参与系统中的强迫振荡；否则，判定参与度弱，也即双馈风机被动响应系统中的强迫振荡。
步骤S6中，定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2通过以下过程计算得到：双馈风机所在系统发生强迫振荡时，获取双馈风机定子侧的电压和电流信息；计算双馈风机内部的能量函数，所述能量函数包括定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2。
步骤S2中的定子电感储能W1'和双馈风机的总能量W2'通过以下式子得到：
W1'＝∫(X'IqsdIqs+X'IdsdIds) (6)
W2'＝∫(-IxdVy+IydVx) (7)
其中，X'为发电机的暂态电抗，Iqs为定子侧交轴电流，Ids为定子侧直轴电流，Ix为双馈风机端电流的x轴分量，Iy为双馈风机端电流的y轴分量，Vx为双馈风机端电压的x轴分量，Vy为双馈风机端电压的y轴分量。
步骤S3中，f1等于双馈风机的低频振荡模态的最小频率，f2等于双馈风机的次同步振荡模态的最大频率。f1＝0.2Hz，f2＝50Hz。
步骤S5中的阈值指标K0通过式(3)得到：
下面针对一个实施例进行介绍。本实施例中，单台双馈风机等值的风电场通过30km线路接入无穷大电网。双馈风机在平均风速为12m/s时，具有一个频率为29Hz的振荡模态，而在平均风速11m/s时，振荡模态变为22Hz。根据实施例中的能量函数判别双馈风机在强迫振荡中的参与度。步骤S1中随机风速扰动的平均风速为11m/s。第一波动分量A1'(f)和第二波动分量A2'(f)分别如图2和图3所示，图3表明双馈风机有一个频率为22Hz的振荡模态，与实际情况相符。K'(f)如图4所示，可见图4中利用W1’和W2’的特征差异，消除了低频区风速波动对参与度评估的干扰。步骤S5中的K0为1182。步骤S6中平均风速为12m/s，在双馈风机的风速上施加频率为1Hz-40Hz的正弦扰动。步骤S8中的K1＝A2/A1如表1所示。步骤S9中，比较双馈风机在强迫振荡中的参与度K1和参与度指标阈值K0，在28-32Hz扰动下，双馈风机的参与度较强，表明双馈风机主动参与系统中的强迫振荡，在其他频率扰动下，双馈风机参与度较弱，表明双馈风机被动响应系统中的强迫振荡。与此平均风速下理论分析结果相符。
表1双馈风机在不同频率外施扰动下的参与度情况

Claims (6)

1.一种评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在双馈风机受到随机风速扰动的情况下，获取双馈风机定子侧的电压和电流信息；
S2：计算双馈风机内部的能量函数，所述能量函数包括双馈风机中的定子电感储能W1'和双馈风机的总能量W2'；
S3：对步骤S2中的能量函数采用FFT进行频域分析，获取在频率范围(f1,f2)内的第一波动分量A1'(f)和第二波动分量A2'(f)，其中第一波动分量A1'(f)是W1'经过FFT后得到的，第二波动分量A2'(f)是W2'经过FFT后得到的；f为频率范围(f1,f2)内的频率，f1为频率范围(f1,f2)的最低频率，f2为频率范围(f1,f2)的最高频率；
S4：计算双馈风机在随机风速扰动下的参与度K'(f)＝A2'(f)/A1'(f)；
S5：计算步骤S4所得的参与度的平均值，获得评估双馈风机在强迫振荡中行为特征的阈值指标K0；
S6：双馈风机所在系统发生强迫振荡时，计算双馈风机中的定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2；
S7：对步骤S6得到的W1和W2采用FFT进行频域分析，获取W1和W2在强迫振荡频率f0处的幅值A1和A2；
S8：计算双馈风机在强迫振荡频率f0下的参与度K1＝A2/A1；
S9：比较双馈风机在强迫振荡频率f0下的参与度K1和参与度阈值K0的关系：若K1＞K0，则判定参与度强，也即双馈风机主动参与系统中的强迫振荡；否则，判定参与度弱，也即双馈风机被动响应系统中的强迫振荡。
2.根据权利要求1所述的评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，其特征在于：所述步骤S6中，定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2通过以下过程计算得到：双馈风机所在系统发生强迫振荡时，获取双馈风机定子侧的电压和电流信息；计算双馈风机内部的能量函数，所述能量函数包括定子电感储能W1和双馈风机的总能量W2。
3.根据权利要求1所述的评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，其特征在于：所述步骤S2中的定子电感储能W1'和双馈风机的总能量W2'通过以下式子得到：
W1'＝∫(X'IqsdIqs+X'IdsdIds) (1)
W2'＝∫(-IxdVy+IydVx) (2)
其中，X'为发电机的暂态电抗，Iqs为定子侧交轴电流，Ids为定子侧直轴电流，Ix为双馈风机端电流的x轴分量，Iy为双馈风机端电流的y轴分量，Vx为双馈风机端电压的x轴分量，Vy为双馈风机端电压的y轴分量。
4.根据权利要求1所述的评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，其特征在于：所述步骤S3中，f1等于双馈风机的低频振荡模态的最小频率，f2等于双馈风机的次同步振荡模态的最大频率。
5.根据权利要求4所述的评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，其特征在于：所述f1＝0.2Hz，f2＝50Hz。
6.根据权利要求1所述的评估双馈风机在强迫振荡中参与度的方法，其特征在于：所述步骤S5中的阈值指标K0通过式(3)得到：
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