CN110707730B - 一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法，其特点是，包括：构建含风机并网电力系统小干扰线性化模型、构建支路模式势能函数、构建振荡割集能量函数灵敏度、基于模式能量灵敏度函数的低频振荡调控对象的选取步骤：使能量函数与小干扰模式概念相结合，从支路模式势能角度开展基于网络信息的低频振荡调控对象的选取，探索在含高比例双馈风机并网电力系统中的应用，具有科学合理，计算简单、精确，易于实现且工程应用价值高等优点。

Description

一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法

技术领域

本发明涉及风电并网电力系统安全稳定运行领域，是一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法。

背景技术

随着新能源发电的快速发展，风电等电力电子发电设备并网比例日益增加，由于这些电力电子装备惯量小甚至零惯量，导致新环境下的电力系统低惯量和弱阻尼问题越加突出。电力系统低频振荡问题越加受到关注，也成为动态电力系统分析中非常重要的一个方面。因此，研究高比例双馈感应风机(Doubly Fed Induction Generators，DFIG)并网电力系统低频振荡调控方法，对高渗透率风电并网电力系统的安全稳定运行具有重要意义，而低频振荡调控方法中调控对象的选取对低频振荡的抑制极其重要。

从能量角度来分析低频振荡的本质，对研究小干扰稳定性具有重要意义。系统发生低频振荡时，振荡在电网中进行传播和显现，有必要从网络角度深入剖析功率振荡，分析网络功率振荡最为严重的割集支路，然后对系统中的发电机或风机进行灵敏度分析，辨识对系统振荡割集影响最为灵敏的电源作为调控对象，可调整灵敏度大的电源以便进行更为有效的振荡抑制。迄今尚未见本发明双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法的文献报道和实际应用。

发明内容

本发明的目的是，克服现有技术的不足，将能量函数与小干扰模式概念相结合，从支路模式势能角度开展基于网络信息的低频振荡调控对象的选取，探索在含高比例双馈风机并网电力系统中的应用，提供一种科学合理，计算简单、精确，易于实现且工程应用价值高的双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)构建含风机并网电力系统小干扰线性化模型

多机系统非线性微分代数方程在平衡点线性化为：

式中：Δx＝[Δx_δ,Δx_ω,Δx_z]^T，Δx_δ为功角变量，Δx_ω为转子角速度变量，Δx_z为其他状态变量；Δz_N＝[Δz₁,Δθ₁,Δz₂,Δθ₂,...,Δz_n,Δθ_n]^T为网络节点电压幅值和角度增量矩阵；E、F、G、H为线性化方程的系数矩阵；

2)构建支路模式势能函数

支路势能由两部分组成：

ΔE_pij＝ΔE_pijz+ΔE_pijh (2)

式中：ΔE_pij为支路总势能；ΔE_pijz为自相关模式支路势能；ΔE_pijh为互相关模式支路势能；3)构建振荡割集能量函数灵敏度

根据式(2)中的自相关模式势能确定网络支路势能最大的支路为割集支路，为了能够得到支路振荡割集能量函数相对于发电机有功灵敏度，对发电机有功功率增量进行关于变量t的求导，得：

式中：S₁为支路振荡割集能量函数相对于对发电机有功灵敏度；ΔP_e为发电机有功功率增量；

结合式(3)和自相关模式势能对时间t的导数，得到自相关模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度指标：

式中：S₂为自相关模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度指标；

结合风机有功增量对时间t导数和自相关模式势能对时间t的导数，得到自相关模式势能相对于风机有功功率的灵敏度指标：

式中：S₃为自相关模式势能相对于风机有功功率的灵敏度指标；ΔP_w为双馈风机的出口有功功率增量；

4)基于模式能量灵敏度函数的低频振荡调控对象的选取

当系统发生低频振荡时，通过自相关模式下支路势能对系统中各支路进行振荡度量化，通过排序可找到最严重振荡线路，即通过式(2)中自相关模式势能大小排序，同时结合连通性确定系统割集，并找到系统振荡能量最大的振荡支路，当确定最严重线路后，对同一个支路求灵敏度指标时,通过式(4)与式(5)进行灵敏度指标的求取；由于割集振荡最严重支路对不同发电机或风机有功求灵敏度并进行排序时，灵敏度表达式的分子都是同一割集支路自相关模式支路势能对时间t的求导，所以指标的大小比较只考虑分母大小；比较同一个支路灵敏度指标的大小采用近似计算，不考虑分子的作用，得到自相关支路模式势能相对于发电机以及风机的灵敏度近似指标：

式中：S₄为自相关支路模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度近似指标，S₅为自相关支路模式势能相对于风机有功功率的灵敏度近似指标；

根据割集和割集上的潮流确定送端系统和受端系统进行灵敏度排序，割集线路潮流流出为送端系统，割集线路潮流流入为受端系统，选取送、受端灵敏度最大的发电机或风机作为调控对象进行送端减出力、受端增出力的调控效果验证。

本发明的一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法，能够将能量函数与小干扰模式概念相结合，从支路模式势能角度开展基于网络信息的低频振荡调控对象的选取，探索在含高比例双馈风机并网电力系统中的应用，具有科学合理，计算简单、精确，易于实现且工程应用价值高等优点。

附图说明

图1是含DFIG的三机含风电系统示意图；

图2是含DFIG的三机含风电系统模式1下20％渗透率各支路振荡指标图；

图3是含DFIG的三机含风电系统模式1下20％风电渗透比系统发电机组灵敏度指标图；

图4是含DFIG的三机含风电系统各送端机组减少0.3p.u调控效果图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：

本发明的一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法，包括以下步骤：

1)构建含风机并网电力系统小干扰线性化模型

多机系统非线性微分代数方程在平衡点线性化为：

式中：Δx＝[Δx_δ,Δx_ω,Δx_z]^T，Δx_δ为功角变量，Δx_ω为转子角速度变量，Δx_z为其他状态变量；Δz_N＝[Δz₁,Δθ₁,Δz₂,Δθ₂,...,Δz_n,Δθ_n]^T为网络节点电压幅值和角度增量矩阵；E、F、G、H为线性化方程的系数矩阵。

2)构建支路模式势能函数

支路势能由两部分组成：

ΔE_pij＝ΔE_pijz+ΔE_pijh (2)

式中：ΔE_pij为支路总势能；ΔE_pijz为自相关模式支路势能；ΔE_pijh为互相关模式支路势能。

3)构建振荡割集能量函数灵敏度

根据式(2)中的自相关模式势能确定网络支路势能最大的支路为割集支路，为了能够得到支路振荡割集能量函数相对于发电机有功灵敏度，对发电机有功功率增量进行关于变量t的求导，得：

式中：S₁为支路振荡割集能量函数相对于对发电机有功灵敏度；ΔP_e为发电机有功功率增量；

结合式(3)和自相关模式势能对时间t的导数，得到自相关模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度指标：

式中：S₂为自相关模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度指标；

结合风机有功增量对时间t导数和自相关模式势能对时间t的导数，得到自相关模式势能相对于风机有功功率的灵敏度指标：

式中：S₃为自相关模式势能相对于风机有功功率的灵敏度指标；ΔP_w为双馈风机的出口有功功率增量。

4)基于模式能量灵敏度函数的低频振荡调控对象的选取

当系统发生低频振荡时，通过自相关模式下支路势能对系统中各支路进行振荡度量化，通过排序可找到最严重振荡线路，即通过式(2)中自相关模式势能大小排序，同时结合连通性确定系统割集，并找到系统振荡能量最大的振荡支路，当确定最严重线路后，对同一个支路求灵敏度指标时,通过式(4)与式(5)进行灵敏度指标的求取；由于割集振荡最严重支路对不同发电机或风机有功求灵敏度并进行排序时，灵敏度表达式的分子都是同一割集支路自相关模式支路势能对时间t的求导，所以指标的大小比较只考虑分母大小；比较同一个支路灵敏度指标的大小采用近似计算，不考虑分子的作用，得到自相关支路模式势能相对于发电机以及风机的灵敏度近似指标：

式中：S₄为自相关支路模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度近似指标，S₅为自相关支路模式势能相对于风机有功功率的灵敏度近似指标；

根据割集和割集上的潮流确定送端系统和受端系统进行灵敏度排序，割集线路潮流流出为送端系统，割集线路潮流流入为受端系统，选取送、受端灵敏度最大的发电机或风机作为调控对象进行送端减出力、受端增出力的调控效果验证。

具体实例：

为了详细分析支路模式势能在低频振荡调控中的应用，本发明在电力系统分析软件PSAT(Power System Analysis Toolbox)中搭建了含DFIG的三机系统。电力系统分析软件PSAT(Power System Analysis Toolbox)是本领域技术人员所熟悉的已有技术。如图1所示，系统中发电机采用二阶模型，风机采用五阶模型，离线特征值分析结果如表1所示。

表1三机含风电系统特征值结果

由图2可知，风电渗透比为20％时系统振荡割集为{L5-4、L6-4}，其中L5-4振荡度指标最大，因此作为调控目标，计算各发电机在不同模式下的灵敏度，发电机在模式1下的灵敏度计算结果如图3所示，可知灵敏度最大的为G1，通过割集线路潮流流向可知，G2、G3和DFIG为送端机组，G1为受端机组，因此，选取G2、G3和DFIG为调控对象。为了验证选取的有效性，对送端机组分别减0.3p.u有功的出力，受端机组增0.3p.u.，调控后L5-4的有功功率振荡幅度如图4所示。图4中可知，调控效果G2>DFIG>G3，与本发明计算得到的模式振荡割集灵敏度排序结果一致，本发明的一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法能够有效选取调控对象，有利于振荡抑制。

本发明的具体实施方式并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种双馈风机并网电力系统低频振荡调控方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)构建含风机并网电力系统小干扰线性化模型

多机系统非线性微分代数方程在平衡点线性化为：

式中：Δx＝[Δx_δ,Δx_ω,Δx_z]^T，Δx_δ为功角变量，Δx_ω为转子角速度变量，Δx_z为其他状态变量；Δz_N＝[Δz₁,Δθ₁,Δz₂,Δθ₂,...,Δz_n,Δθ_n]^T为网络节点电压幅值和角度增量矩阵；E、F、G、H为线性化方程的系数矩阵；

2)构建支路模式势能函数

支路势能由两部分组成：

ΔE_pij＝ΔE_pijz+ΔE_pijh (2)

式中：ΔE_pij为支路总势能；ΔE_pijz为自相关模式支路势能；ΔE_pijh为互相关模式支路势能；

3)构建振荡割集能量函数灵敏度

根据式(2)中的自相关模式势能确定网络支路势能最大的支路为割集支路，为了能够得到支路振荡割集能量函数相对于发电机有功灵敏度，对发电机有功功率增量进行关于变量t的求导，得：

式中：S₁为支路振荡割集能量函数相对于对发电机有功灵敏度；ΔP_e为发电机有功功率增量；

结合式(3)和自相关模式势能对时间t的导数，得到自相关模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度指标：

式中：S₂为自相关模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度指标；

结合风机有功增量对时间t导数和自相关模式势能对时间t的导数，得到自相关模式势能相对于风机有功功率的灵敏度指标：

式中：S₃为自相关模式势能相对于风机有功功率的灵敏度指标；ΔP_w为双馈风机的出口有功功率增量；

4)基于模式能量灵敏度函数的低频振荡调控对象的选取

当系统发生低频振荡时，通过自相关模式下支路势能对系统中各支路进行振荡度量化，通过排序可找到最严重振荡线路，即通过式(2)中自相关模式势能大小排序，同时结合连通性确定系统割集，并找到系统振荡能量最大的振荡支路，当确定最严重线路后，对同一个支路求灵敏度指标时,通过式(4)与式(5)进行灵敏度指标的求取；由于割集振荡最严重支路对不同发电机或风机有功求灵敏度并进行排序时，灵敏度表达式的分子都是同一割集支路自相关模式支路势能对时间t的求导，所以指标的大小比较只考虑分母大小；比较同一个支路灵敏度指标的大小采用近似计算，不考虑分子的作用，得到自相关支路模式势能相对于发电机以及风机的灵敏度近似指标：

式中：S₄为自相关支路模式势能相对于发电机有功功率的灵敏度近似指标，S₅为自相关支路模式势能相对于风机有功功率的灵敏度近似指标；

根据割集和割集上的潮流确定送端系统和受端系统进行灵敏度排序，割集线路潮流流出为送端系统，割集线路潮流流入为受端系统，选取送、受端灵敏度最大的发电机或风机作为调控对象进行送端减出力、受端增出力的调控效果验证。

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