CN110808603B - 适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法 - Google Patents

适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，属于电力系统领域。本发明通过建立含多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型，进一步建立等效虚拟单馈入系统模型，建立频域雅克比矩阵，依次推导出动态功率电压因子和动态短路比，并且给出动态短路比的理论临界值。因此，本发明可以准确判断单台双馈式风机接入受端电网系统的临界电压是否稳定，为电网运行人员提供指标依据，进而有效确保电网电压稳定。

Description

适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法
技术领域
本发明涉及一种电压稳定评估方法，具体涉及一种适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，属于电力系统领域。
背景技术
电能作为人类使用最为广泛地二次能源，其在工业现代化进程中扮演着至关重要地角色。但是由于化石能源存在环境污染等问题，逐步制约着社会经济的发展。随着电力电子技术的发展，新能源(尤其是风电)由于其自身在环境友好、价格低廉等方面的优势，发展新能源已成为一种不可逆的趋势。
由于风能存在不确定性、波动性与随机性等问题，导致风力发电存在明显的波动性与间歇性，难以进行准确的预测与控制，不利于电力系统的稳定运行。同时，随着风力发电机组装机容量的增加，风电在整个电力系统中渗透率逐渐增加，系统的稳定性与潮流的可控性减弱，电力系统电压稳定问题突出。另外，多台风机之间的相互作用进一步恶化了电力系统电压稳定。在过往的理论研究和工程应用中，通常是采用多馈入短路比指标(multi-infeed short circuit ratio，MISCR)来评估单多风机馈入受端电力系统电压稳定性。其表达式如下式所示：
其中，UNi是换流母线额定电压；Zii是换流母线i处自阻抗；PdcNi，PdcNj是第i和第j个双馈式风机馈入换流母线的额定有功功率；MIIFji是节点相互作用因子。
但是，上式部分参数为系统额定值，难以有效评估电力系统实际运行过程中的动态电压稳定。由于风电机组通过电力电子设备接入受端电网，其自身的动态特性，极大地转变了传统以同步机转子为主动的电力系统运行优化和稳定运行。当大量的同步机机组被新能源机组取代之后，电力系统的电压和频率支撑强度下降，高比例新能源系统表现为弱同步电网，系统的各个节点的频率在扰动发生后不再维持统一的工频。传统基于统一频率的电压稳定分析方法不再适用，且难以准确评估高比例新能源系统临界电压稳定。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供更为准确的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法。
本发明提供了一种适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，具有这样的特征，包括如下步骤：S1，根据多台双馈式风机接入受端电网的系统利用自适应旋转坐标系建立多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型，进入S2；S2，以多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型为基础，根据节点阻抗矩阵，得到等效虚拟单馈入系统模型，进入S3；S3，根据等效虚拟单馈入系统模型，建立频域雅克比矩阵，推导得到等效动态功率电压因子，进入S4；S4，根据等效动态功率电压因子得到多馈入动态短路比，进入S5；S5，根据多馈入动态短路比的值，判断多台双馈式风机接入受端电网电压的稳定状态，当多馈入动态短路比小于1时，多台双馈式风机接入受端电网电压处于失稳状态，当多馈入动态短路比等于1时，多台双馈式风机接入受端电网电压处于临界稳定状态，当多馈入动态短路比大于1时，多台双馈式风机接入受端电网电压处于稳定状态。
在本发明提供的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，自适应旋转坐标系如下式所示，
式中，T自旋转坐标系，e自然对数的底，j虚数，△δ角速度之差。
在本发明提供的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，节点阻抗矩阵为
式中，V为公共连接点处瞬时电压，e为受端交流系统等效电压源瞬时电压，ZLL(s)换流母线自阻抗，ZLG(s)换流母线和交流系统电压源之间的互阻抗，ZGL(s)换流母线和交流系统电压源之间的互阻抗，ZGG(s)交流系统电压源处自阻抗，iDFIG为双馈式风机注入瞬时电流，ig为受端交流系统瞬时电流。
在本发明提供的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，频域雅克比矩阵为
式中，ΔPi(s)表示换流母线i处的频率下有功变化量，ΔQi(s)表示换流母线i处频域下无功变化量，JPVi(s)、/>JQVi(s)均为换流母线i处频域下雅克比矩阵元素，θi为换流母线i处电压相角，ΔVi为换流母线i处电压幅值变化量，Vi0为初始运行点电压幅值。
在本发明提供的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，等效动态功率电压因子计算公式为
式中，EDPVFi(s)为等效动态功率电压因子，JPVi(s)、/>JQVi(s)均为换流母线i处频域下雅克比矩阵元素。
在本发明提供的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，将换流母线i处频域下雅克比矩阵元素带入等效动态功率电压因子计算公式，得等效动态功率电压因子计算公式：
式中，EDPVFi(s)为等效动态功率电压因子，θi0环流母线i处初始运行点等值电压初相角，ki为环流母线i处旋转角速度比，Seqi0为环流母线i处工频下受端交流系统复功率，eeqi0为环流母线i处工频下受端交流系统等效电压源瞬时电压，Vi0为环流母线i处工频下公共连接点电压，ωi为环流母线i处旋转角速度，Leqii为环流母线i处受端交流系统等效电感，Ki(s)为环流母线i处元件动态特性因子，JQθ(s)为频域下雅克比矩阵元素。
在本发明提供的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法中，还可以具有这样的特征：其中，多馈入动态短路比的计算公式为
式中，MDSCRi为多馈入动态短路比，Hi(s)为动态运行系数，Vi0为环流母线i处工频下公共连接点电压，ωi为环流母线i处旋转角速度，Leqii为环流母线i处受端交流系统等效电感，Seqi0为环流母线i处工频下受端交流系统复功率。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，因为通过建立含多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型，进一步建立等效虚拟单馈入系统模型，建立频域雅克比矩阵，依次推导出动态功率电压因子和动态短路比，并且给出动态短路比的理论临界值，所以，本发明可以准确判断单台双馈式风机接入受端电网系统的临界电压是否稳定，为电网运行人员提供指标依据，进而有效确保电网电压稳定。
附图说明
图1是本发明的实施例中多台双馈式风机馈入受端交流系统；
图2是本发明的实施例中含多台双馈式风机馈入受端交流系统的等效模型；以及
图3是本发明的实施例中等效虚拟单馈入系统模型。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
<实施例>
一种适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，步骤如下：
S1，根据多台双馈式风机接入受端电网的系统利用自适应旋转坐标系建立多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型，进入S2；
图1是本发明的实施例中多台双馈式风机馈入受端交流系统。
如图1所示，本实施例中的多台双馈式风机馈入受端交流系统包括n个双馈式风机风力涡轮机(DFIG wind turbine)和n个交流电网(AC Grid)。
每个双馈式风机风力涡轮机包括：双馈式风机(DFIG)、变速箱(Gear Box)、Crowbar电阻(Crowbar)、转子侧换流器(RSC)以及网侧换流器(GSC)。
此外，图1中wind代表风，AC代表交流，Ps为定子侧瞬时有功功率，Pv为网侧换流器馈入公共连接点的瞬时有功功率，Pr为转子侧瞬时有功功率，Qs为定子侧瞬时无功功率，Qv为网侧换流器馈入公共连接点的瞬时无功功率，Qr为转子侧瞬时无功功率。
自适应旋转坐标系如下式所示:
式中，T自旋转坐标系，e自然对数的底，j虚数，△δ角速度之差。
图2是本发明的实施例中含多台双馈式风机馈入受端交流系统的等效模型。
如图2所示，e，V，Vm，V’r/s，Vv分别是受端交流系统等效电压源瞬时电压，PCC点处瞬时电压，异步机励磁电压瞬时值，转子侧换流器出口瞬时电压，网侧换流器出口瞬时电压；ig，is，ir’，iv分别为受端交流系统瞬时电流，定子瞬时电流，转子侧瞬时电流，从网侧换流器出口流入PCC点瞬时电流；Pac，Ps，Pv分别为受端交流系统瞬时有功功率，定子侧瞬时有功功率，网侧换流器馈入PCC的瞬时有功功率；Qac，Qs，Qv分别为受端交流系统瞬时无功功率，定子侧瞬时无功功率，网侧换流器馈入PCC的瞬时无功功率；L，L’T，L”T，L1s，Lc，L’r分别为受端交流系统等效电感，定子并网变压器电感，网侧换流器并网变压器电感，定子漏感，网侧换流器电抗器电感，转子漏抗；s为转差率，s＝(ns-nr)/ns，其中，ns，nr分别为同步转速，转子转速。下标i代表第i个，i＝1,…n。
S2，以图2所示的多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型为基础，根据节点阻抗矩阵，得到等效虚拟单馈入系统模型，进入S3。
节点阻抗矩阵为
式中，V为公共连接点处瞬时电压，e为受端交流系统等效电压源瞬时电压，ZLL(s)换流母线自阻抗，ZLG(s)换流母线和交流系统电压源之间的互阻抗，ZGL(s)换流母线和交流系统电压源之间的互阻抗，ZGG(s)交流系统电压源处自阻抗，iDFIG为双馈式风机注入瞬时电流，ig为受端交流系统瞬时电流。
将节点阻抗矩阵中的ig消去，得
将上式在环流母线i处展开得
式中，G为受端交流系统等效电压源关联矩阵，表达式为
Zeq为等值阻抗，下标ij代表第i行j列，表达式为
定义等效电压eeqi为
定义等效电压ieqi为
式中，iDFIGj为第j个双馈式风机馈入换流母线的瞬时电流，
则虚拟单馈入系统模型为
Vi＝eeqi-Zeqiiieqi。
图3是本发明的实施例中等效虚拟单馈入系统模型。
如图3所示，图中，Lsi表示第i个定子电感，Lvi表示第i个逆变器与换流母线之间的电感，Lmi表示第i个励磁电感。其余符号均与图2中的符号含义相同，下标i代表第i个，i＝1,…n。
S3，根据图3所示的等效虚拟单馈入系统模型，建立频域雅克比矩阵，推导得到等效动态功率电压因子，进入S4。
根据图3所示虚拟单馈入系统模型，频域雅可比矩阵如下式所示
其中，JPθ(s)，JPV(s)，JQθ(s)，JQV(s)分别是频域雅可比矩阵元素，其各自表达式为
式中，各有功、无功功率对PCC点处电压的幅值和相角的偏导如下所示受端交流系统：
网侧换流器:
定子：
上述各偏导表达式中，V表示换流母线电压，Vr代表转子侧电压，Vv代表网侧换流器输出电压，下标为0的为工频下的初始值，下标为d的为d轴分量，下标为q的为q轴分量，θ0为换流母线电压的初始相位角，θr为转子侧电压的初始相位角，θv为网侧换流器输出电压的初始相位角。下标i代表第i个，i＝1,…n。
假设在扰动发生后的瞬间，ΔQi(s)＝0，则动态功率电压因子DPVFi可由式得出
将频域雅可比矩阵元素代入上式，并整理可得到
其中，ki为旋转角速度比，Ki(s)为元件动态特性因子，其各自的表达式分别为
式中，ω0为额定旋转角速度，ω为当前旋转角速度，f为当前频率值，f0为额定频率值。下标i代表第i个，i＝1,…n。
Ki(s)＝DPDFIGVFi(s)+DQDFIGVFi(s)+DPDFIGθFi(s)+DQDFIGθFi(s)+DGi(s)
式中，DPDFIGVFi(s)，DQDFIGVFi(s)，DPDFIGθFi(s)，DQDFIGθFi(s)，DGi(s)分别是双馈式风机以及受端交流系统等效电压源的动态因子，其各自的表达式为
DGi(s)＝a1(k1-kiQeqi0-kiPeqi0)+a2ki(Qeqio-Peqi0)
式中，Peqi0，Qeqi0的表达式为
式中，θE0为交流系统电压源初始相角，θ0为换流母线电压初始相角。下标i代表第i个，i＝1,…n。
S4，根据等效动态功率电压因子得到多馈入动态短路比，进入S5。
对式进一步整理，得
式中，Hi(s)动态运行系数。
定义多馈入动态短路比为
其中，Vi0，Seqi0，ω0分别为工频下的PCC点电压，等效受端交流系统复功率，旋转角速度；Leqii为等效电感。
S5，根据多馈入动态短路比的值，判断多台双馈式风机接入受端电网电压的稳定状态。
当动态短路比(MDSCRi)小于1时，多台双馈式风机接入受端电网电压处于失稳状态，
当动态短路比(MDSCRi)等于1时，多台双馈式风机接入受端电网电压处于临界稳定状态，
当动态短路比(MDSCRi)大于1时，多台双馈式风机接入受端电网电压处于稳定状态。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，因为通过建立含多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型，进一步建立等效虚拟单馈入系统模型，建立频域雅克比矩阵，依次推导出动态功率电压因子和动态短路比，并且给出动态短路比的理论临界值，所以，本实施例可以准确判断单台双馈式风机接入受端电网系统的临界电压是否稳定，为电网运行人员提供指标依据，进而有效确保电网电压稳定。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，根据多台双馈式风机接入受端电网的系统利用自适应旋转坐标系建立多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型，进入S2；
S2，以所述多台双馈式风机馈入受端交流系统等效模型为基础，根据节点阻抗矩阵，得到等效虚拟单馈入系统模型，进入S3；
S3，根据所述等效虚拟单馈入系统模型，建立频域雅克比矩阵，推导得到等效动态功率电压因子，进入S4；
S4，根据所述等效动态功率电压因子得到多馈入动态短路比，进入S5；
S5，根据所述多馈入动态短路比的值，判断所述多台双馈式风机接入受端电网电压的稳定状态，
当所述多馈入动态短路比小于1时，所述多台双馈式风机接入受端电网电压处于失稳状态，
当所述多馈入动态短路比等于1时，所述多台双馈式风机接入受端电网电压处于临界稳定状态，
当所述多馈入动态短路比大于1时，所述多台双馈式风机接入受端电网电压处于稳定状态，
其中，所述等效动态功率电压因子计算公式为
式中，EDPVFi(s)为等效动态功率电压因子，JPθi(s)、JPVi(s)、JQθi(s)、JQVi(s)均为换流母线i处频域下雅克比矩阵元素，
所述多馈入动态短路比的计算公式为
式中，MDSCRi为多馈入动态短路比，Hi(s)为动态运行系数，Vi0为环流母线i处工频下公共连接点电压，ωi为环流母线i处旋转角速度，Leqii为环流母线i处受端交流系统等效电感，Seqi0为环流母线i处工频下受端交流系统复功率。
2.根据权利要求1所述的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，其特征在于：
其中，所述自适应旋转坐标系如下式所示，
式中，T自旋转坐标系，e自然对数的底，j虚数，△δ角速度之差。
3.根据权利要求1所述的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，其特征在于：
其中，所述节点阻抗矩阵为
式中，V为公共连接点处瞬时电压，e为受端交流系统等效电压源瞬时电压，ZLL(s)换流母线自阻抗，ZLG(s)换流母线和交流系统电压源之间的互阻抗，ZGL(s)换流母线和交流系统电压源之间的互阻抗，ZGG(s)交流系统电压源处自阻抗，iDFIG为双馈式风机注入瞬时电流，ig为受端交流系统瞬时电流。
4.根据权利要求1所述的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，其特征在于：
其中，所述频域雅克比矩阵为
式中，ΔPi(s)表示换流母线i处的频率下有功变化量，ΔQi(s)表示换流母线i处频域下无功变化量，JPθi(s)、JPVi(s)、JQθi(s)、JQVi(s)均为换流母线i处频域下雅克比矩阵元素，θi为换流母线i处电压相角，ΔVi为换流母线i处电压幅值变化量，Vi0为初始运行点电压幅值。
5.根据权利要求1所述的适用于多台双馈式风机接入受端电网电压稳定评估方法，其特征在于：
其中，将所述换流母线i处频域下雅克比矩阵元素带入所述等效动态功率电压因子计算公式，得所述等效动态功率电压因子计算公式：
式中，EDPVFi(s)为等效动态功率电压因子，θi0环流母线i处初始运行点等值电压初相角，ki为环流母线i处旋转角速度比，Seqi0为环流母线i处工频下受端交流系统复功率，eeqi0为环流母线i处工频下受端交流系统等效电压源瞬时电压，Vi0为环流母线i处工频下公共连接点电压，ωi为环流母线i处旋转角速度，Leqii为环流母线i处受端交流系统等效电感，Ki(s)为环流母线i处元件动态特性因子，JQθ(s)为频域下雅克比矩阵元素。
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