CN111064193A - 一种双馈风电系统稳定性判定方法及装置 - Google Patents

一种双馈风电系统稳定性判定方法及装置 Download PDF

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迟永宁
唐冰婕
田新首
李琰
汤海雁
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
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China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种双馈风电系统稳定性判定方法及装置，包括：基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。本发明提供的技术方案通过双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线，可快捷有效地判定双馈风电系统稳定性，并且有助于双馈风电系统中电气参数和风机控制器参数的设计。

Description

一种双馈风电系统稳定性判定方法及装置
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种双馈风电系统稳定性判定方法及装置。
背景技术
近年来，随着风力发电技术的迅速发展，实际工程中出现了多起由双馈风电机组并网导致的新型次同步振荡事故，造成了变压器异常振动、大量风机脱网Crowbar和保护电路损坏，严重威胁到了电网的安全稳定运行，制约了风电能源的高效消纳；同时双馈风电机组是基于电力电子变换器的电源，且轴系的固有扭振频率较低，其引发的次同步振荡与传统大型汽轮机组旋转轴系主导的振荡有本质区别，振荡的影响因素错综复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双馈风电系统稳定性判定方法及装置，通过双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线，用于快速判定双馈风电系统的稳定性，有助于双馈风电系统电气参数及风机控制器参数的设计。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供了一种双馈风电系统稳定性判定方法，其改进之处在于，所述方法包括：
基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；
获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；
根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。
优选的，所述基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线，包括：
以0.1为间隔在频率区间
Figure BDA0002354276310000011
内选取k个频率点，并计算k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗和双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电抗响应曲线；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电阻响应曲线；
其中，ω1为定子同步角频率。
进一步的，按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗Zimag：
Figure BDA0002354276310000021
按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻Zreal：
Figure BDA0002354276310000022
上式中，ω＝2πf，f为频率，ω为角频率，Gpll为PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数，ωr为转子旋转角频率；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ur1为稳态时的基波分量电压，Ir1为稳态时的基波分量电流，j为虚数；Lls为定子漏感；Llr为转子漏感；RL为线路包括变压器在内的总电阻；L为包括变压器在内的线路总电感；C为线路串补电容；Kpp为锁相环的比例；Kpi为锁相环的积分系数；U1为电网电压基波峰值；Lm为定、转子绕组间的互感；Kp为RSC电流内环PI调节器的比例；Ki为RSC电流内环PI调节器的积分系数；n为双馈风电场中风电机组的台数；Zrsc为转子侧变换器等效阻抗。
进一步的，按下式确定PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数Gpll：
Figure BDA0002354276310000023
上式中，ω1为定子同步角频率。
优选的，所述根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性，包括：
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为负值，则系统不稳定；
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为正值，则系统稳定。
本发明提供了一种双馈风电系统稳定性判定装置，其改进之处在于，所述装置包括：
构建模块：用于基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；
获取模块：用于获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；
判断模块：用于根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。
优选的，所述构建模块，用于：
以0.1为间隔在频率区间
Figure BDA0002354276310000031
内选取k个频率点，并计算k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗和双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电抗响应曲线；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电阻响应曲线；
其中，ω1为定子同步角频率。
进一步的，按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗Zimag：
Figure BDA0002354276310000032
按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻Zreal：
Figure BDA0002354276310000033
上式中，ω＝2πf，f为频率，ω为角频率，Gpll为PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数，ωr为转子旋转角频率；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ur1为稳态时的基波分量电压，Ir1为稳态时的基波分量电流，j为虚数；Lls为定子漏感；Llr为转子漏感；RL为线路包括变压器在内的总电阻；L为包括变压器在内的线路总电感；C为线路串补电容；Kpp为锁相环的比例；Kpi为锁相环的积分系数；U1为电网电压基波峰值；Lm为定、转子绕组间的互感；Kp为RSC电流内环PI调节器的比例；Ki为RSC电流内环PI调节器的积分系数；n为双馈风电场中风电机组的台数；Zrsc为转子侧变换器等效阻抗。
进一步的，按下式确定PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数Gpll：
Figure BDA0002354276310000041
上式中，ω1为定子同步角频率。
优选的，所述判断模块，用于：
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为负值，则系统不稳定；
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为正值，则系统稳定。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的一种双馈风电系统稳定性判定方法及装置，基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。本发明提供的技术方案通过双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线，可快捷有效地判定双馈风电系统稳定性，并且有助于双馈风电系统中电气参数和风机控制器参数的设计。
附图说明
图1是本发明提供的一种双馈风电系统稳定性判定方法的流程图；
图2是本发明提供的基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；
图3是本发明提供的一种双馈风电系统稳定性判定装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种双馈风电系统稳定性判定方法，如图1所示，所述方法包括：
基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；
获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；
根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。
在本发明的最优实施例中，如图2所示，所述基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线，包括：
以0.1为间隔在频率区间
Figure BDA0002354276310000051
内选取k个频率点，并计算k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗和双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电抗响应曲线；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电阻响应曲线；
其中，ω1为定子同步角频率。
在本发明的最优实施例中，双馈风电系统的阻抗模型包括：风电场侧阻抗模型和输电线路侧阻抗模型两部分。
其中,根据转子侧变换器电流内环控制动态过程确定风电场侧的阻抗模型为：
Figure BDA0002354276310000052
输电线路侧阻抗模型为：
Figure BDA0002354276310000053
根据风电场侧阻抗模型和输电线路侧阻抗模型得到双馈风电系统的阻抗模型为：
Figure BDA0002354276310000061
求得双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗Zimag：
Figure BDA0002354276310000062
双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻Zreal：
Figure BDA0002354276310000063
上式中，ω＝2πf，f为频率，ω为角频率，Gpll为PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数，ωr为转子旋转角频率；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ur1为稳态时的基波分量电压，Ir1为稳态时的基波分量电流，j为虚数；Lls为定子漏感；Llr为转子漏感；RL为线路包括变压器在内的总电阻；L为包括变压器在内的线路总电感；C为线路串补电容；Kpp为锁相环的比例；Kpi为锁相环的积分系数；U1为电网电压基波峰值；Lm为定、转子绕组间的互感；Kp为RSC电流内环PI调节器的比例；Ki为RSC电流内环PI调节器的积分系数；n为双馈风电场中风电机组的台数；Zrsc为转子侧变换器等效阻抗。
其中，根据锁相环的动态特性和Lm>>Llr以及Lm>>Lls两个条件化简，确定PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数Gpll：
Figure BDA0002354276310000064
上式中，ω1为定子同步角频率。
具体的，所述根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性，包括：
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为负值，则系统不稳定；
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为正值，则系统稳定。
本发明提供了一种双馈风电系统稳定性判定装置，如图3所示，所述装置包括：
构建模块：用于基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；
获取模块：用于获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；
判断模块：用于根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。
在本发明的最优实施例中，所述构建模块，用于：
以0.1为间隔在频率区间
Figure BDA0002354276310000071
内选取k个频率点，并计算k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗和双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电抗响应曲线；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电阻响应曲线；
其中，ω1为定子同步角频率。
进一步的，按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗Zimag：
Figure BDA0002354276310000072
按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻Zreal：
Figure BDA0002354276310000073
上式中，ω＝2πf，f为频率，ω为角频率，Gpll为PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数，ωr为转子旋转角频率；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ur1为稳态时的基波分量电压，Ir1为稳态时的基波分量电流，j为虚数；Lls为定子漏感；Llr为转子漏感；RL为线路包括变压器在内的总电阻；L为包括变压器在内的线路总电感；C为线路串补电容；Kpp为锁相环的比例；Kpi为锁相环的积分系数；U1为电网电压基波峰值；Lm为定、转子绕组间的互感；Kp为RSC电流内环PI调节器的比例；Ki为RSC电流内环PI调节器的积分系数；n为双馈风电场中风电机组的台数；Zrsc为转子侧变换器等效阻抗。
其中，按下式确定PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数Gpll：
Figure BDA0002354276310000081
上式中，ω1为定子同步角频率。
具体的，所述判断模块，用于：
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为负值，则系统不稳定；
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为正值，则系统稳定。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双馈风电系统稳定性判定方法，其特征在于，所述方法包括：
基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；
获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；
根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线，包括：
以0.1为间隔在频率区间
Figure FDA0002354276300000011
内选取k个频率点，并计算k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗和双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电抗响应曲线；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电阻响应曲线；
其中，ω1为定子同步角频率。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗Zimag：
Figure FDA0002354276300000012
按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻Zreal：
Figure FDA0002354276300000013
上式中，ω＝2πf，f为频率，ω为角频率，Gpll为PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数，ωr为转子旋转角频率；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ur1为稳态时的基波分量电压，Ir1为稳态时的基波分量电流，j为虚数；Lls为定子漏感；Llr为转子漏感；RL为线路包括变压器在内的总电阻；L为包括变压器在内的线路总电感；C为线路串补电容；Kpp为锁相环的比例；Kpi为锁相环的积分系数；U1为电网电压基波峰值；Lm为定、转子绕组间的互感；Kp为RSC电流内环PI调节器的比例；Ki为RSC电流内环PI调节器的积分系数；n为双馈风电场中风电机组的台数；Zrsc为转子侧变换器等效阻抗。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，按下式确定PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数Gpll：
Figure FDA0002354276300000021
上式中，ω1为定子同步角频率。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性，包括：
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为负值，则系统不稳定；
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为正值，则系统稳定。
6.一种双馈风电系统稳定性判定装置，其特征在于，所述装置包括：
构建模块：用于基于双馈风电系统的阻抗模型分别构建双馈风电系统的频率电抗响应曲线和频率电阻响应曲线；
获取模块：用于获取所述频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率及该频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值；
判断模块：用于根据所述电阻值判断双馈风电系统的稳定性。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述构建模块，用于：
以0.1为间隔在频率区间
Figure FDA0002354276300000022
内选取k个频率点，并计算k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗和双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电抗响应曲线；
以k个频率点对应的双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻为纵坐标，k个频率点为横坐标构建频率电阻响应曲线；
其中，ω1为定子同步角频率。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的虚部电抗Zimag：
Figure FDA0002354276300000031
按下式确定双馈风电系统的阻抗模型的实部电阻Zreal：
Figure FDA0002354276300000032
上式中，ω＝2πf，f为频率，ω为角频率，Gpll为PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数，ωr为转子旋转角频率；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ur1为稳态时的基波分量电压，Ir1为稳态时的基波分量电流，j为虚数；Lls为定子漏感；Llr为转子漏感；RL为线路包括变压器在内的总电阻；L为包括变压器在内的线路总电感；C为线路串补电容；Kpp为锁相环的比例；Kpi为锁相环的积分系数；U1为电网电压基波峰值；Lm为定、转子绕组间的互感；Kp为RSC电流内环PI调节器的比例；Ki为RSC电流内环PI调节器的积分系数；n为双馈风电场中风电机组的台数；Zrsc为转子侧变换器等效阻抗。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，按下式确定PLL输出相角与电压扰动之间的传递函数Gpll：
Figure FDA0002354276300000033
上式中，ω1为定子同步角频率。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述判断模块，用于：
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为负值，则系统不稳定；
若频率电抗响应曲线上电抗的过零点对应的频率在频率电阻响应曲线上对应的电阻值为正值，则系统稳定。
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