CN111398676A - 一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法，通过提取大规模风电输出系统中发生次同步振荡时各母线电压和线路的各相电流的所有振荡模式，并且对每个振荡模式进行滤波分离，进而对振荡分量进行提取和辨识，以得到其中的频率信息。然后按照对应模态下的次同步振荡频率分布作为振荡路径的判定条件，最后给出了路径判定的判据，从而得到次同步振荡的传播路径。

Description

一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，更为具体地讲，涉及一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法。

背景技术

根据国家规划，到2020年我国风光发电装机容量将达到3.2亿千瓦，其中2亿千瓦位于“三北”地区。为解决“三北”地区可再生能源消纳问题，已建、在建和规划建设特高压直流外送通道8条，目前和将来一段时间大基地、直流送出将是我国可再生能源开发利用的主导形式。

可再生能源发电基地直流外送系统中风光等变流电源占比高、数量大、接入同步电网逐级弱化且依赖直流通道实现电力外送，导致两大系统稳定问题突出，其一是正常运行时宽频带、多形态功率振荡频发，其二是交流系统故障、直流闭锁及可再生能源波动时系统暂态稳定性恶化。这两个问题严重威胁系统的安全稳定运行，制约可再生能源的高效消纳和直流外送。可再生能源发电基地直流外送系统的稳定控制问题是一个世界性难题，国内外研究尚处于起步阶段，亟需开展建模、分析与控制方面的基础研究，构建新的理论与方法体系。

例如文献“Liu H.,Xie X.,He J.,ET AL.:‘Sub-synchronous interactionbetween direct-drive PMSG based wind farms and weak AC networks’,IEEETrans.Power Syst.,2017,32,pp.4708–4720”提出了一种dq坐标系下针对风电场直流外送系统的阻抗模型分析方法。首先分析了各参数对控制参数对次同步振荡特性的影响，、然后基于小信号模型和阻抗模型对系统稳定性进行了分析，但并未对实际系统中存在的次同步振荡传播路径问题加以研究及分析。该文章中基于阻抗模型得到的次同步振荡特性在另一种运行条件及扰动下可能产生误差，因此难以保证次同步振荡中的特征的有效性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法，通过对次同步振荡各分量进行提取和辨识，以得到其中的频率信息，然后按照对应模态下的次同步振荡频率得到次同步振荡的传播路径。

为实现上述发明目的，本发明一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设计格栅式滤波器组；

根据分析需要，将待分析的次/超同步振荡频带范围按照1Hz的带通宽度进行划分，得到n个子频带，然后设计n个带宽间隔为1Hz的带通滤波器，再将这些带通滤波器并列，构成格栅式滤波器组；

(2)、采样电流/电压信号的前置滤波；

设计50Hz带阻滤波器，衰减系数大于40dB；利用带阻滤波器对高比例可再生能源系统内的电流/电压信号进行滤波；

(3)、提取次/超同步振荡分量；

(3.1)、将滤波后的电流/电压信号输入至格栅式滤波器组；

(3.2)、计算单一带通滤波器的最大峰值；

在时间窗T内，设第i个带通滤波器的输出序列为BPF_i(1),BPF_i(2),…,BPF_i(N)，找出输出序列的最大峰值，记为：M_i(T)，其中，N为时间窗T内第i个带通滤波器的输出点数；

(3.3)、获取格栅式带通滤波器组最大峰值序列；

同理，获取其他带通滤波器在时间窗T内输出序列的最大峰值，形成最大峰值序列，记为：M₁(T),M₂(T),…M_i(T),…,M_n(T)；

(3.4)、获取极值点序列；

设置幅值阈值，将最大峰值序列中幅值大于幅值阈值的最大峰值点记为极值点，将所有的极值点形成极值点序列，记为：

j＝1,2,…,m，m≤n；

(3.5)、输出次/超同步振荡分量；

根据极值点序列，选出每个极值点对应的带通滤波器，再将带通滤波器输出数据作为次/超同步振荡分量；

(4)、采用改进的过零点测频计算次同步振荡频率；

(4.1)、从m个带通滤波器随机选择一个带通滤波器，该带通滤波器的中心频率为f₀，则选取过零点测频的时间窗为T₀＝ρf_s/f₀，其中，ρ为时间窗的长度，ρ≥4，f_s为电流/电压信号的采样频率；

(4.2)、在时间窗T₀内，第一个上升沿过零点前的采样点序号为t_k1，对应的采样值为Sample_k1，第一个上升沿过零点后的采样点序号为t_k2，对应的采样值为Sample_k2；第二个上升沿过零点前的采样点序号为t_k3，对应的采样值为Sample_k3；第二个上升沿过零点后的采样点序号为t_k4，对应的采样值为Sample_k4；

(4.3)、计算过零点时刻

计算第一个过零点到t_k2的时间T₁为：

同理，计算第二个过零点到t_k4的时间T₂为

计算采样点t_k2和采样点t_k3之间的时间T₃为：

计算第一个过零点和第二个过零点之间的时间间隔T_s：

T_s＝T₁+T₂+T₃

(4.4)、计算次同步振荡频率f_sso为：

(5)、判定振荡传播路径

(5.1)、定义线路集合；

将高比例可再生能源系统中所有线路进行编号，其中，一端连接风电场的线路构成集合记为：W＝[w₁,w₂,…,w_p]，w_p表示连接风电场的第p根线路，普通线路构成集合记为：L＝[l₁,l₂,…,l_q],l_q表示第q根普通线路；

(5.2)、设次同步振荡频率f_sso的振荡线路集合为Path，其中，Path包含一端连接有风电场的线路集合W_sso＝[w₁,w₂,…,w_x]，W_sso∈W，x≤p，以及普通线路集合L_sso＝[l₁,l₂,…,l_y，L_sso∈L，y≤q；

(5.3)、定义待连接线路集合C，C∈W_sso；取C＝w₁，在Path中寻找除集合C外所有与线路w₁两端有共同端点的线路，形成线路集合P₁；

同理，取C＝w₂时，形成线路集合P₂；然后以此类推，当C＝w_x时，形成线路集合P_x；

(5.4)、将x各线路集合P₁,P₂,…,P_x求并集，作为次同步振荡频率f_sso的振荡传播路径。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法，通过提取大规模风电输出系统中发生次同步振荡时各母线电压和线路的各相电流的所有振荡模式，并且对每个振荡模式进行滤波分离，进而对振荡分量进行提取和辨识，以得到其中的频率信息。然后按照对应模态下的次同步振荡频率分布作为振荡路径的判定条件，最后给出了路径判定的判据，从而得到次同步振荡的传播路径。

同时，本发明一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法还具有以下有益效果：

(1)、所构建的格栅式滤波器组可以实现次/超同步频段全覆盖，避免了信号频率成分的丢失及泄露。

(2)、在振荡分量的辨识上，传统的做法是基于傅里叶变换或者修正的傅里叶变换算法实现信号的相位、频率计算在本算法中采用改进的过零点测频的方式进行频率计算；其中，选取过零点测频方法的原因基于两点：一是在幅值波动的情况下，过零点检测仅和频率相关，能够直接反应信号频率的变化，且算法简单，易于在装置上实现；二是过零点比较算法虽然易于受噪声干扰，但是处理的信号是经过窄带带通滤波器深度滤波的信号，已经是非常“干净”的信号，过零点测频精度能够得到保证。

(3)、由于次/超同步振荡在电网中具有频率多变、持续时间较长、广域传播等特性，对电网稳定性及相关风电设备具有较大危害，并且当前并未有能准确定位振荡分量传播路径的有效方法。

附图说明

图1是电网某实际风电场汇集经直流送出系统详细模型结构示意图；

图2是系统发生次同步振荡时系统母线的电流录波；

图3是本发明一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法原理图；

图4是格栅式滤波器组的幅频特性图；

图5是某一频率次/超同步振荡传播路径判定示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，以PSCAD软件搭建电网的某实际风电场汇集经直流送出系统，其结构示意图如图1所示。该系统包含3个大型风电场，风电场中均配置2MW永磁直驱风力发电机，装机数均在100台以上。风机通过0.69/35KV机端变压器升压汇集于PCC母线，再经35/220KV升压汇集送出。经750KV线路后并入大型换流站。换流站H附近有两个大型火电场，分别装机4台660MW和2台660MW火电机组。

风场初始风速设置为10m/s，然后在5s时改变风场A的连接电感以激发次同步振荡模态，如图2所示，系统发生次同步振荡事件时系统母线电流录波。

图3是本发明一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法流程图。

在本实施例中，如图3所示，本发明一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法，包括以下步骤：

S1、设计格栅式滤波器组；

结合图1，根据分析需要，将待分析的次/超同步振荡频带范围5Hz～100Hz按照1Hz的带通宽度进行划分，得到95个子频带，然后分别设计以5.5Hz、6.5Hz、…、99.5Hz为中心频率的95个带宽间隔为1Hz的带通滤波器,再将这些带通滤波器并列，构成格栅式滤波器组；

S2、采样电流/电压信号的前置滤波；

设计50Hz带阻滤波器，衰减系数应足够大，且满足衰减系数大于40dB；

高比例可再生能源系统发生风电相关的次/超同步振荡时，系统内电流/电压信号通常包含多个频率成分，且振荡幅值远小于工频分量，故先将采样的电流/电压信号通过50Hz带阻滤波器进行前置滤波处理；

S3、提取次/超同步振荡分量；

S3.1、将滤波后的电流/电压信号输入至格栅式滤波器组；由图4可以看出，格栅式滤波器组在次/超同步频段内可实现无缝对接，这样可以保证所有振荡频率分量的提取；

S3.2、计算单一带通滤波器的最大峰值；

在时间窗T内，设第i个带通滤波器的输出序列为BPF_i(1),BPF_i(2),…,BPF_i(N)，找出输出序列的最大峰值，记为：M_i(T)，其中，N为时间窗T内第i个带通滤波器的输出点数；

在本实施例中，时间窗T选取200ms，考虑在200ms内信号幅值相对平稳，频率大于10Hz的信号能够包含完整的两个周期；

S3.3、获取格栅式带通滤波器组最大峰值序列；

同理，获取其他带通滤波器在时间窗T内输出序列的最大峰值，形成最大峰值序列，记为：M₁(T),M₂(T),…M_i(T),…,M_n(T)；

S3.4、获取极值点序列；

在本实施例中，为了避免因为振荡分量过小误判的可能，在求取极值点时增加幅值门槛条件，极值点的幅值必须大于门槛条件，设定条件为必须大于所接线路额定电流/电压幅值的0.5％，进而求取峰值序列的极值点；

具体求取过程为：设置幅值阈值，将最大峰值序列中幅值大于幅值阈值的最大峰值点记为极值点，将所有的极值点形成极值点序列，记为：

j＝1,2,…,m，m≤n；

S3.5、输出次/超同步振荡分量；

根据极值点序列，选出每个极值点对应的带通滤波器，再将带通滤波器输出数据作为次/超同步振荡分量；

根据上述步骤提取出确定的极值点，选择该极值点对应带通滤波器的输出数据为待使用数据，就可以认为实际信号频率靠近该滤波器中心频率，以此便可以分离出各个振荡模式的实时信号。

表1是次/超同步振荡信号辨识结果情况，结果表明所实际格栅式滤波器组在提取振荡信号频率分量的有效性。

表1

S4、采用改进的过零点测频计算次同步振荡频率；

在振荡分量的辨识上，传统的做法是基于傅里叶变换或者修正的傅里叶变换算法实现信号的相位、频率计算。在本算法中采用改进的过零点测频的方式进行频率计算。具体方法如下：

S4.1、从m个带通滤波器随机选择一个带通滤波器，该带通滤波器的中心频率为f₀，则选取过零点测频的时间窗为T₀＝ρf_s/f₀，其中，ρ为时间窗的长度，ρ≥4，在本实施例中，ρ取5，f_s为电流/电压信号的采样频率；

S4.2、在时间窗T₀内，第一个上升沿过零点前的采样点序号为t_k1，对应的采样值为Sample_k1，第一个上升沿过零点后的采样点序号为t_k2，对应的采样值为Sample_k2；第二个上升沿过零点前的采样点序号为t_k3，对应的采样值为Sample_k3；第二个上升沿过零点后的采样点序号为t_k4，对应的采样值为Sample_k4；

S4.3、计算过零点时刻

在本实施例中，采取高阶多项式拟合的方式对电流信号进行拟合，计算过零点时刻，具体如下：

计算第一个过零点到t_k2的时间T₁为：

同理，计算第二个过零点到t_k4的时间T₂为

计算采样点t_k2和采样点t_k3之间的时间T₃为：

计算第一个过零点和第二个过零点之间的时间间隔T_s：

T_s＝T₁+T₂+T₃

S4.4、计算次同步振荡频率f_sso为：

S5、判定振荡传播路径

由于次/超同步振荡在电网中具有频率多变、持续时间较长、广域传播等特性，对电网稳定性及相关风电设备具有较大危害，并且当前并未有能准确定位振荡分量传播路径的有效方法，基于上述对采样电流/电压信号的处理结果，提出了基于振荡频率进行传播路径判定的方法，具体如下：

S5.1、定义线路集合；

将高比例可再生能源系统中所有线路进行编号，其中，一端连接风电场的线路构成集合记为：W＝[w₁,w₂,…,w_p]，w_p表示连接风电场的第p根线路，普通线路构成集合记为：L＝[l₁,l₂,…,l_q,l_q表示第q根普通线路；

S5.2、设次同步振荡频率f_sso的振荡线路集合为Path，其中，Path包含一端连接有风电场的线路集合W_sso＝[w₁,w₂,…,w_x]，W_sso∈W，x≤p，以及普通线路集合L_sso＝[l₁,l₂,…,l_y，L_sso∈L，y≤q；

S5.3、定义待连接线路集合C，C∈W_sso；取C＝w₁，在Path中寻找除集合C外所有与线路w₁两端有共同端点的线路，形成线路集合P₁；

同理，取C＝w₂时，形成线路集合P₂；然后以此类推，当C＝w_x时，形成线路集合P_x；

S5.4、将x各线路集合P₁,P₂,…,P_x求并集，作为次同步振荡频率f_sso的振荡传播路径。

如图5所示，为某单一频率下次/超同步振荡的传播路径集合，路径包含振荡源风电场以及振荡传播过程过经过的所有线路。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设计格栅式滤波器组；

根据分析需要，将待分析的次/超同步振荡频带范围按照1Hz的带通宽度进行划分，得到n个子频带，然后设计n个带宽间隔为1Hz的带通滤波器，再将这些带通滤波器并列，构成格栅式滤波器组；

(2)、采样电流/电压信号的前置滤波；

设计50Hz带阻滤波器，衰减系数大于40dB；利用带阻滤波器对高比例可再生能源系统内的电流/电压信号进行滤波；

(3)、提取次/超同步振荡分量；

(3.1)、将滤波后的电流/电压信号输入至格栅式滤波器组；

(3.2)、计算单一带通滤波器的最大峰值；

在时间窗T内，设第i个带通滤波波器的输出序列为BPF_i(1),BPF_i(2),…,BPF_i(N)，找出输出序列的最大峰值，记为：M_i(T)，其中，N为时间窗T内第i个带通滤波器的输出点数；

(3.3)、获取格栅式带通滤波器组最大峰值序列；

同理，获取其他带通滤波器在时间窗T内输出序列的最大峰值，形成最大峰值序列，记为：M₁(T),M₂(T),…M_i(T),…,M_n(T)；

(3.4)、获取极值点序列；

设置幅值阈值，将最大峰值序列中幅值大于幅值阈值的最大峰值点记为极值点，将所有的极值点形成极值点序列，记为：

j＝1,2,…,m，m≤n；

(3.5)、输出次/超同步振荡分量；

根据极值点序列，选出每个极值点对应的带通滤波器，再将带通滤波器输出数据作为次/超同步振荡分量；

(4)、采用改进的过零点测频计算次同步振荡频率；

(4.1)、从m个带通滤波器随机选择一个带通滤波器，该带通滤波器的中心频率为f₀，则选取过零点测频的时间窗为T₀＝ρf_s/f₀，其中，ρ为时间窗的长度，ρ≥4，f_s为电流/电压信号的采样频率；

(4.2)、在时间窗T₀内，第一个上升沿过零点前的采样点序号为t_k1，对应的采样值为Sample_k1，第一个上升沿过零点后的采样点序号为t_k2，对应的采样值为Sample_k2；第二个上升沿过零点前的采样点序号为t_k3，对应的采样值为Sample_k3；第二个上升沿过零点后的采样点序号为t_k4，对应的采样值为Sample_k4；

(4.3)、计算过零点时刻

计算第一个过零点到t_k2的时间T₁为：

同理，计算第二个过零点到t_k4的时间T₂为

计算采样点t_k2和采样点t_k3之间的时间T₃为：

计算第一个过零点和第二个过零点之间的时间间隔T_s：

T_s＝T₁+T₂+T₃

(4.4)、计算次同步振荡频率f_sso为：

(5)、判定振荡传播路径

(5.1)、定义线路集合；

将高比例可再生能源系统中所有线路进行编号，其中，一端连接风电场的线路构成集合记为：W＝[w₁,w₂,…,w_p]，w_p表示连接风电场的第p根线路，普通线路构成集合记为：L＝[l₁,l₂,…,l_q],l_q表示第q根普通线路；

(5.2)、设次同步振荡频率f_sso的振荡线路集合为Path，其中，Path包含一端连接有风电场的线路集合W_sso＝[w₁,w₂,…,w_x]，W_sso∈W，x≤p，以及普通线路集合L_sso＝[l₁,l₂,…,l_y，L_sso∈L，y≤q；

(5.3)、定义待连接线路集合C，C∈W_sso；取C＝w₁，在Path中寻找除集合C外所有与线路w₁两端有共同端点的线路，形成线路集合P₁；

同理，取C＝w₂时，形成线路集合P₂；然后以此类推，当C＝w时，形成线路集合P_x；

(5.4)、将x各线路集合P₁,P₂,…,P_x求并集，作为次同步振荡频率f_sso的振荡传播路径。

2.根据权利要求1所述的一种通过次/超同步振荡频率判定振荡传播路径的方法，其特征在于，所述幅值阈值满足：幅值阈值为所接线路额定电流/电压幅值的0.5％。

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