CN111697618B - 大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法，属于电力系统稳定性分析领域。本发明针对现实中出现的基于DFIG的大型风电场与交流电网之间的宽频相互作用，搭建了DFIG的统一的dq域频率耦合阻抗模型，包括感应电机(IM)模型、机侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)、直流侧(DC‑link)以及三相同步锁相环(SRF‑PLL)，并用广义奈奎斯特判据(GNC)进行稳定性分析。相比于传统的阻抗模型，本发明得到的大规模风电场宽频域全模型阻抗更加完善和全面，适用于基于DFIG的大型风电场稳定性分析，分析效果也得到了验证。

Description

大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法
技术领域
本发明涉及一种大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法，属于电力系统稳定性分析领域。
背景技术
随着风力发电的日益普及，风电机组与交流电网之间的相互作用越来越严重，风电场和输电线路出现了共振引起的不稳定问题。由于双馈感应发电机(DFIG)作为风力发电机的应用越来越广泛，基于双馈感应发电机的风电系统的稳定性问题值得关注。
常用的电磁小信号稳定性的分析方法有特征值分析法和阻抗分析法。阻抗分析法对系统数据要求更少，更常被采用。得到阻抗后，再利用奈奎斯特准则可以对系统的电磁稳定性进行分析。阻抗分析方法已经被广泛地应用于研究两电平电压源变换器(VSC)相关系统的电磁稳定性。关于VSC的阻抗建模，主要有相域的谐波线性化方法和dq域的典型线性化方法，得出了相应的序域阻抗和dq阻抗模型。
上述方法均适用于风力发电机组系统，但由于感应电机或永磁同步机(PMSM)模型会使风电场的整体dq或序域模型复杂化，尤其是基于DFIG的风电场的阻抗模型更为复杂。到目前为止，关于风电场阻抗模型的研究仅在模型简化技术的基础上提出了部分简化的风电场阻抗模型。目前仍缺少关于Ⅲ型或基于DFIG的风电场的整体阻抗模型，特别是综合考虑机侧及网侧变流器，锁相环，直流侧以及感应电机的综合阻抗模型。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法。该方法研究基于DFIG的大型风电场与交流电网之间的宽频相互作用所引起的电磁稳定性，提出了DFIG的统一的dq域频率耦合阻抗模型，包括感应电机(IM)模型、机侧变流器、网侧变流器、直流侧以及三相同步锁相环(SRF-PLL)，并用广义奈奎斯特判据(GNC)进行稳定性分析。该方法针对实际工程的电力系统稳定性分析具有现实的理论意义和推广价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)建立考虑感应电机(IM)和机侧变流器(RSC)影响的I-型dq阻抗模型
Figure BDA0002510767400000021
公式如下：
Figure BDA0002510767400000022
式中，ZrX、ZrPI分别为RSC电流内环控制的交叉耦合项与PI控制项，Yrr、Ysr、Yss、Grs来自感应异步电机s域下的定转子电压电流方程
Figure BDA0002510767400000023
从而
Figure BDA0002510767400000024
步骤2)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)和锁相环(PLL)影响的II- 型阻抗模型
Figure BDA0002510767400000025
公式如下：
Figure BDA0002510767400000026
式中，ZrX、ZrPI、Yrr、Ysr、Yss、Grs含义与步骤1中相同。
Figure BDA0002510767400000027
分别代表锁相环对转子电流Ir，定子电压Us以及转子电压Ur的增益。
步骤3)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)和网侧变流器(GSC)影响的III-型阻抗模型
Figure BDA0002510767400000028
公式如下：
Figure BDA0002510767400000029
式中，
Figure BDA00025107674000000210
为不考虑锁相环(PLL)的GSC的dq阻抗，
Figure BDA00025107674000000211
其中，Zg为GSC出口电抗的等效阻抗，ZgX、ZgPI分别为GSC电流内环控制的交叉耦合项与PI控制项。
步骤4)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)和锁相环(PLL)影响的IV-型阻抗模型
Figure BDA00025107674000000212
公式如下：
Figure BDA0002510767400000031
式中，
Figure BDA0002510767400000032
为考虑锁相环(PLL)的GSC的dq阻抗，
Figure BDA0002510767400000033
其中，Zg、ZgX、ZgPI与步骤 3中含义相同，
Figure BDA0002510767400000034
分别代表锁相环对网侧电流Ig，网侧电压Ug的增益。
步骤5)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)、锁相环(PLL)和直流侧影响的V-型阻抗模型
Figure BDA0002510767400000035
公式如下：
Figure BDA0002510767400000036
式中，
Figure BDA0002510767400000037
为考虑锁相环(PLL)以及直流侧的GSC的dq阻抗
Figure BDA0002510767400000038
其中，GdcPI为直流侧的PI控制项，B＝-I′gZrX+U′g
Figure BDA0002510767400000039
步骤6)采用广义奈奎斯特判据(GNC)进行稳定性分析
步骤1～5得到了考虑不同情形的五种阻抗模型。利用阻抗模型，采用广义奈奎斯特判据(Generalized Nyquist Criterion)来评价不同影响因素对电磁稳定性的影响。其中，V-型阻抗模型考虑因素最为完整，其稳定性分析结果也最为可靠。
按照GNC的定义，并以V-型阻抗模型为例，可以得到系统的Ldq(s)矩阵：
Figure BDA00025107674000000310
Figure BDA00025107674000000311
其中，Rgrid,Lgrid分别对应于交流电网的戴维南电阻和电感。如果Ldq(s)的两个特征轨迹都不包围(-1，j0)点，则认为系统是稳定的，否则，系统将是不稳定的。由此，可以对系统的电磁稳定性进行分析。
综合考虑，V-型阻抗模型最为完善，但也最为复杂。实际阻抗建模中，dq阻抗模型的4个对角元素Ydd、Ydq、Yqd和Yqq可以为I～V型不同类型的阻抗模型，也可以根据频段变为分段函数，以简化建模过程。不同频段，不同对角元素可以选择的阻抗模型种类如下表所示。
Figure BDA0002510767400000041
简化阻抗建模过程后，依然可以通过GNC方法进行稳定性分析，步骤相同，同时保证了稳定性分析的效果。
相比于传统建模和稳定性分析方法，本发明的优点是：
本发明方法基于传统的阻抗分析法，在大规模风电场下构建宽频域dq阻抗模型，综合考虑感应电机GSC、RSC、PLL、直流侧对阻抗建模以及稳定性分析的影响。该方法分析得到的仿真结果与实际测试结果高度吻合。与传统的建模方法不同，本发明得到的大规模风电场宽频域阻抗模型更加完善和全面，适用于基于DFIG风电场与大型交流电网相互作用的稳定性分析，更有针对性。该方法具有极大的工程实用价值。
附图说明
图1是本发明大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法流程框图
图2是本发明涉及的DFIG的拓扑图及控制图
图3是本发明提出的包含感应电机、RSC、GSC、锁相环和直流侧影响的V-型阻抗模型图
图4是本发明得到的基于DFIG的风电场的I-型～V-型dq阻抗模型的分析与测量结果图
具体实施方式
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的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请先参阅图1，图1是本发明大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法流程框图，如图所示，一种大规模风电场宽频域全模型阻抗建模与稳定性分析方法，包括以下步骤：
步骤1)建立考虑感应电机(IM)和机侧变流器(RSC)影响的I-型dq阻抗模型
Figure BDA0002510767400000051
公式如下：
Figure BDA0002510767400000052
式中，ZrX、ZrPI分别为RSC电流内环控制的交叉耦合项与PI控制项，Yrr、Ysr、Yss、Grs来自感应异步电机s域下的定转子电压电流方程
Figure BDA0002510767400000053
从而
Figure BDA0002510767400000054
步骤2)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)和锁相环(PLL)影响的II- 型阻抗模型
Figure BDA0002510767400000055
公式如下：
Figure BDA0002510767400000056
式中，ZrX、ZrPI、Yrr、Ysr、Yss、Grs含义与步骤1中相同。
Figure BDA0002510767400000057
分别代表锁相环对转子电流Ir，定子电压Us以及转子电压Ur的增益。
步骤3)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)和网侧变流器(GSC)影响的III-型阻抗模型
Figure BDA0002510767400000058
公式如下：
Figure BDA0002510767400000059
式中，
Figure BDA00025107674000000510
为不考虑锁相环(PLL)的GSC的dq阻抗，
Figure BDA00025107674000000511
其中，Zg为GSC出口电抗的等效阻抗，ZgX、ZgPI分别为GSC电流内环控制的交叉耦合项与PI控制项。
步骤4)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)和锁相环(PLL)影响的IV-型阻抗模型
Figure BDA0002510767400000061
公式如下：
Figure BDA0002510767400000062
式中，
Figure BDA0002510767400000063
为考虑锁相环(PLL)的GSC的dq阻抗，
Figure BDA0002510767400000064
其中，Zg、ZgX、ZgPI与步骤 3中含义相同，
Figure BDA0002510767400000065
分别代表锁相环对网侧电流Ig，网侧电压Ug的增益。
步骤5)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)、锁相环(PLL)和直流侧影响的V-型阻抗模型
Figure BDA0002510767400000066
公式如下：
Figure BDA0002510767400000067
式中，
Figure BDA0002510767400000068
为考虑锁相环(PLL)以及直流侧的GSC的dq阻抗
Figure BDA0002510767400000069
其中，GdcPI为直流侧的PI控制项，
Figure BDA00025107674000000610
B＝-I′gZrX+U′g。
步骤6)采用广义奈奎斯特判据(GNC)进行稳定性分析
步骤1～5得到了考虑不同情形的五种阻抗模型。利用阻抗模型，采用广义奈奎斯特判据(Generalized Nyquist Criterion)来评价不同影响因素对电磁稳定性的影响。其中，V-型阻抗模型考虑因素最为完整，其稳定性分析结果也最为可靠。
按照GNC的定义，并以V-型阻抗模型为例，可以得到系统的Ldq(s)矩阵：
Figure BDA0002510767400000071
Figure BDA0002510767400000072
其中，Rgrid,Lgrid分别对应于交流电网的戴维南电阻和电感。如果Ldq(s)的两个特征轨迹都不包围(-1，j0)点，则认为系统是稳定的，否则，系统将是不稳定的。由此，可以对系统的电磁稳定性进行分析。
综合考虑，V-型阻抗模型最为完善，但也最为复杂。实际阻抗建模中，dq阻抗模型的 4个对角元素Ydd、Ydq、Yqd和Yqq可以为I～V型不同类型的阻抗模型，也可以根据频段变为分段函数，以简化建模过程。不同频段，不同对角元素可以选择的阻抗模型种类如下表所示。
Figure BDA0002510767400000073
简化阻抗建模过程后，依然可以通过GNC方法进行稳定性分析，步骤相同，同时保证了稳定性分析的效果。
图2是本发明涉及的DFIG的拓扑图及控制图，以上步骤均以此为基础展开。图3是本发明在步骤5提出的V-型阻抗模型图，包含感应电机、RSC、GSC、锁相环和直流侧多种因素的影响，较为全面。图4是本发明得到的基于DFIG的风电场的I-型～V-型dq阻抗模型的分析与测量结果图。基于此结果，可以进行步骤6中的阻抗建模简化，同时不影响稳定性分析效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种大规模风电场宽频域阻抗建模与稳定性分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1)建立考虑感应电机(IM)和机侧变流器(RSC)影响的I-型dq阻抗模型YI dq(s)，公式如下：
Figure FDA0003710108110000011
式中，ZrX、ZrPI分别为RSC电流内环控制的交叉耦合项与PI控制项，Yrr、Ysr、Yss、Grs来自感应异步电机s域下的定转子电压电流方程
Figure FDA0003710108110000012
从而
Figure FDA0003710108110000013
步骤2)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)和锁相环(PLL)影响的II-型阻抗模型
Figure FDA0003710108110000014
公式如下：
Figure FDA0003710108110000015
式中，
Figure FDA0003710108110000016
分别代表锁相环对转子电流Ir，定子电压Us以及转子电压Ur的增益；
步骤3)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)和网侧变流器(GSC)影响的III-型阻抗模型
Figure FDA0003710108110000017
公式如下：
Figure FDA0003710108110000018
式中，
Figure FDA0003710108110000019
为不考虑锁相环(PLL)的GSC的dq阻抗，
Figure FDA00037101081100000110
其中，Zg为GSC出口电抗的等效阻抗，ZgX、ZgPI分别为GSC电流内环控制的交叉耦合项与PI控制项；
步骤4)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)和锁相环(PLL)影响的IV-型阻抗模型
Figure FDA0003710108110000021
公式如下：
Figure FDA0003710108110000022
式中，
Figure FDA0003710108110000023
为考虑锁相环(PLL)的GSC的dq阻抗，
Figure FDA0003710108110000024
其中，
Figure FDA0003710108110000025
分别代表锁相环对网侧电流Ig，网侧电压Ug的增益；
步骤5)建立考虑感应电机(IM)、机侧变流器(RSC)、网侧变流器(GSC)、锁相环(PLL)和直流侧影响的V-型阻抗模型
Figure FDA0003710108110000026
公式如下：
Figure FDA0003710108110000027
式中，
Figure FDA0003710108110000028
为考虑锁相环(PLL)和直流侧的GSC的dq阻抗，
Figure FDA0003710108110000029
其中，GdcPI为直流侧的PI控制项，
Figure FDA00037101081100000210
B＝-Ig′ZrX+Ug′；
步骤6)采用广义奈奎斯特判据(GNC)进行稳定性分析：
步骤6.1根据不同频段与不同对角元素选择步骤1～5中的阻抗模型种类，得到阻抗模型Ydq(s)，规则如下：
Figure FDA00037101081100000211
步骤6.2利用选定的阻抗模型，采用广义奈奎斯特判据评价不同影响因素对电磁稳定性的影响，
按照GNC的定义，根据得到的阻抗模型Ydq(s)，得到系统的回比矩阵Ldq(s)：
Figure FDA0003710108110000031
Figure FDA0003710108110000032
其中，Rgrid,Lgrid分别对应于交流电网的戴维南电阻和电感；
当回比矩阵Ldq(s)的两个特征轨迹都不包围(-1，j0)点，则认为系统是稳定的，否则，系统将是不稳定的。
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