CN112688321B - 大电网次/超同步振荡路径获取方法及系统 - Google Patents

大电网次/超同步振荡路径获取方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大电网次/超同步振荡路径获取方法包括：利用风电单机无穷大系统仿真风电场次/超同步振荡时产生的次/超同步振荡电流，采用时变电流注入方式向PSASP大电网仿真系统注入次/超同步振荡电流，仿真分析次/超同步振荡在大电网中的传播；对仿真系统中的关键节点连接支路进行监测，通过Prony辨识获取关键节点连接支路的间谐波电流，从而获得次/超同步振荡间谐波电流在大电网中的分布；通过间谐波电流分布分析大电网中次/超同步振荡传播路径。本发明还提供了一种大电网次/超同步振荡路径获取系统。本发明克服了大电网风电次/超同步振荡多机系统仿真难题，便于研究风电产生的次/超同步振荡在大电网中的传播与分布。

Description

大电网次/超同步振荡路径获取方法及系统
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及大电网次/超同步振荡路径获取方法及系统。
背景技术
传统次同步振荡是指汽轮发电机组与具有串联补偿电容的输电系统间的耦合作用而产生的次同步谐振(SSR，SubsynchronousResonance)行为，此时电气系统与汽轮发电机组之间在一个或多个低于系统同步频率的频率下发生振荡，在弱阻尼或负阻尼情况下振幅呈现逐渐增大的趋势，进而造成汽轮发电机组的轴系损坏。当前随着我国风电、光伏等大量可再生能源通过电力电子变流器大规模集群接入电网，其参与或引发的新型SSR问题日益严重，产生的次/超同步振荡不再局限于经串联补偿送出的线路，而是在全网范围内传播，出现次同步或超同步的振荡电气振荡分量。这些次/超同步振荡分量可能影响电网中的汽轮发电机组，引发更为严重的SSR进而导致大量机组脱网以及部分机组损坏的事件。例如2015年以来，我国新疆哈密地区频繁出现风电机群参与的次同步振荡，频率在20～40Hz内变化，次同步振荡功率穿越35/110/220/500/750kV多级电网，甚至激发网中汽轮机组轴系扭振，造成300km外的某电厂机组全跳和特高压直流功率骤降的事故。因此，揭示大电网中次/超同步振荡路径，及时发现风电、光伏等可再生能源潜在振荡源与大电网中传统汽轮发电机间的相互影响对于大电网次/超同步振荡的预防控制至关重要。
长期以来国内外风电次/超同步振荡研究主要侧重于振荡机理的解释、振荡现象的分析和振荡源本身抑制措施的设计，在大电网次/超同步振荡传播路径分析方面涉及较少，其主要原因在于风电次/超同步振荡现象的仿真复现非常复杂，目前机理分析、仿真分析仍大多停留在单机无穷大系统分析层面。在大电网多机系统情况下，含风电、光伏等可再生能源的次/超同步振荡仿真难以实现，追溯其振荡传播路径尤为困难。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种有效的追溯含风电、光伏等可再生能源的次/超同步振荡传播路径的大电网次/超同步振荡路获取方法。
为实现上述目的，本发明提供一种大电网次/超同步振荡路径获取方法，包括以下步骤：
搭建风电单机无穷大系统，通过风电单机无穷大系统仿真获得风电次/超同步振荡电流，构建风电次/超同步振荡电流时序数据序列；
将风电次/超同步振荡电流时序数据序列通过PSASP(电力系统分析综合程序PSASP，Power System Analysis Synthesis Program，下文简称PSASP)用户程序接口UPI以时变电流的形式注入PSASP大电网仿真系统，混合仿真大电网中风电次/超同步振荡的传播及分布；
对大电网仿真系统中的关键节点进行状态量监测，获取关键节点连接支路的电流动态变化轨迹数据；
对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析，得出大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布。
基于大电网间谐波电流分布结果获得次/超同步振荡分量的全网传播路径。
进一步，风电次/超同步振荡电流时序数据序列为：
i(t)＝[i(t),i(t+1),…i(t+N-1)]；
其中，i(t)为振荡电流时序数据序列，i(t)为t时刻风电次/超同步振荡电流值，N为振荡电流时序数据序列i(t)中包含的i(t)的总数。
进一步，大电网关键监测节点选取为汽轮发电机接入点及相邻节点。相邻节点为与汽轮发电机并网点电气直接相连的节点，相邻节点的电气状态量一定程度上能表征发电机端口次/超同步振荡电流特征，从而获得汽轮发电机在次/超同步振荡中传入的次/超同步振荡电流分量。整个大电网节点数目众多，对每个节点进行监测、辨识，耗时长、计算量大且存在大量不必要的计算。选取其中最能表征次/超同步振荡传播分布的汽轮发电机接入点与相邻节点，大大减少了工作量。
进一步，对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析，将主导次/超同步频率分量和基频分量以及其它谐波分量解耦开来，得到系统中存在的主导次/超同步振荡间谐波电流。
本发明还提供了一种大电网次/超同步振荡路径获取系统，包括风电次/超同步振荡电流仿真模块、大电网风电次/超同步振荡仿真模块、状态量检测模块和大电网风电次/超同步振荡路径获取模块；
其中，风电次/超同步振荡电流仿真模块用于搭建风电单机无穷大系统，通过风电单机无穷大系统仿真获得风电次/超同步振荡电流时序数据序列，并将风电次/超同步振荡电流时序数据序列发送给大电网次/超同步振荡仿真模块；
大电网风电次/超同步振荡仿真模块将风电次/超同步振荡电流时序数据序列通过PSASP用户程序接口UPI以时变电流的形式注入大电网仿真系统，混合仿真大电网中风电次/超同步振荡的传播；
状态量检测模块对大电网仿真系统中的关键节点进行状态量监测，获取关键节点连接支路的电流动态变化轨迹数据；
大电网次/超同步振荡路径获取模块对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析，得出大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布；基于大电网间谐波电流分布结果获得次/超同步振荡分量的全网传播路径。
工作原理：本发明提出一种基于时变电流注入和间谐波电流分布的大电网次/超同步振荡路径获取方法及系统。在潜在可能发生次/超同步振荡的风电并网处将次/超同步振荡分量采用时变电流方式注入大电网仿真系统，混合仿真分析各关键节点连接支路的次/超同步振荡间谐波电流分量，根据获得的间谐波电流分布分析大电网次/超同步振荡传播路径，进而可用于评估其对大电网中汽轮发电机组的潜在影响。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、克服了以往风电等次/超同步振荡仿真仅仅在单机无穷大系统中实现，无法用于分析大电网多机系统中风电次/超同步振荡的传播及影响，将风电等潜在次/超同步振荡源的次/超同步振荡电流数据，采用了时变电流的方式注入到大电网中，提取传播到大电网中的次/超同步振荡间谐波电流信息；便于研究风电产生的次/超同步振荡在大电网中的传播与分布，评估其对电网中汽轮发电机组的影响。
2、实现大电网多机系统次超同步振荡路径的获取，可进一步分析不同风电接入并网点及不同频率次/超同步振荡对电网中传统汽轮发电机组谐振的潜在影响，未来基于宽频量测数据还可以推广到实际电网在线监测。
附图说明
图1是本发明提供的方法流程示意图；
图2是本实施例中采用的风电场次/超同步振荡单机无穷大仿真系统示意图；
图3是本实施例中提供的风电场次/超同步振荡单机无穷大系统仿真的次同步振荡电流随时间变化曲线；
图4是本实施例中时变电流注入大电网仿真示意图；
图5是本实施例中时变电流注入方法PSASP与用户程序接口UPI交互计算实现流程图；
图6是本实施例中大电网节点连接支路次/超同步振荡曲线Prony结果图；
图7是本实施例中某节点注入次同步振荡电流后电网间谐波电流分布显示振荡路径图；
图8是本实施例中另一节点注入超同步振荡电流后电网间谐波电流分布显示振荡路径图。
具体实施方式
下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。
本实施例公开了一种大电网次/超同步振荡路径获取系统，包括：包括风电次/超同步振荡电流仿真模块、大电网风电次/超同步振荡仿真模块、状态量检测模块和大电网风电次/超同步振荡路径获取模块；其对大电网次/超同步振荡路径获取的方法步骤如图1所示，具体包括以下步骤：
步骤1、风电次/超同步振荡电流仿真模块搭建风电单机无穷大系统，通过该系统仿真实现风电引发的次/超同步振荡现象，获得风电次/超同步振荡电流，并构建形成风电次/超同步振荡电流时序数据。搭建的风电单机无穷大系统模型可以是复现实际次/超同步振荡现象的风电场，也可以是研究使用的标准模型。本实施例中搭建的风电单机无穷大系统如图2所示，图中各参数为风电机组和单机无穷大系统公知参数。通过调整参数，仿真实现风电机组次/超同步振荡。本实施例中提供的风电单机无穷大系统仿真的次同步振荡电流随时间变化曲线如图3所示。
振荡电流数据来源于风电单机无穷大系统仿真获得的次/超同步振荡电流时序数据，即风机出口处变压器高压侧检测到的次/超同步振荡电流。采用下述方法构建风电次/超同步振荡电流时序数据序列i(t)：
i(t)＝[i(t),i(t+1),…i(t+N-1)]
其中，i(t)为风电次/超同步振荡电流时序数据序列，i(t)为t时刻风机出口处变压器高压侧检测到的次/超同步振荡电流值，N为风电次/超同步振荡电流时序数据序列i(t)中包含的i(t)的总数。
步骤2、大电网风电次/超同步振荡仿真模块将步骤1中得到的风电次/超同步振荡电流时序数据序列中的电流值通过时变电流注入的方式代入大电网仿真中，时变电流注入示意如图4所示。其中，Ii(t)为t时刻风机出口处变压器高压侧检测到的次/超同步振荡电流的幅值，θi(t)为t时刻风机出口处变压器高压侧检测到的次/超同步振荡电流的相角。以时变电流源电流幅值Ii(t)相角θi(t)表示步骤1中获得的风电次/超同步振荡电流时序数据序列中的每个数据。具体实现，本实施例中采用电力系统分析综合程序PSASP用户程序接口UPI以时变电流的形式注入PSASP大电网仿真系统，混合仿真大电网中风电次/超同步振荡的传播与分布。本实施例中直接采用步骤1获得的风电次/超同步振荡电流代入。
如果采用实测的风电场次/超同步振荡有功功率和无功功率时，如图5所示，根据以下步骤计算输入到大电网仿真系统中的电流参数：
步骤201：根据PSASP中的系统状态方程Xn+1＝F(Xn,Yn,In)和系统控制方程Yn+1＝G(Xn,Yn,In)进行计算，其中，Xn指风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n个电流状态下的状态变量，Yn指风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n个电流状态下的系统网络参数，In指注入的风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n个电流；
步骤202：输出注入母线电压U和电压相角θ；
步骤203：根据PSASP时变注入电流用户程序的数学模型In+1＝H(Pn+1,Qn+1,Un+1,θn+1)进行计算注入大电网的电流，其中，In+1指注入的风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n+1个电流；Pn+1表示风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n+1个电流状态下风电场并网点的有功功率，Qn+1表示风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n+1电流状态下风电场并网点的无功功率，Un+1表示风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n+1电流状态下母线电压，θn+1表示风电次/超同步振荡电流时序数据序列中第n+1电流状态下母线电压相角。最后输出电流的实部Ir和虚部Ii至PSASP。
具体的，只需根据公式(1)和(2)进行变换，即可将功率转变为电流实部和虚部形式注入仿真系统参与迭代计算。
Ir＝(S/U)cos(θ1-θ2+θ3) (1)
Ii＝(S/U)sin(θ1-θ2+θ3) (2)
其中，Ir和Ii分别为注入大电网仿真系统的电流实部和虚部，S为负荷视在功率，可由有功功率P和无功功率Q求得，U为仿真系统中注入母线电压幅值，θ1为实测电流相角，θ2为实测电压相角，θ3为仿真系统中注入母线电压相角。
步骤204：重复步骤201～203直到完成风电次/超同步振荡电流时序数据序列中所有参数。
步骤3、通过步骤2含风电次/超同步振荡的大电网仿真后，状态量检测模块对大电网仿真系统中的关键节点进行状态量监测，获取关键节点连接支路的电流动态变化轨迹数据。状态量主要指关键节点连接支路的电流动态变化，根据需要也可以获取关键节点处的功率动态变化等。大电网关键监测节点选取为汽轮发电机接入点及相邻节点。相邻节点是指与汽轮发电机并网点电气直接相连的节点，该节点的电气状态量一定程度上能表征发电机端口次/超同步振荡电流特征。
步骤4、大电网风电次/超同步振荡路径获取模块对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析，得出大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布。
利用前面步骤3得到的大电网关键节点连接支路的电流动态变化轨迹数据，对其进行Prony分析，将次/超同步振荡频率分量与其他分量解耦开来，去除其它频率的干扰，得到对应次/超同步振荡分量的间谐波电流分量。关键节点的选取依据大电网中主要汽轮发电机组连接及邻近节点。Prony分析为公知信号处理方法，图6为Prony分析结果示意。
步骤5、大电网风电次/超同步振荡路径获取模块基于大电网间谐波电流分布结果获得次/超同步振荡分量的全网传播路径，进而可用于大电网内引发汽轮发电机组谐振风险评估。
结合步骤4得出的大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布，分析关键节点连接支路上间谐波电流的幅值和相位，选择流出为正、流入为负的参考方向。根据能量守恒原理，大电网中风电等次/超同步振荡源并网处会流入间谐波电流，电流幅值较大，在电网中传播消耗，沿着振荡传播路径振荡幅值逐步减小。按照上述规律可以获得大电网次/超同步振荡传播路径，进而获得振荡源位置相关信息。同时可以分析大电网中汽轮发电机组并网处传播的间谐波电流大小及频率，判断是否会与汽轮发电机组固有自然频率一起产生新的汽轮机组次/超同步谐振。图7中给出了节点9并网风电场次同步振荡情况下间谐波电流分布，图8做为对照给出了节点10并网风电场超同步振荡情况下间谐波电流分布，通过间谐波电流分布可以较清晰的获得次/超同步振荡在电网中的传播路径。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种大电网次/超同步振荡路径获取方法，其特征在于：包括以下步骤：
搭建风电单机无穷大仿真系统，通过风电单机无穷大系统仿真获得风电次/超同步振荡电流，构建风电次/超同步振荡电流时序数据序列；
将风电次/超同步振荡电流时序数据序列通过PSASP用户程序接口UPI以时变电流的形式注入PSASP大电网仿真系统，混合仿真大电网中风电次/超同步振荡的传播及分布；
对大电网仿真系统中的关键节点进行状态量监测，获取关键节点连接支路的电流动态变化轨迹数据；
对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析，得出大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布；
结合得到的大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布，分析关键节点连接支路上间谐波电流的幅值和相位，选择流出为正、流入为负的参考方向；大电网中风电等次/超同步振荡源并网处会流入间谐波电流，电流幅值较大，在电网中传播消耗，沿着振荡传播路径振荡幅值逐步减小；按照上述规律获得大电网次/超同步振荡传播路径；同时分析大电网中汽轮发电机组并网处传播的间谐波电流大小及频率，判断是否会与汽轮发电机组固有自然频率一起产生新的汽轮机组次/超同步谐振；
基于大电网间谐波电流分布结果获得次/超同步振荡分量的全网传播路径。
2.根据权利要求1的大电网次/超同步振荡路径获取方法，其特征在于：风电次/超同步振荡电流时序数据序列为：
i(t)＝[i(t),i(t+1),…i(t+N-1)]；
其中，i(t)为振荡电流时序数据序列，i(t)为t时刻风电次/超同步振荡电流值，N为振荡电流时序数据序列i(t)中包含的i(t)的总数。
3.根据权利要求1的大电网次/超同步振荡路径获取方法，其特征在于：大电网关键监测节点选取为汽轮发电机接入点及相邻节点。
4.根据权利要求1的大电网次/超同步振荡路径获取方法，其特征在于：对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析，将主导次/超同步频率分量和基频分量以及其他谐波分量解耦开来，得到系统中存在的主导次/超同步振荡间谐波电流。
5.一种大电网次/超同步振荡路径获取系统，其特征在于：包括风电次/超同步振荡电流仿真模块、大电网风电次/超同步振荡仿真模块、状态量检测模块和大电网风电次/超同步振荡路径获取模块；
其中，风电次/超同步振荡电流仿真模块用于搭建风电单机无穷大系统，通过风电单机无穷大系统仿真获得风电次/超同步振荡电流时序数据序列，并将风电次/超同步振荡电流时序数据序列发送给大电网次/超同步振荡仿真模块；
大电网风电次/超同步振荡仿真模块将风电次/超同步振荡电流时序数据序列通过PSASP用户程序接口UPI以时变电流的形式注入大电网仿真系统，混合仿真大电网中风电次/超同步振荡的传播；
状态量检测模块对大电网仿真系统中的关键节点进行状态量监测，获取关键节点连接支路的电流动态变化轨迹数据；
大电网次/超同步振荡路径获取模块对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析，得出大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布；基于大电网间谐波电流分布结果获得次/超同步振荡分量的全网传播路径；
大电网次/超同步振荡路径获取模块中结合得到的大电网各节点连接支路次/超同步振荡间谐波电流分布，分析关键节点连接支路上间谐波电流的幅值和相位，选择流出为正、流入为负的参考方向；大电网中风电等次/超同步振荡源并网处会流入间谐波电流，电流幅值较大，在电网中传播消耗，沿着振荡传播路径振荡幅值逐步减小；按照上述规律获得大电网次/超同步振荡传播路径；同时分析大电网中汽轮发电机组并网处传播的间谐波电流大小及频率，判断是否会与汽轮发电机组固有自然频率一起产生新的汽轮机组次/超同步谐振。
6.根据权利要求5的大电网次/超同步振荡路径获取系统，其特征在于：风电次/超同步振荡电流时序数据序列为：
i(t)＝[i(t),i(t+1),…i(t+N-1)]；
其中，i(t)为振荡电流时序数据序列，i(t)为t时刻风电次/超同步振荡电流值，N为振荡电流时序数据序列i(t)中包含的i(t)的总数。
7.根据权利要求5的大电网次/超同步振荡路径获取系统，其特征在于：大电网关键监测节点选取为汽轮发电机接入点及相邻节点。
8.根据权利要求5的大电网次/超同步振荡路径获取系统，其特征在于：对通过监测得到的支路电流动态变化轨迹数据进行Prony分析中，将主导次/超同步频率分量和基频分量以及其它谐波分量解耦开来，得到系统中存在的主导次/超同步振荡间谐波电流。
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