CN112861326A - 一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法，属于电力系统技术领域，该装置利用基于量测的新能源电网发电机阻尼评估方法，能够有效的实现对新能源电网中各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献的精准评估，从而为后续针对新能源电网阻尼的精准调控提供基础支撑。

Description

一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，尤其涉及一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法。

背景技术

随着风力发电技术的不断提高以及风力发电机组容量的不断提升，越来越多的风电场正在相继投入使用，使得风能在电网中的占比正在不断扩大。双馈风电机组是当前并网风电场所采用的主流机型，其输出特性不仅与双馈电机本体有关，也与风机变流器的控制有关。相比于直驱和定速风电机组，具有多时间尺度的双馈风机动态模型更为复杂，更具有代表性。

阻尼是研究动力系统稳定性的核心对象，阻尼不足时系统振荡将长时间持续甚至发散，导致系统无法正常运行。对于电力系统来说，良好的阻尼特性是电力系统安全稳定运行的必要条件，阻尼减弱或缺失将引发严重的低频振荡事故，导致电力系统无法正常运行甚至崩溃。近十多年来，国内外的电力系统因阻尼问题引发的低频振荡现象时有发生，给系统安全稳定运行带来巨大威胁。

并网导则要求风电提供调频调压等辅助功能，放大了风电机组与电力系统之间的动态交互作用，此时系统机电振荡的阻尼特性将发生深刻变化，尤其是在高风速、低负荷场景下，为尽可能消纳大规模风电，系统中配置有电力系统稳定器(Power SystemStabilizer,PSS)的部分同步发电机组可能退出运行，易导致阻尼调节能力劣化。无论是离线的阻尼控制器设计，还是在线的低频振荡监控预警，都将阻尼作为重要的指标及监测对象，因此，实现阻尼的精准评估是上述管控措施实施的基础。

发明内容

本发明的目的是，提供一种在新能源接入电网的基础上，适应性强，具有较高的实际应用价值的基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法，用于解决现有技术中的上述技术问题。

为实现上述目的，本发明的一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法的具体技术方案如下：

本发明提供了一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置，包括：

获取模块，用于获取后续计算所需的系统中各发电机电气量数据，

计算模块，用于对获取模块中获取的系统中各发电机电气量数据进行处理和计算，得到系统主导振荡模式下，各发电机的K_dpi，

其中，K_dpi为发电机的阻尼贡献因子，

比较模块，用于对计算模块计算结果的比较分析，用于评估系统主导振荡模式下各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献大小；

所述计算模块的输入端与获取模块电性连接，其输出端与比较模块电性连接。

进一步的，本发明的计算模块中计算过程包括，

对获取模块中获得的系统中各发电机电气量进行处理，得到各电气量相对于稳态值的变化量，

对前述得到的各电气量相对于稳态值的变化量进行Prony分析，得到系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量，

利用前述得到的系统主导振荡模式下各发电机的各电气量相对于稳态值的变化量，计算得到系统主导振荡模式下，各发电机吸收的耗散能量，

利用Matlab中的曲线拟合工具箱对前述得到的各发电机吸收的耗散能量数据进行拟合，得到系统主导振荡模式下，各发电机的K_dpi，

其中，K_dpi为发电机的阻尼贡献因子，

根据系统主导振荡模式下各发电机K_dpi的相对大小关系及比值，即可评估新能源电网中系统主导振荡模式下各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献大小。

本发明还提供了一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

获取新能源电网运行的潮流数据，新能源电网中的发电机包括同步发电机和双馈异步风力发电机，获取的潮流数据包括后续计算所需的系统中各发电机电气量数据；

对获取的系统中各发电机电气量数据进行预处理，得到用于后续分析的各电气量相对于稳态值的变化量；

对前述得到的各电气量相对于稳态值的变化量进行Prony分析，得到系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量；

利用前述得到的系统主导振荡模式下各发电机的各电气量相对于稳态值的变化量，计算得到系统主导振荡模式下，各发电机吸收的耗散能量；

利用Matlab中的曲线拟合工具箱对前述得到的各发电机吸收的耗散能量数据进行拟合，得到系统主导振荡模式下，各发电机的K_dpi；

根据系统主导振荡模式下各发电机K_dpi的相对大小关系及比值，即可评估系统主导振荡模式下各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献大小。

推导过程：

对于一个含有n台发电机的多机系统，含有n-1个机电振荡模式，其中，在系统主导振荡模式σ₁±jω_d1下，系统电气量的变化量为：

对二者进行积分，可得：

其中：n为系统中总发电机台数，σ₁为系统主导振荡模式对应的衰减系数，ω_d1为系统主导振荡模式对应的有阻尼时的振荡角频率，t₁为积分起始时间点，t₂为积分终止时间点，Y_o为积分结果中的振荡分量，Y_d为积分结果中的衰减分量，y_j，y_k为系统主导振荡模式下电气量的变化量，A_1j为系统主导振荡模式下电气量变化量y_j的幅值，A_1k为系统主导振荡模式下电气量变化量y_k的幅值，θ_1j为系统主导振荡模式下电气量变化量y_j的相位，θ_1k为系统主导振荡模式下电气量变化量y_k的相位；

系统中有n台发电机，包括同步发电机和双馈异步风力发电机，系统主导振荡模式下一段时间内吸收的总耗散能量为，

其中，i为系统中任一发电机编号，n为系统中发电机总台数，W_gm为系统主导振荡模式下电网在一段时间内吸收的总耗散能量，W_gim为系统主导振荡模式下发电机i在一段时间内吸收的耗散能量，t₁为定积分时间间隔的起始时间，t₂为定积分时间间隔的结束时间，ΔP_gim为系统主导振荡模式下发电机i输出的有功功率的变化量，ΔQ_gim为系统主导振荡模式下发电机i输出的无功功率的变化量，ΔlnU_gim为系统主导振荡模式下发电机i机端母线电压幅值对数的变化量，Δθ_gim为系统主导振荡模式下发电机i机端母线电压相角的变化量；

因此，系统主导振荡模式下发电机i在一段时间内吸收的耗散能量可以表示为：

W_gim＝W_gimo+W_gimd＝W_gimo+K_dpie^-bt+c，

其中，W_gim为系统主导振荡模式下发电机i在一段时间内吸收的耗散能量，W_gimo为系统主导振荡模式下发电机i在一段时间内吸收的耗散能量的振荡分量，W_gimd为系统主导振荡模式下发电机i在一段时间内吸收的耗散能量的衰减分量，K_dpi为耗散能量拟合曲线中指数函数项的系数，即发电机的阻尼贡献因子，b为耗散能量拟合曲线中自变量的系数，c为耗散能量拟合曲线的稳态值。

本发明的一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法具有以下优点：该装置利用基于量测的新能源电网发电机阻尼评估方法，能够有效的实现对新能源电网中各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献的精准评估，从而为后续针对新能源电网阻尼的精准调控提供基础支撑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具体实例中标准四机两区系统附加风电场的示意图。

图2是本发明实施例提供评估方法的步骤示意图。

图3是本发明实施例提供评估装置的组成示意图。

图4是本发明实施例提供的具体实例中各发电机耗散能量分布图。

图中标记说明：E1、本发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G1吸收的耗散能量；E2、本发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G2吸收的耗散能量；E3、本发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G3吸收的耗散能量；E4、发明具体实例采用的仿真系统中发电机组G4吸收的耗散能量；EDFIG、为发明具体实例采用的仿真系统中双馈风电机组吸收的耗散能量。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置及方法做进一步详细的描述。

基于上述实施例，图3为本发明实施例提供的基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置示意图，如图3所示，本发明实施例提供一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置，包括：

获取模块，用于获取后续计算所需的系统中各发电机电气量数据；计算模块，用于对获取模块中获取的系统中各发电机电气量数据进行处理和计算，得到系统主导振荡模式下，各发电机的K_dpi，其中，K_dpi为发电机的阻尼贡献因子；比较模块，用于对计算模块计算结果的比较分析，用于评估系统主导振荡模式下各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献大小；

所述计算模块的输入端与获取模块电性连接，其输出端与比较模块电性连接。

本发明实施例提供一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置，用于执行上述实施例中所述的方法，通过本实施例提供的装置执行上述实施例中所述的方法的具体步骤与上述实施例相同，此处不再赘述。

本发明实施例提供的新能源电网发电机阻尼评估装置，利用基于量测的新能源电网发电机阻尼评估方法，能够有效的实现对新能源电网中各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献的精准评估，从而为后续针对新能源电网阻尼的精准调控提供基础支撑。

具体实例：

图1所示的算例系统为标准四机两区系统，将G2的有功输出减小200MW，而后在母线6上通过一个双绕组变压器连接一个有功输出为200MW的双馈风电场，双馈风电机组附带有虚拟惯量控制，系统其他位置不进行改动，0s时刻在母线9上施加一个持续时间为0.015s的三相短路，模拟实际系统运行过程中可能发生的小扰动。

本实例的具体实施过程基于以下实际情况考虑：

第一，由于实际系统的复杂性和高度非线性，因此无法通过模态分析直接得出模态结果；

第二，实际系统中对于PMU得出的数据没有准确的零时刻，因此得到的PMU数据需要赋予时间刻度从零开始；

第三，在实际过程中，选择的数据窗口不宜过长；

第四，在仿真过程中，系统受到小干扰的瞬间，各电气量波动十分剧烈，因此，采用系统受到小干扰瞬间的各电气量数据进行后续的计算分析会极大的增加误差。

基于上述考虑，算例系统中发生小干扰时，以0.01s为数据的采样间隔，忽略第一秒的数据，利用1.00s开始时间长度为5s共500个点的数据窗口进行计算分析，获取各相关电气量数据，进行数据预处理和prony分析，计算各发电机组吸收的耗散能量。

图4即为各发电机吸收的耗散能量分布曲线图；而后利用曲线拟合工具箱对各发电机吸收的耗散能量进行拟合，得到各发电机的K_dpi，各发电机K_dpi数据及对比结果如下表1所示：

表1：各机组K_dpi数据及对比

从表1中数据可以清晰的体现发生小扰动时主导振荡模式下各发电机组的阻尼贡献，K_dpi相对比值越大，说明该发电机组的阻尼贡献就越大，说明了本发明提出方法及装置的有效性；另一方面，本发明提供的具体实例中各种基于实际情况的考虑，也进一步佐证了本发明提出方法及装置在实际应用中的可行性。

图1为本发明实施例提供的基于量测的新能源电网发电机阻尼评估方法示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估方法，其执行主体为基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置，该方法包括以下步骤：

利用新能源电网中的广域测量系统(Wide-Area Measurement System，WAMS)和各相量测量单元(Phasor Measurement Unit，PMU)获取一段时间内系统内各发电机电气量如输出有功功率P_gi、输出无功功率Q_gi、机端母线电压幅值U_gi、机端母线电压相角θ_gi和各发电机电气量稳态值P_(gi,s)、Q_(gi,s)、U_(gi,s)、θ_(gi,s)：

其中，P_gi为一段时间内系统中发电机i输出的有功功率，Q_gi为一段时间内系统中发电机i输出的无功功率，U_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压幅值，θ_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压相角，P_(gi,s)为系统中发电机i输出的有功功率稳态值，Q_(gi,s)为系统中发电机i输出的无功功率稳态值，U_(gi,s)为系统中发电机i机端母线电压幅值稳态值，θ_(gi,s)为系统中发电机i机端母线电压相角稳态值；

对一段时间内发电机i机端母线电压幅值U_gi和发电机i机端母线电压幅值稳态值U_(gi,s)取对数，得到机端母线电压幅值对数lnU_gi和lnU_(gi,s)：

其中，U_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压幅值，U_(gi,s)为系统中发电机i机端母线电压幅值稳态值，lnU_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压幅值对数，lnU_(gi,s)系统中发电机i机端母线电压幅值稳态值对数；

计算出各电气量相对于稳态值的变化量ΔP_gi、ΔQ_gi、ΔlnU_gi、Δθ_gi：

ΔP_gi＝P_gi-P_gi,s，

ΔQ_gi＝Q_gi-Q_gi,s,

ΔlnU_gi＝lnU_gi-lnU_gi,s,

Δθ_gi＝θ_gi-θ_gi,s,

其中，ΔP_gi为系统中发电机i输出的有功功率相对于稳态值的变化量，ΔQ_gi为系统中发电机i输出的无功功率相对于稳态值的变化量，ΔlnU_gi为系统中发电机i机端母线电压幅值对数相对于稳态值的变化量，Δθ_gi为系统中发电机i机端母线电压相角相对于稳态值的变化量；

利用Prony分析对各电气量相对于稳态值的变化量进行处理，提取出系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量ΔP_gim、ΔQ_gim、ΔlnU_gim、Δθ_gim：

其中，ΔP_gim为系统主导振荡模式下发电机i输出的有功功率相对于稳态值的变化量，ΔQ_gim为系统主导振荡模式下发电机i输出的无功功率相对于稳态值的变化量，ΔlnU_gim为系统主导振荡模式下发电机i机端母线电压幅值对数相对于稳态值的变化量，Δθ_gim为系统主导振荡模式下发电机i机端母线电压相角相对于稳态值的变化量；

利用系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量，计算出一段时间内系统主导振荡模式下各发电机吸收的耗散能量：

其中：W_gim为一段时间内系统主导振荡模式下发电机i吸收的耗散能量，t₁为积分起始时间点，t₂为积分终止时间点；

利用Matlab中的曲线拟合工具箱(Curve Fitting Tool)，对一段时间内系统主导振荡模式下各发电机吸收的耗散能量进行曲线拟合，拟合的数学形式为：

W_gim＝K_dpie^-bt+c，

其中，K_dpi为耗散能量拟合曲线中指数函数项的系数，即发电机的阻尼贡献因子，b为耗散能量拟合曲线中自变量的系数，c为耗散能量拟合曲线的稳态值；

根据系统主导振荡模式下各发电机K_dpi的相对大小关系及比值，即可评估系统主导振荡模式下各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献大小。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置，其特征在于，包括，

获取模块，用于获取后续计算所需的系统中各发电机电气量数据；

计算模块，用于对获取模块中获取的系统中各发电机电气量数据进行处理和计算，得到系统主导振荡模式下，各发电机的K_dpi；

其中，K_dpi为发电机的阻尼贡献因子；

比较模块，用于对计算模块计算结果的比较分析，用于评估系统主导振荡模式下各发电机对系统整体阻尼特性的阻尼贡献大小；

所述计算模块的输入端与获取模块电性连接，其输出端与比较模块电性连接。

2.一种如权利要求1所述的基于量测的新能源电网发电机阻尼评估装置的评估方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤S1，通过获取模块，获取新能源电网运行的潮流数据，新能源电网中的发电机包括同步发电机和双馈异步风力发电机，获取的潮流数据包括后续计算所需的系统中各发电机电气量数据；

步骤S2，计算模块对各发电机电气量数据进行预处理，得到各电气量相对于稳态值的变化量；

对前述得到的各电气量相对于稳态值的变化量进行Prony分析，得到系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量；

利用前述得到的系统主导振荡模式下各发电机的各电气量相对于稳态值的变化量，计算得到系统主导振荡模式下，各发电机吸收的耗散能量；

利用Matlab中的曲线拟合工具箱对前述得到的各发电机吸收的耗散能量数据进行拟合，得到系统主导振荡模式下，各发电机的K_dpi；

步骤S3，比较模块利用主导振荡模式下各发电机的K_dpi，评估新能源电网中各发电机组的阻尼贡献。

3.根据权利要求2所述的基于量测的新能源电网发电机阻尼装置的评估方法，其特征在于，步骤S1，通过获取模块，获取新能源电网运行的潮流数据的具体操作步骤为：

利用新能源电网中的广域测量系统和各相量测量单元获取一段时间内系统内各发电机电气量如输出有功功率P_gi、输出无功功率Q_gi、机端母线电压幅值U_gi、机端母线电压相角θ_gi和各发电机电气量稳态值P_(gi,s)、Q_(gi,s)、U_(gi,s)、θ_(gi,s)：

其中，P_gi为一段时间内系统中发电机i输出的有功功率，Q_gi为一段时间内系统中发电机i输出的无功功率，U_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压幅值，θ_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压相角，P_(gi,s)为系统中发电机i输出的有功功率稳态值，Q_(gi,s)为系统中发电机i输出的无功功率稳态值，U_(gi,s)为系统中发电机i机端母线电压幅值稳态值，θ_(gi,s)为系统中发电机i机端母线电压相角稳态值。

4.根据权利要求2所述的基于量测的新能源电网发电机阻尼装置的评估方法，其特征在于，步骤S2，计算模块对各发电机电气量数据进行预处理，得到各电气量相对于稳态值的变化量具体步骤为：

对一段时间内发电机i机端母线电压幅值U_gi和发电机i机端母线电压幅值稳态值U_(gi,s)取对数，得到机端母线电压幅值对数lnU_gi和lnU_(gi,s)：

其中，U_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压幅值，U_(gi,s)为系统中发电机i机端母线电压幅值稳态值，lnU_gi为一段时间内系统中发电机i机端母线电压幅值对数，lnU_(gi,s)系统中发电机i机端母线电压幅值稳态值对数；

计算出各电气量相对于稳态值的变化量ΔP_gi、ΔQ_gi、ΔlnU_gi、Δθ_gi：

ΔP_gi＝P_gi-P_gi,s (1)

ΔQ_gi＝Q_gi-Q_gi,s (2)

ΔlnU_gi＝lnU_gi-lnU_gi,s (3)

Δθ_gi＝θ_gi-θ_gi,s (4)

其中，ΔP_gi为系统中发电机i输出的有功功率相对于稳态值的变化量，ΔQ_gi为系统中发电机i输出的无功功率相对于稳态值的变化量，ΔlnU_gi为系统中发电机i机端母线电压幅值对数相对于稳态值的变化量，Δθ_gi为系统中发电机i机端母线电压相角相对于稳态值的变化量。

5.根据权利要求2所述的基于量测的新能源电网发电机阻尼装置的评估方法，其特征在于，步骤S2中，对前述得到的各电气量相对于稳态值的变化量进行Prony分析，得到系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量具体步骤为：

利用Prony分析对各电气量相对于稳态值的变化量进行处理，提取出系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量ΔP_gim、ΔQ_gim、ΔlnU_gim、Δθ_gim：

其中，ΔP_gim为系统主导振荡模式下发电机i输出的有功功率相对于稳态值的变化量，ΔQ_gim为系统主导振荡模式下发电机i输出的无功功率相对于稳态值的变化量，ΔlnU_gim为系统主导振荡模式下发电机i机端母线电压幅值对数相对于稳态值的变化量，Δθ_gim为系统主导振荡模式下发电机i机端母线电压相角相对于稳态值的变化量。

6.根据权利要求2所述的基于量测的新能源电网发电机阻尼装置的评估方法，其特征在于，步骤S2中，利用前述得到的系统主导振荡模式下各发电机的各电气量相对于稳态值的变化量，计算得到系统主导振荡模式下，各发电机吸收的耗散能量具体步骤为：

利用系统主导振荡模式下各电气量相对于稳态值的变化量，计算出一段时间内系统主导振荡模式下各发电机吸收的耗散能量：

其中：W_gim为一段时间内系统主导振荡模式下发电机i吸收的耗散能量，t₁为积分起始时间点，t₂为积分终止时间点。

7.根据权利要求2所述的基于量测的新能源电网发电机阻尼装置的评估方法，其特征在于，步骤S2中，利用Matlab中的曲线拟合工具箱对前述得到的各发电机吸收的耗散能量数据进行拟合，得到系统主导振荡模式下，各发电机的K_dpi具体步骤为：

利用Matlab中的曲线拟合工具箱，对一段时间内系统主导振荡模式下各发电机吸收的耗散能量进行曲线拟合，拟合的数学形式为：

W_gim＝K_dpie^-bt+c (6)

其中，K_dpi为耗散能量拟合曲线中指数函数项的系数，即发电机的阻尼贡献因子，b为耗散能量拟合曲线中自变量的系数，c为耗散能量拟合曲线的稳态值。

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