CN113162121B - 一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法 - Google Patents

一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法，电网在公共传输线路发生对称短路故障时，检测故障点电压幅值并计算故障期间风电场出口端电压q轴分量，进而计算n个风电场的等效功角，若计算结果不收敛，则系统发生暂态失稳；分别对电压q轴分量关于变量δ1，…δn求偏导，得到n个风电场δ1，…δn在[‑π,π]上的极大值点和极小值点；基于得到的极大值点和极小值点计算n个风电场出口端电压q轴分量的最大、最小值。若局部电网中某一风电场k满足ymaxk＜0或ymink＞0，则风电场k为主导暂态失稳的风电场。本发明可以在故障期间快速准确地评估系统的暂态稳定裕度和失稳风险，进一步在系统发生暂态失稳时识别出不稳定风电场。

Description

一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法
技术领域
本发明涉及一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法，适用于交流电网对称短路故障下基于锁相同步控制的含多风电场的电力系统，该方法可准确评估电网三相短路故障下多并联风电场局部电网在不同工况时的暂态稳定裕度和失稳风险，并识别局部电网暂态失稳的主导风电场。
背景技术
随着可再生能源的快速发展，风电装机容量也在不断增加，但风能往往与负荷呈逆向分布的特点，大型风电场通常集中分布于偏远地区，并网强度较弱。当弱电网发生对称故障时，受风电场输出电流与电网阻抗的相互作用，以及风电场间耦合作用的影响，在典型锁相同步的低电压穿越控制策略下，多风电局部电网可能出现暂态失稳问题，严重威胁电力系统的安全稳定运行能力。因此，评估多风电场在故障期间的稳定裕度和失稳风险，以及识别多风电场电力系统中暂态失稳主导风电场是目前风电发展的关键问题。目前国内外学者展开的相关研究主要针对对称故障下单风电场并网系统的暂态稳定问题及其控制策略，如已公开的下列文献：
[1]张琛,蔡旭,李征.全功率变换风电机组的暂态稳定性分析[J].中国电机工程学报,2017,37(14):4018-4026。
[2]J.Pei,J.Yao,R.Liu.Characteristic analysis and risk assessment forVoltage-frequency coupled transient instability of large-scale grid-connectedrenewable energy plants during LVRT[J].IEEE Transactions IndustrialElectronics.2020,67(7):5515–5530。
文献[1]利用等面积法分析了锁相环带宽，故障点端口特性及电网短路比等因素对风电机组暂态稳定裕度的影响，并计算出风电机组在故障期间的临界切除角以判断风电机组在电网故障下的暂态稳定裕度。文献[2]采用矢量三角形法从风电并网系统是否存在平衡点的角度分析了风电并网系统的失稳原因和失稳形态，提出风电场在故障期间的平衡点(等效功角)的范围。但是上述文献都没有涉及到电网对称故障期间由于多风电场间的相互作用而产生的平衡点存在性问题，实际上，在电网故障期间，多并联风电场输出电流经公共线路相互耦合，导致多风电场的等效功角相互影响，在严重电网对称短路故障下，多风电并网系统风电场间的潮流耦合作用可能导致部分风电场出现因平衡点缺失而造成的局部电网的暂态失稳现象，恶化多风电场并网系统的暂态稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法，该方法可以在故障期间快速准确地计算出含多风电场的电力系统中各风电场的等效功角，以评估系统的暂态稳定裕度和失稳风险，进一步在系统发生暂态失稳时识别出不稳定风电场。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法，用于评估多并联风电场局部电网在电网对称短路故障期间的暂态稳定性，并在局部电网发生暂态失稳时，识别出主导失稳的风电场；具体步骤如下：
A1)电网在公共传输线路发生对称短路故障时，检测故障点电压幅值Uf；按照下式计算故障期间风电场1，2，…n的出口端电压q轴分量：
Figure BDA0003093849130000021
式中Utq1，Utq2，…Utqn分是局部电网中第1到n个风电场出口端电压q轴分量；Uf为故障点电压幅值；ZP和θZP分别为故障点到公共连接点的传输线路阻抗值以及阻抗角；Zl1，Zl2，…Zln和θZl1，θZl2，…θZln分别为风电场1、风电场2至风电场n出口端到公共连接点的支路传输线路阻抗值以及相应的阻抗角；
Figure BDA0003093849130000022
和θi1，θi2，…θin分别为n个风电场的输出电流幅值和相应的电流角；δ1，δ2，…δn分别为n个风电场的等效功角，δmn＝δm-δn；
A2)令步骤A1)中Utq1，Utq2，…Utqn为0，并采用数值计算方法求解A1)中n个风电场的等效功角δ1，δ2，…δn；若计算结果收敛，则系统中风电场均存在平衡点，平衡点为δ＝[δ1，δ2，…δn]T；若计算结果不收敛，则系统发生暂态失稳，进行步骤A3)；
A3)分别对Utq1，Utq2，…Utqn关于变量δ1，δ2，…δn求偏导，并令其偏导数为0，对Utq1求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_max1,δ2_max1,…δn_max1和极小值点δ1_min1，δ2_min1，…δn_min1；对Utq2求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_max2,δ2_max2,…δn_max2和极小值点δ1_min2，δ2_min2，…δn_min2，以此类推，对Utqn求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_maxn,δ2_maxn,…δn_maxn和极小值点δ1_minn，δ2_minn，…δn_minn；令δmax1＝[δ1_max1,δ2_max1,…δn_max1]T，δmin1＝[δ1_min1，δ2_min1，…δn_min1]T；δmax2＝[δ1_max2,δ2_max2,…δn_max2]T，δmin2＝[δ1_min2，δ2_min2，…δn_min2]T；...δmaxn＝[δ1_maxn,δ2_maxn,…δn_maxn]T，δminn＝[δ1_minn，δ2_minn，…δn_minn]T；
基于得到的δmax1，δmax2，…δmaxn，δmin1，δmin2，…δminn按照下式计算n个风电场出口端电压q轴分量的最大、最小值：
Figure BDA0003093849130000031
Figure BDA0003093849130000032
A4)根据步骤A3)计算结果判断失稳主导风电场，若局部电网中某一风电场k满足下式，则风电场k为主导暂态失稳的风电场；
ymaxk＜0或者ymink＞0
即可实现n个并联风电场局部电网在故障期间的暂态失稳风险评估以及在局部电网发生暂态失稳时，识别导致局部电网失稳的主导风电场；式中ymaxk和ymink分别为风电场k出口端电压q轴分量Utqk在[-π,π]上的最大值和最小值。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明能够根据故障位置、故障程度以及风电场运行工况，评估电网三相短路故障下多并联风电场局部电网在不同工况下的暂态稳定裕度和失稳风险，并识别局部电网暂态失稳的主导风电场，为消除系统暂态不稳定因素，提高含多风电场电力系统暂态运行能力提供指导性的建议。
附图说明
图1为含多风电场电力系统拓扑结构示意图。
图2为电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.1pu，风电场1向电网注入0.05p.u.的有功电流和-0.95p.u.无功电流，风电场2向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.90p.u.无功电流，风电场3向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.80p.u.无功电流时，三并联风电场的暂态响应仿真波形图。
图3为电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.1pu，风电场1向电网注入0.05p.u.的有功电流和-0.95p.u.无功电流，风电场2向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.53p.u.无功电流，风电场3向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.50p.u.无功电流时，三并联风电场的暂态响应仿真波形图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述。
本发明用于评估多风电场局部电网在电网故障期间的暂态稳定裕度和识别暂态失稳主导风电场。图1为含多风电场电力系统拓扑结构示意图。在电网短路故障期间，通过计算系统中各风电场的等效功角，可以评估多风电场局部电网的暂态稳定裕度和失稳风险，进一步在局部电网发生暂态失稳时，计算风电场的出口端电压极值，可以识别暂态不稳定主导风电场。
本发明的具体实施步骤如下：
A1)电网在公共传输线路发生对称短路故障时，检测故障点电压幅值Uf；按照下式计算故障期间风电场1，2，…n的出口端电压q轴分量：
Figure BDA0003093849130000041
式中Utq1，Utq2，…Utqn分是局部电网中第1到n个风电场出口端电压q轴分量；Uf为故障点电压幅值；ZP和θZP分别为故障点到公共连接点的传输线路阻抗值以及阻抗角；Zl1，Zl2，…Zln和θZl1，θZl2，…θZln分别为风电场1、风电场2至风电场n出口端到公共连接点的支路传输线路阻抗值以及相应的阻抗角；
Figure BDA0003093849130000051
和θi1，θi2，…θin分别为n个风电场的输出电流幅值和相应的电流角；δ1，δ2，…δn分别为n个风电场的等效功角，δmn＝δm-δn；
A2)令步骤A1)中Utq1，Utq2，…Utqn为0，并采用数值计算方法求解A1)中n个风电场的等效功角δ1，δ2，…δn；若计算结果收敛，则系统中风电场均存在平衡点，平衡点为δ＝[δ1，δ2，…δn]T；若计算结果不收敛，则系统发生暂态失稳，进行步骤A3)；
A3)分别对Utq1，Utq2，…Utqn关于变量δ1，δ2，…δn求偏导，并令其偏导数为0，对Utq1求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_max1,δ2_max1,…δn_max1和极小值点δ1_min1，δ2_min1，…δn_min1；对Utq2求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_max2,δ2_max2,…δn_max2和极小值点δ1_min2，δ2_min2，…δn_min2，以此类推，对Utqn求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_maxn,δ2_maxn,…δn_maxn和极小值点δ1_minn，δ2_minn，…δn_minn；令δmax1＝[δ1_max1,δ2_max1,…δn_max1]T，δmin1＝[δ1_min1，δ2_min1，…δn_min1]T；δmax2＝[δ1_max2,δ2_max2,…δn_max2]T，δmin2＝[δ1_min2，δ2_min2，…δn_min2]T；...δmaxn＝[δ1_maxn,δ2_maxn,…δn_maxn]T，δminn＝[δ1_minn，δ2_minn，…δn_minn]T；
基于得到的δmax1，δmax2，…δmaxn，δmin1，δmin2，…δminn按照下式计算n个风电场出口端电压q轴分量的最大、最小值：
Figure BDA0003093849130000052
Figure BDA0003093849130000053
A4)根据步骤A3)计算结果判断失稳主导风电场，若局部电网中某一风电场k满足下式，则风电场k为主导暂态失稳的风电场；
ymaxk＜0或者ymink＞0
即可实现n个并联风电场局部电网在故障期间的暂态失稳风险评估以及在局部电网发生暂态失稳时，识别导致局部电网失稳的主导风电场；式中ymaxk和ymink分别为风电场k出口端电压q轴分量Utqk在[-π,π]上的最大值和最小值。如果有多个风电场满足上述判式，则该多个风电场均为主导风电场。
本方法考虑电网对称故障下基于锁相同步控制方式的多并联风电场间的潮流耦合和相互作用，通过计算多并联风电场在电网故障期间的等效功角评估局部电网的暂态稳定性，并进一步通过风电场出口端电压特性识别局部电网中主导暂态失稳的风电场。
本发明效果说明：
以三并联风电电力系统为例说明所提方法的有效性。图2给出了电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.1pu，风电场1向电网注入0.05p.u.的有功电流和-0.95p.u.无功电流，风电场2向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.90p.u.无功电流，风电场3向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.80p.u.无功电流时，三并联风电场的暂态响应仿真波形图。采用本发明提出的含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法，可以计算出在该工况下三并联风电场局部电网在故障期间的等效功角，计算结果分别为[δ1,δ2,δ3]T＝[-72.5°,-23°,-17.5°]T，此时可以判断三并联风电场存在平衡点，是暂态稳定的。但是根据计算结果可知风电场1的等效功角δ1为-72.5°，较为接近-90°，风电场1的暂态稳定裕度较小，存在失稳风险。由图2可知，风电场1、2和3在该工况下的等效功角仿真结果为-68°,-25°和-20°。本发明所提方法的计算结果非常接近仿真结果。
图3给出了电网公共线路发生三相对称短路，电网电压跌落至0.1pu，风电场1向电网注入0.05p.u.的有功电流和-0.95p.u.无功电流，风电场2向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.53p.u.无功电流，风电场3向电网注入0.31p.u.的有功电流和-0.50p.u.无功电流时，三并联风电场的暂态响应仿真波形图。采用本发明提出的含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法，可以得到在该工况下三个风电场的电压方程计算结果不收敛，即三个风电场发生暂态失稳。进一步，可以分别计算出三个风电场的出口端电压q轴分量的极值，ymax1为-0.011p.u.,ymin1为-0.326p.u.；ymax2为0.245p.u.,ymin2为-0.103p.u.；ymax3为0.249p.u.,ymin3为-0.102p.u.因此判断风电场1的极值符合失稳主导风电场的条件，即风电场1没有平衡点，是暂态失稳的主导风电场。由图3可知，风电场1的Utq1小于0，且其等效功角δ1是发散的，而风电场2和3的出口端电压q轴分量Utq2和Utq3在0附近振荡，且δ2和δ3也在某一值附近振荡，因此可以看出风电场1发生了暂态失稳现象，风电场1是失稳主导风电场。
由此可见，本发明提出的含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法可以准确计算多风电场局部电网在故障期间的等效功角，进而评估风电局部电网的暂态稳定性和暂态失稳风险，并在局部电网发生暂态失稳时，识别出导致局部电网失稳的主导风电场。
最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种含多风电场的电力系统暂态失稳风险评估方法，用于评估多并联风电场局部电网在电网对称短路故障期间的暂态稳定性，并在局部电网发生暂态失稳时，识别出主导失稳的风电场；其特征在于：具体步骤如下：
A1)电网在公共传输线路发生对称短路故障时，检测故障点电压幅值Uf；按照下式计算故障期间风电场1，2，…n的出口端电压q轴分量：
Figure FDA0003784878040000011
式中Utq1，Utq2，…Utqn分是局部电网中第1到n个风电场出口端电压q轴分量；Uf为故障点电压幅值；ZP和θZP分别为故障点到公共连接点的传输线路阻抗值以及阻抗角；Zl1，Zl2，…Zln和θZl1，θZl2，…θZln分别为风电场1、风电场2至风电场n出口端到公共连接点的支路传输线路阻抗值以及相应的阻抗角；
Figure FDA0003784878040000012
和θi1，θi2，…θin分别为n个风电场的输出电流幅值和相应的电流角；δ1，δ2，…δn分别为n个风电场的等效功角，δab＝δa-δb；其中a＝1,2,...n；b＝1,2,...n；
A2)令步骤A1)中Utq1，Utq2，…Utqn为0，并采用数值计算方法求解A1)中n个风电场的等效功角δ1，δ2，…δn；若计算结果收敛，则系统中风电场均存在平衡点，平衡点为δ＝[δ1，δ2，…δn]T；若计算结果不收敛，则系统发生暂态失稳，进行步骤A3)；
A3)分别对Utq1，Utq2，…Utqn关于变量δ1，δ2，…δn求偏导，并令其偏导数为0，对Utq1求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_max1,δ2_max1,…δn_max1和极小值点δ1_min1，δ2_min1，…δn_min1；对Utq2求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_max2,δ2_max2,…δn_max2和极小值点δ1_min2，δ2_min2，…δn_min2，以此类推，对Utqn求偏导时，得到n个风电场δ1，δ2，…δn在[-π,π]上的极大值点δ1_maxn,δ2_maxn,…δn_maxn和极小值点δ1_minn，δ2_minn，…δn_minn；令δmax1＝[δ1_max1,δ2_max1,…δn_max1]T，δmin1＝[δ1_min1，δ2_min1，…δn_min1]T；δmax2＝[δ1_max2,δ2_max2,…δn_max2]T，δmin2＝[δ1_min2，δ2_min2，…δn_min2]T；...δmaxn＝[δ1_maxn,δ2_maxn,…δn_maxn]T，δminn＝[δ1_minn，δ2_minn，…δn_minn]T；
基于得到的δmax1，δmax2，…δmaxn，δmin1，δmin2，…δminn按照下式计算n个风电场出口端电压q轴分量的最大、最小值：
Figure FDA0003784878040000021
Figure FDA0003784878040000022
A4)根据步骤A3)计算结果判断失稳主导风电场，若局部电网中某一风电场k满足下式，则风电场k为主导暂态失稳的风电场；
ymaxk＜0或者ymink＞0
即可实现n个并联风电场局部电网在故障期间的暂态失稳风险评估以及在局部电网发生暂态失稳时，识别导致局部电网失稳的主导风电场；式中ymaxk和ymink分别为风电场k出口端电压q轴分量Utqk在[-π,π]上的最大值和最小值。
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