CN113285447B - 一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法 - Google Patents

一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法，包括，基于不同控制策略构建关于风储电站和Π单元的长线路等效阻抗模型；绘制伯德图分析长线路与混合电源的交互谐振机理；改变线路参数R、L、C时，分析所述交互谐振机理的谐振规律，得到长线路参数电阻、电感和电容的变化对黑启动系统稳定性的影响。本发明利用频域阻抗分析法对整个系统的稳定性进行分析，此不需要了解系统内的详细信息，降低了分析难度。

Description

一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法
技术领域
本发明涉及风储能黑启动谐振交互的技术领域，尤其涉及一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法。
背景技术
近年来，随着电网规模的日益扩大，国内外相继出现大停电事故，2016年南澳电网“9·28”大规模停电，2019年英国电网“8·9”发生全网崩溃，这些停电事故给国民经济带来了重大损失，大停电之后的电力系统黑启动恢复问题受到了国内外学者的广泛关注。
目前，国内外关于新能源黑启动的研究主要集中在：启动电源的选择；恢复方案的优化；电气量校验，然而针对长输电线路引起的谐波振荡问题研究的很少，长线路的模态耦合系数不同于集中线路，分布电容与换流站之间存在宽频域阻抗耦合，此外，长线路参数值受温度、地域环境等外界因素的影响，电压谐波含量严重超标，长距离外送、弱电网接入的网架结构逐渐演化为系统失稳的主导因素，因此，需要对黑启动过程中长线路参数变化的谐波交互特性进行详细分析。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法，能够解决当前针对长输电线路引起的谐波振荡问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，基于不同控制策略构建关于风储电站和Π单元的长线路等效阻抗模型；绘制伯德图分析长线路与混合电源的交互谐振机理；改变线路参数R、L、C时，分析所述交互谐振机理的谐振规律，得到长线路参数电阻、电感和电容的变化对黑启动系统稳定性的影响。
作为本发明所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的一种优选方案，其中：构建所述等效阻抗模型包括，建立储能站的控制策略和输出阻抗等效模型、风电场的控制策略和输出阻抗等效模型和分布式线路参数等效阻抗模型。
作为本发明所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的一种优选方案，其中：所述储能站的控制策略和输出阻抗等效模型包括，采用储能系统与同步换流器组成的电站式虚拟同步机控制，配置于新能源场站集中并网点，使所述储能站具备了同步机的外特性。
作为本发明所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的一种优选方案，其中：所述电站式虚拟同步机控制型换流器等效输出阻抗模型包括，
Figure BDA0003077287240000021
其中，Gv、Gi分别为电压环电流环传递函数，Lf为换流器侧电感，Cf为滤波电容，Rf为电感的寄生电阻，KPWM为桥臂输出电压相对占空比信号的放大增益。
作为本发明所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的一种优选方案，其中：所述风电场的控制策略和输出阻抗等效模型包括，采用由功率外环和电流内环构成的恒功率控制策略，得到的输出方程表达式如下，
ig＝Kg(s)I* ref-YgUg
Figure BDA0003077287240000022
Figure BDA0003077287240000023
其中，Kg为换流器电流闭环传递函数，Yg为换流器输出导纳，ig为等效输出电流，Ug为等效端口电压，G1、G2、G3为滤波器的传递函数，I*ref为参考电流；GPR为比例谐振器，Gd为延时传递函数，kc为电容电流反馈系数，GFK为电压前馈系数。
作为本发明所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的一种优选方案，其中：所述分布式线路参数等效阻抗模型包括，采用基于Π单元的线路阻抗模型，n段Π单元线路阻抗表达式如下，
Figure BDA0003077287240000031
其中，R＝lR0 L＝lL0 C＝lC0，R0，L0，C0为每千米的线路的电阻、电抗、电容参数值；l为每段线路的长度。
作为本发明所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的一种优选方案，其中：所述交互谐振机理包括，将所述等效阻抗模型划分为所述黑启动系统的A、B子模块，模块A包括混合分布式能源、变压器和短线路的的等效输出阻抗模型，模块B包括长线路和负荷的等效输出阻抗模型。
作为本发明所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的一种优选方案，其中：还包括，利用绘制所述伯德图分析所述黑启动系统长线路参数变化；观测所述模块A和所述模块B之间的谐振交互特性，得到长线路参数变化时的谐振规律。
本发明的有益效果：本发明考虑了不同新能源的输出阻抗特性，根据风储不同的控制策略进行了建模分析，整个系统的模型更准确；本发明的线路采用分布式参数模型，并考虑了长线路参数值受温度、地域环境等影响而产生变化时的系统谐振特性；本发明利用频域阻抗分析法对整个系统的稳定性进行分析，此不需要了解系统内的详细信息，降低了分析难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的流程示意图；
图2为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的储能的VSG控制模型主电路示意图；
图3为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的PQ模型主电路结构示意图；
图4为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的基于Π单元的线路模型示意图；
图5为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的混合系统等效阻抗模型示意图；
图6为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的电阻R＝1p.u等效阻抗特性伯德示意图；
图7为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的电阻R＝1.4p.u等效阻抗特性伯德示意图；
图8为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的电感L的不同取值等效阻抗特性伯德示意图；
图9为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的电感C的不同取值等效阻抗特性伯德示意图；
图10为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的线路电阻R取得不同值时公共点电压FFT谐波频谱示意图；
图11为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的线路电阻L取得不同值时公共点电压FFT谐波频谱示意图；
图12为本发明一个实施例所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的线路电阻C取得不同值时公共点电压FFT谐波频谱示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～图9，为本发明的第一个实施例，提供了一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法，具体包括：
S1：基于不同控制策略构建关于风储电站和Π单元的长线路等效阻抗模型。
S2：绘制伯德图分析长线路与混合电源的交互谐振机理。
S3：改变线路参数R、L、C时，分析交互谐振机理的谐振规律，得到长线路参数电阻、电感和电容的变化对黑启动系统稳定性的影响。
具体的，构建等效阻抗模型包括：
建立储能站的控制策略和输出阻抗等效模型、风电场的控制策略和输出阻抗等效模型和分布式线路参数等效阻抗模型。
进一步的是，黑启动过程中不仅需要控制系统能够参与系统电压和频率的调节，还需要有一定的阻尼，防止启动电压投入运行时引起系统频率大幅度下降，储能站的控制策略和输出阻抗等效模型包括，采用储能系统与同步换流器组成的电站式虚拟同步机控制(VSG)，配置于新能源场站集中并网点，使储能站具备了同步机的外特性。
电站式虚拟同步机控制型换流器等效输出阻抗模型包括：
Figure BDA0003077287240000061
其中，Gv、Gi分别为电压环电流环传递函数，Lf为换流器侧电感，Cf为滤波电容，Rf为电感的寄生电阻，KPWM为桥臂输出电压相对占空比信号的放大增益。
风电场的控制策略和输出阻抗等效模型包括：
风力发电具有高效率性，但风电出力与快速变化的负荷需求不能匹配导致不具备黑启动能力，采用由功率外环和电流内环构成的恒功率控制策略，得到的输出方程表达式如下，
ig＝Kg(s)I* ref-YgUg
Figure BDA0003077287240000062
Figure BDA0003077287240000063
其中，Kg为换流器电流闭环传递函数，Yg为换流器输出导纳，ig为等效输出电流，Ug为等效端口电压，G1、G2、G3为滤波器的传递函数，I*ref为参考电流；GPR为比例谐振器，Gd为延时传递函数，kc为电容电流反馈系数，GFK为电压前馈系数。
分布式线路参数等效阻抗模型包括：
采用基于Π单元的线路阻抗模型，n段Π单元线路阻抗表达式如下，
Figure BDA0003077287240000064
其中，R＝lR0 L＝lL0 C＝lC0，R0，L0，C0为每千米的线路的电阻、电抗、电容参数值；l为每段线路的长度。
交互谐振机理包括：
将等效阻抗模型划分为黑启动系统的A、B子模块，模块A包括混合分布式能源、变压器和短线路的的等效输出阻抗模型，模块B包括长线路和负荷的等效输出阻抗模型；
利用绘制伯德图分析黑启动系统长线路参数变化；
观测模块A和模块B之间的谐振交互特性，得到长线路参数变化时的谐振规律。
优选的，本实施例还需要说明的是，两类控制型换流器参数如表1所示，长线路与混合电源的交互谐振机理中，整个系统的等效阻抗模型分为A、B子模块，A由混合电源等效输出阻抗模型组成，模块B由长线路等效输出阻抗模型组成。
定义本实施例中的线路长度为40km，每段线路的长度l＝10km，因此，n＝4，通过绘制伯德图来分析系统长线路参数变化时，模块A、B间的谐振交互特性。
表1：两类控制型换流器及长线路参数表。
Figure BDA0003077287240000071
Figure BDA0003077287240000081
参照图6和图7，根据图中的幅频特性曲线B可知，长线路具有多谐振点的特性，在运行中易发生多处谐振，当线路阻抗取值R＝1p.u.时，图6中共有4个谐振点，分别在393Hz、1061.7Hz、1649.8Hz、1990Hz处幅值相等，相位相反，发生谐振；当线路阻抗R取值增大40％时，如图7，长线路阻抗特性幅值减小，能够有效制止谐振的发生。
参照图8，当电感L取不同值时，以伯德图第一个谐振为研究对象，图8中谐振频率分别为91.06Hz、144.2Hz、392.4Hz，谐振点随电感L的变化发生偏移，且电感减小谐振点由低频向高频发生偏移。
参照图9，当电容C参数变化时，谐振点随C的变化发生变化，谐振频率取值为249.3Hz、392.2Hz、1007.1Hz，且随电容减小谐振点由低频向高频偏移。
实施例2
参照图10、图11和图12，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法的试验对比测试，具体包括：
在PSCAD/EMTDC中搭建基于风储混合系统带长线路的黑启动仿真模型，验证长线路参数变化引起的谐振特性。
参照图(10a)，长线路发生多点谐振现象，谐振频率分别为8、21、32、40次谐波，与图6谐振点的理论数据的基本一致；当线路阻抗R增大40％时，电压谐波含量大幅度衰减，波形近似正弦波，有效地抑制了谐振的发生。
进一步的，图(11a)、(11b)、(11c)分别给出了电感参数减小30％、初始值、增加40％的公共点电压FFT谐波频谱图，可以看出，阻抗之间交互耦合使电压波形发生畸变并引起系统的谐波振荡，取(11a)、(11b)和(11c)频谱中相应谐波出现第一个谐振点为研究对象，谐波出现的第一个谐振点谐振频率分别为8、3、2次，与图8谐振点的理论数据的基本一致，且随L的增大谐振频率次数逐步降低。
再进一步的是，图(12a)、(12b)、(12c)分别给出了电容值C参数减小30％、初始值、增加40％的公共点电压FFT谐波频谱图、取频谱中相应谐波出现第一个谐振为研究对象，当电容依次增大时，可以看出，谐振点发生偏移且谐振次数为20、8、5次，与图9谐振点的理论数据的基本一致、且随C的增大谐振频率逐渐降低。
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限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法，其特征在于：包括，
基于不同控制策略构建关于风储电站和Π单元的长线路等效阻抗模型；
构建所述等效阻抗模型包括，建立储能站的控制策略和输出阻抗等效模型、风电场的控制策略和输出阻抗等效模型和分布式线路参数等效阻抗模型；
所述储能站的控制策略和输出阻抗等效模型包括，采用储能系统与同步换流器组成的电站式虚拟同步机控制，配置于新能源场站集中并网点，使所述储能站具备了同步机的外特性；
所述电站式虚拟同步机控制型换流器等效输出阻抗模型包括，
Figure FDA0003956802390000011
其中，Gv、Gi分别为电压环电流环传递函数，Lf为换流器侧电感，Cf为滤波电容，Rf为电感的寄生电阻，KPWM为桥臂输出电压相对占空比信号的放大增益；
所述风电场的控制策略和输出阻抗等效模型包括，采用由功率外环和电流内环构成的恒功率控制策略，得到的输出方程表达式如下，
ig＝Kg(s)I* ref-YgUg
Figure FDA0003956802390000012
Figure FDA0003956802390000013
其中，Kg为换流器电流闭环传递函数，Yg为换流器输出导纳，ig为等效输出电流，Ug为等效端口电压，G1、G2、G3为滤波器的传递函数，I*ref为参考电流；GPR为比例谐振器，Gd为延时传递函数，kc为电容电流反馈系数，GFK为电压前馈系数；
绘制伯德图分析长线路与混合电源的交互谐振机理；
改变线路参数R、L、C时，分析所述交互谐振机理的谐振规律，得到长线路参数电阻、电感和电容的变化对黑启动系统稳定性的影响。
2.根据权利要求1所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法，其特征在于：所述分布式线路参数等效阻抗模型包括，采用基于Π单元的线路阻抗模型，n段Π单元线路阻抗表达式如下，
Figure FDA0003956802390000021
其中，R＝lR0，L＝lL0，C＝lC0，R0，L0，C0为每千米的线路的电阻、电抗、电容参数值；l为每段线路的长度。
3.根据权利要求2所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法，其特征在于：所述交互谐振机理包括，
将所述等效阻抗模型划分为所述黑启动系统的A、B子模块，模块A包括混合分布式能源、变压器和短线路的的等效输出阻抗模型，模块B包括长线路和负荷的等效输出阻抗模型。
4.根据权利要求3所述的风储黑启动长线路参数变化谐振分析方法，其特征在于：还包括，
利用绘制所述伯德图分析所述黑启动系统长线路参数变化；
观测所述模块A和所述模块B之间的谐振交互特性，得到长线路参数变化时的谐振规律。
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