CN113346513A - 一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，由实际系统所给定的风电系统以及控制系统的参数，建立系统的小信号模型；计算小信号模型的特征值并辨别哪些模态是属于次同步振荡模态；步骤3，计算直驱风机中所占主导的次同步间谐波频率；判别所计算次同步间谐波频率是否与次同步振荡模态相近；判别次同步振荡模态阻尼是否较弱；判别次同步间谐波的幅值是否足够大；在满足步骤4中的要求后，认定该次同步振荡模态为可能引发强迫次同步振荡的模态之一，重复步骤3‑4，直至统计完所有可能引发强迫次同步振荡的模态。本发明旨在判断直驱风电场发生强迫次同步振荡的可能性，为直驱风电场发生强迫次同步振荡提供判断依据。

Description

一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定技术领域，是一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法。

背景技术

风电已经成为全世界发展最快的新能源，但大量风电机组变流器密集接入电网引发的次同步振荡问题日渐突出。在中国新疆哈密地区频繁发生直驱风电集群和弱交流电网相互作用引发的次同步振荡，一度导致临近火电机组扭振保护动作切机。近期，英国大停电事故中发生了海上直驱风电场因次同步振荡脱网的现象，事故前风电场与陆上交流主网处于弱连接状态。直驱风电在弱电网下的次同步振荡风险大大增加，对电力系统的安全稳定运行构成了严重威胁。

目前，对直驱风电次同步振荡发生机理的研究大多采用特征值法或阻抗法。同时传统观点认为直驱风电出现次同步振荡一般是由于直驱风机网侧变流器与弱交流电网交互作用引发的负阻尼失稳。同时现有的次同步振荡辨识方法也是就判别系统是否为负阻尼而进行讨论的。但实际现象中，也有可能是由于其他风电场所发出的间谐波去激励一个弱阻尼系统所引发的强迫次同步振荡，针对这种新能源强迫次同步振荡辨识方法目前还比较缺乏。因而本专利提出一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，通过建立直驱风机小信号模型，分析次同步振荡模态，同时计算直驱风机主导的次同步间谐波频率，综合振荡模态频率与阻尼大小以及间谐波频率与幅值大小之间的关系，得出该模态是否有引发强迫次同步振荡的可能，从而判别该直驱风机系统在次同步频段内的稳定性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法。本发明采用的技术方案是：辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法包括以下步骤：

步骤1，由实际系统所给定的风电系统以及控制系统的参数，建立系统的小信号模型；

步骤2，计算小信号模型的特征值并辨别哪些模态是属于次同步振荡模态；

步骤3，计算直驱风机中所占主导的次同步间谐波频率；

步骤4，判别所计算次同步间谐波频率是否与次同步振荡模态相近；判别次同步振荡模态阻尼是否较弱；判别次同步间谐波的幅值是否足够大。

步骤5，在满足步骤4的要求后，认定该次同步振荡模态为可能引发强迫次同步振荡的模态之一，重复步骤3-4，直至统计完所有可能引发强迫次同步振荡的模态。

进一步，所述步骤1具体包括：

步骤1.1，在具体风电系统以及控制系统的参数下，建立小信号模型，主要是根据风电网络拓扑将系统的各个组件连接在一起，并建立数学模型；

步骤1.2，同时将数学模型进行线性化得到小信号模型，包括电网实际拓扑模型，直驱风机网侧变流器控制模型。

进一步，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，由步骤1.2所建立的小信号模型求解特征值；

步骤2.2，筛选出所有特征值中哪些是次同步振荡模态。

进一步，所述步骤3具体包括：

步骤3.1，根据所选直驱风机的类型，利用开关函数的调制理论去推导间谐波公式；

步骤3.2，并选出哪些间谐波频率是在次同步频段内；

步骤3.3，同时选出占主导分量的间谐波。

进一步，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，通过对比计算得到的间谐波频率与次同步振荡模态频率大小，若频率相近则进一步判别；

步骤4.2，在满足间谐波频率与次同步振荡模态频率相近下，去计算所得的次同步振荡模态的阻尼是否较小，若较小则进一步判别；

步骤4.3，在满足前两点前提下，再进一步判别间谐波分量是否足够大。

进一步，所述步骤5具体包括：

若在满足步骤4下，则判定该次同步振荡模态属于可能引发强迫次同步振荡的模态之一，在标记该模态后，接着将其他模态进行判定，直至找出所有可能引发强迫次同步振荡的模态。

本发明的技术效果包括：针对直驱风机可能会引发强迫次同步振荡该类问题，提出一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，旨在判断直驱风电场发生强迫次同步振荡的可能性，为直驱风电场发生强迫次同步振荡提供判断依据。

附图说明

附图1为辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法流程图；

附图2为直驱风电并网系统等效电路图；

附图3为直驱风电网侧变流器控制系统框图；

附图4为锁相环控制框图；

附图5为直驱风机结构图；

附图6为直驱风机间谐波频率分布图；

附图7为强迫振荡有功功率仿真结果图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例以及附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明针对直驱风机所引发的强迫次同步振荡问题，提出一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，用于判别系统稳定性。附图1为辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法流程图，如图1所示，所述方法包括以下步骤：

步骤1，由实际系统所给定的风电系统以及控制系统的参数，建立系统的小信号模型；

步骤2，计算小信号模型的特征值并辨别哪些模态是属于次同步振荡模态；

步骤3，计算直驱风机中所占主导的次同步间谐波频率；

步骤4，判别所计算次同步间谐波频率是否与次同步振荡模态相近；判别次同步振荡模态阻尼是否较弱；判别次同步间谐波的幅值是否足够大。

步骤5，在满足上面三点要求后，认定该次同步振荡模态为可能引发强迫次同步振荡的模态之一，重复步骤3-4，直至统计完所有可能引发强迫次同步振荡的模态。

1、本发明首先获取风电系统以及控制系统的参数，并建立小信号模型。整个风电并网的原理图如图2所示，其中u_t和i_s为风电机组输出电压和电流，u_pcc为汇流母线电压，i_pcc为输入电网电流，u_s为电网电压，L_T为箱变等效电感，C_com为无功补偿固定电容，L_g和R_g为升压变和输电线路等效电感和电阻之和。同时给出控制系统结构以及锁相环结构如图3 和图4所示，控制系统采用dq坐标系双闭环控制，外环为定直流电压和定交流电压控制，内环为电流控制，基于同步参考坐标系的锁相环提供电网电压矢量定向角度。其小信号建模过程如下：

根据图2给出电网动态方程

式中，i_pccd和i_pccq为输入电网电流i_pcc的dq轴分量；u_pccd和u_pccq为汇流母线电压u_pcc的dq 轴分量；i_sd和i_sq为风电机组输出电流i_s的dq轴分量；u_td和u_tq为风电机组输出电压u_t的 dq轴分量；u_sd和u_sq为电网电压u_s的dq轴分量，m为直驱风机台数，ω为电网基频角频率，L_T为箱变等效电感，C_com为无功补偿固定电容，L_g和R_g为升压变和输电线路等效电感和电阻之和。

根据图5，风机交流侧动态方程为：

式中，i_cd和i_cq为网侧变流器GSC出口电流i_c的dq轴分量；u_cd和u_cq为GSC出口电压u_c的dq轴分量；u_sd和u_sq为电网电压u_s的dq轴分量；u_tcd和u_tcq为滤波电容C_f两端电压u_tc的dq轴分量，L_c与R_c为变流器出口侧滤波电感与电阻。

风机直流侧动态方程为：

P_in为来自机侧变流器的输入功率，C_dc为直流母线电容，u_dc为直流母线电压，i_cd和i_cq为 GSC出口电流i_c的dq轴分量；u_cd和u_cq为GSC出口电压u_c的dq轴分量。

根据图3以及图4给出控制系统的小信号方程：

式中，k_p1和k_i1为d轴电流环的比例系数和积分系数；k_p2和k_i2为q轴电流环的比例系数和积分系数；i_cdref为d轴电流参考值；i_cqref为q轴电流参考值，ω₀为在控制系统下电网基频角频率，z_i1和z_i2为中间变量，L_c为变流器出口侧滤波电感，u_td和u_tq为风电机组输出电压u_t的dq轴分量。

直流电压外环动态方程为：

式中，k_p3和k_i3为直流电压外环的比例系数和积分系数；i_cdref为d轴电流参考值，u_dcref为直流电压参考值，u_dc为直流母线电压实际值，z_i3为中间变量。

交流电压外环动态方程为：

式中，k_p4和k_i4为交流电压外环的比例系数和积分系数；i_cqref为q轴电流参考值，u_pccref为交流电压参考值，u_pccd和u_pccq为汇流母线电压u_pcc的dq轴分量，z_i4为中间变量。

根据图2-7，锁相环动态方程为：

式中，k_p5和k_i5为锁相环的比例系数和积分系数；ω为锁相环输出角频率，ω₀为控制系统下基频。

联立式1至式7,可以得到直驱风电并网系统的状态空间模型形式如下函数f表示：

其中x为状态变量，u为控制变量，d为微分因子。

将上述状态空间方程线性化可得到相应的小信号动态模型：

式中，A为状态矩阵，B为输入矩阵，△x和△u分别为状态变量x和控制变量u的变化量，直驱风电并网系统的状态变量为x＝[z_i1,z_i2,z_i3,z_i4,θ,ω,i_pccd,i_pccq, u_pccd,u_pccq,i_cd,i_cq,i_sd,i_sq,u_tcd,u_tcq,u_dc]^T；输入变量为u＝[u_dcref,u_pccref]^T。

2、当直驱风机台数为140时，线路阻抗为Z_L1＝0.03+j0.59时，用步骤1中的公式计算得到直驱风机系统中有一对次同步振荡模态特征值为-3.93±j33.7*2π，阻尼比1.86％，处于弱阻尼状态。

3、利用开关函数调制理论得到直驱风机的间谐波频率关系，由于激励系统的直驱风机采用被动整流，经过计算同时考虑同步发电机转速和频率之间满足关系f₁＝n_gp_g/60，可以进一步得到低频间谐波频率f_int表达式如下：

式中：n_g为永磁同步电机转速；p_g为电机极对数；f₀为电网基频。式(10)建立了风机低频间谐波频率与发电机转速之间的数学关系，直观地体现了间谐波频率的时变特性，由于发电机的转速主要受到风速影响，因此，风速的波动变化是风机间谐波频率呈现时变特性的根本原因。根据式(10)可以计算出该型风机在不同工况下，间谐波频率的具体分布情况。这里考虑含量较高的v＝1,2,3时对应的间谐波分量，其频率随风机转速的分布情况如图6所示，其中红色代表该间谐波分量为负序。能够激发强迫次同步振荡的扰动应为次同步频段的正序间谐波及其耦合的超同步频段的正序间谐波，如图6中蓝色段所示。

4、当考虑系统次同步振荡模式特征值为-3.93±j33.7*2π，阻尼比1.86％，处于弱阻尼状态。同时当发电机转速为11.68rpm时，间谐波频率为35Hz时间谐波频率与次同步振荡模态频率相近，由于误差原因，这一频率更为接近。同时激励源的直驱风机台数有40台，其幅值足够满足要求。所以在满足次同步间谐波频率与次同步振荡模态相近；次同步振荡模态阻尼较弱以及次同步间谐波的幅值足够大这三个条件后，系统发生强迫振荡，并网点有功波形如图7所示，振荡幅值超过2％。所以该次同步振荡模态是能够引发系统强迫次同步振荡的模态之一。

5、在满足上面三点要求后，认定该次同步振荡模态为可能引发强迫次同步振荡的模态之一，重复步骤3-4，直至统计完所有可能引发强迫次同步振荡的模态。

综上所述，本发明的一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，首先由实际系统所给定的风电系统以及控制系统的参数，建立系统的小信号模型；其次计算小信号模型的特征值并辨别哪些模态是属于次同步振荡模态；再者计算直驱风机中所占主导的次同步间谐波频率；判别所计算次同步间谐波频率是否与次同步振荡模态相近；判别次同步振荡模态阻尼是否较弱；判别次同步间谐波的幅值是否足够大。在满足上面三点要求后，认定该次同步振荡模态为可能引发强迫次同步振荡的模态之一，最后重复上述步骤，直至统计完所有可能引发强迫次同步振荡的模态。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，由实际系统所给定的风电系统以及控制系统的参数，建立系统的小信号模型；

步骤2，计算小信号模型的特征值并辨别哪些模态是属于次同步振荡模态；

步骤3，计算直驱风机中所占主导的次同步间谐波频率；

步骤4，判别所计算次同步间谐波频率是否与次同步振荡模态相近；判别次同步振荡模态阻尼是否较弱；判别次同步间谐波的幅值是否足够大；

步骤5，在满足步骤4中的要求后，认定该次同步振荡模态为可能引发强迫次同步振荡的模态之一，重复步骤3-4，直至统计完所有可能引发强迫次同步振荡的模态。

2.根据权利要求1所述的一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：

步骤1.1，在具体风电系统以及控制系统的参数下，参数包括风电系统中电网电压电流以及电网线路阻抗，风电汇集处的电压电流以及变压器等效阻抗，固定电容器组的电容值，直流母线电压以及直流母线电容值，变流器出口侧电压电流，滤波器的阻抗以及并网点电压电流；控制系统下的直流电压控制环节的直流参考电压以及比例积分参数，交流电压控制环节的交流参考电压以及比例积分参数，电流控制环节的电流参考值以及比例积分参数；在确定以上参数后并建立小信号模型，主要是根据风电网络拓扑将系统的各个组件连接在一起，并建立如下数学模型：

电网动态方程

式中，i_pccd和i_pccq为输入电网电流i_pcc的dq轴分量；u_pccd和u_pccq为汇流母线电压u_pcc的dq轴分量；i_sd和i_sq为风电机组输出电流i_s的dq轴分量；u_td和u_tq为风电机组输出电压u_t的dq轴分量；u_sd和u_sq为电网电压u_s的dq轴分量，m为直驱风机台数，ω为电网基频角频率，L_T为箱变等效电感，C_com为无功补偿固定电容，L_g和R_g为升压变和输电线路等效电感和电阻之和；

风机交流侧动态方程为：

式中，i_cd和i_cq为网侧变流器GSC出口电流i_c的dq轴分量；u_cd和u_cq为GSC出口电压u_c的dq轴分量；u_sd和u_sq为电网电压u_s的dq轴分量；u_tcd和u_tcq为滤波电容C_f两端电压u_tc的dq轴分量，L_c与R_c为变流器出口侧滤波电感与电阻；

风机直流侧动态方程为：

P_in为来自机侧变流器的输入功率，C_dc为直流母线电容，u_dc为直流母线电压，i_cd和i_cq为GSC出口电流i_c的dq轴分量；u_cd和u_cq为GSC出口电压u_c的dq轴分量；

控制系统的小信号方程：

式中，k_p1和k_i1为d轴电流环的比例系数和积分系数；k_p2和k_i2为q轴电流环的比例系数和积分系数；i_cdref为d轴电流参考值；i_cqref为q轴电流参考值，ω₀为在控制系统下电网基频角频率，z_i1和z_i2为中间变量，L_c为变流器出口侧滤波电感，u_td和u_tq为风电机组输出电压u_t的dq轴分量；

直流电压外环动态方程为：

式中，k_p3和k_i3为直流电压外环的比例系数和积分系数；i_cdref为d轴电流参考值，u_dcref为直流电压参考值，u_dc为直流母线电压实际值，z_i3为中间变量；

交流电压外环动态方程为：

式中，k_p4和k_i4为交流电压外环的比例系数和积分系数；i_cqref为q轴电流参考值，u_pccref为交流电压参考值，u_pccd和u_pccq为汇流母线电压u_pcc的dq轴分量，z_i4为中间变量；

锁相环动态方程为：

式中，k_p5和k_i5为锁相环的比例系数和积分系数；ω为锁相环输出角频率，ω₀为控制系统下基频；

联立式1至式7,可以得到直驱风电并网系统的状态空间模型形式如下函数f表示：

其中x为状态变量，u为控制变量，d为微分因子；

将上述状态空间方程线性化可得到相应的小信号动态模型：

式中，A为状态矩阵，B为输入矩阵，△x和△u分别为状态变量x和控制变量u的变化量，直驱风电并网系统的状态变量为x＝[z_i1,z_i2,z_i3,z_i4,θ,ω,i_pccd,i_pccq,u_pccd,u_pccq,i_cd,i_cq,i_sd,i_sq,u_tcd,u_tcq,u_dc]^T；输入变量为u＝[u_dcref,u_pccref]^T；

步骤1.2，同时将数学模型进行线性化得到小信号模型。

3.根据权利要求2所述的一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，由步骤1.2所建立的小信号模型求解特征值；

步骤2.2，筛选出所有特征值中哪些是次同步振荡模态。

4.根据权利要求1所述的一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：

步骤3.1，根据所选直驱风机的类型，利用开关函数的调制理论去推导间谐波公式，所得间谐波表达式如下：

式中：n_g为永磁同步电机转速；p_g为电机极对数；f₀为电网基频；

步骤3.2，并选出哪些间谐波频率是在次同步频段内；

步骤3.3，同时选出占主导分量的间谐波。

5.根据权利要求1所述的一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤4.1，通过对比计算得到的间谐波频率与次同步振荡模态频率大小，若频率相近则进一步判别；

步骤4.2，在满足间谐波频率与次同步振荡模态频率相近下，去计算所得的次同步振荡模态的阻尼是否较小，若较小则进一步判别；

步骤4.3，在满足前两点前提下，再进一步判别间谐波分量是否足够大。

6.根据权利要求1所述的一种辨识直驱风机强迫次同步振荡的方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

若在满足步骤4下，则判定该次同步振荡模态属于可能引发强迫次同步振荡的模态之一，在标记该模态后，接着将其他模态进行判定，直至找出所有可能引发强迫次同步振荡的模态。

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