CN113675885A - 一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法 - Google Patents

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CN113675885A CN202110979500.4A CN202110979500A CN113675885A CN 113675885 A CN113675885 A CN 113675885A CN 202110979500 A CN202110979500 A CN 202110979500A CN 113675885 A CN113675885 A CN 113675885A
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徐瑞林
杨旼才
李登峰
李小菊
詹航
李寒江
司萌
赵科
吴迎霞
刘育明
张颖
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Abstract

本发明公开了一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，包括：建立目标电网的等值模型，计算目标电网在不同机组条件下发生故障时机组接入点电压；比较机组接入点电压与机组的运行模式切换判据，确定运行模式；根据运行模式建立机组机电暂态等值模型；根据暂态等值模型建立含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路，推导发电机的功角特性方程；根据特性方程判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性；本发明通过建立多种不同状态的机电暂态等值模型判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性；有效提升了电力系统暂态功角稳定性判断的准确性；有效提高了故障条件下的电力系统暂态功角稳定性的分析能力。

Description

一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法
技术领域
本发明涉及微电网技术领域，尤其是一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法。
背景技术
近年来，风电装机容量持续增长。其中，基于永磁同步发电机(PMSG)的永磁直驱风电机组(PMWT)由于其安全可靠性和运行效率高、无功调节能力强及维护成本低等优点，在风电场中所占的比重越来越高，已成为目前的主流机型。但是，随着风电的大量应用，电压波动、系统暂态稳定等问题逐渐暴露。特别是全功率背靠背变流器将PMSG与电网隔离，使其二者运行不同步，由此产生了新的暂态稳定问题。因此，亟需建立不同工况和不同状态下的PMWT模型，并对含不同状态的PMWT的电力系统进行暂态功角稳定分析。
PMWT模型包括详细模型和简化等值模型2类。详细模型完整模拟了风力机、传动轴系、永磁同步发电机、全功率变流器及其控制系统的响应特性。但是，详细模型的阶数高、运行速度慢，将其应用于电力系统的分析十分复杂且低效。为此，国内外学者对PMWT的简化模型进行了研究。有学者提出电励磁同步电机等效PMSG的风电机组建模方法。另外，基于PMSG能够快速跟踪给定指令的特点，有研究人员将PMWT等值为电压源型逆变器、受控电压源、受控电流源或可控功率源。也有研究人员对传动系统模型与变流器模型进行了降阶简化。此外，研究人员还建立了适用于小干扰稳定分析的PMWT降阶模型。但是，上述模型均未考虑在电网故障期间PMWT状态的多样性及其状态的切换过程。
由于电力系统发生故障时，风电机组机侧和网侧的功率不平衡，机侧多余的功率将对PMWT直流电容进行充电，可能导致直流侧出现过电压，因此一般需要通过卸荷来消耗不平衡功率。现有的卸荷方法主要是在直流电容侧加入卸荷电路(chopper)。此外，由于电力系统发生故障时PMWT输出电流增大，会损坏变流器，所以需要闭锁变流器。目前通常对电力电子器件施加负电压脉冲进行关断，从而实现闭锁。chopper的投入和变流器的闭锁均会改变PMWT的主回路，导致其输出特性发生变化，因此，PMWT的建模必须考虑卸荷电路(chopper)是否投入以及变流器是否闭锁。某一状态下的单一模型忽略了PMWT结构改变带来的输出特性变化，势必产生极大偏差。但是目前仍然鲜有研究，针对低电压穿越影响下PMWT的全过程建模
综上所述，确定不同状态下PMWT的等值模型，实现故障条件下PMWT的全过程建模，并根据PMWT不同状态下的等值模型，建立含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路，进而对故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性进行分析，成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法；本发明解决了现有技术中未考虑含PMWT不同状态下等值模型的电力系统暂态功角稳定性分析的技术问题，能够根据不同运行模式下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型，对含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性进行分析。
本发明采用的技术方案如下：
一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，包括：建立目标电网的等值模型，计算目标电网在不含永磁直驱风电机组条件下发生故障时永磁直驱风电机组接入点电压；比较永磁直驱风电机组接入点电压与永磁直驱风电机组的运行模式切换判据，确定该故障条件下永磁直驱风电机组的运行模式；根据运行模式建立永磁直驱风电机组机电暂态等值模型；根据暂态等值模型建立含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路，并推导发电机的功角特性方程；根据特性方程判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性。
进一步的，所述永磁直驱风电机组的运行模式包括4种模式。
进一步的，所述确定运行模式的方位为：
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000021
小于卸荷电路退出阈值
Figure BDA0003228565140000022
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf大于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式1；
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000023
小于卸荷电路退出阈值
Figure BDA0003228565140000024
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf小于网侧变流器闭锁Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式2；
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000025
大于卸荷电路投入阈值
Figure BDA0003228565140000026
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf大于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式3；
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000027
大于卸荷电路投入阈值
Figure BDA0003228565140000028
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf小于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式4。
进一步的，所述卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000029
计算公式为：
Figure BDA00032285651400000210
网侧变流器闭锁电压Ugc计算公式为：
Figure BDA00032285651400000211
进一步的，所述暂态等值模型数量若干且与运行模式对应。
进一步的，所述暂态等值模型包括：
模式1下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA0003228565140000031
模式2下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA0003228565140000032
模式3下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA0003228565140000033
模式4下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA0003228565140000034
进一步的，所述功角特性方程为：
Figure BDA0003228565140000035
进一步的，所述判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性方法为：根据发电机功角特性方程组的功角时域解，计算得到同步机有功功率与同步机内节点电压相角的微分关系
Figure BDA0003228565140000036
当
Figure BDA0003228565140000037
时，判断系统暂态功角稳定；当
Figure BDA0003228565140000038
时，判断系统暂态功角不稳定。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明通过建立多种不同状态的永磁直驱风电机组的机电暂态等值模型，进而建立含永磁直驱风电机组的系统等值电路，最后判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性。
2、本发明有效提升了含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性判断的准确性。
3、本发明有效提高了故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性的分析能力。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是暂态功角稳定分析方法流程图。
图2是含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路结构图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，如图1所示，包括：
S1：建立目标电网的等值模型，计算目标电网在不含永磁直驱风电机组条件下发生故障时永磁直驱风电机组接入点电压。
上述步骤中，永磁直驱风电机组接入点电压为Ugf。
S2：比较永磁直驱风电机组接入点电压与永磁直驱风电机组的运行模式切换判据，确定该故障条件下永磁直驱风电机组的运行模式。
上述步骤中，所述永磁直驱风电机组的运行模式包括4种模式，其具体为：
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000041
小于卸荷电路退出阈值
Figure BDA0003228565140000042
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf大于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式1。
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000043
小于卸荷电路退出阈值
Figure BDA0003228565140000044
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf小于网侧变流器闭锁Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式2。
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000045
大于卸荷电路投入阈值
Figure BDA0003228565140000046
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf大于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式3。
当卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000051
大于卸荷电路投入阈值
Figure BDA0003228565140000052
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf小于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式4。
其中，卸荷电路使能电位
Figure BDA0003228565140000053
计算公式为：
Figure BDA0003228565140000054
式中，t0为永磁直驱风电机组接入点电压开始变化的时刻；Δt为直流电压的时间变化尺度，可取为10ms；n表示Δt的个数，为正整数，范围为1≤n≤4；Ps为发电机输出有功功率；Cdc为直流电容值；egq为网侧q轴电压；ωe为发电机电角速度；Lg为网侧进线滤波电感；网侧变流器闭锁电压Ugc计算公式为：
Figure BDA0003228565140000055
式中，Pg为网侧有功功率控制定值；Qg为网侧无功功率控制定值；Icmax为网侧变流器电流限幅值。
S3：根据运行模式建立永磁直驱风电机组机电暂态等值模型。
上述步骤中，所述暂态等值模型数量若干且与运行模式对应，具体包括：
模式1下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA0003228565140000056
式中，Ig为永磁直驱风电机组接入点电流矢量；
Figure BDA0003228565140000057
为永磁直驱风电机组接入点共轭电压矢量；
Figure BDA0003228565140000058
为网侧输出无功功率参考值；kpq为网侧变流器功率外环的比例系数；kpu为网侧变流器电压外环的比例系数；
Figure BDA0003228565140000059
为直流电容电压参考值；igd_tim为网侧d轴电流实时值；igq_tim为网侧q轴电流实时值。
模式2下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA00032285651400000510
式中，UT为永磁直驱风电机组接入点电压标幺值；IN为发电机额定电流幅值；
Figure BDA00032285651400000511
为永磁直驱风电机组接入点共轭电压矢量；
Figure BDA00032285651400000512
为网侧输出无功功率参考值。
模式3下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA00032285651400000513
式中，Rch为卸荷电路电阻值；
Figure BDA00032285651400000514
为永磁直驱风电机组接入点共轭电压矢量；
Figure BDA00032285651400000515
为网侧输出无功功率参考值；kpq为网侧变流器功率外环的比例系数；kpu为网侧变流器电压外环的比例系数；
Figure BDA0003228565140000061
为直流电容电压参考值；igd_tim为网侧d轴电流实时值。
模式4下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure BDA0003228565140000062
式中，
Figure BDA0003228565140000063
为永磁直驱风电机组接入点共轭电压矢量；
Figure BDA0003228565140000064
为网侧输出无功功率参考值；kpq为网侧变流器功率外环的比例系数；kpu为网侧变流器电压外环的比例系数；
Figure BDA0003228565140000065
为直流电容电压参考值；UT为永磁直驱风电机组接入点电压标幺值；IN为发电机额定电流幅值；Rch为卸荷电路电阻值。
S4：根据暂态等值模型建立含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路，如图2所示，并推导发电机的功角特性方程。
上述步骤中，确定功角特性方程方法为：首先基于不同模式下永磁直驱风电机组的等值模型，建立含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路；本实施例中，等值模型中的永磁直驱风电机组额定电压为690V，通过0.69kV/10kV变压器与10kV/110kV变压器升压后经50km输电线路接入电力系统，同步发电机经变压器与风电机组支路汇集于公共母线B2处。
然后根据含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路，列写故障条件下发电机功角特性方程组，具体为：
Figure BDA0003228565140000066
式中，PSG、QSG分别为同步机有功功率、无功功率；Pw、Qw分别为永磁直驱风电机组有功功率、无功功率；E0为同步机内节点电压；U1为无穷大母线电压；U2为永磁直驱风电机组接入点电压；δ为同步机内节点电压相角；yd为同步机至接入点等值导纳；yw为永磁直驱风电机组至接入点等值导纳；yL为线路L3导纳；
Figure BDA0003228565140000067
为星三角变换后永磁直驱风电机组至接入点等值共轭导纳；
Figure BDA0003228565140000068
星三角变换后线路L3共轭导纳；x′d为同步机暂态电抗；xT3为变压器T3电抗；xL2、xL3分别为线路L2、L3(双回线)电抗。
S5：根据特性方程判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性。
上述步骤中，会根据故障条件下发电机功角特性方程组，计算发电机功角特性方程组的时域解，具体步骤为：用有限个离散点构成的网格代替连续的定解区域；用网格上定义的离散变量函数近似连续定解区域上的连续变量的函数；用网格节点上的差商代替离散控制方程和定界条件中的微商，则原微分方程和定解条件就近似成有限差分方程组；通过解有限差分方程组即可得到原问题的离散点上的近似解；利用插值方法即可从离散解中得到定解问题在整个区域上的近似解。
判断电力系统暂态功角稳定性方法为：根据发电机功角特性方程组的功角时域解，计算得到同步机有功功率与同步机内节点电压相角的微分关系
Figure BDA0003228565140000071
当
Figure BDA0003228565140000072
时，判断系统暂态功角稳定；当
Figure BDA0003228565140000073
时，判断系统暂态功角不稳定。
本发明通过建立多种不同状态的永磁直驱风电机组的机电暂态等值模型，进而建立含永磁直驱风电机组的系统等值电路，最后判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性；本发明有效提升了含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性判断的准确性；本发明有效提高了故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性的分析能力。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，包括：建立目标电网的等值模型，计算目标电网在不含永磁直驱风电机组条件下发生故障时永磁直驱风电机组接入点电压；比较永磁直驱风电机组接入点电压与永磁直驱风电机组的运行模式切换判据，确定该故障条件下永磁直驱风电机组的运行模式；根据运行模式建立永磁直驱风电机组机电暂态等值模型；根据暂态等值模型建立含永磁直驱风电机组的电力系统等值电路，并推导发电机的功角特性方程；根据特性方程判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性。
2.如权利要求1所述的直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，所述永磁直驱风电机组的运行模式包括4种模式。
3.如权利要求1所述的直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，所述确定运行模式的方位为：
当卸荷电路使能电位
Figure FDA0003228565130000011
小于卸荷电路退出阈值
Figure FDA0003228565130000012
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf大于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式1；
当卸荷电路使能电位
Figure FDA0003228565130000013
小于卸荷电路退出阈值
Figure FDA0003228565130000014
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf小于网侧变流器闭锁Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式2；
当卸荷电路使能电位
Figure FDA0003228565130000015
大于卸荷电路投入阈值
Figure FDA0003228565130000016
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf大于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式3；
当卸荷电路使能电位
Figure FDA0003228565130000017
大于卸荷电路投入阈值
Figure FDA0003228565130000018
永磁直驱风电机组接入点电压Ugf小于网侧变流器闭锁电压Ugc时，永磁直驱风电机组运行于模式4。
4.如权利要求3所述的直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，所述卸荷电路使能电位
Figure FDA0003228565130000019
计算公式为：
Figure FDA00032285651300000110
网侧变流器闭锁电压Ugc计算公式为：
Figure FDA00032285651300000111
5.如权利要求1所述的直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，所述暂态等值模型数量若干且与运行模式对应。
6.如权利要求5所述的直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，所述暂态等值模型包括：
模式1下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure FDA0003228565130000021
模式2下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure FDA0003228565130000022
模式3下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure FDA0003228565130000023
模式4下的永磁直驱风电机组机电暂态等值模型为：
Figure FDA0003228565130000024
7.如权利要求1所述的直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，所述功角特性方程为：
Figure FDA0003228565130000025
8.如权利要求1所述的直驱风电机组并网电力系统暂态功角稳定分析方法，其特征在于，所述判断故障条件下含永磁直驱风电机组的电力系统暂态功角稳定性方法为：根据发电机功角特性方程组的功角时域解，计算得到同步机有功功率与同步机内节点电压相角的微分关系
Figure FDA0003228565130000026
当
Figure FDA0003228565130000027
时，判断系统暂态功角稳定；当
Figure FDA0003228565130000028
时，判断系统暂态功角不稳定。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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