CN113725910B - 一种风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，该稳定性分析方法同时考虑风电场与电网、风电场内部机组之间两种交互模态，克服了常规多机稳定性分析不考虑机组之间交互模态的缺陷，提高了多机稳定性分析的精度。此外，该稳定性分析方法能够根据稳定裕度量化指标判断多台机组间的交互模态，并对风电场中稳定性较薄弱的机组进行定位，从而有针对性地优化薄弱机组的控制参数，提高风电场的稳定性。

Description

一种风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法

技术领域

本发明涉及风电机组、风电场的电气控制技术领域，尤其涉及一种风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法。

背景技术

随着风电接入电网比例的不断提高，其对电网的安全稳定运行产生重要影响。高比例风电并网等效降低了电网的短路比，使电网呈现出弱电网特性，引发风电机组与电网之间的一系列异常交互现象，诸如低频振荡、次同步振荡、高频谐波振荡等，危及电网的安全稳定运行。

对于风电场并网系统，其系统结构如图1所示，阻抗分析法是目前分析这种风电场并网系统稳定性的一种较为有效的方法，通常首先建立单台风电机组的输出阻抗；然后根据风电场汇集网的拓扑结构以及电路串联、并联原理，计算风电场的等效聚合阻抗；最后，根据奈奎斯特判据判断系统的稳定性。目前，现有阻抗分析法研究风电场稳定性时存在如下缺陷：

1)现有对风电场-电网互联系统的建模大多较为粗糙，仅将风电场等值为单台风电机组进行分析。这种建模方法实际上仅分析了风电场与电网之间的交互作用，而忽略了风电场内部机组之间的交互作用；

2)对风电场-电网互联系统的稳定性判别多根据广义奈奎斯特判据，这种图形化的分析方法难以定量地评估风电场的稳定裕度，也不易于对风电场并网系统中薄弱的机组进行定位。

发明内容

本发明的目的是为了解决在风电场并网系统稳定性分析中，现有稳定性分析方法不考虑机组之间交互作用、难以定量地评估风电场稳定裕度、不易定位稳定性较薄弱的风电机组的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，包含以下步骤：

S1：采集风电场并网系统的参数与系统结构，并根据系统参数进行潮流计算，得出风电场并网系统的初始状态变量；

S2：根据系统参数以及状态变量的初始值，在旋转dq坐标系下建立风电机组、线路参数、变压器、电网等设备的阻抗矩阵模型；

S3：基于已求出的各个设备的阻抗模型，先将风电场并网系统分割为两个子系统，所述分割方法为：

当研究风电场与电网之间的交互作用时，以风电场母线为分界线，将所述风电场并网系统分为电网子系统、风电场子系统；

当研究风电场内部机组之间的交互作用时，以风电机组交流出口侧为分界线，将所述风电场并网系统分为风电机组子系统、剩余风电机组及电网子系统；

根据风电场汇集网的拓扑结构以及研究的交互模态对风电场并网系统进行阻抗聚合；

S4：根据求出的聚合阻抗模型，分别计算不同交互模态对应的特征方程、特征值，选取不同交互模态下特征值的最小阻尼比作为稳定裕度的量化指标；

S5：根据稳定裕度量化指标判断系统主导交互模态；

S6：根据风电场并网系统的聚合阻抗以及稳定裕度量化指标，对该系统中稳定性较薄弱的机组进行定位，从而有针对性地优化薄弱机组的控制参数，提高风电场的稳定性。

优选的，所述风电场并网系统的参数包括风电机组电气参数、变换器控制参数、轴系参数、风轮参数、风速、风电场内部拓扑结构、风电机组间线路参数、变压器参数、电网线路参数和发电机参数。

优选的，所述S3在划分完成后，按照电路串联、并联的原理，分别求出各个子系统的聚合阻抗。

优选的，研究风电场与电网之间的交互作用时，稳定性受阻抗和(Z_g+Z_WF)的影响，其中Z_g为电网线路阻抗，Z_WF为风电场聚合阻抗，研究风电场与电网之间的交互作用的特征方程为：

det(Z_g+Z_WF)＝0 (1)

式中det表示求矩阵(Z_g+Z_WF)的行列式。

根据式(1)求出系统的闭环极点λ₁₁、λ₁₂、…、λ_1k，衡量风电场与电网交互作用的量化指标ζ₁为上述闭环极点λ₁₁、λ₁₂、…、λ_1k的最小阻尼比，即

优选的，所述S4中，研究风电场内部机组之间的交互作用时，稳定性受阻抗和(Z_WT+Z_E)的影响，其中Z_WT为某台风电机组的输出阻抗，Z_E为剩余风电机组及电网子系统的聚合阻抗，

对于任意一台风电机组WTij(1≤i≤N，1≤j≤M)，研究风电机组WTij与剩余风电机组及电网子系统之间交互作用的特征方程为：

det(Z_WTij+Z_E)＝0 (3)

式中det表示求矩阵(Z_WTij+Z_E)的行列式，Z_WTij为风电机组WTij的输出阻抗，Z_E为除风电机组WTij外剩余风电机组及电网的聚合阻抗；

根据式(3)可求出闭环极点λ_2ij1、λ_2ij2、…、λ_2ijk，衡量风电机组WTij与剩余风电机组及电网之间交互作用的量化指标ζ_2ij为上述闭环极点λ_2ij1、λ_2ij2、…、λ_2ijk的最小阻尼比，即：

衡量风电场内部机组之间交互作用的量化指标ζ₂等于上述阻尼比ζ_2ij(1≤i≤N，1≤j≤M)中的最小值，即：

优选的，当同时考虑外部交互作用、内部交互作用，即可得出整个风电场并网系统的稳定性，分别求出衡量外部交互作用的量化指标ζ₁、内部交互作用的量化指标ζ₂后，衡量风电场并网系统稳定性的量化指标ζ为ζ₁、ζ₂之间的最小值，即：

ζ＝min(ζ₁,ζ₂) (6)

优选的，所述S5中，对风电场并网系统的小扰动主导交互模态进行识别时，若稳定裕度量化指标ζ大于零，表示风电场运行稳定；当ζ小于零、且ζ₁小于ζ₂时，对应主导交互模态为风电场与电网之间的交互作用，即外部交互作用；当ζ小于零、且ζ₂小于ζ₁时，对应主导交互模态为风电场内部机组间的交互作用，即内部交互作用。

优选的，所述S6包含以下步骤：

S61:风电场运行失稳时，分别计算去除风电机组WT11、…、WTMN后剩余系统的稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN的值；

S62:寻找出上述稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN中的最大值；

S63:若上述稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN中最大值为ζ_mn，说明去除风电机组WTmn后剩余风电机组并网系统的稳定性最强，该风电场并网系统中稳定性最薄弱的环节为风电机组WTmn。

上述所述的风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，在分析风电场并网系统稳定性时，同时考虑风电场与电网、风电场内部机组之间两种交互模态，克服了现有风电场稳定性分析方法忽视机组间交互作用的缺陷，提高了风电场稳定性分析的准确性。本申请在求出各个子系统聚合阻抗后，根据子系统阻抗和矩阵的特征方程计算系统的闭环极点，选取闭环极点的最小阻尼比作为衡量风电场稳定裕度的指标，相比常规基于广义奈奎斯特判据的图形化分析方法，更容易量化评估风电场并网系统的稳定性。本申请根据稳定裕度量化指标，能够对风电场并网系统中稳定裕度较薄弱的机组进行定位，从而指导系统稳定控制器的设计。

附图说明

图1为本申请研究的风电场并网系统示意图；

图2为本发明实施例的稳定性分析与量化评估方法的流程图；

图3为本发明一个实施例分析风电场与电网间交互作用的子系统划分示意图；

图4为本发明一个实施例分析风电机组WT13与剩余风电机组及电网间交互作用的子系统划分示意图；

图5为本发明一个实施例风电场并网系统主导交互模态识别方法的示意图；

图6为本发明一个实施例风电场并网系统稳定性薄弱的机组定位方法的流程图；

图7为本发明一个实施例的整体稳定裕度量化指标与内部、外部交互模态量化指标之间的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，对本发明作进一步地详细说明。

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，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

请参阅图2，一种风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，包含以下步骤：

S1：采集风电场并网系统的参数与系统结构，并根据系统参数进行潮流计算，得出风电场并网系统的初始状态变量；

在一实施方式地中，所述风电场并网的参数包括风电机组电气参数、变换器控制参数、轴系参数、风轮参数、风速、风电场内部拓扑结构、风电机组间线路参数、变压器参数、电网线路参数、发电机参数等。

S2：根据系统参数以及状态变量的初始值，在旋转dq坐标系下建立风电机组、线路参数、变压器、电网等设备的阻抗矩阵模型；

S3：基于已求出的各个设备的阻抗模型，根据风电场汇集网的拓扑结构以及研究的交互模态对风电场并网系统进行阻抗聚合；

关注风电场的交互模态不同，对风电场的聚合方法也不同，具体的，对风电场并网系统进行阻抗聚合前，需先将风电场并网系统分割为两个子系统。请参阅图3，在一实施方式中，当研究风电场与电网之间的交互作用(本申请称之为外部交互作用)时，以风电场母线为分界线，将风电场并网系统分为电网子系统、风电场子系统；当研究风电场内部机组之间的交互作用(本申请称之为内部交互作用)时，以风电机组交流出口侧为分界线，将风电场并网系统分为风电机组子系统、剩余风电机组及电网子系统。

由于风电场中风电机组数量众多，在研究风电场内部机组之间的交互作用时，需要以任意风电机组交流出口侧为分界线，将风电场并网系统分为不同的子系统，即若风电场含有N台风电机组，则有N种风电机组子系统、剩余风电机组及电网子系统的划分方法。

请参阅图4，划分完成后，按照电路串联、并联的原理，分别求出各个子系统的聚合阻抗。

S4：根据求出的聚合阻抗模型，分别计算不同交互模态对应的特征方程、特征值，选取不同交互模态下特征值的最小阻尼比作为稳定裕度的量化指标；

具体的，研究风电场与电网之间的交互作用时，稳定性受阻抗和(Z_g+Z_WF)的影响，其中Z_g为电网线路阻抗，Z_WF为风电场聚合阻抗。研究风电场与电网之间的交互作用的特征方程为：

det(Z_g+Z_WF)＝0 (1)

式中det表示求矩阵(Z_g+Z_WF)的行列式。

根据式(1)求出系统的闭环极点λ₁₁、λ₁₂、…、λ_1k，衡量风电场与电网交互作用的量化指标ζ₁为上述闭环极点λ₁₁、λ₁₂、…、λ_1k的最小阻尼比，即

当研究风电场内部机组之间的交互作用时，其稳定性受阻抗和(Z_WT+Z_E)的影响，其中Z_WT为某台风电机组的输出阻抗，Z_E为剩余风电机组及电网子系统的聚合阻抗。以风电机组WT13为例，研究风电机组WT13与剩余风电机组及电网子系统之间交互作用的特征方程为：

det(Z_WT13+Z_E)＝0 (3)

式中det表示求矩阵(Z_WT13+Z_E)的行列式，Z_WT13为风电机组WT13的输出阻抗，Z_E为除风电机组WT13外剩余风电机组及电网的聚合阻抗。

根据式(3)可求出闭环极点λ₂₁₃₁、λ₂₁₃₂、…、λ_213k，衡量风电机组WT13与剩余风电机组及电网之间交互作用的量化指标ζ₂₁₃为上述闭环极点λ₂₁₃₁、λ₂₁₃₂、…、λ_213k的最小阻尼比，即：

对于任意一台风电机组WTij(1≤i≤N，1≤j≤M)，根据式(3)、(4)给出的方法，可求出衡量风电机组WTij与剩余风电机组及电网之间交互作用的量化指标，即阻尼比ζ_2ij。

衡量风电场内部机组之间交互作用的量化指标ζ₂等于上述阻尼比ζ_2ij(1≤i≤N，1≤j≤M)中的最小值，即：

当同时考虑外部交互作用、内部交互作用，即可得出整个风电场并网系统的稳定性。分别求出衡量外部交互作用的量化指标ζ₁、内部交互作用的量化指标ζ₂后，衡量风电场并网系统稳定性的量化指标ζ为ζ₁、ζ₂之间的最小值，即：

ζ＝min(ζ₁,ζ₂) (6)

式中：当ζ大于零时，对应风电场并网系统运行稳定；当ζ小于零时，对应风电场并网系统运行失稳。

S5:根据稳定裕度量化指标判断系统主导交互模态；

具体的，请参阅图5，在一实施方式中，对风电场并网系统的小扰动主导交互模态进行识别时，若稳定裕度量化指标ζ大于零，表示风电场运行稳定；当ζ小于零、且ζ₁小于ζ₂时，对应主导交互模态为风电场与电网之间的交互作用，即外部交互作用；当ζ小于零、且ζ₂小于ζ₁时，对应主导交互模态为风电场内部机组间的交互作用，即内部交互作用。

S6:根据风电场并网系统的聚合阻抗以及稳定裕度量化指标，对该系统中稳定性较薄弱的机组进行定位，从而有针对性地优化薄弱机组的控制参数，提高风电场的稳定性。

具体的，请参阅图6，在一实施方式中，所述S6包含以下步骤：

S61:风电场运行失稳时，分别计算去除风电机组WT11、…、WTMN后剩余系统的稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN的值；

S62:寻找出上述稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN中的最大值；

S63:若上述稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN中最大值为ζ_mn，说明去除风电机组WTmn后剩余风电机组并网系统的稳定性最强，该风电场并网系统中稳定性最薄弱的环节为风电机组WTmn。

请参阅图7，一个实施例的整体稳定裕度量化指标与内部、外部交互模态量化指标之间的关系示意图，图中ζ₁随控制系数K_C的增大而减小，ζ₂同样随着控制系数K_C的增大而减小，当K_C大于1.05时ζ₂小于零。图7中衡量风电场稳定性的量化指标ζ为ζ₁、ζ₂中的最小值ζ₂，根据图5可看出此时风电场的主导交互模态为内部交互作用。经过对比不难发现，图7中风电场临界稳定对应的控制系数K_C值为1.05，小于外部交互作用下临界稳定对应的控制系数K_C值1.15，说明了常规仅考虑外部交互作用的多机稳定性分析方法存在缺陷，考虑内部机组之间交互作用有助于提高多机稳定性分析的精度。

综上所述，本申请的风电场并网系统稳定性分析与量化评估方法，同时考虑风电场与电网、风电场内部机组之间两种交互模态，克服了现有风电场稳定性分析方法忽视机组间交互作用的缺陷，提高了风电场稳定性分析的准确性。本申请在求出各个子系统聚合阻抗后，根据子系统阻抗和矩阵的特征方程计算系统的闭环极点，选取闭环极点的最小阻尼比作为衡量风电场稳定裕度的指标，更容易量化评估风电场并网系统的稳定性。本申请根据稳定裕度量化指标，能够对风电场并网系统中稳定裕度较薄弱的机组进行定位，有助于指导系统稳定控制器的设计。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同。

Claims (5)

1.一种风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，其特征在于：包含以下步骤：

S1：采集风电场并网系统的参数与系统结构，并根据系统参数进行潮流计算，得出风电场并网系统的初始状态变量；

S2：根据系统参数以及状态变量的初始值，在旋转dq坐标系下建立风电机组、线路参数、变压器和电网的阻抗矩阵模型；

S3：基于已求出的各个设备的阻抗矩阵模型，先将风电场并网系统分割为两个子系统，所述分割方法为：

当研究风电场与电网之间的交互作用时，以风电场母线为分界线，将所述风电场并网系统分为电网子系统、风电场子系统；

当研究风电场内部机组之间的交互作用时，以风电机组交流出口侧为分界线，将所述风电场并网系统分为风电机组子系统、剩余风电机组及电网子系统；

根据风电场汇集网的拓扑结构以及研究的交互模态对风电场并网系统进行阻抗聚合；

S4：根据求出的聚合阻抗模型，分别计算不同交互模态对应的特征方程、特征值，选取不同交互模态下特征值的最小阻尼比作为稳定裕度的量化指标；

研究风电场与电网之间的交互作用时，稳定性受阻抗和(Z_g+Z_WF)的影响，其中Z_g为电网线路阻抗，Z_WF为风电场聚合阻抗，研究风电场与电网之间的交互作用的特征方程为：

det(Z_g+Z_WF)＝0 (1)

根据式(1)求出系统的闭环极点λ₁₁、λ₁₂、…、λ_1k，衡量风电场与电网交互作用的量化指标ζ₁为上述闭环极点λ₁₁、λ₁₂、…、λ_1k的最小阻尼比，即

研究风电场内部机组之间的交互作用时，稳定性受阻抗和(Z_WT+Z_E)的影响，对于任意一台风电机组WTij(1≤i≤N，1≤j≤M)，研究风电机组WTij与剩余风电机组及电网子系统之间交互作用的特征方程为：

det(Z_WTij+Z_E)＝0 (3)

Z_WTij为风电机组WTij的输出阻抗，Z_E为除风电机组WTij外剩余风电机组及电网的聚合阻抗；

根据式(3)可求出闭环极点λ_2ij1、λ_2ij2、…、λ_2ijk，衡量风电机组WTij与剩余风电机组及电网之间交互作用的量化指标ζ_2ij为上述闭环极点λ_2ij1、λ_2ij2、…、λ_2ijk的最小阻尼比，即：

衡量风电场内部机组之间交互作用的量化指标ζ₂等于上述阻尼比ζ_2ij(1≤i≤N，1≤j≤M)中的最小值，即：

当同时考虑外部交互作用、内部交互作用，即可得出整个风电场并网系统的稳定性，分别求出衡量外部交互作用的量化指标ζ₁、内部交互作用的量化指标ζ₂后，衡量风电场并网系统稳定性的量化指标ζ为ζ₁、ζ₂之间的最小值，即：

ζ＝min(ζ₁,ζ₂) (6)；

S5：根据稳定裕度量化指标判断系统主导交互模态；

S6：根据风电场并网系统的聚合阻抗以及稳定裕度量化指标，对该系统中稳定性较薄弱的机组进行定位，从而有针对性地优化薄弱机组的控制参数，提高风电场的稳定性。

2.根据权利要求1所述的风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，其特征在于：所述风电场并网系统的参数包括风电机组电气参数、变换器控制参数、轴系参数、风轮参数、风速、风电场内部拓扑结构、风电机组间线路参数、变压器参数、电网线路参数和发电机参数。

3.根据权利要求1所述的风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，其特征在于：所述S3在划分完成后，按照电路串联、并联的原理，分别求出各个子系统的聚合阻抗。

4.根据权利要求1所述的风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，其特征在于：所述S5中，对风电场并网系统的小扰动主导交互模态进行识别时，若稳定裕度量化指标ζ大于零，表示风电场运行稳定；当ζ小于零、且ζ₁小于ζ₂时，对应主导交互模态为风电场与电网之间的交互作用，即外部交互作用；当ζ小于零、且ζ₂小于ζ₁时，对应主导交互模态为风电场内部机组间的交互作用，即内部交互作用。

5.根据权利要求1所述的风电场并网系统的稳定性分析与量化评估方法，其特征在于：所述S6包含以下步骤：

S61:风电场运行失稳时，分别计算去除风电机组WT11、…、WTMN后剩余系统的稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN的值；

S62:寻找出上述稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN中的最大值；

S63:若上述稳定裕度量化指标ζ₁₁、ζ₁₂、…、ζ_MN中最大值为ζ_mn，说明去除风电机组WTmn后剩余风电机组并网系统的稳定性最强，该风电场并网系统中稳定性最薄弱的环节为风电机组WTmn。

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