CN114784802A - 基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法。基于频域稳定性理论，构建出针对测量风力发电机并网系统频域阻抗模型的量测系统，用于定量评估风机的次同步振荡稳定性。首先，建立风电系统频率扫描的自动谐波注入的模型，该谐波注入系统适用于“黑箱”模型；然后，建立风电并网系统的稳定性分析模型，根据风电场侧和电网侧的频域阻抗模型判定风电并网系统的稳定。最后，通过对典型的双馈风电场并网系统进行仿真，验证提出的针对测量风力发电机并网系统频域阻抗模型的量测系统的准确性，同时利用该谐波注入系统实现对风电并网系统进行次同步振荡稳定性分析。

Description

基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种针对风力发电机并网系统次同步振荡风险定量评估策略。

背景技术

电力系统正朝着高比例新能源以及高比例电力电子设备趋势发展,风电作为新能源中的重要组成部分,使得电力系统的动态特性和运行方式发生重大改变。电力电子设备与电网间的动态交互作用会引起次同步振荡，为电力系统的稳定运行带来巨大的挑战。国内外都曾发生风电并网所引发次同步振荡的事故，如中国河北沽源地区，中国新疆哈密地区，美国德州风电场等，造成风机脱网。研究表明，风电场并网引发的次同步振荡与电力电子设备的控制模式与参数密切相关，通常称为次同步控制相互作用(subsynchronouscontrol interaction，SSCI)。风电场并网前对次同步振荡风险进行评估，对提高大规模风电并网系统的稳定运行和避免风电场接入电网后引发次同步振荡具有重要研究意义。

关于风电并网系统次同步振荡的分析已取得一定进展，分析方法主要有时域仿真法、特征值分析法、阻抗分析法、频率扫描法、复转矩系数法等。频率扫描法是在特定频率下，通过量测系统各元件的次暂态等值阻抗，进而建立从风电并网点看进去的风电机组的等效阻抗特性，同时也得到系统等值阻抗随频率变化的曲线。结合两者的阻抗特性曲线，采用奈奎斯特稳定判据判断风电并网系统的稳定性，进行评估风电系统次同步振荡的风险。

然而，如何建立一个适用于多种风电机组的自动谐波注入系统仍是一个尚未解决的问题，有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对“黑箱”类型的风电系统的自动谐波注入的频域阻抗量测系统，基于频域稳定分析理论，对风力发电机并网系统次同步振荡稳定性进行定量评估。基于所构建的自动谐波注入系统，构建出适用于多种风力发电机的频域阻抗模型，实现对风机次同步振荡风险的定量评估。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种针对多种风力发电机并网系统的次同步振荡定量评估方法，包括：

建立含风电并网的电力系统模型，并对风电并网系统次同步振荡进行仿真分析。首先，使用电磁仿真方法对风电并网系统进行仿真，为简化计算，暂时不考虑SVG与发电机组的作用。其中双馈风机为详细模型，该模型考虑了双馈风机的空气动力学模型、传动链模型、感应发电模型和变流器双环控制模型。

建立风电系统频率扫描的自动谐波注入的模型，即自动谐波电流注入的阻抗扫描系统和自动谐波电压注入的阻抗扫描系统。

自动谐波电流注入的阻抗扫描系统，通过在风电机组并网点注入某一频率且幅值较小的电流扰动信号△i，，该信号能够基于系统的实际电流动态调整电流注入的幅值并且该信号频率可以自定义变化，扰动信号会在风电并网点PCC激发出对应频率的电压信号△u。

自动谐波电压注入的阻抗扫描系统，通过在风电机组并网点串联接入某一频率且幅值较小的电压扰动信号△u，该信号能够基于系统的实际电压动态调整电压信号的幅值并且该信号频率可以自定义变化，扰动信号会在风电侧并网侧激发出对应频率的电流信号△i。

由风电场并网点提取测量电压、电流数据u、i，基于离散傅里叶变换 (DiscreteFourier transform DFT)，提取相应频率的电压、电流数据。在其他频率下,工频电压可以认为其幅值为零。因此计算谐波阻抗在其他频率的分量时,可以将电源U_g(f)看为短接。此时将谐波电流源的电流注入系统,激发谐波电压。经过对谐波注入点的电压电流波形进行傅里叶变换,得到该频率的电压、电流数据 U(f)、I(f)。由式(2)计算得到谐波阻抗。

Z(f)＝U(f)/I(f) (1)

建立风电并网系统的稳定性分析模型，根据风电场侧和电网侧的频域阻抗模型判定风电并网系统的稳定。

风电场侧由理想电流源I_i与风电场等效阻抗Z_f并联表征,电网侧模型由系统等效电压源U_g与网侧等效阻抗Z_g串联表征。可得等效电路的电压关系表达式(2) 为：

(I(s)-I_i(s))Z_f(s)+I(s)Z_g(s)＝-U_g(s) (2)

式中s为复变量。

由上式可推导得风电场母线电流I(s)为：

阻抗分析法的使用前提是两侧子系统单独运行时是稳定的，在此基础上进一步关注系统互联后的稳定性问题。网侧与风电场侧系统在单独运行时都是稳定的，I_i(s)、U_g(s)以及Z_f(s)将不包含位于复平面右半的极点，式中左侧括号内的表达式是稳定的。将式中的右侧分式记为G(s)，互联系统的稳定性将取决于G(s)，可通过判断G(s)的稳定性来判断互联系统的稳定性,即判断该系统的次同步振荡风险：

传递函数为G(s)的等效控制系统，其负反馈増益为阻抗比为GH(s)。

根据自动控制原理相关知识可知，当阻抗比GH(s)满足Nyquist稳定判据，系统是稳定的。Nyquist判据的优点是对于难以求出系统闭环极点的非解耦复杂系统，可以通过Nyquist曲线判断系统的稳定性。同时可以画出风机侧阻抗与电网侧阻抗的Bode图。当风机侧阻抗幅值与电网侧相交，且相角接近180°时，此时 GH(s)接近-1，G(s)趋向于0，此时I(s)趋向于无穷大，导致电力系统次同步振荡。

为了进一步实现对系统振荡风险量化评估，采用频域阻抗模型的分析方法。即在振荡点附近，将系统等效为RLC电路，利用等效电路的振荡阻尼σ_SSO和谐振频率ω_SSO对振荡风险量化评估，其计算公式如式(6)和式(7)。当谐振点对应等效电阻为负值，系统存在振荡风险，且谐振阻尼σ的绝对值越大，振荡风险的影响越大。谐振点对应等效电阻为正值，系统是稳定状态。

σ_SSO＝Re[Z_zong(jω_SSO)]/2L_zong (7)

ω_SSO为电抗过零点时的角频率；Z_zong为风电并网系统的总阻抗；C_zong与L_zong分别为等效二阶RLC电路的的电容值与电感值。

通过自动谐波注入系统，提取不同频率下的风电场侧和电网侧的频域阻抗模型，通过Nyquist判据，进行风电并网系统的稳定性分析，可以实现对不同风电机组的次同步振荡风险评估。

提出基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法

(1)搭建风电系统电磁模型，提取系统正常运行时的电压、电流信号。

(2)基于正常时的电压、电流幅值确定自动谐波注入的电压、电流幅值。

(3)自动谐波注入系统运行，提取不同谐波注入频率下的电压、电流时域信息。

(4)利用傅里叶变换提取风电侧和系统侧的电压、电流频域信息。

(5)计算风电侧频域阻抗模型以及系统侧频域阻抗模型。

(4)利用Nyquist判据，进行风电并网系统的稳定性分析，判断风电机组的次同步振荡风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。

图1为本发明基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法流程示意图；

图2为本发明实施例1的风电并网系统和自动谐波注入系统结构图；

图3为本发明实施例1的自动谐波注入系统模块图；

图4为本发明实施例1的自动谐波注入系统输出不同频率的曲线图。

图5为本发明实施例1的基于自动谐波注入所计算得到的风电场阻频特性曲线与手动扫频的风电场阻频特性曲线的对比图。

图6为本发明实施例1的风电场并网的系统等效电路图；

图7为本发明实施例1的风电并网系统的阻频特性曲线图；

图8为本发明实施例1的风电并网系统的总阻抗特性曲线图；

图9为本发明实施例1的风电并网系统转子侧控制器电流控制参数Kp2发生变化时的时域仿真图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法流程示意图。如图1所示，包括以下步骤：

步骤100：搭建风电并网系统的电磁仿真模型与自动谐波注入系统。首先，使用电磁仿真方法对风电并网系统进行仿真，为简化计算，暂时不考虑SVG与发电机组的作用。其中双馈风机为详细模型，该模型考虑了双馈风机的空气动力学模型、传动链模型、感应发电模型和变流器双环控制模型。也搭建了自动谐波注入系统，能够根据系统的电压电流幅值来选择合适的注入信号，在不影响原系统稳定状态下得到风电并网系统的阻频特性曲线。

步骤200：提取风机侧与电网侧不同谐波注入频率下的电压、电流时域信息。通过编程将风机侧与电网侧含有不同谐波注入的电压电流数据导出并保存。

步骤300：利用傅里叶变换得到风电侧和系统侧的电压、电流频域信息。对于电压、电流信号x(t)以时间ΔT为步长得到N个点形成N点序列x(n)。在以原点为圆心半径为1的圆上逆时针同样采样N点，称为旋转因子，记为ω_N ^k：

对时域信号x(t)进行离散傅里叶变换的系数X(k)为：

其中f_s为采样频率，通过对电压、电流信号进行傅里叶变换，由电压、电流的时域信号得到了频域下不同频率注入的幅值以及相角。

步骤400：得到不同频率下的电压、电流数据U(f)、I(f)。由根据可以得到风电场与电网的频域阻抗特性曲线。

步骤500：改变风电机组工况与电网阻抗，得到不同工况下的风电并网系统的阻频特性曲线。在该风电系统下，本发明实例1通过更改转子侧控制器RSC 电流外环控制系数Kp2，得到不同工况下的风电机组的正序阻抗特性曲线。

步骤600：利用Nyquist判据进行风电并网系统的稳定性分析，对风电系统进行次同步振荡风险评估。

当风机侧阻抗幅值与电网侧相交，且相角接近180°时，此时GH(s)接近-1， G(s)趋向于0，此时I(s)趋向于无穷大，导致电力系统次同步振荡。

本发明采用实施例1，验证本方法的效果：

图2为本发明实施例1的风电并网系统和自动谐波注入系统结构图，是一个双馈异步风力发电机-无穷大母线系统，同时还包括自动谐波注入系统以及信号采样系统。

图3为本发明的自动谐波注入系统模块图，该模块可以生成不同的频率、幅值谐波电流与电压，自定义不同的步长、根据风电系统自动选择合适的注入信号幅值、自定义起始频率、结束频率与频率间隔。

图4展示的是运用自动谐波注入系统所输出的波形，自动计算所需要注入谐波信号的幅值为10A，频率开始为2Hz，间隔频率为2Hz注入持续时间为2s，开始注入时间为1s。

图5展示的是运用自动谐波注入系统所输出的双馈风电机组的正序阻抗特性曲线与手动注入不同频率的谐波所得到的阻抗特性曲线对比图。自动谐波注入系统能够更加迅速地注入不同频率的信号。

图6为本发明的双馈风电场并网的系统等效电路图。经过推导得到风电场输出母线电流I(s)表达式为式(4)，以及稳定性判别公式(5)。

若风机侧阻抗幅值与电网侧相交，且相角接近180°，此时GH(s)接近-1，G(s) 趋向于0，此时I(s)趋向于无穷大，系统不稳定，将导致电力系统次同步振荡。

图7为本发明的双馈风电场并网系统改变控制参数K_p2后，经过阻抗辨识，得到不同工况下的阻频特性曲线。当RSC的电流外环控制系数K_p2增大时，在次同步频段(10-40Hz)和超同步频段(70-90Hz)范围内，风机阻抗幅值是增大的。风机与电网阻抗幅值的交截频率在25Hz左右，同时相角相差接近180°。由式(5)，依据奈奎斯特判据判别稳定，发现此频率下的幅值相等，相角差180°， GH非常接近-1，系统有不稳定振荡的风险。同时发现当K_p2提高时，系统的次同步振荡频率会降低。

图8为本发明经过计算整个系统的总阻抗特性图，其电阻和电抗在频域下的特性如图8所示，其中Z＝Z_dfig+Z_g。在K_p2＝0.4的情况下，电抗过零点时电阻为正，此时谐振频率下的阻尼为正，表现出稳定的衰减振荡；相反，在K_p2为0.8 和1.2的情况下，表现出不稳定的发散振荡。

图9为本发明双馈风电场并网系统改变控制参数Kp2后对应的时域仿真图。通过该时域仿真验证了，在K_p2为0.8和1.2的情况下，该风电系统表现出不稳定的发散振荡，产生了电力系统次同步振荡。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法，其特征在于，包括：

风电系统的商业化导致不知道其内部结构，构建一种针对“黑箱”类型的风电系统的自动谐波注入的频域阻抗量测系统。

利用所提出的频域阻抗量测系统，提取不同谐波注入频率下风电系统的电压、电流时域信息，建立风电并网系统的频域阻抗模型。

对风电并网系统分成两个子系统，建立两个子系统的阻抗模型，推导出适用于判断风电并网系统的次同步振荡稳定的模型。

利用RLC二阶电路拟合，将风电并网系统的各类频域阻抗为二阶RLC电路，推导出对风电并网系统的次同步振荡稳定性量化评估公式。

2.根据权利要求1所述的基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法，其特征在于，建立风电系统频率扫描的自动谐波注入的模型，即自动谐波电流注入的阻抗扫描系统和自动谐波电压注入的阻抗扫描系统。自动谐波电流注入的阻抗扫描系统，通过在风电机组并网点注入某一频率且幅值较小的电流扰动信号△i，，该信号能够基于系统的实际电流动态调整电流注入的幅值并且该信号频率可以自定义变化，扰动信号会在风电并网点PCC激发出对应频率的电压信号△u；自动谐波电压注入系统同理。

3.根据权利要求1所述的基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法，其特征在于，由风电场并网点提取测量电压、电流数据u、i，基于离散傅里叶变换，提取相应频率的电压、电流数据。在其他频率下,工频电压可以认为其幅值为零。因此计算谐波阻抗在其他频率的分量时,可以将电源U_g(f)看为短接。此时将谐波电流源的电流注入系统,激发谐波电压。经过对谐波注入点的电压电流波形进行傅里叶变换,得到该频率的电压、电流数据U(f)、I(f)。由下式计算得到谐波阻抗Z_wind。

其中Z_wind(f)为风电的频域阻抗；U_wind(f)、I_wind(f)分别为谐波注入时的风电侧的电压、电流频域信息；U_w-nom(f)、I_w-nom(f)分别为正常运行时的风电侧的电压、电流频域信息；Z_grid(f)为电网侧的频域阻抗；U_grid(f)、I_grid(f)分别为谐波注入时的电侧的电压、电流频域信息；U_g-nom(f)、I_g-nom(f)分别为正常运行时的风电侧的电压、电流频域信息。

4.根据权利要求1所述的基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法，其特征在于，对风电并网系统分成两个子系统，建立两个子系统的阻抗模型，推导出适用于判断风电并网系统的次同步振荡稳定的模型。

风电场侧由理想电流源I_i与风电场等效阻抗Z _f并联表征,电网侧模型由系统等效电压源U_g与网侧等效阻抗Z _g串联表征。可得等效电路的电压关系表达式与风电场母线电流I(s),最终推到得到判断风电并网的次同步振荡稳定性的公式。将式中的右侧分式记为G(s)为(I(s)-I_i(s))Z_f(s)+I(s)Z_g(s)＝-U_g(s)

5.根据权利要求1所述的基于自动谐波注入的风电并网系统次同步振荡评估方法，其特征在于，利用势能边界面法确定系统临界能量值，通过寻找故障轨迹首摆过程中，势能的最大值即为系统的临界能量值。

6.根据权利要求1所述的基于能量函数的风电并网系统暂态稳定评估方法，其特征在于，利用RLC二阶电路拟合，将风电并网系统的各类频域阻抗为二阶RLC电路，当风电并网系统总电抗过零点时，即在ω_SSO的微小邻域内，系统的总电阻等效为R_zong，推导出对风电并网系统的次同步振荡稳定性量化评估公式为

σ_SSO＝Re[Z_zong(jω_SSO)]/2L_zong

ω_SSO为电抗过零点时的角频率；Z_zong为风电并网系统的总阻抗；C_zong与L_zong分别为等效二阶RLC电路的的电容值与电感值。

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