CN115000982A - 一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法 - Google Patents

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邹子骁
陈曦
任必兴
李强
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Abstract

本发明公开了电力系统次同步振荡分析研究领域的一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，包括：首先将双馈风电并网系统划分为双馈风机子系统和输电线路子系统；其次获取双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程；然后分析获取的双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程，确定次同步模态能量平衡方程中各项的性质；最后根据能量项性质确定双馈风电并网系统引发次同步振荡可能的诱因。本方法能够从能量角度为双馈风电并网系统的次同步振荡问题提供机理解释，为双馈风电并网系统的次同步振荡的溯源定位提供理论支撑，可以为大规模风电场复杂场景、多工况的次同步振荡诱因判定提供支撑。

Description

一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法
技术领域
本发明涉及电力系统次同步振荡分析研究领域，具体涉及一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法。
背景技术
风电并网规模日益扩大，由双馈风机经串补并网引起的次同步振荡现象也日渐频繁。美国德州双馈风电场、我国华北沽源双馈风电场、英国Hornsea海上风电场均发生过次同步振荡事故并引发严重后果，对风电场和整个系统的安全稳定运行造成恶劣影响。
目前对风电场经串补送出系统中发生的次同步振荡事故已形成基本共识，认为风电控制系统与串联补偿电容器之间的交互作用是引发振荡的根本原因。然而新疆哈密风电集群在电网不存在串补线路的情况下也多次激发了次同步振荡，电流中出现高幅值的27～33Hz及其互补频率67～73Hz分量，这是国内外首次报道的由于次同振荡分量在多级电网中传播而引起的电网功率振荡事件，其振荡频率和振幅时变且多类型电力电子设备广泛参与。
目前，次同步振荡的传统研究方法以特征值分析法、阻抗法为主，但此类方法仅适用于采用等值风电场对某个运行点或某几个独立平衡点下的系统特性进行分析，难以为大规模风电场复杂场景、多工况的次同步振荡诱因判定提供支撑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，包括：
首先将双馈风电并网系统划分为双馈风机子系统和输电线路子系统；
其次获取双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程；
然后分析获取的双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程，确定次同步模态能量平衡方程中各项的性质；
最后根据能量项性质确定双馈风电并网系统引发次同步振荡可能的诱因。
优选地，所述双馈风机子系统的次同步模态能量平衡方程计算方式如下：
先定义存储在双馈风机中的次同步模态能量，如式(1)所示：
Figure BDA0003740778470000021
式中，
Δx1＝[Δψds Δψqs Δψdr Δψqr JΔωr LgΔidg LgΔiqg CΔudc]T
Figure BDA0003740778470000022
然后得出双馈风机子系统存储的次同步模态能量的变化率，如式(2)所示：
Figure BDA0003740778470000031
将端口变量Δid,Δiq,Δuds,Δuqs由dq坐标系变换到xy坐标系，如式(3)所示：
Figure BDA0003740778470000032
优选地，所述双馈风机子系统的次同步模态能量平衡方程通过如下方式得到：
将式(3)代入式(2)并对两边由0-t时刻积分，如式(4)所示：
W1port＝W1SSO+W1diss+W1gen+W1conv+W1PE (4)
式中，
Figure BDA0003740778470000041
优选地，所述输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程计算方式如下：
先定义输电线路子系统存储的次同步模态能量，如式(5)所示：
Figure BDA0003740778470000042
式中，
Figure BDA0003740778470000043
Figure BDA0003740778470000044
然后得出输电线路子系统存储的次同步模态能量的变化率，如式(6)所示：
Figure BDA0003740778470000045
最后求得含串联补偿电容送出线路子系统次同步模态能量平衡方程，如式(7)所示：
W2port＝W2port1+W2port2＝W2SSO+W2diss (7)
式中，
Figure BDA0003740778470000051
优选地，分析所述双馈风机子系统的次同步模态能量平衡方程各能量项的性质：
式(4)中W1port为外部系统流入双馈风机子系统的端口次同步模态能量，转化为五种能量：W1SSO,W1PE,W1gen,W1conv,W1diss。
优选地，分析所述输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程各能量项的性质：
式(7)中W2port为外部系统流入送出线路子系统的总端口次同步模态能量，转化为两种能量：W2SSO和W2diss。
优选地，所述根据能量项性质确定双馈风电并网系统引发次同步振荡可能的诱因如下：
对于双馈风机子系统，感应电机、锁相环、换流器是引发振荡的诱因。
对于输电线路子系统，不存在引发振荡的诱因。
本发明的有益效果：
1、本发明次同步振荡诱因判定方法能够从能量角度为双馈风电并网系统的次同步振荡问题提供机理解释，为双馈风电并网系统的次同步振荡的溯源定位提供理论支撑，可以为大规模风电场复杂场景、多工况的次同步振荡诱因判定提供支撑。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明次同步振荡诱因判定方法流程图；
图2是本发明所采用的双馈风电并网系统结构示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明提供一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，首先将双馈风电并网系统划分为双馈风机子系统和输电线路子系统，通过计算获取双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程，然后分析双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程，确定次同步模态能量平衡方程中各项的性质，最后根据能量项性质确定双馈风电并网系统引发次同步振荡可能的诱因。
图2为双馈风电并网系统结构示意图，该系统可以划分为双馈风机子系统和输电线路子系统；
其中，id和iq表示机侧加网侧输出总电流的dq轴分量，ids,iqs,idr,iqr分别为双馈风机定子电流与转子电流的dq轴分量，idg,iqg分别为双馈风机网侧电流的dq轴分量，XC为串联补偿电容的容抗，XT为变压器的等效电抗，RL为线路电阻，XL为线路电抗。
本发明包括以下步骤：
步骤一：将双馈风电并网系统划分为双馈风机子系统和输电线路子系统；
步骤二：获取双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程；
定义存储在双馈风机中的次同步模态能量如式(1)所示，指同一个模态的两个分量相乘得到的能量：
Figure BDA0003740778470000071
其中，
Δx1＝[Δψds Δψqs Δψdr Δψqr JΔωr LgΔidg LgΔiqg CΔudc]T
Figure BDA0003740778470000072
idg,iqg分别为双馈风机网侧电流的dq轴分量，ψds,ψqs，ψdr，ψqr分别为双馈风机定子磁链与转子磁链的dq轴分量。ωr为同步磁场角速度与双馈风机转子旋转角速度标幺值，J表示双馈风机轴系的惯量。C为直流侧电容，udc为直流电容电压。Ls,Lr分别为dq坐标系中定子等效两相绕组自感、dq坐标系中转子等效两相绕组自感，Lm为dq坐标系定转子同轴等效绕组间的互感，Lg为网侧换流器线路电感。Δ表示对应变量的次同步分量。
进而可求得双馈风机子系统存储的次同步模态能量的变化率为：
Figure BDA0003740778470000081
uds,uqs分别为双馈风机定子电压的dq轴分量，ids,iqs,idr,iqr分别为双馈风机定子电流与转子电流的dq轴分量，id和iq表示机侧加网侧输出总电流dq轴分量。D为双馈风机转子的阻尼，Rs,Rr,Rg分别为双馈风机的定子电阻、双馈风机的转子电阻和网侧换流器线路电阻。sdg,sdg分别为双馈风机网侧换流器调制信号的dq轴分量，sdr,sqr分别为双馈风机机侧换流器调制信号的dq轴分量。
为了反映外部网络在次同步振荡时对双馈风机的影响，将端口变量Δid,Δiq,Δuds,Δuqs由dq坐标系变换到xy坐标系，可得：
Figure BDA0003740778470000082
其中，Δuxs,Δuys分别为双馈风机定子电压的xy轴次同步分量，Δix,Δiy分别为双馈风机机侧加网侧输出总电流的xy轴次同步分量，Δδ为双馈风机锁相角的次同步分量。
将式(4)代入式(3)并对两边由0-t时刻积分，即可得到双馈风机子系统的次同步模态能量平衡方程：
W1port＝W1SSO+W1diss+W1gen+W1conv+W1PE (5)
其中，
Figure BDA0003740778470000091
定义输电线路子系统存储的次同步模态能量如式(6)所示：
Figure BDA0003740778470000092
其中，
Figure BDA0003740778470000093
Figure BDA0003740778470000094
ucx,ucy分别为串联补偿电容电压的xy轴分量，ix,iy分别为线路电流的xy轴分量。XC为串联补偿电容的容抗，XT为变压器的等效电抗，XL为线路电抗，XΣL＝XT+XL。Δ表示对应变量的次同步分量。
进而可求得输电线路子系统存储的次同步模态能量的变化率，如式(7)所示：
Figure BDA0003740778470000101
其中，EBx,EBy分别为无穷大电网母线电压的xy轴分量，uxs,uys分别为风机定子电压的xy轴分量，RL为线路电阻，Δ表示对应变量的次同步分量。
进一步可得到含串联补偿电容送出线路子系统次同步模态能量平衡方程如下：
W2port＝W2port1+W2port2＝W2SSO+W2diss (8)
其中，
Figure BDA0003740778470000102
步骤三：分析双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程，确定次同步模态能量平衡方程中各项的性质；
对于式(5)所示的双馈风机子系统次同步模态能量平衡方程，W1port为外部系统流入双馈风机子系统的端口次同步模态能量，可转化为五种能量：W1SSO为双馈风机子系统中的次同步模态能量，是一个保守项(与积分路径无关)；W1PE,W1gen,W1conv,W1diss分别为双馈风机子系统的次同步模态能量势能的变化、感应发电机的次同步模态能量、换流器系统的次同步模态能量和双馈风机电阻和轴系阻尼耗散的次同步模态能量，这四种能量是非保守项，其中W1diss始终为正。
对式(8)所示的输电线路子系统次同步模态能量平衡方程，W2port为外部系统流入送出线路子系统的总端口次同步模态能量，可转化为两种能量：W2SSO为存储在送出线路子系统中的次同步模态能量，是一个保守项；W2diss为线路电阻耗散的次同步模态能量，是始终为正的非保守项。
步骤四：根据能量项性质确定双馈风电并网系统引发次同步振荡可能的诱因；
对于双馈风机子系统，由于W1PE,W1gen,W1conv均可正可负，当它们为正时提供正阻尼，为负则提供负阻尼。因此可以认为感应电机、锁相环、换流器是引发振荡的诱因。
对于输电线路子系统，由于W2SSO是一个保守项，且W2diss是始终为正的非保守项，因此不存在引发振荡的可能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，其特征在于，包括：
首先将双馈风电并网系统划分为双馈风机子系统和输电线路子系统；
其次获取双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程；
然后分析获取的双馈风机子系统和输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程，确定次同步模态能量平衡方程中各项的性质；
最后根据能量项性质确定双馈风电并网系统引发次同步振荡可能的诱因。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，其特征在于，存储在双馈风机中的次同步模态能量，如式(1)所示：
Figure FDA0003740778460000011
式中，
Δx1＝[ΔψdsΔψqsΔψdrΔψqr JΔωr LgΔidg LgΔiqg CΔudc]T
Figure FDA0003740778460000012
双馈风机子系统存储的次同步模态能量的变化率，如式(2)所示：
Figure FDA0003740778460000013
将端口变量Δid,Δiq,Δuds,Δuqs由dq坐标系变换到xy坐标系，如式(3)所示：
Figure FDA0003740778460000021
3.根据权利要求2所述的一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，其特征在于，所述双馈风机子系统的次同步模态能量平衡方程如式(4)所示：
W1port＝W1SSO+W1diss+W1gen+W1conv+W1PE (4)
式中，
Figure FDA0003740778460000022
4.根据权利要求1所述的一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，其特征在于，所述输电线路子系统的次同步模态能量平衡方程计算方式如下：
先定义输电线路子系统存储的次同步模态能量，如式(5)所示：
Figure FDA0003740778460000031
式中，
Figure FDA0003740778460000032
Figure FDA0003740778460000033
然后得出输电线路子系统存储的次同步模态能量的变化率，如式(6)所示：
Figure FDA0003740778460000034
最后得出含串联补偿电容送出线路子系统次同步模态能量平衡方程，如式(7)所示：
W2port＝W2port1+W2port2＝W2SSO+W2diss (7)
式中，
Figure FDA0003740778460000035
5.根据权利要求3所述的一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，其特征在于，所述式(4)中W1port为外部系统流入双馈风机子系统的端口次同步模态能量，转化为五种能量：W1SSO,W1PE,W1gen,W1conv,W1diss。
6.根据权利要求4所述的一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，其特征在于，所述式(7)中W2port为外部系统流入送出线路子系统的总端口次同步模态能量，转化为两种能量：W2SSO和W2diss。
7.根据权利要求1所述的一种双馈风电并网系统次同步振荡诱因判定方法，其特征在于，所述根据能量项性质确定双馈风电并网系统引发次同步振荡的诱因如下：
对于双馈风机子系统，感应电机、锁相环、换流器是引发振荡的诱因。
对于输电线路子系统，不存在引发振荡的诱因。
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