CN116169690A - 一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法 - Google Patents

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CN116169690A CN202211580343.0A CN202211580343A CN116169690A CN 116169690 A CN116169690 A CN 116169690A CN 202211580343 A CN202211580343 A CN 202211580343A CN 116169690 A CN116169690 A CN 116169690A
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Abstract

本发明公开了一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，旨在解决现有技术中对大规模风电接入电力系统次同步振荡稳控抑制策略机理不明晰的技术问题。基于离线机电数据，依据电网侧拓扑获得大规模风电接入电网侧阻抗；稳控装置检测到线路中次同步振荡功率分量达到设定阈值时，在线测量风电场实时阻抗；依据实际系统拓扑结构，计算当前系统总阻抗，再分别计算切除1至m条支路后的系统总阻抗实部，直至总阻抗实部大于0；基于实际电网生产运行要求及专家经验，稳控装置切除代价最小的m个风电场，即可抑制系统次同步振荡。本发明基于阻抗法原理，得到大规模风电场接入电力系统次同步振荡稳控抑制策略，该策略机理清晰，可实施性强。

Description

一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法
技术领域
本发明涉及一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，属于电网安全稳定技术领域。
背景技术
随着我国“双碳”目标和“构建以新能源为主体的新型电力系统”战略的提出，风能、光伏等新能源的渗透率还将急剧攀升，电力系统的稳定机理将发生本质改变，宽频振荡问题将愈发突出，其中，次同步振荡已引发国内外多起风电场并网振荡事故，严重威胁电网的安全稳定运行，极大影响了新能源消纳。
次同步振荡具有多源、多形态、频率时变和广域传播等复杂特征，目前主要有2种抑制方式，一种是在风场内加装FACTS装置或者通过在风机上附加阻尼控制来抑制振荡，另一种是从电力系统“三道防线”的角度，采用电网安全稳定控制系统(也称为“宽频振荡监测系统”或“次同步振荡监测系统”，后文统一简称“稳控系统”)切除振荡的风电场馈线，防止次同步振荡扩散或持续。在新能源场站内增加装置或新能源机组自身附加控制的措施，其主要不足是只能抑制特定频带的振荡，对所接入电网变化下的适应性可能存在不足，且需要对场站或风机进行大量改造。而采用稳控系统进行抑制，目前实际工程中采用基于振荡分量幅值法整定控制策略，认为馈线振荡相对幅值越大，切除相应支路对振荡抑制越明显，但是缺乏相应机理支撑，仿真分析表明，切除部分振荡支路后不仅无法改善振荡，甚至还可能加剧振荡，亟需提出一种机理明确的稳控抑制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，以解决现有技术中针对大规模风电接入电力系统中次同步振荡稳控抑制机理不明晰的问题。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
第一方面，提供一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，包括：
获取通过布置在各风电场馈线上的稳控装置测量的有功功率，经快速傅立叶分析，计算得到次同步振荡有功功率分量；
响应于次同步振荡有功功率分量大于次同步振荡有功功率分量设定阈值，各稳控子站开始测量各风电场馈线电压和电流，提取次同步振荡频率下电压和电流分量；
基于次同步振荡频率下电压和电流分量值，计算各风电场次同步振荡频率下阻抗；
响应于风电场次同步振荡频率下阻抗实部为负，判断所述风电场为次同步振荡源，纳入稳控系统“切机”对象；
基于获取离线计算得到的电网侧阻抗和预构建的系统总阻抗计算模型，设置从稳控系统“切机”对象中切除m个风电场后系统总阻抗实部大于零的约束条件，求解得到根据预设规则切除代价最小的m个风电场支路，其中m为正整数；
发出指令从稳控系统“切机”对象中切除所述m个风电场支路。
在一些实施例中，所述电网侧阻抗包括电网侧所有参与次同步振荡的电路拓扑。
进一步地，所述电网侧阻抗的获取方法包括：
基于电网机电数据，获得大规模风电接入系统电网侧拓扑结构及元件参数，离线计算电网侧阻抗。
进一步地，在一些实施例中，所述电网侧阻抗的获取方法包括：
设发生次同步振荡的系统中风电场集群经过多条长距离线路分别接入电网1、电网2、……、电网j、……、电网t；
第j条长线路阻抗为ZLj＝RLj+jXLj，其中RLj、jXLj分别为第j条线路的电阻、感抗；
电网j的阻抗为Zgj＝Rgj+jXgj；其中Rgj、jXgj分别为电网j的电阻、感抗；
电网侧阻抗为：
ZL＝(ZL1+Zg1)//...//(ZLj+Zgj)//...//(ZLt+Zgt)。
在一些实施例中，所述次同步振荡有功功率分量设定阈值与保护定值有关，根据实际电网情况设定。
在一些实施例中，判断所述风电场为次同步振荡源，包括：
所述次同步振荡源是指引发次同步振荡的风电场，基于次同步振荡频率下阻抗来判断的，若阻抗实部为负，则为次同步振荡源，若为正，则为次同步振荡汇。
在一些实施例中，所述系统总阻抗计算模型包括：
Figure BDA0003990487070000031
式中，Zsysmk、ZWmk分别表示切除m个风电场的第k种切除组合的系统总阻抗和风电场总阻抗，ZL表示电网侧阻抗；n表示稳控系统“切机”对象中风电场的个数，从稳控系统“切机”对象中切除m个风电场的方法总共有Cn m种。
进一步地，在一些实施例中，切除m个风电场的第k种切除组合的风电场总阻抗ZWmk为切除m个风电场后系统中剩下各风电场次同步振荡频率下阻抗之和。
第二方面，本发明提供了一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
第三方面，本发明提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
(1)本发明采用的次同步振荡稳控抑制方法，通过离线计算电网侧阻抗和实时在线测量风电场阻抗，然后依据电路拓扑计算系统总阻抗，最后计算切除风电场馈线后的系统总阻抗，通过系统总阻抗实部正负来判定次同步振荡抑制效果，该方法物理含义明确，所采用的的稳控系统架构成熟，工程上具有很强的可实施性；
(2)本发明基于稳控系统实测电气量计算出来的风电场实时阻抗，不仅能用于稳控抑制控制，还可以用于判断次同步振荡能量流向，能有效用于次同步振荡监测预警和路径识别。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中次同步振荡稳控系统架构；
图3是本发明实施例中大规模风电接入电力系统示意图；
图4是本发明实施例中风电集群经多回长线路接入不同电网示意图；
图5是本发明实施例中次同步振荡频率下风电场阻抗在线实时测量方法。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，包括：
获取通过布置在各风电场馈线上的稳控装置测量的有功功率，经快速傅立叶分析，计算得到次同步振荡有功功率分量；
响应于次同步振荡有功功率分量大于次同步振荡有功功率分量设定阈值，各稳控子站开始测量各风电场馈线电压和电流，提取次同步振荡频率下电压和电流分量；
基于次同步振荡频率下电压和电流分量值，计算各风电场次同步振荡频率下阻抗；
响应于风电场次同步振荡频率下阻抗实部为负，判断所述风电场为次同步振荡源，纳入稳控系统“切机”对象；
基于获取离线计算得到的电网侧阻抗和预构建的系统总阻抗计算模型，设置从稳控系统“切机”对象中切除m个风电场后系统总阻抗实部大于零的约束条件，求解得到根据预设规则切除代价最小的m个风电场支路，其中m为正整数；
发出指令从稳控系统“切机”对象中切除所述m个风电场支路。
在一些实施例中，所述电网侧阻抗包括电网侧所有参与次同步振荡的电路拓扑。
进一步地，所述电网侧阻抗的获取方法包括：
基于电网机电数据，获得大规模风电接入系统电网侧拓扑结构及元件参数，离线计算电网侧阻抗。
进一步地，在一些实施例中，所述电网侧阻抗的获取方法包括：
设发生次同步振荡的系统中风电场集群经过多条长距离线路分别接入电网1、电网2、……、电网j、……、电网t；
第j条长线路阻抗为ZLj＝RLj+jXLj，其中RLj、jXLj分别为第j条线路的电阻、感抗；
电网j的阻抗为Zgj＝Rgj+jXgj；其中Rgj、jXgj分别为电网j的电阻、感抗；
电网侧阻抗为：
ZL＝(ZL1+Zg1)//...//(ZLj+Zgj)//...//(ZLt+Zgt)。
在一些实施例中，所述次同步振荡有功功率分量设定阈值与保护定值有关，根据实际电网情况设定。
在一些实施例中，判断所述风电场为次同步振荡源，包括：
所述次同步振荡源是指引发次同步振荡的风电场，基于次同步振荡频率下阻抗来判断的，若阻抗实部为负，则为次同步振荡源，若为正，则为次同步振荡汇。
在一些实施例中，所述系统总阻抗计算模型包括：
Figure BDA0003990487070000061
式中，Zsysmk、ZWmk分别表示切除m个风电场的第k种切除组合的系统总阻抗和风电场总阻抗，ZL表示电网侧阻抗；n表示稳控系统“切机”对象中风电场的个数，从稳控系统“切机”对象中切除m个风电场的方法总共有Cn m种。
进一步地，在一些实施例中，切除m个风电场的第k种切除组合的风电场总阻抗ZWmk为切除m个风电场后系统中剩下各风电场次同步振荡频率下阻抗之和。
本实施例提供一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，以下分别对该方案的整体设计原理、方法流程等进行说明：
在一些具体实施例中，如图1和图2所示，一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，包括：基于电网机电数据，获得所研究大规模风电接入系统电网侧拓扑结构及元件参数，离线计算电网侧阻抗；通过布置在各风电场馈线上的稳控子站实时测量有功功率，经离散快速傅立叶分析，计算得到次同步振荡有功功率分量；当次同步振荡有功功率分量大于设定阈值时，各稳控子站开始测量各风电场馈线电压和电流，提取次同步振荡频率下电压和电流分量；基于次同步振荡频率下电压和电流分量值，计算次同步振荡频率下阻抗，若阻抗实部为负，则判断该风电场为次同步振荡源，需作为稳控系统“切机”对象；依次计算切除1至m个风电场后的系统总阻抗，直至切除m个风电场后系统总阻抗实部大于零，根据实际电网生产要求及专家规则，切除代价最小的m个风电场支路。
(1)基于阻抗法次同步振荡稳控抑制的原理
大规模风电接入电力系统示意图如图3所示，电网侧串补线路简化为由电阻、电感和电容串联组成，频率f时其阻抗记为ZL(f)，风电场阻抗为ZW(f)，则系统总阻抗表示如下：
Figure BDA0003990487070000071
其中RΣ(f)、XΣ(f)为聚合电阻和聚合电抗。对于双馈风电经串补接入大电网的系统，如果发生次同步振荡，那么在次同步振荡频率fs处，满足如下条件：
Figure BDA0003990487070000072
即通过切除若干风电场馈线，使得次同步振荡频率fs下系统总阻抗实部RΣ(fx)＞0，可消除次同步振荡，此为基于阻抗法的次同步振荡稳控装置的动作判据。
(2)电网侧阻抗辨识
对于实际系统来说，电网侧一般由包含源网荷的复杂线路串并联而成，准确辨识电网侧阻抗难度极高。理论上，可以通过测量各节点次同步电压和各支路次同步电流，识别出次同步振荡路径，然后依据识别出的网络拓扑，根据预先获得的线路参数聚合得到。但是，考虑到实际电网中次同步振荡路径及范围的不可预知性，不可能针对每个节点布置测量装置，加之电网侧阻抗受运行方式影响较大，实际电网计算时，不可能获取准确的电网侧阻抗值。
从式(2)和式(3)可知，在其他条件不变的情况下，电网侧阻抗实部越小，系统越容易发生次同步振荡。也就是说，如果电网侧阻抗实部最小的运行工况下的振荡得以抑制，那么其他任何电网工况下的振荡都能能够被抑制。因此，通过求取电网侧阻抗实部最小值，将该值用于基于阻抗法的次同步振荡稳控策略的计算过程中，就可以得到满足任意电网运行方式下的稳控“切机”策略。需要说明的是，通过求取阻抗实部最小值得到的稳控策略具有一定保守性，可能会存在风电场“过切”的情况，但是只要满足一定裕度，工程上是允许的。
风电场集群一般是通过长线路接入电网末端，目前已出现的次同步振荡均是这种场景，为缩小研究范围，我们这里也只考虑这种场景。一般化，假设发生次同步振荡的系统中风电场集群经过多条长距离线路分别接入电网1、电网2、……、电网j、……、电网t，图4所示。
第j条长线路阻抗为ZLj＝RLj+jXLj，其中RLj、jXLj分别为第j条线路的电阻、感抗；
电网j的阻抗为Zgj＝Rgj+jXgj；其中Rgj、jXgj分别为电网j的电阻、感抗；那么电网侧阻抗为：
ZL＝(ZL1+Zg1)//...//(ZLj+Zgj)//...//(ZLt+Zgt) (4)
电网侧阻抗实部为：
RLinetotal(Rg1,Rg1,...,Rgt,Xg1,Xg1,...,Xgt)＝Re(Z) (5)
根据式(5)可知，电网侧阻抗实部最小值就是多元变量函数RLinetotal的最小值，下面介绍求取方法。
如果函数RLinetotal在定义域内二阶连续可导，那么可以求出其所有极小值，所有极小值点中的最小值即为函数RLinetotal的最小值。
首先求取函数RLinetotal对所有Rgi(或Xgi)的偏导，并求取所有驻点，联立2n个方程，如下式。
Figure BDA0003990487070000091
通过这2t个方程可以求得2t个驻点，构成长度为2t的一维向量M，引入Hessian矩阵H(M)：如果H(M)是正定矩阵，则驻点M处是极小值。如果有p个驻点，那么p个极小值中最小的即为最小值。
一般来说，电网i的阻抗实部和虚部均会被限定在某一区域范围内，即Rgj∈[Rgjmin,Rgjmax]且Xgj∈[Xgjmin,Xgjmax](j＝1,2，…,t)，如果函数RLinetotal在闭域区间连续，那么函数RLinetotal在闭域区间上可求得最小值，其最小值可能为区域内极小值，也可能为边界最值，取所有的极小值及边界最值中的最小值，即为函数RLinetotal在闭域区间内的最小值，这样就得到了电网侧阻抗实部的最小值。
(3)风电场阻抗在线测量
基于阻抗法的次同步稳控策略是采用实时阻抗数据进行计算，因此，风电场阻抗的在线测量是另外一个关键技术点。实际系统中，风电场的阻抗跟风场内拓扑结构、风电单元开机数量、控制器参数以及风速均有关，一般采用在线阻抗测试法对风场进行实时测试。但是，风电场阻抗具有频率耦合特性，实际风电场参数又很复杂且难以辨识，阻抗在线测试尚无成熟的实施方法。本专利采用一种风电场馈线支路阻抗测试的工程方法。
对于采用切除风电场来抑制次同步振荡的稳控策略，不需要对风电场馈线支路全频带阻抗进行测试，只需保证切除风电场后谐振频率处的系统总阻抗实部为正，即可抑制次同步振荡。基于此思路，本文采用波动量法的阻抗实时测量方法，如图5所示，通过提取风电场馈线端口次同步振荡时电压和电流分量，采用式(7)计算次同步振荡频率下的阻抗(或导纳)：
Figure BDA0003990487070000101
次同步振荡过程中，风电场的切除可能会引发次同步振荡主导频率变小，考虑到次同步振荡中，各频带振荡分量是以主导频率为中心的正态分布，求取次同步振荡主导频率下阻抗后，进行切除，再通过求取fs-k(其中k为预设的频率偏差量，根据实际电网次同步振荡历史记录统计进行选取)频率下系统阻抗进行校核。
(4)基于阻抗法的次同步振荡稳控抑制策略
假设大规模风电并网电力系统含n个风场，系统发生次同步振荡时，由式(2)可知此时系统总阻抗实部Re(Zsys)＜0。以切除风电场数最少为原则，计算切除m(m≥1)个风电场后的系统总阻抗，总共有Cn m种切除风场的组合，那么第k种切除组合的系统阻抗为：
Figure BDA0003990487070000102
上式中，Zsysmk、ZWmk分别表示切除m个风电场的第k种切除组合的系统总阻抗和风电场总阻抗。如果Cn m种切除风场组合中存在满足Re(Zsysmk)＞0的情况，那么说明存在有效抑制次同步振荡的切除方式。进一步，如果Cn m种切除方式中存在多种切除组合可以抑制次同步振荡，那么需与电网生产人员协商风电场切除优先级。采用这种稳控“切机”方案无需进行多轮动作，仅需按计算结果进行一轮“切机”即可消除振荡。基于阻抗法的稳控抑制策略流程图如图1所示。
实施例2
第二方面，本实施例提供了一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制装置，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1所述方法的步骤。
实施例3
第三方面，本实施例提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1所述方法的步骤。
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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，包括：
获取通过布置在各风电场馈线上的稳控装置测量的有功功率，经快速傅立叶分析，计算得到次同步振荡有功功率分量；
响应于次同步振荡有功功率分量大于次同步振荡有功功率分量设定阈值，各稳控子站开始测量各风电场馈线电压和电流，提取次同步振荡频率下电压和电流分量；
基于次同步振荡频率下电压和电流分量值，计算各风电场次同步振荡频率下阻抗；
响应于风电场次同步振荡频率下阻抗实部为负，判断所述风电场为次同步振荡源，纳入稳控系统“切机”对象；
基于获取离线计算得到的电网侧阻抗和预构建的系统总阻抗计算模型，设置从稳控系统“切机”对象中切除m个风电场后系统总阻抗实部大于零的约束条件，求解得到根据预设规则切除代价最小的m个风电场支路，其中m为正整数；
发出指令从稳控系统“切机”对象中切除所述m个风电场支路。
2.根据权利要求1所述的基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，所述电网侧阻抗包括电网侧所有参与次同步振荡的电路拓扑。
3.根据权利要求1所述的基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，所述电网侧阻抗的获取方法包括：
基于电网机电数据，获得大规模风电接入系统电网侧拓扑结构及元件参数，离线计算电网侧阻抗。
4.根据权利要求1或3所述的基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，所述电网侧阻抗的获取方法包括：
设发生次同步振荡的系统中风电场集群经过多条长距离线路分别接入电网1、电网2、……、电网j、……、电网t；
第j条长线路阻抗为ZLj＝RLj+jXLj，其中RLj、jXLj分别为第j条线路的电阻、感抗；
电网j的阻抗为Zgj＝Rgj+jXgj；其中Rgj、jXgj分别为电网j的电阻、感抗；
电网侧阻抗为：
ZL＝(ZL1+Zg1)//...//(ZLj+Zgj)//...//(ZLt+Zgt)。
5.根据权利要求1所述的基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，所述次同步振荡有功功率分量设定阈值与保护定值有关，根据实际电网情况设定。
6.根据权利要求1所述的基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，判断所述风电场为次同步振荡源，包括：
所述次同步振荡源是指引发次同步振荡的风电场，基于次同步振荡频率下阻抗来判断的，若阻抗实部为负，则为次同步振荡源，若为正，则为次同步振荡汇。
7.根据权利要求1所述的基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，所述系统总阻抗计算模型包括：
Zsysmk＝ZL+ZWmk
Figure FDA0003990487060000021
且/>
Figure FDA0003990487060000022
式中，Zsysmk、ZWmk分别表示切除m个风电场的第k种切除组合的系统总阻抗和风电场总阻抗，ZL表示电网侧阻抗；n表示稳控系统“切机”对象中风电场的个数，从稳控系统“切机”对象中切除m个风电场的方法总共有
Figure FDA0003990487060000023
种。/>
8.根据权利要求7所述的基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制方法，其特征是，切除m个风电场的第k种切除组合的风电场总阻抗ZWmk为切除m个风电场后系统中剩下各风电场次同步振荡频率下阻抗之和。
9.一种基于稳控装置的风电场并网系统次同步振荡抑制装置，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述方法的步骤。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117057099A (zh) * 2023-07-13 2023-11-14 南方电网电力科技股份有限公司 基于阻抗特性的风电场振荡风险评估方法及相关装置

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