CN117543710A - 一种分布式调相机暂态功角稳定判别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式调相机暂态功角稳定判别方法及系统，涉及分布式调相机技术领域，该方法包括：考虑新能源故障过程中的控制切换过程，确定故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性；基于所述调相机功角特性构建系统能量函数；基于所述系统能量函数计算调相机功角稳定裕度；基于所述调相机功角稳定裕度确定系统功角稳定临界切除角；在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别。本发明在判别调相机暂态功角稳定时考虑了新能源控制切换，提高了判别的准确性，相比于现有的时域仿真法，大幅减小计算量。
Description
技术领域
本发明涉及分布式调相机技术领域，特别涉及一种考虑新能源控制切换的分布式调相机暂态功角稳定判别方法及系统。
背景技术
为解决新能源的暂态过电压问题，分布式调相机已被应用于新能源场站中。然而，大规模新能源接入使得加装在新能源场站的调相机在系统故障后存在功角失稳风险。因此，亟需研究分布式调相机暂态功角稳定分析方法，揭示分布式调相机暂态功角稳定机理。
现有分布式调相机暂态功角稳定分析方法多采用节点消去或电路等效变化进行网络化简，未能考虑新能源并网点电压特性。然而，新能源并网点电压直接影响其控制策略的切换，未考虑到新能源控制策略的切换，不能够判别系统的暂态功角稳定性。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种考虑新能源控制切换的分布式调相机暂态功角稳定判别方法及系统，提高暂态功角稳定判别的准确性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种分布式调相机暂态功角稳定判别方法，包括：
考虑新能源故障过程中的控制切换过程，确定故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性；
基于所述调相机功角特性构建系统能量函数；
基于所述系统能量函数计算调相机功角稳定裕度；
基于所述调相机功角稳定裕度确定系统功角稳定临界切除角；
在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种分布式调相机暂态功角稳定判别系统，包括：
调相机功角特性确定模块，用于考虑新能源故障过程中的控制切换过程，确定故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性；
系统能量函数构建模块，用于基于所述调相机功角特性构建系统能量函数；
调相机功角稳定裕度计算模块，用于基于所述系统能量函数计算调相机功角稳定裕度；
系统功角稳定临界切除角确定模块，用于基于所述调相机功角稳定裕度确定系统功角稳定临界切除角；
判别模块，用于在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明首先考虑新能源故障过程中的控制切换过程，分析了故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性，其次，基于调相机功角特性构建系统能量函数，获得调相机功角稳定裕度表达式，然后，计算调相机暂态功角稳定裕度，并获得极限切除角，最后，提出分布式调相机暂态功角稳定判别方法，对于设定的极限切除时间，判断调相机是会否发生功角失稳。本发明在判别调相机暂态功角稳定时考虑了新能源控制切换，提高了判别的准确性，相比于现有的时域仿真法，大幅减小计算量。
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为本发提供的分布式调相机暂态功角稳定判别方法的流程图；
图2为本发明提供的分布式调相机暂态功角稳定判别方法的整体流程图；
图3为含调相机的新能源送出系统模型示意图；
图4为分布式调相机临界切除角求解示意图；
图5为分布式调相机δc求解示意图。
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。
本发明的目的是提供一种考虑新能源控制切换的分布式调相机暂态功角稳定判别方法及系统，提高暂态功角稳定判别的准确性。
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。
实施例一
如图1-图2所示，本发明提供的分布式调相机暂态功角稳定判别方法，包括以下步骤：
S1：考虑新能源故障过程中的控制切换过程，确定故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性。
S2：基于所述调相机功角特性构建系统能量函数；所述系统能量函数包括故障后系统能量函数和故障期间能量函数。
S3：基于所述系统能量函数计算调相机功角稳定裕度。
S4：基于所述调相机功角稳定裕度确定系统功角稳定临界切除角。
S5：在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别。
进一步地，步骤S1具体包括：
针对分布式调相机暂态功角稳定问题，建立新能源经交流线路送出系统如图3所示。获取调相机转子惯性时间常数TJ，调相机暂态电抗Xd’与变压器电抗XT，其和为Xsc，调相机内电势Esc、受端系统内电势Es，获取系统变压器电抗与线路电抗之和XL(XL＝XL1+0.5XL2+XL3)、新能源输出有功电流Iwp与无功电流Iwq、新能源有功控制参数Kp2、无功控制参数Kq1。
图2中，δs为转子角度，δsc为调相机与受端系统间的转子相对位置角，Ub为风机并网点电压幅值，δb为并网点电压与与系统间相对角度，为调相机输出电流，为调相机输出电流/>为线路总电流。在系统送端部分，将调相机发出电流/>沿/>以及/>法向分解为有功电流/>其幅值为Iscp，无功电流/>
(1)故障后分布式调相机的动态特性
以b点电压为参考，即δs＝-δb，此时定义调相机转子角度与b点电压相对角度为Δδsc，则有Δδsc＝δsc-δb，此时调相机发出有功电流为：
设调相机向节点b注入无功电流Iscq为正方向，即当节点b向调相机发出无功电流时，Iscq为负值，可得调相机向节点b注入无功电流为：
在系统受端部分，总电流可分解为无功电流/>有功电流/>其幅值为Iw+Iscp。
首先考虑新能源只发出有功电流，即与/>同相，根据相量关系可得：
Ub＝Es cosδb+IscqXL(4)
若考虑新能源同时发出无功功率，则将电流沿/>以及/>法向分解为有功电流其幅值为Iwp，无功电流/>其幅值为Iwq。则式(4)可更新为：
Ub＝Escosδb+(Iscq+Iwq)XL (5)
将式(1)带入式(3)，并使用Iwp替换I，则可得：
将式(2)带入式(5)可得：
整理后可得Ub表达式：
根据调相机的输出功率：
则可得Psc表达式为：
其中：
将sinδb近似为δb，sinΔδsc近似为Δδsc，则可得：
δsc变化时则可得Psc表达式为：
设
则可得
Psc＝k1cos(cδsc+d)sin(aδsc+b)+k2sin(2aδsc+2b)+k3sin(aδsc+b) (15)
(2)故障期间分布式调相机的动态特性
设线路L2首端发生故障，此时由于故障新能源已切换至低电压穿越控制，此时故障期间XL为：
式中，XΔ为不对称短路附加阻抗，单相短路XΔ(1)、两相短路XΔ(2)与两相短路接地XΔ(20)的附加阻抗分别为：
此外，故障期间新能源进入低电压穿越控制方程为：
Iwpf＝Kp1Ub+Kp2Iwp (18)
Iwqf＝Kq1(0.9-Ub)+Kq2Iwq (19)
式中，Kp1、Kp2为有功电流控制系数，Kq1、Kq2为无功电流控制系数。在实际工程中通常考虑Kp1＝0，并采用无功优先控制，即在总输出电流达到上限的情况下减小有功电流以使无功电流满足式(19)。
在此前推导的基础上，式(8)可简化为：
代入风电机组无功功率式，可得
式中，e＝XscEs/(Xsc+XL)，g＝XLEsc/(Xsc+XL)，h＝XLXsc/(Xsc+XL)，可解得：
同样，将式(18)带入式(14)b、d表达式中替换原有Iwp，可得表达式为：
将式(22)带入式(9)可得故障期间，风电进入低电压穿越控制下，调相机功角特性表达式为：
由式(24)可见，相比式(15)，风电机组无功分量使得k1、k2、k3发生改变，有功分量使得b、d发生改变。
进一步地，步骤S2具体包括：
采用式(15)和式(24)分别构建调相机故障后和故障过程中的能量函数，由式(15)求积分得到系统势能，由式(24)求积分得到系统动能。
在稳态运行期间，调相机不输出有功功率，即Esc与Ub同相，根据系统相量关系，此时有：sinδb＝IwXL/Es，将sinδb近似为δb，则可得：
式中，δscs为调相机稳态时转子相对位置角，则对于故障后任一位置的δsc，其对应系统具有的势能为：
其中，Wsc为势能函数，Wsc|δsc为δsc处系统势能函数值。将式(25)代入式(26)可得稳定平衡点处系统势能函数值为：Wsc|δscs：
由此可得能量函数为：
式中Vk(ωsc)为调相机转子动能，Vp(δsc)为系统势能。
在故障清除时刻，系统总能量为：
式中，δscc为故障清除时刻调相机与系统相对功角，ωscc为故障清除时刻调相机转子相对角速度。
故障结束后，系统中总能量不变(考虑系统阻尼耗散能量，则系统最终恢复稳态)，即故障后系统中有：
VP(δscc)+VK(ωscc)＝VP(δsc)+VK(ωsc) (31)
若故障清除后系统吸收调相机故障期间积累的全部能量：动能Vk(ωscc)+势能Vp(δscc)，未达到最大势能Vp(δscu)，则系统保持稳定，否则发生功角失稳。
注：能量函数是技术方案中暂态稳定裕度的依据。
进一步计算故障期间系统总能量，
式中，当调香转子处于δsc处，有系统势能函数值为：
将式(25)代入式(33)可得Wscf|δscs，将δscc代入式(33)可得Wscf|δscc，进而由式(32)求得故障期间调相机所获得的总动能Vk(ωscc)。将δscc代入式(26)即可解得Vp(δscc)。
进一步地，步骤S3-S4具体包括：
对于故障切除角δscc，使用故障后系统最大势能减去故障清除时刻系统总能量，即可获得暂态稳定裕度表达式为：
η(δscc)＝VP(δscu)-VK(ωscc)-VP(δscc) (34)
如图4所示，当η(δscc)＝0，系统达到稳定边界，则此时δscc为系统功角稳定临界切除角，即δsclim。
进一步地，步骤S5具体包括：
根据《电力系统技术导则》(GB/T38969-2020)，根据不同故障位置确定系统故障切除时间tc，此时根据调相机转子运动方程：
式中，，δsc为调相机与受端系统间的转子相对位置角，t为时间，ω为调相机转子电角速度，ω0为系统额定电角速度，量纲为rad/s；TJ为调相机惯性时间常数，量纲为s；Pm为原动机功率，近似为零，Pscf为故障期间调相机输出有功功率，量纲为标幺值；D为调相机阻尼系数。
设置ω初值为ω0，δsc初值为δscs，自t＝0时刻开始，采用改进欧拉法计算式(35)，至tc时刻(标准要求的故障结束时刻)结束，获得计算结果δsc(tc)，记作δc，如图5所示。
比较δc与δsclim，若δc小于δsclim，则此场景下调相机功角稳定，若δc小于δsclim，则此场景下调相机功角失稳。
实施例二
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供了一种一种分布式调相机暂态功角稳定判别系统。
该系统包括：
调相机功角特性确定模块，用于考虑新能源故障过程中的控制切换过程，确定故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性。
系统能量函数构建模块，用于基于所述调相机功角特性构建系统能量函数。
调相机功角稳定裕度计算模块，用于基于所述系统能量函数计算调相机功角稳定裕度。
系统功角稳定临界切除角确定模块，用于基于所述调相机功角稳定裕度确定系统功角稳定临界切除角。
判别模块，用于在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别。
进一步地，所述判别模块具体包括：
调相机转子运动方程获取单元，用于获取调相机转子运动方程。
计算单元，用于基于所述调相机转子运动方程，采用改进欧拉法计算式计算到设定极限切除时刻的故障切除角。
第一判别单元，用于当到设定极限切除时刻的故障切除角小于系统功角稳定临界切除角时，判别调相机暂态功角稳定。
第二判别单元，用于当系统功角稳定临界切除角小于到设定极限切除时刻的故障切除角时，判别调相机暂态功角失稳。
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，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种分布式调相机暂态功角稳定判别方法，其特征在于，包括：
考虑新能源故障过程中的控制切换过程，确定故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性；
基于所述调相机功角特性构建系统能量函数；所述系统能量函数包括故障后系统能量函数和故障期间能量函数；
基于所述系统能量函数计算调相机功角稳定裕度；
基于所述调相机功角稳定裕度确定系统功角稳定临界切除角；
在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别。
2.根据权利要求1所述的分布式调相机暂态功角稳定判别方法，其特征在于，故障后调相机功角特性表达式为：
Psc＝k1cos(cδsc+d)sin(aδsc+b)+k2sin(2aδsc+2b)+k3sin(aδsc+b)
其中，Psc为调相机的输出功率，δsc为调相机与受端系统间的转子相对位置角，a、b、c、k1、k2、k3均为中间变量；Es为受端系统内电势，Esc为调相机内电势，XL为系统变压器电抗与线路电抗之和，Xsc为调相机暂态电抗与变压器电抗之和，Iwp、Iwq分别为新能源输出有功电流与无功电流；
故障期间调相机功角特性表达式为：
e＝XscEs/(Xsc+XL)，g＝XLEsc/(Xsc+XL)，h＝XLXsc/(Xsc+XL)
其中，Pscf为故障期间调相机输出有功功率，Esc为调相机内电势，Kq1、Kq2为无功电流控制系数，Iwq为新能源稳态运行期间输出的无功电流，g、h、e、df、bf均为中间变量。
3.根据权利要求2所述的分布式调相机暂态功角稳定判别方法，其特征在于，故障后系统能量函数的表达式为：
VP(δscc)+VK(ωscc)＝VP(δsc)+VK(ωsc)
故障期间能量函数的表达式为：
其中，VP(δscc)为故障清除后系统势能，VK(ωscc)为故障清除后调相机转子动能，δscc为故障切除角，ωscc为故障清除时刻调相机转子相对角速度，VP(δsc)为系统势能，VK(ωsc)为调相机转子动能，ωsc为调相机暂态时转子相对角速度，ωsc为调相机暂态时转子相对角速度，δscs为调相机稳态时转子相对位置角，为平衡点δscs处系统势能函数的值，为平衡点δscs处系统势能函数的值。
4.根据权利要求1所述的分布式调相机暂态功角稳定判别方法，其特征在于，所述调相机功角稳定裕度的表达式为：
η(δscc)＝VP(δscu)-VK(ωscc)-VP(δscc)
其中，η(δscc)为调相机功角稳定裕度，δscc为故障切除角，VP(δscu)为故障后系统最大势能，VK(ωscc)为故障清除后调相机转子动能，VP(δscc)为故障清除后系统势能，δscu为故障后调相机与系统相对功角，δscc为故障切除角，ωscc为故障清除时刻调相机转子相对角速度。
5.根据权利要求1所述的分布式调相机暂态功角稳定判别方法，其特征在于，在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别，具体包括：
获取调相机转子运动方程；
基于所述调相机转子运动方程，采用改进欧拉法计算式计算到设定极限切除时刻的故障切除角；
当到设定极限切除时刻的故障切除角小于系统功角稳定临界切除角时，判别调相机暂态功角稳定；
当系统功角稳定临界切除角小于到设定极限切除时刻的故障切除角时，判别调相机暂态功角失稳。
6.根据权利要求5所述的分布式调相机暂态功角稳定判别方法，其特征在于，所述调相机转子运动方程的表达式为：
其中，δsc为调相机与受端系统间的转子相对位置角，t为时间，ω为调相机转子电角速度，ω0为系统额定电角速度，TJ为调相机惯性时间常数，Pm为原动机功率，Pscf为故障期间调相机输出有功功率，D为调相机阻尼系数。
7.一种分布式调相机暂态功角稳定判别系统，其特征在于，包括：
调相机功角特性确定模块，用于考虑新能源故障过程中的控制切换过程，确定故障后以及故障期间不同故障类型下调相机功角特性；
系统能量函数构建模块，用于基于所述调相机功角特性构建系统能量函数；
调相机功角稳定裕度计算模块，用于基于所述系统能量函数计算调相机功角稳定裕度；
系统功角稳定临界切除角确定模块，用于基于所述调相机功角稳定裕度确定系统功角稳定临界切除角；
判别模块，用于在设定极限切除时间，基于所述系统功角稳定临界切除角，对调相机暂态功角稳定进行判别。
8.根据权利要求7所述的分布式调相机暂态功角稳定判别方法，其特征在于，所述判别模块，具体包括：
调相机转子运动方程获取单元，用于获取调相机转子运动方程；
计算单元，用于基于所述调相机转子运动方程，采用改进欧拉法计算式计算到设定极限切除时刻的故障切除角；
第一判别单元，用于当到设定极限切除时刻的故障切除角小于系统功角稳定临界切除角时，判别调相机暂态功角稳定；
第二判别单元，用于当系统功角稳定临界切除角小于到设定极限切除时刻的故障切除角时，判别调相机暂态功角失稳。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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