基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法

摘要

本发明基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法，基于传统复转矩系数法，对于任意可以抽象成“单输入‑单输出”结构的系统，为揭示其内在稳定机理及影响因素，将复转矩系数分析法进一步推广成一般化形式，通过研究子系统间的交互作用，分析控制系统的动态过程及运行工况对振荡特性的影响，揭示系统阻尼对直驱风电场并网系统稳定影响机理；清楚、定量阐述风电场负阻尼失稳机理，有效地解决了以往研究方法仅定性而不能定量的问题，具有科学合理，适用性好，机理清晰等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电力输送技术领域，是一种基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法。

背景技术

风电场一般包括数十台乃至数千台风电机，所述的风电机不仅类型多样，而且控制参数各异，集电线路也相对复杂。由于风力发电大规模接入电网，电力系统呈现高比例新能源发电与高比例电子化设备的特征，即“双高”电力系统，其运行安全面临诸多新问题，因此对风电场的振荡特性分析亟待解决。

复转矩系数法基本原理是将同步发电机组的电气和机械部分划为独立模块，机械子系统和电气子系统可以单独分析输入、输出特性，将两个子系统分别线性化以后，两个子系统仅通过两个变量耦合，即发电机的转子位置角扰动量Δδ和电磁转矩扰动量ΔTe，用2个复转矩系数分别表示电力系统发生次同步振荡时的等效电气转矩和等效机械转矩。其中，复转矩系数的实部表示转矩的等效弹性系数，虚部表示转矩的等效阻尼系数，通过对这些系数进行频率扫描和数值分析，判断系统在扭振频率下是否存在振荡风险。传统复转矩系数法适用于“SISO”系统，将系统抽象成“单输入-单输出”结构，能够给出任一待研究频段上系统的阻尼特性，揭示系统参数对其稳定性的影响规律，分析控制系统的动态过程及运行工况对振荡特性的影响。随着新能源大范围接入电力系统，上述分析方法面临着适应性差等问题。

在现有技术中，传统的复转矩系数法只适用于单机对固定频率电源系统，而不适用于多机系统，模式分析法可定量评估系统的稳定性，但当待研究系统的规模较大时，该方法将面临“维数灾”问题，且不能给出清晰的物理机理解释；而阻抗分析法具有对大规模电网分析的灵活性和可移植性的优势，但其得到的阻抗矩阵是二维矩阵，不能进行定量分析。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，创造性构思了一种基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法，通过研究子系统间的交互作用，分析控制系统的动态过程及运行工况对振荡特性的影响，揭示系统阻尼对直驱风电场并网系统稳定影响机理。

实现本发明所采用的技术方案是：一种基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)构建风电场接入交流系统的仿真模型，仿真模型由直驱风电场、电网两部分构成：

①直驱风电场建模：

直驱风电场采用单机倍乘模型，等效为n台运行工况与控制参数均相同的1.5MW直驱风电机组并联而成；直驱风电机组包括：风力机、永磁同步发电机、四象限变流器、滤波电路；将直驱风电机组的风力机、永磁同步发电机，机侧变流器等效为受控电流源，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制，通过给定直流侧电压u

式中：L

②电网建模：直驱风电机组等效为受控电流源，经过滤波电感L

式中：L

2)设置直驱风电场运行状态，包括：直驱风电场类型、运行工况、并网台数和控制参数，在步骤1)构建直驱风电场接入交流系统的仿真模型中，设置直驱风电场类型，即直驱风电机组；设置直驱风电场运行工况，风速-4m/s；设置不同直驱风电场的并网台数，单机倍乘数目-100台；设置直驱风电场的控制参数，电压外环(10，1000)，电流内环(0.23，50)；

3)将直驱风电场运行工况、并网台数以及控制参数运行状态给定后，对线性化模型采用单输入-单输出的结构，输入为直流电容的电压增量，输出为电磁功率增量，阻尼系数为式(3)：

式中：ΔU

4)对阻尼系数在次同步及超同步频段进行扫频，得到阻尼系数在响应频段上的曲线；

5)在振荡频率处，找到对应的阻尼系数，评估系统的阻尼特性；

6)在摄动电网侧强度、运行工况、并网台数和控制参数运行状态参数后，重复步骤3)至步骤5)，再次评估系统的阻尼特性。

本发明一种基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法有益效果体现在：

1、一种基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法，采用复转矩系数法，即将复转矩模型设置为单输入-单输出的形式，设置输入为直流电容的电压增量ΔU

2、一种基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法，清楚定量阐述风电场负阻尼失稳机理，有效地解决了以往研究方法仅定性而不能定量的问题，具有科学合理，适用性好，机理清晰等优点。

附图说明

图1是含直驱风电场的电力系统结构示意图；

图2是直驱风电机组拓扑结构示意图；

图3是直驱风电机组网侧变流器控制框图；

图4是交流电网拓扑结构示意图；

图5是传统复转矩系数法原理图；

图6是复转矩系数法应用于直驱风机的原理图；

图7是实施例中，风电场接入交流系统后网侧控制不同电流内环比例系数下系统次同步振荡的阻尼曲线示意图；

图8是实施例中，风电场接入交流系统后网侧控制不同电网强度下系统次同步振荡的阻尼曲线示意图；

图9是实施例中，风电场接入交流系统后网侧控制不同风速工况下系统次同步振荡的阻尼曲线示意图；

图10是实施例中，风电场接入交流系统后网侧控制不同电流内环比例系数下系统超同步振荡的阻尼曲线示意图；

图11是实施例中，风电场接入交流系统后网侧控制不同电网强度下系统超同步振荡的阻尼曲线示意图；

图12是实施例中，风电场接入交流系统后网侧控制不同风速工况下系统超同步振荡的阻尼曲线示意图。

图中：1.风力机，2.永磁同步发电机，3.机侧变流器，4.网侧变流器，5.输电线路，6.电网。

具体实施方式

以下结合附图1至附图12和具体实施例对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1至附图6，本发明一种基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法，它包括以下步骤：

1)参照附图1，构建风电场接入交流系统的仿真模型，仿真模型由直驱风电场(PMSG)、电网两部分构成：

①直驱风电场建模：

参照附图2，直驱风电场采用单机倍乘模型，等效为n台运行工况与控制参数均相同的1.5MW直驱风电机组并联而成，直驱风电机组包括风力机、永磁同步发电机、四象限变流器、滤波电路；四象限变流器包括：机侧变流器、网侧变流器；为简化分析，将直驱风电机组的风力机、永磁同步发电机，机侧变流器等效为受控电流源，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制，通过给定直流侧电压u

式中：L

②电网建模：

参照附图4，直驱风电机组等效为受控电流源，经过滤波电感L

式中：L

2)设置直驱风电场运行状态，包括：直驱风电场类型、运行工况、并网台数和控制参数，在步骤1)构建直驱风电场接入交流系统的仿真模型中，设置直驱风电场类型，即直驱风电机组；设置直驱风电场运行工况，风速-4m/s；设置不同直驱风电场的并网台数，单机倍乘数目-100台；设置直驱风电场的控制参数，电压外环(10，1000)，电流内环(0.23，50)；

3)将直驱风电场运行工况、并网台数以及控制参数运行状态给定后，对线性化模型采用单输入-单输出的结构，输入为直流电容的电压增量，输出为电磁功率增量，阻尼系数为式(6)：

式中：ΔU

4)对阻尼系数在次同步及超同步频段进行扫频，得到阻尼系数在响应频段上的曲线；

5)在振荡频率处，找到对应的阻尼系数，评估系统的阻尼特性；

6)在摄动电网侧强度、运行工况、并网台数和控制参数运行状态参数后，重复步骤3)至步骤5)，再次评估系统的阻尼特性。

实施例：

参照图7～图9，表1～表3，对于本发明的风电场接入交流系统结构而言，采用复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析后，在次同步频段下，随着风电场网侧变流器电流内环比例系数增加(0.1p.u～0.2p.u)，系统的阻尼增强，有利于系统稳定；随着风电场风速增加(4.5m/s～8m/s)，系统的阻尼增强，有利于系统稳定；随着电网强度的增加(SCR＝1.2～1.8)，各系统的阻尼增强，有利于系统稳定，定量揭示系统阻尼对直驱风电场并网系统稳定影响机理。

参照图10～图12，表4～表6，对于本发明的风电场接入交流系统结构而言，采用复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析后，在超同步频段下，随着风电场网侧变流器电流内环比例系数增加(0.1p.u～0.2p.u)，系统的阻尼增强，有利于系统稳定；随着风电场风速增加(4.5m/s～8m/s)，系统的阻尼增强，有利于系统稳定；随着电网强度的增加(SCR＝1.2～1.8)，各系统的阻尼增强，有利于系统稳定，定量揭示系统阻尼对直驱风电场并网系统稳定影响机理。

表1不同网侧控制参数(PMSG)下直驱风电场的次同步频段下阻尼系数

表2不同电网强度(PMSG)下直驱风电场的次同步频段下阻尼系数

表3不同运行工况(PMSG)下直驱风电场的次同步频段下阻尼系数

表4不同网侧控制参数(PMSG)下直驱风电场的超同步频段下阻尼系数

表5不同电网强度(PMSG)下直驱风电场的超同步频段下阻尼系数

表6不同运行工况(PMSG)下直驱风电场的超同步频段下阻尼系数

本实施例验证了基于复转矩系数法的直驱风电场频域阻尼系数分析方法的有效性与可行性。

本发明所涉及的计算机程序依据自动控制技术、网络技术、计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术

以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。