[發明專利]風力發電機并網產生次同步振蕩的分析方法

有效

• 申請號: 201410471315.4
• 申請日: 2014-09-16
• 公開（公告）號: CN105488315B
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發明（設計）人: 劉輝;李雨;李蘊紅;劉京波;吳林林;王皓靖;王倩
• 申請（專利權）人: 國家電網公司;華北電力科學研究院有限責任公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 賈磊

1.一種風力發電機并網產生次同步振蕩的分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

建立風力發電機經串聯補償電容接入無窮大電力系統的線性化系統模型；

求取所述線性化系統模型的靜態穩定點；

根據所述靜態穩定點求取所述線性化系統模型的系數矩陣的特征根及左、右特征向量；

根據所述特征根求取所述線性化系統模型的各次振蕩頻率，并根據所述左、右特征向量求取所述線性化系統模型中與所述各次振蕩頻率的振蕩模態強相關的狀態變量；

改變所述狀態變量的參數值，獲得所述各次振蕩頻率隨其對應狀態變量的參數值變化下的變化狀態；其中，

所述線性化系統模型包括線性化的：

風力發電機的葉片、齒輪箱和轉子的三質量塊軸系模型；

風力發電機的五階暫態模型；

風力發電機的變頻器轉子側控制系統模型；

風力發電機的直流側電壓模型；

風力發電機的變頻器定子側控制系統模型；

平波電抗器及變壓器的電磁暫態模型；

含有串聯補償電容的RLC輸電線路的電磁暫態模型；

無窮大電網模型；其中，

所述風力發電機的葉片、齒輪箱和轉子的三質量塊軸系模型為：

式中，為發電機的三質量塊軸系狀態方程，X_M為三質量塊軸系方程的狀態變量，且X_M＝[Δθ₁ Δθ₂ Δθ₃ Δω₁ Δω₂ Δω₃]，其中，Δθ₁ Δθ₂ Δθ₃分別為葉片、齒輪箱和轉子的機械旋轉角微變量，Δω₁ Δω₂ Δω₃分別為葉片、齒輪箱和轉子的機械角速度微變量；

u_M＝[ΔT_w ΔT_e]^T；

其中，A_M為X_M的系數矩陣，u_M為三質量塊軸系方程的輸入量，B_M為u_M的系數矩陣，M₁,M₂,M₃分別為葉片、齒輪箱和轉子的轉動慣量，D₁,D₂,D₃分別為葉片、齒輪箱和轉子的自阻尼系數，D₁₂,D₂₃分別為葉片和齒輪箱之間、齒輪箱和轉子之間的互阻尼系數，ΔT_w,ΔT_e分別為葉片的風力擾動力矩微變量、轉子的電磁轉矩微變量，H₁,H₂,H₃分別為葉片、齒輪箱和轉子的慣性常數，k₁₂,k₂₃分別為葉片和齒輪箱之間、齒輪箱和轉子之間的軸系剛度的標幺值，ω_b為系統轉速的基準值；

所述風力發電機的五階暫態模型為：

式中，為發電機的五階暫態狀態方程，X_G為五階暫態的狀態變量，A_G為X_G的系數矩陣，u_G為五階暫態的輸入量，B_G為u_G的系數矩陣，

并且，X_G＝[Δψ_qs Δψ_ds Δψ_qr Δψ_dr]^T

u_G＝[Δu_qs Δu_ds Δu_qr Δu_dr Δω_r]^T

其中，Δu_qs、Δu_ds分別為定子電壓q、d軸分量變化量，Δu_qr、Δu_dr分別為轉子電壓q、d軸分量變化量，Δψ_qs、Δψ_ds分別為定子磁鏈q、d軸分量變化量，Δψ_qr、Δψ_dr分別為轉子磁鏈q、d軸分量變化量，ω_s為定子磁場速度，ω_b為系統轉速的基準值，Δω_r為轉子轉速增量，R_s、R_r分別為定子電阻和轉子電阻，X_s、X_r分別為定子漏電抗和轉子漏電抗，X_m為勵磁電抗，s為電機轉差率，ψ_qr0、ψ_dr0為分別為定子磁鏈q、d軸分量的初始值，s₀為電機轉差率的初始值，D為阻尼系數，D＝X_sX_r+(X_s+X_r)/X_m，X_rr為轉子繞組等效電抗，且X_rr＝X_r+X_m，X_ss為定子繞組等效電抗，且X_ss＝X_s+X_m；

所述風力發電機的變頻器轉子側控制系統模型：

式中，分別為第1至第4中間狀態變量變化量，ΔP_s、ΔQ_s分別為定子有功、無功功率變化量，ΔP_{s_ref}，ΔQ_{s_ref}分別為定子有功、無功功率的參考值變化量，K_p1、K_p2、K_p3分別為第1至第3功率控制參數，K_i1、K_i2、K_i3分別為第1至第3電流控制參數，分別為轉子電壓的d、q軸分量變化量，分別為定子電壓的d、q軸分量變化量，分別為轉子電壓的d、q軸分量的初始值，分別為定子電壓的d、q軸分量的初始值，分別為轉子電流的d、q軸分量變化量，分別為定子電流的d、q軸分量變化量，分別為轉子電流的d、q軸分量的初始值，分別為定子電流的d、q軸分量的初始值，X_m為勵磁電抗，Δs為電機轉差率變化量，X_rr為轉子繞組等效電抗，且X_rr＝X_r+X_m，X_r為轉子漏電抗；

所述風力發電機的直流側電壓模型為：

式中，ΔP_g和ΔP_r表達式為

ΔP_g＝i_dg0Δu_dg+u_dg0Δi_dg+i_qg0Δu_qg+u_qg0Δi_qg

ΔP_r＝i_dr0Δu_dr+u_dr0Δi_dr+i_qr0Δu_qr+u_qr0Δi_qr

其中，為直流電容上的電壓變化量，Δu_dg、Δu_qg分別為電網側變頻器d、q軸電壓分量變化量，Δi_dg、Δi_qg分別為電網側變頻器d、q軸電流分量變化量，C為直流環節電容值，u_dg0、u_qg0分別為電網側變頻器d、q軸電壓分量的初始值，i_dg0、i_qg0分別為電網側變頻器d、q軸電流分量的初始值，ΔP_g、ΔP_r分別為定子側和定子側有功功率變化量，ω_b為系統轉速的基準值，直流電容上的電壓初始值；

所述風力發電機的變頻器定子側控制系統模型為：

Δu_dg＝K_pg[K_pdg(ΔV_{DC_ref}-ΔV_DC)+K_idgΔx₅-i_dg]+K_igΔx₆

Δu_qg＝K_pg(Δi_{qg_ref}-Δi_qg)+K_igΔx₇

其中，是第5至第7中間狀態變量，K_pdg為網側變流器電壓環比例系數，K_idg為網側變流器電壓環積分系數，K_pg為網側變流器電流環比例系數K_ig為網側變流器電流環積分系數，ΔV_DC為直流電壓的變化量，ΔV_{DC_ref}為直流電壓的參考值的變化量，Δi_dg、Δi_qg分別為電網側電流d、q軸分量的變化量，Δi_{dg_ref}、Δi_{qg_ref}分別為電網側電流d、q軸分量的參考值的變化量；

所述平波電抗器及變壓器的電磁暫態模型為：

式中，X_RL＝[Δi_dg Δi_qg]^T，U_RL＝[Δu_ds Δu_qs]^T

其中為平波電抗器及變壓器的電磁暫態的狀態方程，X_RL為平波電抗器及變壓器的電磁暫態的狀態變量，u_RL為平波電抗器及變壓器的電磁暫態的輸入量，A_RL為X_RL的系數矩陣，B_RL為u_RL的系數矩陣，X₁、R₁為平波電抗器和變壓器的電抗和電阻，Δu_ds,Δu_qs分別為機端電壓d、q軸分量變化量，Δi_dg,Δi_qg為電網側變流器電流的d、q軸分量的變化量，Δu_ds、Δu_qs分別為定子電壓的d、q軸分量變化量，ω_b為系統轉速的基準值；

所述含有串聯補償電容的RLC輸電線路的電磁暫態模型為：

式中，X_RLC＝[Δi_d Δi_q Δu_cd Δu_cq]^T

Y_RLC＝[Δi_d Δi_q]^T

u_RLC＝[Δu_ds Δu_qs Δu_dg Δu_qg]^T

其中，為串聯補償電容的RLC輸電線路的電磁暫態的狀態方程，X_RLC為串聯補償電容的RLC輸電線路的電磁暫態的狀態變量，u_RLC為串聯補償電容的RLC輸電線路的電磁暫態的輸入量，A_RLC為X_RLC的系數矩陣，B_RLC為u_RLC的系數矩陣，Δi_d,Δi_q為串聯線路電流d、q軸分量的變化量，Δu_cd,Δu_cq為串聯電容兩端電壓d、q軸分量的變化量，Δu_dg、Δu_qg分別為無窮大電源電壓d、q軸分量的變化量，且Δu_dg＝Δu_qg＝0，R₂,X₂為串聯線路的電阻和電抗，x_c為串聯電容的電抗，ω_b為系統轉速的基準值，Y_RLC為串聯補償電容的RLC輸電線路的輸出量；

所述根據所述特征根求取所述線性化系統模型的各次振蕩頻率，具體為：

設特征根為λ＝σ+jω，振蕩頻率為

則表示振蕩模態衰減速度的阻尼比為

根據上述特征根和振蕩頻率之間的關系，求得不同特征根對應的振蕩頻率；

其中，σ為特征根的實部，ω為特征根的虛部；

所述根據所述左、右特征向量求取所述線性化系統模型中與所述各次振蕩頻率的振蕩模態強相關的狀態變量，具體為：

根據公式計算求取所述線性化系統模型中與所述各次振蕩頻率的振蕩模態強相關的狀態變量；

其中，P_i為第i個模態的參與矩陣，P_i的元素P_ni表示在第i個模態中第n個狀態變量的參與程度，U_ni,V_ni分別為系數矩陣關于特征值λ_i的左、右特征向量。