一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法及系统

1.本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法及系统。


背景技术：

2.随着永磁直驱风电机组装机容量的稳步上升，风电机组自身弱惯性的特性导致电力系统的调节能力变弱，直驱风电场次/超同步振荡事故屡有发生且越发频繁，系统稳定安全运行的问题受到挑战。
3.目前，直驱风电场的次/超同步振荡问题已有大量研究，但对于直驱风电场的次/超同步振荡特性和内在机理还缺乏深入研究。因此，如何在振荡发生的初始阶段快速有效的评估风电场整体的动态稳定性，并为振荡抑制策略的实施提供准确的理论依据，已成为亟待解决的问题。
4.然而，现有针对直驱风电场次/超同步振荡问题的分析方法主要将风电场看作整体进行研究，且主要针对某一单一电气量分析，针对直驱风电场中受风电机组之间的交互作用影响的系统稳定性评估方法仍缺乏相应的研究。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法及系统，用以解决直驱风电场中受风电机组之间的交互作用影响的系统稳定性评估的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法，包括以下步骤：
7.采集直驱风电场中各风电机组端口的初始振荡电流瞬时值变化量；并以为采集周期采集各风电机组端口的电压瞬时值变化量；其中，ω表示系统振荡频率；
8.根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率；
9.基于当前采集周期的所述场网交互能量变化率评估所述直驱风电场的稳定性状态。
10.进一步地，所述根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率，包括：
11.根据采集的数据，得到每一采集周期的各风电机组的扰动交互能量、自身耦合交互能量和机间交互能量，进而得到每一采集周期的场网交互能量；
12.基于每一采集周期的场网交互能量，得到当前采集周期所述直驱风电场的总场网交互能量；
13.基于当前采集周期所述总场网交互能量，得到所述直驱风电场的场网交互能量变化率。
14.进一步地，所述当前采集周期的场网交互能量变化率表示为：
[0015][0016]
式中，δw
farm
为直驱风电场在当前采集周期的总场网交互能量。
[0017]
进一步地，所述直驱风电场在当前采集周期的总场网交互能量δw
farm
表示为：
[0018][0019]
式中，为第m个采集周期的场网交互能量，m为直驱风电场从初始采集周期到当前采集周期的采集周期个数。
[0020]
进一步地，所述第m个采集周期的场网交互能量表示为：
[0021][0022]
其中，
[0023][0024][0025]
式中，δw
ok(m)
、δw
rk(m)
、δw
ek(m)
分别为在第m个采集周期第k条支路的风电机组的扰动交互能量、自身耦合交互能量和机间交互能量，n为直驱风电场中的总支路数量，m
rk(n+1)
为第k条支路与电网间的交互系数，l
n+1
为交流电网侧的线路电感，l
rk
为第k条支路的等效电感，lk、lj分别为第k条支路、第j条支路的线路电感。
[0026]
进一步地，所述在第m个采集周期第k条支路的风电机组的扰动交互能量δw
ok(m)
表示为：
[0027][0028]
所述在第m个采集周期第k条支路的风电机组的自身耦合交互能量δw
rk(m)
表示为：
[0029][0030]
所述在第m个采集周期第k条支路的风电机组的机间交互能量δw
ek(m)
表示为：
[0031][0032]
其中，
[0033][0034][0035][0036][0037]
式中，m
rj(n+1)
为第j条支路与电网间的交互系数，m
rk
为第k条支路的自发感应系数；l
rj
为第j条支路的等效电感；ws为dq轴电流振荡频率，w2为电网同步角频率，k
+
为dq坐标系下超频电流在初始振荡电流的比例，i
pk+
、为第k条支路的风电机组的端口初始振荡电流的超同步幅值和相角，λ为衰减系数，w-、w
+
分别为次、超同步电流的振荡频率，δi
rk
为第k条支路的风电机组端口的初始振荡电流瞬时值；δi
rdk(0)
、δi
rqk(0)
分别为第k条支路上风电机组端口的初始d、q轴瞬时电流变化量，δu
rdk(m)
、δu
rqk(m)
分别为第m个采集周期时k条支路上风电机组端口的d、q轴瞬时电压变化量，δu
rdk(1)
、δu
rqk(1)
分别为初始采集周期时第k条支路上风电机组端口的d、q轴瞬时电压变化量，δu
rdj(m)
、δu
rqj(m)
分别为第m个采集周期时第j条支路上风电机组端口的d、q轴瞬时电压变化量。
[0038]
进一步地，所述基于当前采集周期的所述场网交互能量变化率评估所述直驱风电场的稳定性状态：
[0039]
当时，直驱风电场中对系统振荡呈正阻尼作用，系统处于稳定状态，且值越小，系统越稳定；
[0040]
当时，直驱风电场中对系统振荡无阻尼作用，系统处于临界稳定状态；
[0041]
当时，直驱风电场中对系统振荡呈负阻尼作用，系统不稳定，且值越小，系统越不稳定。
[0042]
另一方面，本发明实施例提供了一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估系统，包括：
[0043]
数据采集模块，用于采集直驱风电场中各风电机组端口的初始振荡电流瞬时值变化量；并以为采集周期采集各风电机组端口的电压瞬时值变化量；其中，ω表示系统振荡频率；
[0044]
场网交互能量变化率计算模块，用于根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率；
[0045]
系统稳定评估模块，用于基于当前采集周期的所述场网交互能量变化率评估所述直驱风电场的稳定性状态。
[0046]
进一步地，所述根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率，包括：
[0047]
根据采集的数据，得到每一采集周期的各风电机组的扰动交互能量、自身耦合交互能量和机间交互能量，进而得到每一采集周期的场网交互能量；
[0048]
基于每一采集周期的场网交互能量，得到当前采集周期所述直驱风电场的总场网交互能量；
[0049]
基于当前采集周期所述总场网交互能量，得到所述直驱风电场的场网交互能量变化率。
[0050]
进一步地，所述当前采集周期的场网交互能量变化率表示为：
[0051][0052]
式中，δw
farm
为直驱风电场在当前采集周期的总场网交互能量。
[0053]
与现有技术相比，本发明可实现如下有益效果：
[0054]
本发明提供的一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法及系统，通过采集的各风电机组端口的初始振荡电流瞬时值变化量，和以为采集周期采集各风电机组端口的电压瞬时值变化量，计算得到直驱风电场的场网交互能量变化率，进而进行系统的稳定性判断，通过场网交互能量变化率能够快速得到系统的稳定状态，实现对系统振荡的预警，保证系统安全稳定的运行；本发明考虑了风电机组之间相互作用对系统振荡的影响，对系统稳定性评估更加准确；还通过构建场网交互能量变化率降低计算量，提高计算精度，进一步保证系统的准确运行。
[0055]
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
[0056]
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0057]
图1为本发明实施例1中考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法流程图；
[0058]
图2为本发明实施例3中4机直驱风电场；
[0059]
图3为本发明实施例3中场景1下机组pmsg1-pmsg4的初始扰动能量曲线图；
[0060]
图4为本发明实施例3中场景1下机组pmsg1-pmsg4的耦合动态能量曲线图；
[0061]
图5为本发明实施例3中场景1下机组pmsg1-pmsg4的机间交互能量曲线图；
[0062]
图6为本发明实施例3中场景1下场网交互动态能量曲线图；
[0063]
图7为本发明实施例3中场景2下机组pmsg1-pmsg4的初始扰动能量曲线图；
[0064]
图8为本发明实施例3中场景2下机组pmsg1-pmsg4的耦合动态能量曲线图；
[0065]
图9为本发明实施例3中场景2下机组pmsg1-pmsg4的机间交互能量曲线图；
[0066]
图10为本发明实施例3中场景2下场网交互动态能量曲线图；
[0067]
图11为本发明实施例3中场景3下机组pmsg1-pmsg4的初始扰动能量曲线图；
[0068]
图12为本发明实施例3中场景3下机组pmsg1-pmsg4的耦合动态能量曲线图；
[0069]
图13为本发明实施例3中场景3下机组pmsg1-pmsg4的机间交互能量曲线图
[0070]
图14为本发明实施例3中场景3下场网交互能量曲线图。
具体实施方式
[0071]
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
[0072]
直驱风电场的简化模型图如图2所示，包括若干风电机组，各风电机组经过转子侧变流器和网侧变流器后，通过并网支路接入并网母线与网侧交流线路连接，将电能送入交流电网，其中，将网侧交流器的输出端作为风电机组的端口。直驱风电场中存在若干的风电机组，机组之间有交互作用，都会对系统的稳定性造成影响，而现有的系统稳定性分析方法主要将风电场看作整体进行研究，且主要针对某一单一电气量分析，对系统稳定性分析不够准确和可靠，本发明考虑风电机组之间的交互作用对系统稳定性的影响，提出了一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法及系统，通过采集各风电机组端口的数据，得到直驱风电场的场网交互能量变化率，进而对系统稳定性进行评估，能够快速得到系统的稳定状态，实现对系统振荡的预警，保证系统安全稳定的运行。
[0073]
实施例1
[0074]
本发明的一个具体实施例，公开了一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0075]
步骤s1、采集直驱风电场中各风电机组端口的初始振荡电流瞬时值变化量；并以为采集周期采集各风电机组端口的电压瞬时值变化量；其中，ω表示系统振荡频率。
[0076]
步骤s2、根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率。
[0077]
步骤s3、基于当前采集周期的所述场网交互能量变化率评估所述直驱风电场的稳定性状态。
[0078]
需要说明的是，根据lyapunov第二稳定性原理可知，一个自由动态系统的总能量大于零，且总能量对时间的导数，即其对时间的变化率，恒小于0，则系统总能量不断减少，趋于最小值，最终呈现稳定状态。因此，可通过分析直驱风场场网交互能量的变化率来判别系统的稳定性。当场网交互能量不断减小，即场网交互能量变化率恒小于0时，其呈现正阻
尼特性，直驱风场在次/超同步振荡中吸收动态能量，系统振荡逐渐收敛且趋于稳定；反之，当场网交互动态能量不断增加，即场网交互动态能量变化率恒大于0时，其呈现负阻尼特性，直驱风场在振荡过程中持续发出动态能量，系统逐渐失稳。
[0079]
与现有技术相比，本实施例提供的一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法，通过直驱风电场的场网交互能量变化率，实现系统的稳定性判断，能够快速得到系统的稳定状态，实现对系统振荡的预警，保证系统安全稳定的运行；通过考虑风电机组之间相互作用对系统振荡的影响，对系统稳定性评估更加准确；还通过构建场网交互能量变化率降低计算量，提高计算精度，保证系统的可靠运行。
[0080]
具体地，步骤s1中，通过装设在直驱风电场中各台风电机组端口上的相角监测装置(phasor measurement unit，pmu)采集初始振荡电流瞬时值变化量，并以主导振荡模态周期，即为采集周期，采集各个采集周期每台风电机组端口电压的瞬时值变化量，从全时域频段在线量化评估直驱风电场次/超同步振荡稳定水平，实现系统运行状态的实时监测与动态追踪，提高了系统稳定性判别的效率与准确度。
[0081]
实施时，步骤s2中，所述根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率，包括：
[0082]
步骤s21、根据采集的数据，得到每一采集周期的各风电机组的扰动交互能量、自身耦合交互能量和机间交互能量，进而得到每一采集周期的场网交互能量；
[0083]
步骤s22、基于每一采集周期的场网交互能量，得到当前采集周期所述直驱风电场的总场网交互能量；
[0084]
步骤s23、基于当前采集周期所述总场网交互能量，得到所述直驱风电场的场网交互能量变化率。
[0085]
具体实施时，步骤s23中，所述当前采集周期的场网交互能量变化率表示为：
[0086][0087]
式中，δw
farm
为直驱风电场在当前采集周期的总场网交互能量。
[0088]
具体地，所述直驱风电场在当前采集周期的总场网交互能量δw
farm
表示为：
[0089][0090]
式中，为第m个采集周期的场网交互能量，m为直驱风电场从初始采集周期到当前采集周期的采集周期个数，其中，m≥1。
[0091]
具体地，所述第m个采集周期的场网交互能量表示为：
[0092][0093]
其中，
[0094][0095][0096]
式中，δw
ok(m)
、δw
rk(m)
、δw
ek(m)
分别为在第m个采集周期第k条支路的风电机组的扰动交互能量、自身耦合交互能量和机间交互能量，n为直驱风电场中的总支路数量，m
rk(n+1)
为第k条支路与电网间的交互系数，l
n+1
为交流电网侧的线路电感，l
rk
为第k条支路的等效电感，lk、lj分别为第k条支路、第j条支路的线路电感。应当注意的是，直驱风电场中支路是每台风电机组的并网线路，风电机组与支路一一对应，n≥1。
[0097]
具体地，所述在第m个采集周期第k条支路的风电机组的扰动交互能量δw
ok(m)
表示为：
[0098][0099]
所述在第m个采集周期第k条支路的风电机组的自身耦合交互能量δw
rk(m)
表示为：
[0100][0101]
所述在第m个采集周期第k条支路的风电机组的机间交互能量δw
ek(m)
表示为：
[0102][0103]
其中，
[0104][0105][0106]
[0107][0108]
式中，m
rj(n+1)
为第j条支路与电网间的交互系数，m
rk
为第k条支路的自发感应系数；l
rj
为第j条支路的等效电感；ws为dq轴电流振荡频率，w2为电网同步角频率；k
+
为dq坐标系下超频电流在初始振荡电流的比例，满足0≤k
+
≤1；i
pk+
、为第k条支路的风电机组的端口初始振荡电流的超同步幅值和相角，λ为衰减系数，w-、w
+
分别为次、超同步电流的振荡频率，δi
rk
为第k条支路的风电机组端口的初始振荡电流瞬时值；δi
rdk(0)
、δi
rqk(0)
分别为第k条支路上风电机组端口的初始d、q轴瞬时电流变化量，δu
rdk(m)
、δu
rqk(m)
分别为第m个采集周期时k条支路上风电机组端口的d、q轴瞬时电压变化量，δu
rdk(1)
、δu
rqk(1)
分别为初始采集周期时第k条支路上风电机组端口的d、q轴瞬时电压变化量，δu
rdj(m)
、δu
rqj(m)
分别为第m个采集周期时第j条支路上风电机组端口的d、q轴瞬时电压变化量。
[0109]
需要说明的是，直驱风电场中第k条支路上的风电机组的端口初始振荡电流δi
rk
表示为：
[0110][0111]
式中，i
pk-、i
pk+
、和分别为第k条支路上的风电机组端口初始振荡电流的次、超同步幅值和相角，λ为衰减系数，w-、w
+
分别为次、超同步电流的振荡频率。
[0112]
经过park变换后，得到第k台风电机组端口的初始振荡电流的d、q轴分量δi
rdk
、δi
rqk
：
[0113][0114]
式中，ws为dq轴电流振荡频率，即ws＝w
+-w2＝w
2-w-，w2为电网同步角频率。
[0115]
实施时，步骤s3中，所述基于当前采集周期的所述场网交互能量变化率评估所述直驱风电场的稳定性状态：
[0116]
当时，直驱风电场中对系统振荡呈正阻尼作用，系统处于稳定状态，且值越小，系统越稳定；
[0117]
当时，直驱风电场中对系统振荡无阻尼作用，系统处于临界稳定状态；
[0118]
当时，直驱风电场中对系统振荡呈负阻尼作用，系统不稳定，且值越小，系统越不稳定。可以理解的，根据场网交互能量变化率的正负性作为稳定性判别指标，准确量化了系统稳定状态，给出稳定性水平评判结果，实现了振荡风险预警，保证了电网的稳定安全运行。
[0119]
可以理解的是，本实施例的稳定性评估方法，以为采集周期，每一个采集周期均会计算直驱风电场中各风电机组的扰动交互能量、自身耦合交互能量和机间交互能量；在进行稳定性评估时，可以在每一采集周期根据该周期之前采集周期的数据计算该采集周期系统的稳定性，直至系统回归到稳定状态。
[0120]
实施例2
[0121]
本发明的一个具体实施例2，提供了一种考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估系统，包括：
[0122]
数据采集模块，用于采集直驱风电场中各风电机组端口的初始振荡电流瞬时值变化量；并以为采集周期采集各风电机组端口的电压瞬时值变化量；其中，ω表示系统振荡频率
[0123]
场网交互能量变化率计算模块，用于根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率；
[0124]
系统稳定评估模块，用于基于当前采集周期的所述场网交互能量变化率评估所述直驱风电场的稳定性状态。
[0125]
进一步地，所述根据采集的数据，计算当前采集周期所述直驱风电场的场网交互能量变化率，包括：
[0126]
根据采集的数据，得到每一采集周期的各风电机组的扰动交互能量、自身耦合交互能量和机间交互能量，进而得到每一采集周期的场网交互能量；
[0127]
基于每一采集周期的场网交互能量，得到当前采集周期所述直驱风电场的总场网交互能量；
[0128]
基于当前采集周期所述总场网交互能量，得到所述直驱风电场的场网交互能量变化率。
[0129]
进一步地，所述当前采集周期的场网交互能量变化率表示为：
[0130][0131]
式中，δw
farm
为直驱风电场在当前采集周期的总场网交互能量。
[0132]
本发明实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可，本实施例在此不再赘述。
[0133]
由于本实施例与上述方法实施例原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。
[0134]
实施例3
[0135]
为验证本发明实施例1和实施例2提供的考虑机间交互的直驱风电场稳定性评估方法及系统的正确性，本实施例对上述实施例中的方案进行试验验证。本实施例中搭建了4机风电场并网系统，系统仿真结构图如图2所示，在rt-lab平台搭建仿真模型，表1给出了直驱风电场的主要参数。
[0136]
表1给出了直驱风电场的主要参数
[0137][0138]
考虑本发明的适用性，本实施例中根据不同类型的扰动，使系统产生不同的振荡场景，分别设置自发振荡、强迫次频振荡以及强迫超频振荡三种场景。本文分别在不同场景下对直驱风电场能量变化情况进行分析并验证不同影响因素对其稳定性的影响规律。
[0139]
场景1：t＝4s时在风机1和风机2的电流内环设置扰动，导致风电场自发振荡；
[0140]
场景2：t＝4s时在交流电网侧投入20hz的次频振荡源，引发风电场次频强迫振荡；
[0141]
场景3：t＝4s在交流电网侧投入80hz的超频振荡源，引发风电场超频强迫振荡。
[0142]
由图3～6可知，在风电场自发振荡过程中，直驱风机pmsg1至pmsg4的扰动能量、耦合能量和机间交互能量及其变化率均为正，风电场内各设备的扰动能量、耦合能量和交互能量呈现负阻尼特性，但考虑到耦合能量幅值较小，对风电场整体稳定水平影响较小，可忽略不计。由于风电场内扰动能量大于设备间的交互能量，使得风电场场网交互能量呈现负阻尼特性，风电场对外发出能量。由此说明，在风电场自发振荡过程中，直驱风机间的交互作用，助增场网交互能量，不利于风电场的稳定水平。
[0143]
由图7～10可知，在风电场次频振荡过程中，直驱风机pmsg1至pmsg4的扰动能量和机间交互能量及其变化率均为负，风电场内各设备的扰动能量和交互能量呈现正阻尼特性，各设备的耦合能量变化率均为正，其呈现负阻尼特性，与扰动能量相比，耦合能量幅值较小，可忽略不计。由于风电场内扰动能量大于设备间的交互能量，使得风电场场网交互能量呈现正阻尼特性，风电场对外吸收能量。由此说明，在风电场次频振荡过程中，机间的交互作用有益于风电场的稳定水平。
[0144]
由图11～14可知，在风电场超频振荡过程中，各设备能量与次频振荡风电场各部分能量特性相反，风电场场网交互能量呈现负阻尼特性，风电场对外发出能量。
[0145]
综上，通过与本发明实施例计算得到的场网交互能量变化率对比得知，利用本发明计算的场网交互能量变化率能够对系统的稳定性进行评估且满足精度要求，根据其正负
与大小能够可靠的评估系统稳定性。
[0146]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
[0147]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。