计及风电机组调频死区的风水火系统稳定性分析方法

本发明涉及一种计及风电机组调频死区的风水火系统稳定性分析方法，属于新能源发电领域。

背景技术：

1、随着风电新能源电站并网运行，电力系统的一次调频能力逐渐降低。究其原因是双馈风机主要通过电力电子设备并网，其无法像传统火电机组一样感知并响应系统频率的变化。高比例双馈风机接入受端电网后对调频关键参数产生影响，从而导致系统频率响应特性发生变化，系统频率稳定性下降，因此在研究频率响应特性的同时，往往考虑调频关键参数的选择和大小是否合理，与调频相关的参数包括：惯性时间常数，调频死区大小、调差系数和一些调频控制参数；惯性时间常数代表系统能否快速响应系统频率变化，双馈风机的加入使整个系统的惯性响应发生了明显的变化，因此惯性也是研究中重要的一环，对于调频死区和调差系数，其数值大小能够避免机组频繁动作，进一步提高系统各机组的稳定性。现有研究中较多关注双馈风机机组或场站自身的调频控制问题，忽略了新能源调频中非线性死区环节对系统频率安全的影响；新能源调频性能主要受死区非线性环节的影响，而死区环节对调频效果的影响无法避免；现有非线性环节中，大多以仿真软件分析非线性死区环节对调频特性的影响，均未从理论上分析死区的非线性影响。

2、因此有必要深入研究计及非线性死区环节的新能源双馈风机调频控制特性，基于复杂的风水火系统的频率响应模型，考虑计及非线性死区环节对系统稳定性的影响，在频率响应特性上主要分析非线性死区环节和调频参数对调频效果的影响，为进一步研究非线性系统的频率响应效果提供基础。

技术实现思路

1、本发明提供了一种计及风电机组调频死区的风水火系统稳定性分析方法及系统，一方面基于复杂的风水火系统的频率响应模型，考虑计及非线性死区环节对系统稳定性的影响；另一方面，在频率响应特性上主要分析非线性死区环节和调频关键参数对调频效果的影响。

2、本发明的技术方案是：

3、根据本发明的一方面，提供了一种计及风电机组调频死区的风水火系统稳定性分析方法，包括：依据水轮机调速器-原动机控制模型，写出复频域下水轮机简化传递函数；依据火电机调速器-原动机控制模型，写出复频域下火电机简化传递函数；依据双馈风机频率控制模型，写出复频域下双馈风机简化传递函数；依据不同类型死区的输入-输出关系，分别写出不同类型死区的描述函数；依据风水火系统频率响应模型，获取非线性风水火系统典型结构模型；对非线性风水火系统典型结构模型进行稳定性分析。

4、还包括依据风水火系统频率响应模型，推导出最大频率偏差、稳态频率偏差，用于调频效果分析。

5、所述最大频率偏差表达式如下：

6、；其中，表示复频域下的负荷频率变化；为惯性常数。

7、所述稳态频率偏差表达式如下：

8、；其中，表示复频域下的负荷频率变化； d为阻尼常数， r r为火电机组调差系数， k m为机械功率因数， n( a)为非线性死区环节描述函数， k pf为下垂控制系数， k β为变桨系数。

9、所述依据水轮机调速器-原动机控制模型，写出复频域下水轮机简化传递函数如下：

10、；其中，；；；； s为拉氏因子，为水轮机调速器响应时间，为引导阀门时间常数，为水锤效应时间常数， r h为水轮机调差系数，为软反馈环节系数，为软反馈时间常数， k h( s)、 g h( s)、 g( s)、 h h( s)为助记符。

11、所述依据火电机调速器-原动机控制模型，写出复频域下火电机简化传递函数如下：

12、其中，rr为火电机组调差系数，是原动机高压缸做功系数，是再热时间常数，是机械功率因数， s为拉氏因子。

13、所述依据双馈风机频率控制模型，写出复频域下双馈风机简化传递函数如下：

14、；其中，，；为惯性控制系数，为下垂控制响应时间常数，为桨距角控制响应时间常数，为下垂控制系数，为惯性控制响应时间常数，为变桨系数， s为拉氏因子， w a1、 w a2、 w a3、 w a4、 w b1、 w b2、 w b3为助记符。

15、所述依据不同类型死区的输入-输出关系，分别写出不同类型死区的描述函数如下：

16、；其中，为死区的大小；为普通型死区的描述函数；为增强型死区的描述函数； k为线性部分的斜率； a为输入正弦信号的幅值； h为增强型死区的幅值增益。

17、所述依据风水火系统频率响应模型，确定非线性风水火系统典型结构模型，包括：依据风水火系统频率响应模型图，转化为单回路非线性风水火系统频率响应模型，接着简化为非线性风水火系统典型结构模型；其中，非线性风水火系统典型结构模型如下：

18、；其中，；表示复频域下的频率偏差，表示复频域下的负荷频率变化；为计及非线性死区环节的非线性风水火系统；为非线性死区环节的描述函数，当非线性死区环节类型为普通型死区时，采用普通型死区描述函数，当非线性死区环节类型为增强型死区时，采用增强型死区描述函数；表示未计及非线性死区环节的线性风水火系统，表示发电机等值模型传递函数；为复频域下双馈风机简化传递函数；为复频域下水轮机简化传递函数；为复频域下火电机组简化传递函数；为惯性常数； d为阻尼常数， s为拉氏因子；

19、由，得到闭环系统的特征方程为：。

20、根据本发明的另一方面，提供了一种计及风电机组调频死区的风水火系统稳定性分析系统，包括：用于依据水轮机调速器-原动机控制模型，写出复频域下水轮机简化传递函数的模块；用于依据火电机调速器-原动机控制模型，写出复频域下火电机简化传递函数的模块；用于依据双馈风机频率控制模型，写出复频域下双馈风机简化传递函数的模块；用于依据不同类型死区的输入-输出关系，分别写出不同类型死区的描述函数的模块；用于依据风水火系统频率响应模型，获取非线性风水火系统典型结构模型的模块；用于对非线性风水火系统典型结构模型进行稳定性分析的模块。

21、本发明的有益效果是：

22、1、本发明只需建立计及死区非线性环节的双馈风机频率控制模型，火电机组原动机-调速器和水轮机原动机-调速器模型等多调速器系统频率模型，并将多调速系统频率模型化简为非线性风水火系统典型结构模型，即可用于分析计及死区的多调速器系统稳定性；

23、2、本发明能根据系统频率响应模型计算频率响应指标，依此评价指标分析非线性环节与调频关键参数对调频效果的影响；该方法计及死区非线性环节的影响，准确描述了系统频率响应模型，可以精确快速计算扰动发生后最大频率偏差、稳态频率偏差等信息；对非线性系统的研究具有良好的应用意义。