[发明专利]计及频率耦合效应的双馈并网系统次同步振荡分析方法

权利要求书

1.计及频率耦合效应的双馈并网系统次同步振荡分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：输入双馈风机参数；

获取以下双馈并网系统的参数，包括：风机并网电压V₁、锁相环PI参数K_pp，K_pi、转子侧变流器电流内环PI参数K_p，K_i，消除dq轴耦合的前馈常数K_d、风机运行转轴频率ω_r、输电系统电阻R_L、电感L_L、变压器电感L_T、串联补偿电容C_L；步骤2：建立双馈式风机外阻抗解析模型；

基于谐波线性化方法建立双馈式风机外阻抗解析模型，根据步骤1中获取的风机运行转轴频率ω_r判断风机为次同步运行状态或者超同步运行状态；

步骤3：计算双馈系统次同步振荡频率耦合分量；

步骤4：结合并网参数推导目标系统对应的极点判据方程；

根据步骤2推导的双馈风机外阻抗解析表达式和步骤1获取的并网参数，推导出目标系统对应的具体极点判据方程F(s)；

步骤5：根据极点判断双馈并网系统次同步振荡稳定性；

由步骤4推导的系统极点判据方程计算出系统极点进而定量判断系统次同步振荡稳定性:计算出目标系统的极点，根据稳定性理论，极点虚部代表可能的振荡角频率，实部代表对应的系统阻尼；因为方程阶数高，可能会计算出多个极点，进行筛选时需要剔除对应频率在工频附近的极点；

根据极点虚部即可计算出系统可能的振荡频率，若极点实部小于零，为正阻尼，系统稳定；实部大于零，为负阻尼，系统有发生次同步振荡的风险；同时，根据实部绝对值的大小，可以定量评估系统次同步振荡的风险程度。

2.根据权利要求1所述的计及频率耦合效应的双馈并网系统次同步振荡分析方法，其特征在于，所述的步骤2具体为：

当电网电压存在扰动时，仅考虑正序扰动，设A相电压为：

v_sa(t)＝V₁cos(ω₁t+θ_v)+V_pcos(ω_pt+θ_vp)(1)

式中，V₁、V_p分别为工频和扰动电压幅值；ω₁、ω_p分别为工频和扰动电压频率；θ_v、θ_vp分别为工频和扰动电压相位；

其频域表达式为：基波分量正序扰动电压

由于频率耦合效应，派克变换中会存在f_p和频率2f₁-f_p的误差：

式中：θ_PLL为锁相环输出角度，H_PLL(s)＝(K_pp+K_pi/s)/s，K_pp，K_pi分别为锁相环比例和积分常数；

当电网侧电压存在f_p谐波时，风机并网点电流会同时存在f_p和2f₁-f_p频率的谐波电流，设对应的转子电流时域表达式为：

i_ra(t)＝I_r1cos[(ω₁-ω_m)t+θ_i]+I_rpcos[(ω_p-ω_m)t+θ_rp]+I_rp2cos[(2ω₁-ω_p-ω_m)t+θ_rp2](3)

式中，I_r1、I_rp、I_rp2分别为转子基频以及扰动电流和对应的耦合频率电流幅值；θ_i、θ_rp、θ_rp2分别为三者的初相；ω_m为转轴转速；

将式(3)与式(2)卷积，忽略二次小项可得经派克变换后的dq轴转子电流I_rd、I_rq频域表达式：

根据双馈风机转子侧变流器内环控制策略，电流扰动会在转子dq轴参考电压U_rd,ref、U_rq,ref上造成如下扰动：

式中：H_r(s)＝K_p+K_i/s，其中K_p，K_i分别为电流内环的比例和积分常数；K_d为为消除dq轴耦合的前馈常数；

分析式(5)中的频率分量可知，其含有直流分量和±(f_p-f₁)频率分量V_rd,ref[f_p-f₁]、V_rq,ref[f_p-f₁]；考虑到稳态工作点下，dq轴电流的直流分量U_rd、U_rq与其参考值V_rd,ref[dc]、V_rq,ref[dc]相等，则这两个分量表达式分别为：

三相电压参考值由dq轴电压参考值经坐标反变换后得到，利用卷积可得SPWM输入A相参考电压V_ra,ref频域表达式为：

忽略电力电子器件开关动态误差，可认为双馈风机转子输出电压等于参考电压，即：

根据双馈风机电路结构，依据电路定律结合电机感应关系可得出定子电压、输出电流及转子电压三者之间满足

式中，R_s、R_r、L_s、L_r分别为双馈风机定子转子电阻、低昂转子电感；k为定转子匝数比；σ_p(s)为对应的转差率；i_sa、i_sb、i_sc分别为定子三相电流；

考虑到定子电压中只含有f_p谐波电压分量，将上式中重写为只含有f_p分量的频域表达式：

1)当双馈风机定子侧的扰动电压感应至转子绕组时，当f_pf_m时，在转子绕组中感应的扰动电压相序为负序；2)双馈风机转子侧锁相环输出角度为θ₁-θ_m，因此对于不同运行状态，风机表现出的外阻抗特性不同；

联立式(8)和式(12)，考虑到双馈风机的外阻抗为Z_p＝-V_p/I_p，则可以推导出次同步频段内双馈风机的外阻抗Z_p1、Z_p2表达式；

对于次同步运行状态(θ₁＞θ_m)：

对于超同步运行状态(θ₁＜θ_m)：

当θ₁＝θ_m时，式(13)和式(14)相等；与转子侧变流器相比，网侧变流器对风机的次同步谐波阻抗几乎无影响，因而此处不考虑网侧变流器。