[发明专利]风力发电机并网产生次同步振荡的分析方法

摘要

本发明提供了一种风力发电机并网产生次同步振荡的分析方法，其包括以下步骤：建立风力发电机经串联补偿电容接入无穷大电力系统的线性化系统模型；求取线性化系统模型的静态稳定点；根据静态稳定点求取线性化系统模型的系数矩阵的特征根及左、右特征向量；根据特征根求取所述线性化系统模型的各次振荡频率，并根据左、右特征向量求取线性化系统模型中与各次振荡频率的振荡模态强相关的状态变量；改变状态变量的参数值，获得各次振荡频率随其对应状态变量的参数值变化下的变化状态。本发明实现了对风力发电机并网产生的次同步振荡进行定量分析，从而有利于对风力发电机并网产生的次同步振荡进行有效的监控和应对。

主权项

1.一种风力发电机并网产生次同步振荡的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：建立风力发电机经串联补偿电容接入无穷大电力系统的线性化系统模型；求取所述线性化系统模型的静态稳定点；根据所述静态稳定点求取所述线性化系统模型的系数矩阵的特征根及左、右特征向量；根据所述特征根求取所述线性化系统模型的各次振荡频率，并根据所述左、右特征向量求取所述线性化系统模型中与所述各次振荡频率的振荡模态强相关的状态变量；改变所述状态变量的参数值，获得所述各次振荡频率随其对应状态变量的参数值变化下的变化状态；其中，所述线性化系统模型包括线性化的：风力发电机的叶片、齿轮箱和转子的三质量块轴系模型；风力发电机的五阶暂态模型；风力发电机的变频器转子侧控制系统模型；风力发电机的直流侧电压模型；风力发电机的变频器定子侧控制系统模型；平波电抗器及变压器的电磁暂态模型；含有串联补偿电容的RLC输电线路的电磁暂态模型；无穷大电网模型；其中，所述风力发电机的叶片、齿轮箱和转子的三质量块轴系模型为：式中，为发电机的三质量块轴系状态方程，X_M为三质量块轴系方程的状态变量，且X_M＝[Δθ₁ Δθ₂ Δθ₃ Δω₁ Δω₂ Δω₃]，其中，Δθ₁ Δθ₂ Δθ₃分别为叶片、齿轮箱和转子的机械旋转角微变量，Δω₁ Δω₂ Δω₃分别为叶片、齿轮箱和转子的机械角速度微变量；uM＝[ΔTw ΔTe]T；其中，AM为XM的系数矩阵，uM为三质量块轴系方程的输入量，BM为uM的系数矩阵，M1,M2,M3分别为叶片、齿轮箱和转子的转动惯量，D1,D2,D3分别为叶片、齿轮箱和转子的自阻尼系数，D12,D23分别为叶片和齿轮箱之间、齿轮箱和转子之间的互阻尼系数，ΔTw,ΔTe分别为叶片的风力扰动力矩微变量、转子的电磁转矩微变量，H1,H2,H3分别为叶片、齿轮箱和转子的惯性常数，k12,k23分别为叶片和齿轮箱之间、齿轮箱和转子之间的轴系刚度的标幺值，ωb为系统转速的基准值；所述风力发电机的五阶暂态模型为：式中，为发电机的五阶暂态状态方程，X_G为五阶暂态的状态变量，A_G为X_G的系数矩阵，u_G为五阶暂态的输入量，B_G为u_G的系数矩阵，并且，XG＝[Δψqs Δψds Δψqr Δψdr]TuG＝[Δuqs Δuds Δuqr Δudr Δωr]T其中，Δuqs、Δuds分别为定子电压q、d轴分量变化量，Δuqr、Δudr分别为转子电压q、d轴分量变化量，Δψqs、Δψds分别为定子磁链q、d轴分量变化量，Δψqr、Δψdr分别为转子磁链q、d轴分量变化量，ωs为定子磁场速度，ωb为系统转速的基准值，Δωr为转子转速增量，Rs、Rr分别为定子电阻和转子电阻，Xs、Xr分别为定子漏电抗和转子漏电抗，Xm为励磁电抗，s为电机转差率，ψqr0、ψdr0为分别为定子磁链q、d轴分量的初始值，s0为电机转差率的初始值，D为阻尼系数，D＝XsXr+(Xs+Xr)/Xm，Xrr为转子绕组等效电抗，且Xrr＝Xr+Xm，Xss为定子绕组等效电抗，且Xss＝Xs+Xm；所述风力发电机的变频器转子侧控制系统模型：式中，分别为第1至第4中间状态变量变化量，ΔP_s、ΔQ_s分别为定子有功、无功功率变化量，ΔP_{s_ref}，ΔQ_{s_ref}分别为定子有功、无功功率的参考值变化量，K_p1、K_p2、K_p3分别为第1至第3功率控制参数，K_i1、K_i2、K_i3分别为第1至第3电流控制参数，分别为转子电压的d、q轴分量变化量，分别为定子电压的d、q轴分量变化量，分别为转子电压的d、q轴分量的初始值，分别为定子电压的d、q轴分量的初始值，分别为转子电流的d、q轴分量变化量，分别为定子电流的d、q轴分量变化量，分别为转子电流的d、q轴分量的初始值，分别为定子电流的d、q轴分量的初始值，X_m为励磁电抗，Δs为电机转差率变化量，X_rr为转子绕组等效电抗，且X_rr＝X_r+X_m，X_r为转子漏电抗；所述风力发电机的直流侧电压模型为：式中，ΔPg和ΔPr表达式为ΔPg＝idg0Δudg+udg0Δidg+iqg0Δuqg+uqg0ΔiqgΔPr＝idr0Δudr+udr0Δidr+iqr0Δuqr+uqr0Δiqr其中，为直流电容上的电压变化量，Δu_dg、Δu_qg分别为电网侧变频器d、q轴电压分量变化量，Δi_dg、Δi_qg分别为电网侧变频器d、q轴电流分量变化量，C为直流环节电容值，u_dg0、u_qg0分别为电网侧变频器d、q轴电压分量的初始值，i_dg0、i_qg0分别为电网侧变频器d、q轴电流分量的初始值，ΔP_g、ΔP_r分别为定子侧和定子侧有功功率变化量，ω_b为系统转速的基准值，直流电容上的电压初始值；所述风力发电机的变频器定子侧控制系统模型为：Δudg＝Kpg[Kpdg(ΔVDC_ref‑ΔVDC)+KidgΔx5‑idg]+KigΔx6Δuqg＝Kpg(Δiqg_ref‑Δiqg)+KigΔx7其中，是第5至第7中间状态变量，K_pdg为网侧变流器电压环比例系数，K_idg为网侧变流器电压环积分系数，K_pg为网侧变流器电流环比例系数K_ig为网侧变流器电流环积分系数，ΔV_DC为直流电压的变化量，ΔV_{DC_ref}为直流电压的参考值的变化量，Δi_dg、Δi_qg分别为电网侧电流d、q轴分量的变化量，Δi_{dg_ref}、Δi_{qg_ref}分别为电网侧电流d、q轴分量的参考值的变化量；所述平波电抗器及变压器的电磁暂态模型为：式中，XRL＝[Δidg Δiqg]T，URL＝[Δuds Δuqs]T其中为平波电抗器及变压器的电磁暂态的状态方程，X_RL为平波电抗器及变压器的电磁暂态的状态变量，u_RL为平波电抗器及变压器的电磁暂态的输入量，A_RL为X_RL的系数矩阵，B_RL为u_RL的系数矩阵，X₁、R₁为平波电抗器和变压器的电抗和电阻，Δu_ds,Δu_qs分别为机端电压d、q轴分量变化量，Δi_dg,Δi_qg为电网侧变流器电流的d、q轴分量的变化量，Δu_ds、Δu_qs分别为定子电压的d、q轴分量变化量，ω_b为系统转速的基准值；所述含有串联补偿电容的RLC输电线路的电磁暂态模型为：式中，XRLC＝[Δid Δiq Δucd Δucq]TYRLC＝[Δid Δiq]TuRLC＝[Δuds Δuqs Δudg Δuqg]T其中，为串联补偿电容的RLC输电线路的电磁暂态的状态方程，X_RLC为串联补偿电容的RLC输电线路的电磁暂态的状态变量，u_RLC为串联补偿电容的RLC输电线路的电磁暂态的输入量，A_RLC为X_RLC的系数矩阵，B_RLC为u_RLC的系数矩阵，Δi_d,Δi_q为串联线路电流d、q轴分量的变化量，Δu_cd,Δu_cq为串联电容两端电压d、q轴分量的变化量，Δu_dg、Δu_qg分别为无穷大电源电压d、q轴分量的变化量，且Δu_dg＝Δu_qg＝0，R₂,X₂为串联线路的电阻和电抗，x_c为串联电容的电抗，ω_b为系统转速的基准值，Y_RLC为串联补偿电容的RLC输电线路的输出量；所述根据所述特征根求取所述线性化系统模型的各次振荡频率，具体为：设特征根为λ＝σ+jω，振荡频率为则表示振荡模态衰减速度的阻尼比为根据上述特征根和振荡频率之间的关系，求得不同特征根对应的振荡频率；其中，σ为特征根的实部，ω为特征根的虚部；所述根据所述左、右特征向量求取所述线性化系统模型中与所述各次振荡频率的振荡模态强相关的状态变量，具体为：根据公式计算求取所述线性化系统模型中与所述各次振荡频率的振荡模态强相关的状态变量；其中，Pi为第i个模态的参与矩阵，Pi的元素Pni表示在第i个模态中第n个状态变量的参与程度，Uni,Vni分别为系数矩阵关于特征值λi的左、右特征向量。