一种双馈风机并网系统动态能量稳定性评估方法及系统与流程

本发明涉及风力发电系统技术领域，尤其涉及一种双馈风机并网系统动态能量稳定性评估方法及系统。

背景技术：

近年来，随着风机接入容量迅速增加，现代电网的动态特征发生改变，新型的次同步振荡问题凸显。2009年10月美国德克萨斯州一个双馈风电场发生振荡事故，导致了大量机组脱网。经过分析，造成该事故的原因是双馈风力发电机的机侧换流器与输电线路上的串联补偿之间发生了相互助增的振荡，该振荡类型为首次出现。近年来，我国也发生过多起类似的次同步振荡事故，其中包括河北沽源次同步振荡以及新疆7.1次同步振荡事件。由于风电机组类型众多，且其接入电网的运行方式各异，表现出不同的振荡特性，极易引发系统稳定性破坏。因此，亟需对风电场并网系统的稳定性评估进行深入研究。

现有研究主要从次同步振荡类型、次同步振荡参与设备或控制以及次同步振荡特性等不同角度建立数学模型并对系统稳定性进行评估，但不同振荡类型其对应机理各不相同，且稳定性分析方法尚未形成统一解释，因此有必要进一步探究风机并网次同步振荡稳定性评估方法。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种双馈风机并网系统动态能量稳定性评估方法及系统，用以解决现有风电机组并网系统稳定性评估准确性低问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种双馈风机并网系统动态能量稳定性评估方法，包括以下步骤：

当双馈风机并网系统发生次同步振荡时，采集风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值；

基于所述风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值，获得所述双馈风机并网系统的动态能量；

采集整数周期的双馈风机并网系统的动态能量，从中提取非周期分量；

若所述非周期分量的变化率为正，则所述双馈风机并网系统为负阻尼特性，振荡发散；反之，双馈风机并网系统为正阻尼特性，振荡收敛。

在上述方案的基础上，本发明还做出了以下改进：

进一步，通过以下方式检测双馈风机并网系统是否发生次同步振荡：实时采集风机并网点处的电流，若所述风机并网点处的电流频率处于次同步振荡频率范围内，则判定双馈风机并网系统发生次同步振荡。

进一步，所述次同步振荡频率范围为2.5-50hz。

进一步，所述基于所述风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值，获得所述双馈风机并网系统的动态能量，包括：

对所述风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值进行dq坐标变换，并根据以下公式计算双馈风机并网系统的动态能量：

w＝∫isddusq-∫isqdusd+∫icdducq-∫icqducd(1)

其中，usd、usq分别表示双馈风机并网点电压的d轴、q轴分量，isd、isq分别表示双馈风机并网点电流的d轴、q轴分量，ucd、ucq分别表示串联补偿处电压的d轴、q轴分量，icd、icq分别表示串联补偿处电流的d轴、q轴分量。

进一步，利用prony算法从动态能量中提取非周期分量。

本发明还公开了一种双馈风机并网系统动态能量稳定性评估系统，包括：

数据采集模块，用于当双馈风机并网系统发生次同步振荡时，采集风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值；

动态能量获取模块，用于基于所述数据采集模块输出的风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值，获得所述双馈风机并网系统的动态能量；

非周期分量提取模块，用于采集整数周期的双馈风机并网系统的动态能量，从中提取非周期分量；

稳定性评估模块，用于分析所述非周期分量的变化率，若为正，则所述双馈风机并网系统为负阻尼特性，振荡发散；反之，则双馈风机并网系统为正阻尼特性，振荡收敛。

在上述方案的基础上，还做出了如下改进：

进一步，在数据采集模块中，通过执行以下操作检测双馈风机并网系统是否发生次同步振荡：实时采集风机并网点处的电流，若所述风机并网点处的电流频率处于次同步振荡频率范围内，则判定双馈风机并网系统发生次同步振荡。

进一步，所述次同步振荡频率范围为2.5-50hz。

进一步，在所述动态能量获取模块中，执行以下操作得到双馈风机并网系统的动态能量：

对所述风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值进行dq坐标变换，并根据以下公式计算双馈风机并网系统的动态能量：

w＝∫isddusq-∫isqdusd+∫icdducq-∫icqducd(2)

其中，usd、usq分别表示双馈风机并网点电压的d轴、q轴分量，isd、isq分别表示双馈风机并网点电流的d轴、q轴分量，ucd、ucq分别表示串联补偿处的d轴、q轴分量，icd、icq分别表示串联补偿处电流的d轴、q轴分量。

进一步，在所述非周期分量提取模块中，利用prony算法从动态能量中提取非周期分量。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的双馈风机并网系统动态能量稳定性评估方法，从风机动态能量组成部分上对双馈风机并网系统进行稳定性评估，整个计算过程中计算量小，能够在线实时监测动态能量变化，为后续稳定判别提供基础数据支撑。通过分析振荡过程中风机动态能量非周期分量变化率正负能够快速评估风机的阻尼水平并判断振荡发展趋势：当变化率为正，风机对外呈现负阻尼特性时，振荡发散；反之，风机呈现正阻尼特性时，振荡逐渐收敛。本发明能够实现及时的振荡稳定预警，保障了电网的运行稳定性和安全性，整个调整过程更快捷、更高效、更科学。

时域仿真验证了所建立风机动态能量模型的正确性。该方法基于风机模型分析得到，准确度较高。本发明还通过具体举例验证了该方法的准确性。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、权利要求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

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。

图1为本发明实施例1中双馈风机并网系统动态能量稳定性评估方法流程图；

图2为本发明实施例2中等值风电场经串补并网系统模型图；

图3为本发明实施例2中振荡发散条件下的双馈风机出口有功功率；

图4为本发明实施例2中振荡发散条件下的双馈风机并网系统端口总能量及总的非周期分量能量曲线；

图5为本发明实施例2中振荡发散条件下的双馈风机总的非周期分量能量、串联补偿能量、风机能量曲线；

图6为本发明实施例2中等幅振荡条件下的双馈风机出口有功功率；

图7为本发明实施例2中等幅振荡条件下的双馈风机并网系统端口总能量及总的非周期分量能量曲线；

图8为本发明实施例2中等幅振荡条件下的双馈风机总的非周期分量能量、串联补偿能量、风机能量曲线；

图9为本发明实施例2中振荡收敛条件下的双馈风机出口有功功率；

图10为本发明实施例2中振荡收敛条件下的双馈风机并网系统端口总能量及总的非周期分量能量曲线；

图11为本发明实施例2中振荡收敛条件下的双馈风机总的非周期分量能量、串联补偿能量、风机能量曲线；

图12为本发明实施例3中双馈风机并网系统动态能量稳定性评估系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，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。

实施例1

本发明实施例1，公开了一种双馈风机并网系统动态能量稳定性评估方法，示意图如图1所示，步骤如下：

步骤s1：当双馈风机并网系统发生次同步振荡时，采集风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值；

优选地，在步骤s1中，通过以下方式检测双馈风机并网系统是否发生次同步振荡：实时采集风机并网点处的电流，若所述风机并网点处的电流频率处于次同步振荡频率范围内，则判定双馈风机并网系统发生次同步振荡；优选地，所述次同步振荡频率范围为2.5-50hz：

步骤s2：基于所述风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值，获得所述双馈风机并网系统的动态能量；

具体地，对所述风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值进行dq坐标变换，并根据以下公式计算双馈风机并网系统的动态能量：

w＝∫isddusq-∫isqdusd+∫icdducq-∫icqducd(1)

其中，usd、usq分别表示双馈风机并网点电压的d轴、q轴分量，isd、isq分别表示双馈风机并网点电流的d轴、q轴分量，ucd、ucq分别表示串联补偿处的d轴、q轴分量，icd、icq分别表示串联补偿处电流的d轴、q轴分量。

步骤s3：采集整数周期的双馈风机并网系统的动态能量，从中提取非周期分量；

优选地，可以利用prony算法从动态能量中提取非周期分量。下面对prony算法做简要说明：采用prony算法，将等间距的采样数据用指数函数的线性组合来描述，计算线性模型的特征根，由此确定指数函数的幅值、相位和频率。非周期分量即频率为0的指数函数，则通过计算每个时刻非周期分量的幅值即可提取出非周期分量。

步骤s4：若所述非周期分量的变化率为正，则所述双馈风机并网系统为负阻尼特性，振荡发散；反之，双馈风机并网系统为正阻尼特性，振荡收敛。

本实施例步骤s4的判断过程，是基于以下分析得到的：

双馈风机并网系统的动态能量由双馈风电机组的动态能量和串联补偿的动态能量组成。

一、在dq坐标系下构建双馈风电机组的动态能量模型，如下式所示。

式中，ig、ug表示双馈风机风机端口的电压、电流综合相量，θ为xy轴与dq轴的夹角，usd、usq表示双馈风机并网点电压d轴、q轴分量，isd、isq表示双馈风机并网点电流d轴、q轴分量，pe为双馈风机输出有功功率。由于∫pedθ项数值较小，其对风机动态能量函数影响不大，此处可以忽略不计。

当线路出现ω1的次同步扰动信号时，双馈风机输出a相电压、电流可表示为：

式中，us、is分别为风机并网点基频电压、电流有效值，分别为风机并网点基频电压、电流初相位，ω1-、ω1+分别为风机并网点次、超同步电压电流角频率，u1-、u1+、i1-、i1+分别为风机并网点次、超同步电压、电流幅值，分别为风机并网点次、超同步电压初相位；分别为风机并网点次、超同步电流初相位。将电压电流值进行坐标变换，得：

式中，由于次同步和超同步分量存在频率互补关系，可得ω＝ωs-ω1-＝ω1+-ωs。

将式(5)以及(6)代入式(2)中，计算风机动态能量，可得:

将式(7)展开并进一步化简，可得：

由公式(8)可知，该部分能量由周期分量及非周期分量组成。

同理将isq、usd代入式(2)中并进一步化简，可得：

将式(8)及公式(9)相加并化简，可得双馈风电机组的动态能量表达式：

二、在dq坐标系下构建串联补偿的动态能量模型，如下式所示。

∫im(ic^*duc)＝∫(icdducq-icqducd)(11)

式中，ic表示流过串联补偿处的电流综合相量，uc表示串联补偿处两端的电压综合相量，ucd、ucq分别为串联补偿处电压的d轴、q轴分量，icd、icq分别为串联补偿处电流的d轴、q轴分量。

由于串联关系，串补部分流过的电流和风机一样。同理，将串补电气量icd、icq、ucd、ucq代入式(11)中，其中串补电压用串补电流来表示c为串补电容的大小，可得串补次同步振荡过程中发出的次同步振荡能量如式(12)表示：

综上所示，式(10)和(12)共同构成次同步振荡扰动分量条件下双馈风机动态能量表达式：

分析公式(13)可知，次同步振荡扰动分量条件下双馈风机并网系统动态能量表达式可以分为周期分量(包含ωt的项)和非周期分量(不包含ωt的项)。周期分量在周期时间内积分为零，与风机内部暂态能量相关；非周期分量表示系统受扰后，周期时间内风机绕组消耗的次同步能量与串补发出的次同步能量之和，与积分时间相关，与传统能量定义类比，其表示功率对时间积分，即消耗的能量，故该项与阻尼特性对应。次同步振荡扰动分量条件下双馈风机并网系统的动态能量非周期分量可以表示为：

分析上式可知，由于次同步电流幅值大于超同步电流幅值，因此，当不考虑串联补偿时，上式结果为负值，即双馈风机为正阻尼特性。当发生次同步振荡时，若双馈风机经串补并网系统不断地向电网发出能量，则系统对次同步振荡的作用为负阻尼；相反，若双馈风机经串补并网系统不断地从电网吸收(即消耗)能量，则系统对次同步振荡的作用为正阻尼。

实施例2

在本发明的实施例2中，以如图2所示的等值风电场经串补并网模型为例，采用双馈风机单机并联等效模型模拟风电场，在matlab/simulink平台搭建仿真模型。风电场由100台完全相同的双馈风机并联组成，风机出口并联后经汇流母线向电网供电，每台风机的额定容量为1.5mw，并且按照额定出力运行，风机采用发电机惯例。通过改变双馈风机并网参数引发风机并网系统次同步振荡，以此验证风机动态能量。双馈风电机组参数如表1所示。

表1双馈风电机组参数

其中机侧换流器功率外环控制参数为kp1＝0.05，ki1＝20。电流内环控制参数为kp2＝0.6，ki2＝8。通过改变双馈风机并网参数模拟双馈风机并网系统受扰后产生的次同步振荡现象，设置三种振荡类型，即振荡发散、等幅振荡以及振荡收敛三种工况验证风机动态能量的准确性和可行性。

(1)振荡发散

在t＝2s时投入串联补偿并引发风电并网系统次同步振荡，在不考虑风机紧急控制及切机等控制的情况下，双馈风机并网系统出现次同步振荡现象且振荡处于发散趋势，风机出口的有功功率时域曲线如图3所示。

测量双馈风机并网端口、串补端口电流、电压瞬时值，按照实施例1中方式计算得到振荡发散条件下的双馈风机并网系统动态能量，即双馈风机并网系统端口总能量，能量变化曲线如图4所示。从图4可以看出，当双馈风机并网系统出现次同步振荡现象且振荡发散时，风机动态总能量为上升的振荡曲线；按照实施例1中方式可以提取到次同步振荡过程中双馈风机并网系统动态总能量非周期分量，如图4中对应的非周期分量风量所示。由图可得非周期分量与风机动态总能量变化趋势一致，且由于周期分量可视为等幅振荡，因此非周期分量决定总的动态能量的变化趋势。

图5中还示出了振荡发散条件下的双馈风机总的非周期分量能量、串联补偿能量、风机能量曲线。由图可知，当双馈风机并网系统出现次同步振荡现象且振荡发散时，风机并网系统串联补偿能量逐渐增大，且串联补偿能量幅值大于零，表示在该工况下串联补偿系统持续发出能量。而风机能量与串联补偿能量相比，变化幅度不大，且能量为负值，由此说明风机吸收能量。风机动态总能量为上升的振荡曲线，与串联补偿能量变化趋势一致。

对端口能量非周期分量进行拟合分析可得，非周期分量能量随时间逐渐增加，且其增加幅度逐渐增大。通过拟合曲线的求导可得非周期分量能量斜率为正且斜率逐渐增加，此时说明风机持续向电网注入次同步分量能量且单位时间内注入能量的幅值不断增加，由此可迅速判断双馈风机为负阻尼特性，为次同步振荡控制提供判据。

(2)等幅振荡

在t＝2s时投入串联补偿并引发风电并网系统次同步振荡，风机并网系统出现等幅振荡，风机端口的有功功率时域曲线如图6所示。

测量双馈风机并网端口、串补端口电流、电压瞬时值，按照实施例1中方式计算得到等幅振荡条件下的双馈风机并网系统动态能量，即双馈风机并网系统端口总能量，能量变化曲线如图7所示。由图可知，当风机并网系统出现次同步振荡时且处于等幅振荡时，风机动态能量呈现稳定等幅振荡趋势。按照实施例1中方式可以提取到次同步振荡过程中双馈风机并网系统动态总能量非周期分量。由图可得，总的动态能量呈等幅振荡，且周期分量为等幅振荡，因此，此时的非周期分量为0。

图8中还示出了等幅振荡条件下的双馈风机总的非周期分量能量、串联补偿能量、风机能量曲线。由图可知，当风机并网系统出现次同步振荡时且处于等幅振荡时，风机并网系统串联补偿持续发出能量，且单位时间内输出能量不变(单位时间输出能量由端口能量非周期分量斜率表示)。风机能量为负，代表风机在该工况下吸收能量且单位时间内吸收能量保持恒定。由图可知端口总能量非周期分量约为零，表示风机在该工况下输出与吸收能量达到“平衡状态”，风机持续出现等幅的次同步振荡现象，而不会出现持续发出或吸收能量的次同步振荡现象。通过拟合曲线求导并分析其斜率与振荡发展的趋势，此时斜率接近零。即当风机端口动态能量非周期分量的斜率接近于零时，次同步振荡处于等幅振荡状态，此时风机呈现为零阻尼特性。

(3)振荡收敛

在t＝2s时投入串联补偿并引发风电并网系统次同步振荡，通过参数调整风机运行逐渐恢复正常运行状态，风机端口的有功功率时域曲线如图9所示。

测量双馈风机并网端口、串补端口电流、电压瞬时值，按照实施例1中方式计算得到振荡收敛条件下的双馈风机并网系统动态能量，即双馈风机并网系统端口总能量，能量变化曲线如图10所示。由图可知，当风机并网系统出现次同步振荡时且振荡收敛时，动态能量最终稳定在某个值，说明当系统次同步振荡平抑后，风机并网系统不再向电网注入次同步振荡分量能量。

图11中还示出了振荡收敛条件下的双馈风机总的非周期分量能量、串联补偿能量、风机能量曲线。由图11可知，非周期分量能量在次同步振荡发生时为正值并处于下降趋势，当振荡趋势逐渐收敛时，非周期分量能量增长速率逐渐减少。对非周期分量能量进行拟合并对拟合函数进行求导，通过分析拟合曲线分析其斜率与振荡发展的趋势关系，可得当求导斜率为负值时，次同步振荡处于振荡收敛状态。

(4)风机动态能量阻尼特性验证

对以上三种工况所计算的非周期分量能量进行曲线拟合，并计算非周期分量能量的变化率，即对非周期分量能量进行求导，所得结果如表2所示。

表2风机动态能量非周期分量变化率

由表可得，振荡发散时风机动态能量非周期分量变化率为正，此时风机持续向电网发出次同步分量能量且单位时间内发出能量逐渐增加，表明风机呈现负阻尼特性并使次同步振荡恶化。等幅振荡时非周期分量变化率为零，即风机与电网达到某种能量平衡状态，此时风机视为零阻尼特性。值得注意的是在实际系统中，考虑起振阶段风机呈现负阻尼特性，且由于风机在随后等幅振荡过程中表现为零阻尼特性，未能对初始“负阻尼”进行补偿，因此等幅振荡过程实际可归类到负阻尼特性中。振荡收敛时，非周期分量能量变化率为负，此时说明风机向电网发出的次同步振荡能量由于自身阻尼作用而逐渐减小，风机呈现正阻尼特性。

由此可知，双馈风机并网发生次同步振荡时，风机动态能量可分解为周期分量及非周期分量，其中周期分量能量表示次同步振荡过程中风机动能及势能相互转化过程，非周期分量能量表示振荡时风机端口向电网注入的次同步分量能量，且振荡过程中风机动态能量非周期分量变化率和振荡类型相关。因此，可通过非周期分量能量变化率并通过曲线拟合计算来评估风机振荡过程中系统的阻尼水平，并快速分析振荡发展趋势，对双馈风机并网系统的稳定性做出评估。

实施例3

本发明的实施例3，公开了一种双馈风机并网系统动态能量稳定性评估系统，如图12所示，包括：数据采集模块，用于当双馈风机并网系统发生次同步振荡时，采集风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值；动态能量获取模块，用于基于所述数据采集模块输出的风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值，获得所述双馈风机并网系统的动态能量；非周期分量提取模块，用于采集整数周期的双馈风机并网系统的动态能量，从中提取非周期分量；稳定性评估模块，用于分析所述非周期分量的变化率，若为正，则所述双馈风机并网系统为负阻尼特性，振荡发散；反之，则双馈风机并网系统为正阻尼特性，振荡收敛。

优选地，在数据采集模块中，通过执行以下操作检测双馈风机并网系统是否发生次同步振荡：实时采集风机并网点处的电流，若所述风机并网点处的电流频率处于次同步振荡频率范围内，则判定双馈风机并网系统发生次同步振荡。优选地，所述次同步振荡频率范围为2.5-50hz。

优选地，在所述动态能量获取模块中，执行以下操作得到双馈风机并网系统的动态能量：

对所述风机并网点及串联补偿处的电压、电流瞬时值进行dq坐标变换，并根据以下公式计算双馈风机并网系统的动态能量：

w＝∫isddusq-∫isqdusd+∫icdducq-∫icqducd(14)

其中，usd、usq分别表示双馈风机并网点电压的d轴、q轴分量，isd、isq分别表示双馈风机并网点电流的d轴、q轴分量，ucd、ucq分别表示串联补偿处的d轴、q轴分量，icd、icq分别表示串联补偿处电流的d轴、q轴分量。优选地，在所述非周期分量提取模块中，利用prony算法从动态能量中提取非周期分量。

本发明系统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。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。

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。

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。