基于风电场和光伏电站聚合模型的机电振荡模式估算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新能源电力系统动态稳定性分析技术领域，尤其设及一种基于大规模 风电场和光伏电站聚合模型的电力系统机电振荡模式估算方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着风电机组技术和光伏发电技术的不断进步、风电场和光伏电站规模 的不断扩大、区域电网互联的飞速发展，新能源发电电源的接入对电网稳定性的影响越来 越大。在运种发展趋势下，全国各地区电网公司对大规模新能源发电电源接入电网所带来 的影响，尤其是小干扰稳定性问题非常重视。因此，对于大规模风电场和光伏电站接入电力 系统后进行小干扰稳定性及阻尼特性的研究成为了当今最迫切的课题。
[0003] 目前，在分析电力系统小干扰稳定性问题时，特征值分析法得到了广泛应用。特征 值分析法是有效解决计算电力系统机电振荡模式的定量信息问题最有效的手段。它是借助 线性系统的稳定性理论来研究非线性系统的稳定性。该方法严格建立在现代控制理论基础 上，把电力系统视为一般控制系统，用标准的线性化状态方程来描述。系统的振荡模式完全 由状态矩阵的特征根的对数来决定。特征根的实部和虚部分别对应振荡模式的阻尼和频 率，而特征根对应的特征向量反映了振荡模式在整个系统中的动态行为。因此，不论系统有 多么复杂，都可W采用特征值分析法对系统中任一振荡模式做详细分析，而与其它振荡模 式无关。特征值分析法不仅可W用来刻画系统的振荡模式，而且可W用来确定控制器最佳 安装地点。
[0004] 当大规模风电场或光伏电站接入电力系统后，使用特征值分析法分析电力系统机 电振荡模式时，一个最大的障碍就是状态矩阵阶数的增加大大增加了计算特征值的复杂度 和计算时间。因此对可降低系统阶数的风电场和光伏电站的聚合模型的研究成为新能源电 力系统小干扰稳定性分析中很重要的工作。
[0005] 风电场的聚合模型是指将风电场等效成为单台或几台机组。显然，当风电场包含 几百台风电机组时，采用详细模型会使计算规模过于庞大，计算能力往往不能满足要求。因 此，当研究风电场对电网的影响时，可将风电场看作一个整体进行聚合，W减小仿真规模， 提高计算效率和收敛性。目前，建立风电场聚合模型的方法可W归纳为3种：
[0006] 1)单机法（完全聚合法）。将风电场等值成一台风力发电机组。等值风电机组的 容量等于所有风电机组容量的代数和。其余参数都由等值计算获得。
[0007] 2)复合模型法。将风电场电气部分等值为一台发电机，而空气动力学部分、传动 链和最大功率跟踪模型则根据运行条件分区分别聚合成几台并联，构成一台复合的风电机 组。
[0008] 3)分群法（多机法）。按一定分群原则，将风电场等值成为多台机组。
[0009] 上述=种方法中，单机法简化程度最大，但往往被认为精度较低；而复合模型法 和分群法是为了体现风场中机组运行状态的差异性对输出特性带来的影响，等效机组过多 时，简化程度不够。而且上述方法都用于新能源接入后电力系统的动态分析中，而用在小干 扰分析中时不免"大材小用"，因为它们都提供了一些无用于小干扰分析的状态量与参数。
【发明内容】
[0010] 为了在新能源电源接入电力系统后，建立用于新能源电力系统小干扰稳定分析的 风电场和光伏电站聚合模型，W降低特征值分析中的模型阶数和计算复杂度，本发明提出 了一种基于大规模风电场和光伏电站聚合模型的电力系统机电振荡模式估算方法，包括：
[0011] 步骤1、建立大规模风电场和光伏电站的聚合传递函数模型； 阳012] 步骤2、将电力系统中风电场和光伏电站的输出电流作为控制量，建立开环的多机 电力系统的线性化模型；
[0013] 步骤3、把风电场或光伏电站的传递函数模型看作是控制器，作为连接开环系统 输入与输出的反馈回路；开环系统和反馈回路共同构成了多机电力系统的闭环状态空间模 型；
[0014] 步骤4、将风电场和光伏电站看作恒电流源，即令风电场或光伏电站输出电流为 零，忽略掉风电场和光伏电站与多机电力系统间的动态交互影响，计算开环系统的特征值； 通过系统的开环特征值加上聚合传递函数值与残差的乘积来估算电力系统闭环的机电振 荡模式。
[0015] 所述步骤1若在各台直驱风力发电机或光伏发电单元的型号、参数和运行工况都 已知的情况下，则建立的各台直驱风机和光伏发电单元的传递函数模型为： A/L,=皆
[0016] ! , 1 , P：3) =6如)牛、',.I+ 6沁)Aw;
[0017] 其中，<4:和分别为第j个风电场或光伏电站内第k台直驱风机或光伏发电单 元输出电流的d轴和q轴分量，|V",I为第j个风电场或光伏电站内低压母线的电压幅值， 奴j为第j个风电场或光伏电站内第k个直驱风机或光伏发电单元的外部变量；对于直驱风 机，外部变量为机械转矩，对于光伏发电单元，外部变量为光照强度；皆山）、每切和公的 分别为所对应变量间的传递函数。
[0018] 所述步骤1若在一个风电场或光伏电站内所有直驱风机或光伏发电单元的型号、 参数和运行工况都相同的情况下，那么该风电场或光伏电站的聚合传递函数模型由单台风 机或光伏发电单元的传递函数倍乘直接得到：
[0019]
0￡) 1 若一个风电场或光伏电站内直驱风机或光伏发电单元的型号、参数或运行工况不 同，那么整个风电场或光伏电站的聚合传递函数模型由所有风机或光伏发电单元的传递函 数相加得到：
[0021] (25) 阳02引其中，Iw郝IW分别为第J个风电场或光伏电站内总输出电流的d轴和q轴分量，L，为第j个风电场或光伏电站内所包含直驱风机或光伏发电单元的数量，Gdj(S)和Gq,(S) 分别为第j个风电场或光伏电站内输出量AI"dj和AIW对输入量A 的聚合传递函 数；
[002引对于式（25)，传递函数Gd,(S)和Gq, (S)的阶数会很高，通过目前已有的模型降阶 方法，将高阶的传递函数模型降阶成低阶的传递函数模型。
[0024] 所述步骤1中在直驱风机或光伏发电单元的型号、参数或运行工况未知的情况 下，通过现场频率响应试验来得到风电场和光伏电站的聚合传递函数模型；通过在低压母 线稳态电压幅值上叠加某频率的正弦信号作为输入，检测风电场或光伏电站的输出电流， 得到该频率下的输出电流对输入电压的传递函数值；对各个频率下传递函数值的幅值图和 相位图，进行不同阶数的拟合，从而近似得到风电场和光伏电站的聚合模型。
[00巧]所述步骤2中建立开环的多机电力系统的线性化模型为： 'sAXg= +1>。*A/'崎 + 1>崎心"巧） 阳 〇%] j-'M(44) AKi=诗。AXg+ M,'A/".々 + 如卢'"。） 阳027] 其中，Xg为系统状态变量，A。为开环系统的状态矩阵，bW和bOqj为控制矩阵，瑞7^ 为输出矩阵，d。"和dnw为反馈系数，M为多机电力系统所包含风电场和光伏电站的数量山d.,和Iw分别为第J个风电场或光伏电站总输出电流的d轴和q轴分量，Iv^l为第J个风电 场或光伏电站内低压母线的电压幅值。
[0028] 所述步骤4中电力系统机电振荡模式为：
[0029]
(54) 阳〇3〇] 残差为： 馬=目fbwC。、巧
[0031] - .r_(55) 巧如=p,.b帥CwK. 阳〇巧其中，本为开环系统的状态矩阵的特征值，於和分别为不对应的左右特征向 量，4为考虑了风电场和光伏电站动态后闭环阵的特征值估计值，Gd, (S)和Gq, (S)分别为 第j个风电场或光伏电站的输出量AI^dj和AIW对输入量AIv^l的聚合传递函数，bw 和bnw为控制矩阵，妹g为输出矩阵，CL,和d nq,为反馈系数，M为多机电力系统所包含风电 场和光伏电站的数量。
[0033] 本发明的有益效果在于：用本发明中提出的方法计算大规模风电场和光伏电站接 入电力系统后的机电振荡模式时，不需要推导闭环系统的状态矩阵。只需要得出把风电场 和光伏电站等效为恒电流源后的开环状态矩阵的特征值，再计算残差，即可近似估算闭环 系统的机电振荡模式。运种方法可W大大降低矩阵的阶数，减小模态计算中计算负担和复 杂度。
【附图说明】
[0034] 图1为直驱风机的结构图；
[0035] 图2为直驱风机机侧换流器的控制方案；
[0036] 图3为直驱风机网侧换流器的控制方案；
[0037] 图4为光伏发电单元的结构图；
[0038] 图5为光伏发电单元DC/DC换流器的控制方案；
[0039] 图6为大规模风电场和光伏电站接入后的多机电力系统的结构图；
[0040] 图7为x-y坐标系与d-q坐标系的旋转关系；
[0041] 图8为大规模风电场和光伏电站接入后的多机电力系统的线性化模型示意图；
[0042]图9为纽约-新英格兰互联电力系统的结构图；
[0043] 图10为连接在母线48处的光伏电站的频率响应曲线。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图，对实施例作详细说明。
[0045] 本发明提出了一种基于大规模风电场和光伏电站聚合模型的电力系统机电振荡 模式估算方法，包括：
[0046] 步骤1、建立大规模风电场和光伏电站的聚合传递函数模型；
[0047] 步骤2、每台直驱风机或光伏发电单元通过变压器连接到低压母线上，然后再通过 升压变压器连接到公共连接点处的高压母线上；建立开环的多机电力系统的线性化模型；W48] 步骤3、把不考虑风电场和光伏电站动态的多机电力系统的状态空间模型，看作是 开环的多机电力系统模型；风电场或光伏电站的传递函数模型看作是控制器，作为连接开 环系统输入与输出的反馈回路；开环系统和反馈回路共同构成了多机电力系统的闭环状态 空间模型；
[0049] 步骤4、令风电场或光伏电站输出电流