本发明涉及的是电力系统的安全与稳定领域，具体涉及到一种用于电力系统次同步振荡分析的通用的小信号建模方法。
背景技术：
近年来，随着风电规模化集中开发利用的快速发展工程实践中发生多起次同步振荡(subsynchronousoscillation，sso)事件，次同步振荡从而成为一个受到特别关注的风电并网稳定性问题。2009年，某风电场因与送出线路上的串联补偿电容器之间发生相互作用，导致风电机组停机、撬棒电路损坏，这是世界范围内首次见诸报道的新能源诱发次同步振荡事故。2011年，某风电场群也曾发生次同步振荡导致的多起多台风电机组计划外停机事故。2015年，某地区大规模风电场经hvdc送出系统多次发生特性复杂的次同步振荡问题，最终诱发了距离风电场两百公里以外、邻近hvdc整流站的火电机组的轴系扭振，导致机组扭振保护(tsr)启动，三台660mw的火电机组跳闸。目前，工程案例中已经出现多起风电集中外送系统的次同步振荡问题，因此，大规模电力系统的次同步振荡研究成为了本领域的研究热点。
为了准确研究大规模电力系统的次同步振荡的问题，需要针对不同场景下发生次同步振荡的电力系统进行准确的建模。小信号模型仿真速度快、适用于机理分析，已经被广泛应用在电力系统的次同步振荡研究中。
现有技术中已经提出了各种电力系统的建模方法，但其建立的模型仅能反应电力系统发生次同步振荡的某种情况，而对于电力系统网络结构或网络元件发生大变化后的系统建模方法没有给出详细的介绍。目前，新能源以及相应的输电技术发展迅速，电力系统的结构不断发生变化，仍未有一种通用的建模方法，能够便于新的电力系统元件的加入或改变。针对于电力系统次同步振荡分析的通用小信号建模方法仍不明确。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于电力系统次同步振荡分析的小信号建模方法，适用于所有电力系统的次同步振荡研究建模，可以满足电力系统网络结构或网络元件发生变化后的系统建模要求，且易于实现。
本发明是根据以下技术方案实现的：
一种用于电力系统次同步振荡分析的小信号建模方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、对目标电力系统的元件进行分解，得到需要建模的元件；
步骤2、对需要建模的元件建立数学模型，得到每个元件的状态空间模型；
步骤3、对电力系统元件模型进行分类，得到两类模型；
步骤4、根据模型的连接关系，参照两类模型间的联立方法将元件模型联立为完整系统模型。
上述技术方案中，所述步骤1中，电力系统的元件按照一次系统进行分解，分解后的电力系统的元件包括发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、电力电缆、电抗器、变流器、无穷大系统母线，不同的风电机组或火电机组根据实际系统研究需求分为不同的风电机群和火电机群。
上述技术方案中，所述步骤2中，各元件的模型需要经过小信号偏差化处理，并整理为状态空间模型，所有模型均需要标幺化处理，且电压电流的dq轴坐标系均以电网电压定向，即：
其中，ux和uy分别为电网电压的dq轴分量；
如果部分模型使用不同的dq坐标系，需要在这些模型输入输出接口处接入坐标变换接口，坐标变换关系如下：
δud＝(-sinθ0vx0-cosθ0vy0)δθ+cosθ0δvx-sinθ0δvy
δuq＝(cosθ0vx0-sinθ0vy0)δθ+sinθ0δvx+cosθ0δvy
δix＝(-sinθ0id0+cosθ0iq0)δθ+cosθ0δid+sinθ0δiq
δiy＝(-cosθ0id0-sinθ0iq0)δθ-sinθ0δid+cosθ0δiq
其中，θ为该模型使用的dq坐标系d轴超前于电网坐标系d轴的角度，ud、uq、vx、vy分别为电压向量在该模型使用的dq坐标轴和电网坐标轴上的投影；id、iq、ix、iy分别为电压向量在该模型使用的dq坐标轴和电网坐标轴上的投影；零下标表示该量在小信号偏差化运行点处的值。
上述技术方案中，所述步骤3中，系统元件均为一次系统元件，依靠电压电流关系相连，各系统元件分为两类：电压输入电流输出元件和电流输入电压输出元件。
上述技术方案中，所述步骤4中，由于所有元件均存在电压电流的输入输出接口，各个元件根据基尔霍夫定律通过串联和并联两种基础连接方式联立，其中，两类模型间的联立方法具体如下：
电压输入电流输出元件和电流输入电压输出元件两种元件间的串联连接：由于串联点处的输入输出量同为电压或电流，则两种元件间直接串联；
多个电压输入电流输出元件的并联连接：其输入电压相同，输出电流可以直接相加，则多个电压输入电流输出元件直接并联；
两个电压输入电流输出元件串联：其串联点处的电流输出与电压输入连接量不符，需在串联点处先增加一个电流-电压接口模型，再将两者联立起来；
两个电流输入电压输出元件串联：其串联点处的电压输出与电流输入连接量不符，需在串联点处先增加一个电压-电流接口模型，再将两者联立起来；
电流输入电压输出元件与两种元件的并联连接：在每个电流输入电压输出元件前串联一个电压-电流接口模型，在每个电流输入电压输出元件后串联一个电压-电流接口模型后，再将串联后的模型进行并联连接。
上述技术方案中，所述的电流-电压接口模型的状态空间模型表达式为：
其中输入uc为电流，输出yc为电压，状态变量xc为电压，起到了电流-电压接口作用，其中，ac,bc,cc,dc分别为模型的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵、直接转移矩阵，ac,bc,cc,dc系统矩阵如同并联电容模型，看作一个等效的电容，容抗取1010。
上述技术方案中，所述电压-电流接口模型的状态空间模型表达式为：
其中输入ul为电压，输出yl为电流，状态变量xl为电流，起到了电压-电流接口作用，al,bl,cl,dl分别为模型的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵、直接转移矩阵，al,bl,cl,dl矩阵如同串联电抗器模型，看作一个等效的电抗，电抗取10-10。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明方法简单易于实现，适用于所有电力系统的次同步振荡研究建模；本发明提出一种次同步振荡系统元件模型的简便分类；提供了元件模型的接口，避免了复杂的数学公式推导，可以直接实现元件间的联立；提供了标准的建模接口，便于新系统模型的接入。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明所用于电力系统次同步振荡分析的小信号建模方法的流程图。
图2为本发明实施例即第一基准模型系统的结构图。
图3为本发明所提出的电流-电压接口模型。
图4为本发明所提出的电压-电流接口模型。
图5为根据本发明用于电力系统次同步振荡分析的小信号建模方法所搭建的实施例小信号模型图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提出了用于电力系统次同步振荡分析的小信号建模方法，其完整流程图如图1所示。
以第一基准模型系统为实施例。整套系统包括发电机、变压器、串补线路、无穷大母线。其系统结构图如图2所示。
本发明采用的具体实施方式是：
一种用于电力系统次同步振荡分析的小信号建模方法，其特征在于，包括：
步骤1、对目标电力系统的元件进行分解，得到需要建模的元件；
步骤2、对需要建模的元件建立数学模型，得到每个元件的状态空间模型；
步骤3、对电力系统元件模型进行分类，得到两类模型；
步骤4、根据模型的连接关系，参照两类模型间的联立方法将元件模型联立为完整系统模型。
所述步骤1中，电力系统元件按照一次系统进行分解，二次系统部分归属于其控制的一次系统元件中。常见的分解后的电力系统的元件包括发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、电力电缆、电抗器、变流器、无穷大系统母线。其中，不同的风电机组或火电机组可根据实际系统研究需求分为不同的风电机群和火电机群。
实施例中，系统元件可以分为发电机、变压器、串补线路、无穷大母线四个元件。
所述步骤2中，各元件的模型需要经过小信号偏差化处理，并整理为状态空间模型。所有模型均需要标幺化处理，且电压电流的dq轴坐标系均以电网电压定向，即
其中，ux和uy分别为电网电压的dq轴分量。
部分模型可能使用不同的dq坐标系(如发电机模型)，故需要在此类模型输入输出接口处接入坐标变换接口，坐标变换关系如下：
δud＝(-sinθ0vx0-cosθ0vy0)δθ+cosθ0δvx-sinθ0δvy
δuq＝(cosθ0vx0-sinθ0vy0)δθ+sinθ0δvx+cosθ0δvy
δix＝(-sinθ0id0+cosθ0iq0)δθ+cosθ0δid+sinθ0δiq
δiy＝(-cosθ0id0-sinθ0iq0)δθ-sinθ0δid+cosθ0δiq
其中，θ为该模型使用的dq坐标系d轴超前于电网坐标系d轴的角度。ud、uq、vx、vy分别为电压向量在该模型使用的dq坐标轴和电网坐标轴上的投影。id、iq、ix、iy分别为电压向量在该模型使用的dq坐标轴和电网坐标轴上的投影。零下标表示该量在小信号偏差化运行点处的值。
所述步骤3中，由于各系统元件均为一次系统元件，其间需依靠电压电流关系相连，故各元件根据其数学模型可分为两类：电压输入电流输出元件和电流输入电压输出元件。常见元件中，永磁发电机、感应发电机、变压器、交流输电线路(有串补与无串补)、电力电缆、电抗器、无穷大系统母线属于电压输入电流输出元件，并联线路电容属于电流输入电压输出元件。
实施例中，发电机、变压器、串补线路、无穷大母线四个元件均为电压输入电流输出原件。
所述步骤4中，由于所有元件均存在电压电流的输入输出接口，故系统各个元件可以根据基尔霍夫定律通过串联和并联两种基础连接方式联立。其中，两类模型间的联立方法具体如下：
电压输入电流输出元件和电流输入电压输出元件两种元件间的串联连接：由于串联点处的输入输出量同为电压或电流，故两种元件间可以直接串联。
多个电压输入电流输出元件的并联连接：其输入电压相同，输出电流可以直接相加，满足基本电路理论，故多个电压输入电流输出元件可以直接并联。
两个电压输入电流输出元件串联：其串联点处的电流输出与电压输入连接量不符，故两个电压输入电流输出元件无法直接串联。需在串联点处建立一个电流-电压接口模型，将两者联立起来。电流-电压接口模型如图3所示，其状态空间模型表达式为：
其中输入uc为电流，输出yc为电压，状态变量xc为电压，起到了电流-电压接口作用，其中，ac,bc,cc,dc分别为模型的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵、直接转移矩阵，ac,bc,cc,dc系统矩阵如同并联电容模型，看作一个等效的电容，容抗取1010，对系统稳态运行时潮流分布的影响非常小，同时，其时间常数非常小，对系统的次同步控制振荡特性几乎没有影响。
两个电压输入电流输出元件通过串联点处增加一个电流-电压接口模型，实现串联。
两个电流输入电压输出元件串联：其串联点处的电压输出与电流输入连接量不符，故两个电流输入电压输出元件无法直接串联。需在串联点处建立一个电压-电流接口模型，将两者联立起来。电压-电流接口模型如图4所示，其状态空间模型表达式为：
其中输入ul为电压，输出yl为电流，状态变量xl为电流，起到了电压-电流接口作用，al,bl,cl,dl分别为模型的状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵、直接转移矩阵，al,bl,cl,dl矩阵如同串联电抗器模型，看作一个等效的电抗，电抗取10-10。对系统稳态运行时潮流分布的影响非常小，同时，其时间常数非常小，对系统的次同步控制振荡特性几乎没有影响。
两个电流输入电压输出元件通过串联点处增加一个电压-电流接口模型，实现串联。
电流输入电压输出元件与两种元件的并联连接：在每个电流输入电压输出元件前串联一个电压-电流接口模型，在每个电流输入电压输出元件后串联一个电压-电流接口模型后，再将串联后的模型进行并联连接。
应用以上模型联立方法，得到的第一基准模型小信号模型图如图5所示。
为了验证本发明提出的通用的用于电力系统次同步振荡分析的小信号建模方法的有效性。使用基于本发明搭建的第一基准模型小信号模型进行次同步振荡的小信号分析，对基于数学模型推导的第一基准模型小信号模型进行相同条件(电机与线路参数等)的仿真分析。其次同步振荡主导模态的特征值汇总于表1。
表1基于通用建模方法和数学推导建模方法的小信号模型特征值
从表1看出，通用建模方法与数学推导建模方法得到的模型分析结果很相近。通用建模方法与数学推导特征值实部及特征振荡频率误差均在0.1％以下。可见，使用通用化建模方法搭建模型不仅简单，而且搭建好的模型具有很高的精度。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。