一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法及系统与流程

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法及系统。

背景技术：

随着能源危机和环境污染双重压力的增加，常规电源被风电大量替代。一方面，风电机组使系统惯性和阻尼水平持续弱化；另一方面，电力电子变流器的快速响应特性，使得风电机组与电网相互耦合，诱发新的宽频带稳定问题。这让电力系统发生多起次同步振荡事故。因此，亟需对次同步振荡的产生机理深入研究。

目前，风电并网系统次同步振荡的动态特性分析已逐渐成为国内外众多专家和学者研究的热点。然而，风电机组的解构、控制各异并且振荡过程呈现不确定性、形态多样化的特点，现有的时域仿真分析方法难以实时对风电并网系统进行稳定性检测。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法及系统，以解决目前技术方法难以实时对风电并网系统进行稳定性检测的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法，包括以下步骤：s1，获取所述直驱永磁风电系统的运行数据；s2，根据所述运行数据计算直驱永磁风电系统耗散能量；s3，根据所述直驱永磁风电系统耗散能量对系统进行稳定性检测。

进一步地，所述步骤s1中系统的运行数据包括基频、次同步分量、超同步分量的电压或电流幅值、角频率、初相角以及发电机的电角速度。

进一步地，所述步骤s2中直驱永磁风电系统耗散能量whs为锁相环耗散能量whs1和电流环耗散能量whs2的总和，公式如下：

whs＝whs1+whs2

其中，u为电压，i为电流，x为电压或者电流，x0、ω0、分别为基频电压或电流的幅值、角频率、初相角，x_、分别为次同步分量电压或电流的幅值、初相角，x+、分别为超同步分量电压或电流的幅值、初相角，ωs为发电机的电角速度。

进一步地，根据所述直驱永磁风电耗散能量对系统进行稳定性检测包括：

当whs＞0时，直驱风机在次同步振荡过程中持续发出耗散能量，对振荡表现为负阻尼特性，汇入电网的暂态能量不断增大，诱使振荡发散失稳；

当whs＜0时，直驱风机在次同步振荡过程中吸收耗散能量，对振荡表现为正阻尼特性，汇入电网的的暂态能量逐渐减小，振荡最终收敛；

当whs＝0时，直驱风机不发出且不吸收耗散能量，对振荡表现为无阻尼特性，系统为等幅振荡。

另一方面，一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测系统，包括数据采集模块、耗散能量计算模块、稳定性检测模块、结果输出模块；所述数据采集模块，用于采集直驱永磁风电系统的运行数据；所述耗散能量计算模块，用于根据耗散能量模型及所述数据采集模块输出的运行数据计算直驱永磁风电系统耗散能量；所述稳定性检测模块，用于根据所述直驱永磁风电系统耗散能量对系统进行稳定性检测；所述结果输出模块，用于输出系统耗散能量及对应的系统稳定性检测结果。

进一步地，所述数据采集模块采集的运行数据包括基频、次同步分量、超同步分量的电压或电流幅值、角频率、初相角以及发电机的电角速度。

进一步地，所述耗散能量求解模块中的耗散能量模型的计算公式如下：

whs＝whs1+whs2

其中，u为电压，i为电流，x为电压或者电流，x0、ω0、分别为基频电压或电流的幅值、角频率、初相角，x-、分别为次同步分量电压或电流的幅值、初相角，x+、分别为超同步分量电压或电流的幅值、初相角，ωs为发电机的电角速度。

进一步地，所述稳定性检测模块对所述耗散能量模型计算出的耗散能量进行稳定性检测包括：

当whs＞0时，直驱风机在次同步振荡过程中持续发出耗散能量，对振荡表现为负阻尼特性，汇入电网的暂态能量不断增大，诱使振荡发散失稳；

当whs＜0时，直驱风机在次同步振荡过程中吸收耗散能量，对振荡表现为正阻尼特性，汇入电网的的暂态能量逐渐减小，振荡最终收敛；

当whs＝0时，直驱风机不发出且不吸收耗散能量，对振荡表现为无阻尼特性，系统为等幅振荡。

进一步地，所述结果输出模块输出的系统稳定性检测结果包括振荡发散、振荡收敛和等幅振荡。

进一步地，所述数据采集模块的输入端口连接直驱永磁风电系统的数据输出端口，所述数据采集模块的输出端口连接所述耗散能量计算模块的输入端口，所述耗散能量计算模块的输出端口连接所述稳定性检测模块的输入端口，所述稳定性检测模块的输出端口连接所述结果输出模块输入端口。

本技术方案的有益效果：本发明公开了一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法及系统，构建出网侧变流器锁相环控制、电流环控制以及并联svg控制环节的风电系统耗散能量模型，基于该耗散能量模型对直驱风电系统进行稳定性检测，实现风电并网系统稳定性的实时检测，更全面准确地检测直驱风电系统稳定性，可以使得稳定性能够得到有效控制。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的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在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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为本发明实施例的直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法流程图；

图2为本发明实施例的直驱风电机组结构图；

图3为本发明实施例的永磁同步发电机模型；

图4为本发明实施例的直驱风机并网系统结构图；

图5为本发明实施例的直驱风机振荡发散有功功率曲线图；

图6为本发明实施例的直驱风机振荡发散出口电流频谱图；

图7为本发明实施例的直驱风机振荡发散端口暂态能量与耗散能量；

图8为本发明实施例的直驱风机振荡发散暂态能量与有功功率频谱；

图9为本发明实施例的直驱风机等幅振荡有功功率曲线图；

图10为本发明实施例的直驱风机等幅振荡端口暂态能量与耗散能量；

图11为本发明实施例的直驱风机振荡收敛有功功率曲线图；

图12为本发明实施例的直驱风机振荡收敛端口暂态能量与耗散能量。

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。

本发明的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法，包括以下步骤：

s1，获取所述直驱永磁风电系统的运行数据；

s2，根据所述运行数据计算直驱永磁风电系统耗散能量；

s3，根据所述直驱永磁风电系统耗散能量对系统进行稳定性检测。

本发明通过计算出直驱永磁风电系统耗散能量，对直驱永磁风电并网系统进行稳定性检测，实现风电并网系统稳定性的实时检测，更加全面准确地检测系统稳定性。

本发明的一个具体实施例，所述步骤s1中系统的运行数据包括基频、次同步分量、超同步分量的电压或电流幅值、角频率、初相角以及发电机的电角速度。

本发明的一个具体实施例，所述步骤s2中直驱永磁风电系统耗散能量whs为锁相环耗散能量whs1和电流环耗散能量whs2的总和，公式如下：

whs＝whs1+whs2

其中，u为电压，i为电流，x为电压或者电流，x0、ω0、分别为基频电压或电流的幅值、角频率、初相角，x-、分别为次同步分量电压或电流的幅值、初相角，x+、分别为超同步分量电压或电流的幅值、初相角，ωs为发电机的电角速度。

需要说明的是，为了得到直驱永磁风电系统耗散能量，需要首先构建系统暂态能量模型，然后对暂态能量模型中非周期分量进行积分即可得到耗散能量模型，具体过程如下：

直驱永磁风电机组暂态能量函数表示为：

wpmsg＝∫(i2ddu2q-i2qdu2d)+∫(i2du2d+i2qu2q)dδ2＝wpmsg1+wpmsg2

式中：u2d、u2q、i2d、i2q分别为网侧变流器电压、电流的d、q轴分量，δ2为风机出口的功角。

如图2所示，直驱风电机组由风机、永磁同步发电机、机侧变流器、直流环节和网侧变流器组成。

由控制策略所决定，直流环节上仅传输有功功率，直流电容的存在，一定程度上保证了直流电压的稳定，但在系统中存在扰动或者风功率变化较大时，暂态过程中直流电容两侧的有功功率并不能完全保持一致。忽略变流器的损耗，由能量守恒可以得到：

式中：u1d、u1q、i1d、i1q分别为机侧变流器电压、电流的d、q轴分量，u2d、u2q、i2d、i2q分别为网侧变流器电压、电流的d、q轴分量，c为电容，udc为直流侧电压。

则由上式可得：

式中：u1d、u1q、i1d、i1q分别为机侧变流器电压、电流的d、q轴分量，u2d、u2q、i2d、i2q分别为网侧变流器电压、电流的d、q轴分量，c为电容，udc为直流侧电压，ω2为电网电角速度。

因为机侧转速控制和网侧系统频率调节的参考值一致，暂态过程中电角速度变化不大，即ω1≈ω2，则有：

wpmsg2＝∫p1dδ1+∫cω2udcdudc

式中：p1＝id1ud1+iq1uq1为永磁同步发电机输出有功，参见图3所示的永磁同步发电机模型，δ1为永磁同步发电机功角，ω2为电网电角速度，udc为直流电压。

所述直驱永磁风电机组暂态能量函数可以表示为：

wpmsg＝∫(i2ddu2q-i2qdu2d)+∫p1dδ1+∫cω2udcdudc

式中：u2d、u2q、i2d、i2q分别为网侧变流器电压、电流的d、q轴分量，p1＝id1ud1+iq1uq1为永磁同步发电机输出有功，参见图3所示的永磁同步发电机模型，δ1为永磁同步发电机功角，ω2为电网电角速度，udc为直流电压。

该暂态能量有三部分组成，分别为：受网侧变流器独立控制，并受电网扰动影响的∫(i2ddu2q-i2qdu2d)部分；受机侧变流器和永磁发电机共同控制，并受风功率影响的∫p1dδ1部分；受网侧变流器控制并受机侧变流器控制影响的∫cω2udcdudc部分。

元件的暂态能量包括两部分，一部分为与路径无关的保守项，对应的是周期变化量，这部分能量在振荡过程中也在振荡，不利于分析元件的特性；一部分为与路径有关的非保守型，在振荡过程中是单调的，为耗散能量。

直驱风机参与次同步振荡的现场录波分析显示，次、超同步频率往往成对出现，假设三相电压、电流瞬时值由基波和一对频率互补的次、超同步频率分量组成，可以表示为：

式中，x为电压或者电流；xa、xb、xc为三相电压或电流的瞬时值；x0、ω0、分别为基频电压或电流的幅值、角频率、初相角；x-、ω-、分别为次同步分量电压或电流的幅值、角频率、初相角；x+、ω+、分别为超同步分量电压或电流的幅值、角频率、初相角。

计算暂态耗散能量，先将电压、电流从abc静止坐标系变换到以额定电角速度旋转的dq坐标系下，其中取并记：ωs＝ω0-ω-＝ω+-ω0，得到电压、电流的d、q轴分量表达式为：

由上述电压、电流的d、q轴分量表达式得到暂态能量表达式的变形：

wpmsg1＝∫(i2du′2q-i2qu′2d)dt

wpmsg2＝∫(i2du2d+i2qu2q)ω2dt

式中：u2′d,u2′q分别为电压d、q轴分量的导数。

耗散能量为暂态能量表达式中非周期分量的积分，保留(i2du2d+i2qu2q)表达式中的非周期分量，ω2中的非周期分量近似取为ω0，得到wpmsg2中的耗散能量whs2表达式为：

由于各频率分量的幅值和相位都是随时间变化的，需要对u2d、u2q分部求导：

将u′2d、u′2q、i2d、i2q的表达式代入到wpmsg1中，并保留积分中的非周期项，得到wpmsg1中的耗散能量whs1表达式为：

本发明的一个具体实施例，根据所述直驱永磁风电耗散能量对系统进行稳定性检测包括：

当whs＞0时，直驱风机在次同步振荡过程中持续发出耗散能量，对振荡表现为负阻尼特性，汇入电网的暂态能量不断增大，诱使振荡发散失稳；

当whs＜0时，直驱风机在次同步振荡过程中吸收耗散能量，对振荡表现为正阻尼特性，汇入电网的的暂态能量逐渐减小，振荡最终收敛；

当whs＝0时，直驱风机不发出且不吸收耗散能量，对振荡表现为无阻尼特性，系统为等幅振荡。

本发明的一个具体实施例，一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测系统，包括数据采集模块、耗散能量计算模块、稳定性检测模块、结果输出模块；

所述数据采集模块，用于采集直驱永磁风电系统的运行数据；

所述耗散能量计算模块，用于根据耗散能量模型及所述数据采集模块输出的运行数据计算直驱永磁风电系统耗散能量；

所述稳定性检测模块，用于根据所述直驱永磁风电系统耗散能量对系统进行稳定性检测；

所述结果输出模块，用于输出系统耗散能量及对应的系统稳定性检测结果。

需要说明的是，为实现本发明的目的提出一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测系统，包括顺序连接的以下模块：数据采集模块、耗散能量计算模块、稳定性检测模块、结果输出模块。所述数据采集模块用于采集系统数据，并将其传递给耗散能量计算模块。所述耗散能量计算模块接收数据采集模块传递的数据，计算风电系统的耗散能量。所述稳定性检测模块依据耗散能量计算模块的计算结果，对风电系统进行稳定性检测。所述结果输出模块用于输出系统耗散能量以及稳定性检测结果。

本发明的一个具体实施例，所述数据采集模块采集的运行数据包括基频、次同步分量、超同步分量的电压或电流幅值、角频率、初相角以及发电机的电角速度。也就是说，本实施例通过数据采集模块为所述耗散能量模型提供充足的数据以计算出所述系统耗散能量。

本发明的一个具体实施例，所述耗散能量计算模块中的耗散能量模型的计算公式如下：

whs＝whs1+whs2

其中，u为电压，i为电流，x为电压或者电流，x0、ω0、分别为基频电压或电流的幅值、角频率、初相角，x-、分别为次同步分量电压或电流的幅值、初相角，x+、分别为超同步分量电压或电流的幅值、初相角，ωs为发电机的电角速度。

本发明的一个具体实施例，所述稳定性检测模块对所述耗散能量模型计算出的耗散能量进行稳定性检测包括：

当whs＞0时，直驱风机在次同步振荡过程中持续发出耗散能量，对振荡表现为负阻尼特性，汇入电网的暂态能量不断增大，诱使振荡发散失稳；

当whs＜0时，直驱风机在次同步振荡过程中吸收耗散能量，对振荡表现为正阻尼特性，汇入电网的的暂态能量逐渐减小，振荡最终收敛；

当whs＝0时，直驱风机不发出且不吸收耗散能量，对振荡表现为无阻尼特性，系统为等幅振荡。

实际应用中，如图4所示的直驱风机并网系统为例，分别在系统不同工况下，计算直驱风机并网测量点的暂态能量以及耗散能量，对直驱风机并网进行稳定性检测并验证结果的正确性。

风机的额定容量为1mw，经过0.69/20kv场内变压器，再经过20/230kv变压器连接到pcc点。直驱风机的参数如表1所示。

表1直驱风机参数

网侧变流器进线电抗器等效电阻和电抗为：rt＝0.0160p.u，lt＝0.0004p.u；电网等效阻抗为0.4mh；直流电压额定值udc＝1200v；直流电容c＝14000μf。

本发明的一个具体实施例，所述结果输出模块输出的系统稳定性检测结果包括振荡发散、振荡收敛和等幅振荡。具体说明如下：

(1)系统振荡发散

设置t＝0.5s时，系统发生扰动引发次同步振荡，直驱风机输出的有功功率曲线如图5所示，图6为电流频谱，振荡频率为28hz/72hz。此时计算得到的直驱风机端口的暂态能量与耗散能量结果如图7所示，暂态能量频谱与有功功率频谱比较如图8所示。

由图8可以看出，直驱风机的有功功率和暂态能量中谐波分量频率为22hz，与次同步电流频率关于基频互补。直驱风机的暂态能量中依然含有部分周期分量，与有功功率中次同步频率谐波幅值接近，主要为基频分量与次同步分量的耦合项，因此暂态能量中的直流分量即非周期分量能够能加直观的反映振荡的发展规律。

对比图5与图7可以看出，当直驱风机次同步振荡发散失稳时，计算得到的风机端口暂态能量曲线与有功功率曲线趋势相似，振荡且幅值不断增大，风机端口的耗散能量为正且斜率不变增加，因此次同步振荡过程中风机不断向系统提供振荡能量，导致发散失稳。

(2)系统等幅振荡

设置t＝0.5s时，系统扰动引发等幅的次/超同步振荡，直驱风机输出的有功功率曲线如图9所示，计算得到的端口暂态能量与耗散能量结果如图10所示，暂态能量频谱的与振荡发散的情况一样。

理想等幅次同步振荡时，直驱风机在暂态过程中既不发出能量也不吸收能量，但实际系统中由于阻抗元件的存在，次同步振荡过程中起到一定的正阻尼或负阻尼效果，直驱风机与变流器进线电抗器以及线路阻抗的共同作用下，对振荡表现为零阻尼特性。因此直驱风机自身发出的耗散能量不为零，本节所处的次/超同步场景中，阻抗元件在次同步振荡过程中吸收暂态能量，但阻抗元件吸收的暂态能量十分有限，因此直驱风机的端口耗散能量为正且幅值较小，端口暂态能量有小幅度的增加。

(3)系统振荡收敛

设置t＝0.5s时，系统扰动引发次/超同步振荡，如图11直驱风机输出的有功功率曲线所示，振荡逐渐收敛，计算得到的端口暂态能量与耗散能量结果如图12所示。

可以看出，次同步振荡逐渐收敛时，直驱风机的端口暂态能量不断减小，但仍大于零，这是由于暂态能量中包含基频分量造成的暂态过程中能量变化，由于直驱风机是电源，所以这部分能量为正。而耗散能量主要受次/超同步分量的大小影响，能够更直观的反映振荡的发展，如图12所示，风机端口的耗散能量为负，则风机吸收次/超同步振荡的能量，对振荡起正阻尼作用，这与图11功率振荡逐渐收敛的结果一致。

本发明的一个具体实施例，所述数据采集模块的输入端口连接直驱永磁风电系统的数据输出端口，所述数据采集模块的输出端口连接所述耗散能量计算模块的输入端口，所述耗散能量计算模块的输出端口连接所述稳定性检测模块的输入端口，所述稳定性检测模块的输出端口连接所述结果输出模块输入端口。

综上所述，本发明公开了一种直驱永磁风电系统耗散能量稳定性检测方法，包括以下步骤：s1，获取所述直驱永磁风电系统的运行数据；s2，根据所述运行数据计算直驱永磁风电系统耗散能量；s3，根据所述直驱永磁风电系统耗散能量对系统进行稳定性检测。同时公开了与所述方法构成同一发明构思的系统，包括数据采集模块、耗散能量求解模块、稳定性检测模块、结果输出模块；所述数据采集模块，用于采集直驱永磁风电系统的运行数据；所述耗散能量计算模块，用于根据耗散能量模型及所述数据采集模块输出的运行数据计算直驱永磁风电系统耗散能量；所述稳定性检测模块，用于根据所述直驱永磁风电系统耗散能量对系统进行稳定性检测；所述结果输出模块，用于输出对系统的稳定性检测结果。本发明技术方案构建网侧变流器锁相环控制、电流环控制以及并联svg控制环节的风电系统耗散能量模型，基于该耗散能量模型对直驱风电系统进行稳定性检测，实现风电并网系统稳定性的实时检测，更加全面准确地检测直驱风电系统稳定性，可以使得直驱风电系统稳定性能够得到有效控制。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例中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。