基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析方法及系统与流程

本发明涉及电网安全，更具体地说，它涉及基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析方法及系统。

背景技术：

1、化石能源的日渐枯竭以及“双碳”目标的提出使得广泛采用可再生能源进行发电成为行业发展的必然趋势。风机并网对低频振荡的影响在现代电力系统稳定性分析领域中受到广泛的关注。风机并网对电力系统造成的影响包括风机动态的接入以及原系统潮流分布的变化。

2、目前，用于上述方向的研究方法主要包括灵敏度分析法、模式分析法、阻尼转矩法、时域仿真法。利用灵敏度分析法可以通过阻尼比对机组惯性的灵敏度来评估风机对低频振荡的影响；利用模式分析法可以通过对比恒速和变速风机得出对电力系统振荡的影响；利用阻尼转矩法可以很好地分解了风机并网导致的风机动态的接入以及潮流的变化对机电振荡模式的影响；利用时域仿真法的结果可以对风机并网的影响进行时域分析。然而，上述四种分析方法虽然已经被广泛应用于风机并网的低频振荡稳定性分析，但仍然无法借助这四种方法得到风机并网所引入的风机动态以及潮流分布变化对系统稳定裕度的影响，因此无法对风机接入对低频振荡的影响机理做出更清晰的解释。而面对日益复杂的电网，小干扰稳定分析需要更加精确地研究系统工况变化(如机组出力连续变化)对系统稳定性的影响。

3、因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的风电并网低频振荡分析方法及系统是我们目前急需解决的问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析方法及系统，在特征轨迹法的基础上提高了稳定裕度近似值的精确度，得到数学关系简单的逆相似矩阵和稳定裕度表达式，得到了风机接入对低频振荡的影响机理的清晰解释。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

3、第一方面，提供了基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析方法，包括以下步骤：

4、构建考虑风机并网的heffron-phillips模型；

5、将考虑风机并网的heffron-phillips模型简化为可实现特征轨迹法应用的反馈连接模型；

6、基于反馈连接模型，应用逆特征轨迹法进行稳定裕度求解；

7、分析风电并网对系统开环传递函数矩阵影响；

8、分析风电并网对系统低频振荡的影响。

9、进一步的，所述构建考虑风机并网的heffron-phillips模型的过程具体为：

10、以传统的heffron-phillips模型为基础，将风机的注入功率作为系统的输入信号，风机接入母线的电压幅值作为系统的输出信号；

11、风机的小信号模型为：

12、

13、其中，δpw表示风机注入有功功率的增量；δqw表示风机注入无功功率的增量；δuw表示风机注入母线电压幅值的增量；kp(s)表示δpw对δuw的传递函数；kq(s)表示δqw对δuw的传递函数；

14、风机接入电力系统后的线性化模型为：

15、

16、其中，s表示广义频率；δδ表示各发电机转子相对同步参考轴的角位移，即功角；δω表示各发电机的转速；δe′q表示各发电机交轴暂态电动势；δefd表示自动电压调节器输出电压；ag表示经典heffron-phillips模型中的系统矩阵；kwtg表示由经典heffron-phillips模型中输入矩阵、输出矩阵和直接转移矩阵确定的中间矩阵；agw表示接入风机后的系统矩阵；

17、接入风机后的系统矩阵为：

18、

19、其中，m表示含发电机转子运动惯性常数的对角矩阵；kd表示含转子运动阻尼系数的对角矩阵；gm(s)表示调速器-原动机系统传递函数矩阵；t′do表示含各发电机d轴暂态时间常数的对角矩阵；ta表示时间常数；ka表示励磁增益；hpss(s)表示pss传递函数矩阵；kc1-kc6表示接入风机后的线性化模型系数矩阵，与经典heffron-phillips模型中的k1-k6区别为系统中接入了风机。

20、进一步的，所述反馈连接模型中励磁控制回路的两个传递函数具体为：

21、

22、其中，gqc1(s)表示励磁控制回路的第一个传递函数；gqc2(s)表示励磁控制回路的第二个传递函数；gex(s)表示励磁系统传递函数矩阵；ω0表示同步转速。

23、进一步的，所述反馈连接模型中系统的开环传递函数矩阵具体为：

24、

25、其中，l(s)表示系统的开环传递函数矩阵；ω0表示同步转速；gqc1(s)表示励磁控制回路的第一个传递函数；gqc2(s)表示励磁控制回路的第二个传递函数。

26、进一步的，所述应用逆特征轨迹法进行稳定裕度求解的过程具体为：

27、(1)将s＝jω代入l(s)可以得到：

28、

29、其中，ω表示发电机的角频率；j表示虚数符号；

30、(2)定义传递函数矩阵lδ(jω)和lk1(jω)如下：

31、

32、(3)lk1(jω)为k1与对角矩阵相乘得到的矩阵，对该矩阵进行特征分解：

33、

34、其中，λ为实对角矩阵，其对角元为lk1(jω)的特征值，u为lk1(jω)的右特征向量矩阵；

35、(4)可得：

36、

37、其中，矩阵λ+u-1lδ(jω)u相似于l(jω)，用sm(jω)表示λ+u-1lδ(jω)u，则有：

38、λ[l(jω)]＝λ[λ+u-1lδ(jω)u]＝λ[sm(jω)]；

39、其中，λ(·)表示括号中矩阵的特征值；

40、(5)相似矩阵sm(jω)与稳定裕度λ-1(l)可以表示为：

41、

42、其中，λ-1(·)表示括号中矩阵的稳定裕度；λmin(·)表示括号中矩阵的最小特征值；sm表示相似矩阵隐藏自变量后的简写式；l表示系统的开环传递函数矩阵隐藏自变量后的简写式。

43、进一步的，所述分析风电并网对系统开环传递函数矩阵影响的过程具体为：

44、风机增加出力前后系统开环传递函数矩阵之差分解为两部分：一部分仅与风机动态的变化有关，另一部分仅与被替换出力的同步机动态变化有关；

45、假设风机增加出力前后系统低频振荡的频率分别为ω′及ω″，可得：

46、l″(jω″)＝l′(jω′)+δlp+δld；

47、其中，l′(jω′)表示替换前系统的开环传递函数矩阵；l″(jω″)表示替换后系统的开环传递函数矩阵；δlp表示仅与风机动态变化有关部分的回路传函矩阵；δld表示被替换出力的同步机动态变化有关部分的回路传函矩阵。

48、进一步的，所述分析风电并网对系统低频振荡的影响的过程具体为：

49、将风机接入系统并改变潮流的开环传递函数矩阵分解为仅与风机动态有关的部分以及仅与潮流变化有关的部分，可得：

50、

51、进而得到相似矩阵sm逆矩阵的表达式：

52、

53、其中，表示中仅与风机动态变化有关部分的回路传函矩阵；表示中被替换出力的同步机动态变化有关部分的回路传函矩阵；

54、为推导过程中的过渡矩阵，定义如下：

55、

56、

57、

58、

59、以此分析增加风机出力后，风机动态变化对稳定裕度造成的影响以及系统潮流变化对稳定裕度造成的影响。

60、第二方面，提供了基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析系统，包括：

61、模型重构模块，用于构建考虑风机并网的heffron-phillips模型；

62、模型简化模块，用于将考虑风机并网的heffron-phillips模型简化为可实现特征轨迹法应用的反馈连接模型；

63、裕度分析模块，用于基于反馈连接模型，应用逆特征轨迹法进行稳定裕度求解；

64、并网分析模块，用于分析风电并网对系统开环传递函数矩阵影响；

65、振荡分析模块，用于分析风电并网对系统低频振荡的影响。

66、第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析方法。

67、第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析方法。

68、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

69、1、本发明提供的基于逆特征轨迹法的风电并网低频振荡分析方法，在特征轨迹法的基础上提高了稳定裕度近似值的精确度，得到数学关系简单的逆相似矩阵和稳定裕度表达式，得到了风机接入对低频振荡的影响机理的清晰解释；

70、2、本发明可以将风机接入系统对低频振荡的影响分解为风机动态引入对低频振荡的影响以及系统潮流变化对低频振荡的影响，更清晰的解释了风机接入对低频振荡的影响机理。

71、3、本发明利用逆特征轨迹法可以得到比原相似矩阵对角占优程度更高的逆矩阵，从而得到精确度更高的稳定裕度，与现有的方法相比，本发明提出的方法更安全，分析更简单，理论基础更严谨。