CN113162113B - 确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法，其特点是，通过采用建立电力***的小干扰稳定分析微分代数方程、对***状态方程在小扰动下求解、对发电机电磁功率计算、对发电机电磁功率变化量ΔP_E进行线性化计算、对小扰动下同步发电机内节点模式能量计算和对小扰动下同步发电机内节点模式能量角度计算步骤，对含高渗透率永磁风机电力***的振荡机理进行分析，能够准确确定***中的振荡源，通过确定振荡源探究永磁风机对***低频振荡的影响。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法

技术领域

本发明涉及电力***规划与运行领域，是一种确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法，特别适用于对含高渗透率永磁风机并网电力***进行低频振荡机理的分析。

背景技术

随着互联电网的急速发展，越来越多的新能源发电装置接入电网。风电作为一种高效、便捷的可再生能源，正逐步的扩大其在电网中的渗透率。其中永磁风机(Permanentmagnet synchronous generator,PMSG)以结构简单、价格低廉、维修便捷、可实现有功功率和无功功率完全解耦的特点被广泛的应用在风力发电中。低频振荡是电力***面临的重大威胁之一，它的振荡频率低、周期长，当电网发生低频振荡事故时，可能会导致大规模的停电，严重的威胁着电力***的稳定。而永磁风机的大规模接入会加剧低频振荡问题对电网的威胁，此时电力***的低频振荡问题变得更加复杂。故对于高渗透率永磁风机并网电力***来说，及时找到振荡源十分重要。迄今未见有关确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法的文献报导和实际使用。

发明内容

本发明所要解决的问题是：针对高渗透率永磁风机并网的电力***存在的问题，提供一种科学合理，适用性强，效果佳的确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法，用所述的方法对含高渗透率永磁风机电力***的振荡机理进行分析，能够准确确定振荡源。

采用的技术方案是：一种确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)建立电力***的小干扰稳定分析微分代数方程

其中：ΔM—n维状态变量；k₁、k₂、k₃、k₄—系数矩阵；Δu—节点电压的幅值和角度增量；

2)对***状态方程在小扰动下求解

其中：Δm_k(t)—***状态方程在小扰动下的解；β₁,β₂,…,β_z—特征值；z—特征值数量；k—节点数量；c1,c2,…,c3—系数；

3)对发电机电磁功率计算

P_E＝E_q′u_ksinδ/x (3)

其中：P_E—发电机电磁功率；E_q′—发电机q轴暂态电势；u_k—发电机内节点k电压；δ—发电机功角；x—发电机d轴暂态电抗；

4)对发电机电磁功率变化量ΔP_E进行线性化计算

ΔP_E＝E_q′(Δu₁sinδ₀+Δδu₁₀cosδ₀)/x (4)

其中：ΔP_E—发电机电磁功率变化量；E_q′—发电机q轴暂态电势；Δu₁—发电机内节点电压变化量；u₁₀—发电机内节点电压初值；Δδ—发电机功角变化量；δ₀—发电机功角初值；

5)对小扰动下同步发电机内节点模式能量计算

ΔL_G＝∫ΔP_E·Δωdt (5)

其中：ΔL_G—小干扰下的同步发电机内节点模式能量；ΔP_E—小干扰下发电机电磁功率增量；Δω—发电机转子角速度增量；

6)对小扰动下同步发电机内节点模式能量角度计算

其中：γ_G—小扰动下同步发电机内节点模式能量角度；ω_G—发电机转子角速度；A—代数系数。

本发明的一种确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法，是基于高渗透率永磁风机的接入电力***后，与传统的电力***相比更不稳定、更易受到小干扰的影响，同时高渗透率永磁风机接入电力***后的振荡特性也更加复杂的实际情况，通过采用建立电力***的小干扰稳定分析微分代数方程、对***状态方程在小扰动下求解、对发电机电磁功率计算、对发电机电磁功率变化量ΔP_E进行线性化计算、对小扰动下同步发电机内节点模式能量计算和对小扰动下同步发电机内节点模式能量角度计算步骤，对含高渗透率永磁风机电力***的振荡机理进行分析，能够准确确定***中的振荡源，通过确定振荡源探究永磁风机对***低频振荡的影响；并且通过二机***和四机两区***的仿真算例验证所提出方法的有效性；***能量是由多种模式能量耦合而成，计算各模式下发电机的内节点模式能量及能量角度能够确定各模式下主要参与振荡的同步机。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1为本发明所使用的二机永磁风机并网***示意图；

图2为本发明所使用的二机永磁风机并网***区间振荡同步机内节点模式势能示意图；

图3为本发明所使用的二机永磁风机并网***区间振荡同步机内节点模式势能角度示意图；

图4为本发明所使用的四机两区永磁风机并网***示意图；

图5为本发明所使用的四机两区永磁风机并网***区间振荡同步机内节点模式势能示意图；

图6为本发明所使用的四机两区永磁风机并网***区间振荡同步机内节点模式势能角度示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明的一种基于模式能量确定永磁风机并网电力***机电振荡源的方法，包括以下步骤：

1)建立电力***的小干扰稳定分析微分代数方程

其中：ΔM—n维状态变量；k₁、k₂、k₃、k₄—系数矩阵；Δu—节点电压的幅值和角度增量；

2)对***状态方程在小扰动下求解

其中：Δm_k(t)—***状态方程在小扰动下的解；β₁,β₂,…,β_z—特征值；z—特征值数量；k—节点数量；c1,c2,…,c3—系数；

3)对发电机电磁功率计算

P_E＝E_q′u_ksinδ/x (3)

其中：P_E—发电机电磁功率；E_q′—发电机q轴暂态电势；u_k—发电机内节点k电压；δ—发电机功角；x—发电机d轴暂态电抗；

4)对发电机电磁功率变化量ΔP_E进行线性化计算

ΔP_E＝E_q′(Δu₁sinδ₀+Δδu₁₀cosδ₀)/x (4)

其中：ΔP_E—发电机电磁功率变化量；E_q′—发电机q轴暂态电势；Δu₁—发电机内节点电压变化量；u₁₀—发电机内节点电压初值；Δδ—发电机功角变化量；δ₀—发电机功角初值；

5)对小扰动下同步发电机内节点模式能量计算

ΔL_G＝∫ΔP_E·Δωdt (5)

其中：ΔL_G—小干扰下的同步发电机内节点模式能量；ΔP_E—小干扰下发电机电磁功率增量；Δω—发电机转子角速度增量；

6)对小扰动下同步发电机内节点模式能量角度计算

其中：γ_G—小扰动下同步发电机内节点模式能量角度；ω_G—发电机转子角速度；A—代数系数。

本发明对永磁风机并入二机***为例，此时***中风电渗透率达40％，***如图1所示。在母线L3-4处设置三相短路故障，对该***进行传统小干扰计算，得到结果如表1所示。其中主导振荡模式时频率为1.6412Hz的振荡模式，此时最大的参与因子为发电机G1，但与G1产生相对振荡的机组不明确，对该***进行发电机内节点模式能量及能量角度计算，结果如图2、图3所示。根据计算结果进行振荡源识别，图2中可见G2的内节点模式能量振荡方向与G1相反，幅值相近，说明G2是除G1外参与程度最大的机组。图3中可见G1、G2的内节点模式能量角度呈反向，说明该模式下发生相对振荡的机组是{G1-G2}。

再选用四机两区算例，在母线2和母线4处同时等容量将同步机替换为永磁风机，此时***风电渗透率为43％，如图4所示。在母线7处设置0.01秒三相短路故障，对该***进行传统小干扰计算，得到结果如表2所示。其中主导振荡模式时频率为0.72305Hz的振荡模式，此时最大的参与因子为发电机G1，但与G1产生相对振荡的机组不明确，对该***进行发电机内节点模式能量及能量角度计算，结果如图5、图6所示。根据计算结果进行振荡源识别，图5中可见G2的内节点模式能量振荡方向与G1相反，幅值相近，说明G2是除G1外参与程度最大的机组。图6中可见G1、G2的内节点模式能量角度呈反向，说明该模式下发生相对振荡的机组是{G1-G2}。

表1二机***接入PMSG小干扰计算结果

表2四机两区***并入PMSG小干扰计算结果

上述实施例仅为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在不改变本发明基本构思和实质的情况下，任何其它等同技术特征的变换或修改，都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种确定含永磁风机电力***机电振荡源的节点模式能量方法，其特征是，它包括以下步骤：

1)建立电力***的小干扰稳定分析微分代数方程作为***状态方程

其中：ΔM—n维状态变量；k₁、k₂、k₃、k₄—系数矩阵；Δu—节点电压的幅值和角度增量；

2)对***状态方程在小扰动下求解

其中：Δm_k(t)—***状态方程在小扰动下的解；β₁,β₂,…,β_z—特征值；z—特征值数量；k—节点数量；c1,c2,…,cz—系数；

3)对发电机电磁功率计算

P_E＝E′_qu_ksinδ/x (3)

其中：P_E—发电机电磁功率；E′_q—发电机q轴暂态电势；u_k—发电机内节点k电压；δ—发电机功角；x—发电机d轴暂态电抗；

4)对发电机电磁功率变化量ΔP_E进行线性化计算

ΔP_E＝E′_q(Δu₁sinδ₀+Δδu₁₀cosδ₀)/x (4)

其中：ΔP_E—发电机电磁功率变化量；E_q′—发电机q轴暂态电势；Δu₁—发电机内节点电压变化量；u₁₀—发电机内节点电压初值；Δδ—发电机功角变化量；δ₀—发电机功角初值；

5)对小扰动下同步发电机内节点模式能量计算

ΔL_G＝∫ΔP_E·Δωdt (5)

其中：ΔL_G—小干扰下的同步发电机内节点模式能量；Δω—发电机转子角速度增量；

6)对小扰动下同步发电机内节点模式能量角度计算

其中：γ_G—小扰动下同步发电机内节点模式能量角度；ω_G—发电机转子角速度；A—代数系数。

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