一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法技术

本发明专利技术涉及风力发电领域，具体地来讲为一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法，通过在计算时间段的每一迭代步长内交替切换求解描述同步电机转子运动状态的微分方程组和描述网络中各节点电压电流约束关系的代数方程组，计算结束时即可得到网络中各同步发电机功角随时间的变化曲线，进而分析系统在受到各种干扰后的暂态稳定性。将暂态稳定分析分解成代数方程组求解和微分方程组求解，降低了求解不收敛的风险；同时对于高阶代数方程组的求解，采用LU分解法，避免矩阵求逆运算，提高计算速度并减小占用计算机内存空间；对于微分方程的求解，采用改进欧拉法构建一个预估‑校正系统，提高计算精度。

A Method for Calculating Transient Stability of Wind Turbine Grid Containing Doubly-fed Induction Generators

The present invention relates to the field of wind power generation. Specifically, it is a transient stability calculation method for power grids containing doubly fed induction wind turbines. The differential equations describing the motion state of synchronous motor rotor and the algebraic equations describing the voltage and current constraints of each node in the network can be solved by alternating switching within each iteration step of the calculation period. The time-varying curves of power angles of synchronous generators in the network are obtained, and then the transient stability of the system after various disturbances is analyzed. By decomposing transient stability analysis into algebraic equations and differential equations, the risk of non-convergence is reduced. At the same time, LU decomposition method is used to solve higher order algebraic equations, avoiding matrix inversion, improving calculation speed and reducing computer memory space. For solving differential equations, an improved Euler method is used to construct a predictor-corrector system. To improve the accuracy of calculation.

【技术实现步骤摘要】
一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法
本专利技术涉及风力发电领域，具体地来讲为一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法。
技术介绍
科学技术作为新型产业形成与应用的侦察兵，研究具备一定应用规模的风电容量接入传统电网的并网条件、运行与控制理论、紧急故障处理方式等课题，对风电行业的健康快速发展以及已并网风电在传统电网中安全可靠经济运行具有重大意义。以风力机为原动机的发电方式是一种不同于利用汽轮机或水轮机作为原动机的新型发电方式，双馈感应式风力发电机(DoublyFedInductionGenerator，DFIG)是现阶段实际使用最广泛的风电机组。随着容量不断增加，风电并入传统电网必将呈现新的问题，工程研究人员必须深入研究并采取有效应对措施。总的来看，大规模风电并入网络对系统产生各种影响的原因可以总结为以下两个方面。一方面，单台风力发电机组的输出功率较小(目前一般是兆瓦级)，为了达到像汽轮机那样数百兆瓦的输出功率，往往将数百台风力发电机组集中互联，形成具有较大地理分布面积的风力发电场。然而，自然界的风能本身具有波动性和突变性，而且，受风电场区域内部地形环境、风电机组排列位置等因素的影响，在某一时刻到达风电场内每台风力发电机迎风面的风速都可能有所差异，使得风电场的输出功率不能一直保持恒定。因此，并网区域电网的电压可能产生波动并带来谐波污染，也正是基于这些问题，风力发电机组不能像汽轮发电机组和水轮发电机组那样承担整个电力系统的调频和调压任务。另一方面，风电机组一般具有特殊的运行控制策略，使得它的功率输出外特性会随着自然环境的改变发生变化。风电机组并入电网后改变了原电网的功率分布格局，原电网中同步发电机的输出功率发生变化，重新构成的电网应对各种干扰或紧急故障的能力也随之发生改变。在由双馈感应式风电机组构成的大规模风电场集中接入对电力系统功角稳定性的影响研究方面，国内外也取得了初步结果。风电场接入点附近发生故障会导致本地或其他地区的风电机组保护动作，系统的暂态稳定性相比于风电机组接入前降低；而常规同步发电机附近发生故障，风电机组的接入对提高系统的稳定性有所帮助。还有研究采用相同容量的双馈风电机组风电场替换常规同步发电机，发现系统的暂态稳定性趋于变好。不少研究者在研究过程中还发现，双馈风电机组接入对电力系统暂态稳定性的影响不仅与风电机组本身的参量有关，还与所连接电网的拓扑结构、干扰或故障发生位置、干扰或故障类型等因素有关。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法，提高计算精度，求解结果可根据分析系统在受到各种干扰后的暂态稳定性。本专利技术是这样实现的，一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法，将双馈感应式风电机组处理为负导纳模型，包括如下的步骤：1)导入双馈感应式风电机组接入电网的拓扑结构以及潮流计算数据，根据网络稳态潮流计算结果和暂态导纳矩阵，计算发电机初始值和负荷等效导纳；2)判断系统的运行情况，根据系统的实际运行情况计算对应的网络节点导纳矩阵，在此基础之上加入负荷等效导纳以修改网络节点导纳矩阵；3)网络中接入的DFIG采用负导纳简化模型，根据系统的实际运行情况计算DFIG端口母线在相应运行情况下注入电网的有功功率和无功功率，并据此等效为负导纳模型；4)将步骤3中DFIG等效的负导纳模型加入到所述步骤2)的网络节点导纳矩阵中，得到除开同步发电机全网络的节点导纳矩阵；5)根据xy0坐标系和dq0坐标系之间的变换关系，将同步发电机在dq0坐标系中的电压平衡方程变换到xy0坐标系下；将基于步骤4中节点导纳矩阵的网络方程变换到xy0坐标系下；联立xy0坐标系下的电压平衡方程和节点导纳矩阵的网络方程到暂态稳定计算用的网络代数方程；6)求解步骤5中得到的暂态稳定计算用的网络代数方程，得到网络中各节点的电压，进而计算各同步发电机的注入电网的电流和电磁功率；7)用改进Euler法求解描述同步电机转子运动状态的微分方程，通过构建一个预估-校正系统计算每一迭代步长结束时刻的同步电机转子功角和角频率；8)在计算时间段的每一迭代步长内交替切换求解描述同步电机转子运动状态的微分方程组和描述网络中各节点电压电流约束关系的代数方程组，将微分方程组的计算结果作为解代数方程组的已知值，将代数方程组的计算结果作为求解微分方程组的已知值，计算结束时得到网络中各同步发电机功角随时间的变化曲线，进而分析系统的暂态稳定性。进一步地，在求解整个网络的代数方程时，包括如下的步骤：21)同步发电机在dq0坐标系中的电压平衡方程变换到xy0坐标系后的方程如下：利用上一迭代步求解微分方程的数值计算结果，计算方程中各参数式中Rai：第i台同步发电机定子绕组电阻，X'di：第i台同步发电机d轴暂态电抗，Xqi：第i台同步发电机q轴同步电抗，如果是首次求解网络代数方程，δ值按式进行计算；22)根据电网的实际运行状况按式列出除同步发电机以外网络的代数方程；23)联立步骤步骤21)和步骤22)中的方程组，得到暂态稳定计算用的网络方程网络方程中的节点导纳矩阵包含负荷、双馈感应式风电机组以及同步发电机的导纳。24)利用步骤21)中计算出的系数代入式计算各同步发电机机端节点注入的虚拟电流；25)将24)中求得的发电机节点虚拟电流代入式利用LU三角分解法，求解此高阶线性方程组，得到系统中所有节点电压的x分量和y分量；26)将25)中计算所得的节点电压代入式结合21)中计算出的参数，求得系统中所有节点注入电流的x分量和y分量；27)根据注入电压和注入电流，按式计算发电机输出的电磁功率。进一步地，所述的LU三角分解法具体为：对系数矩阵A为n阶非奇异矩阵的方程Ax＝b，将系数矩阵A分解为一个单位下三角矩阵L和一个上三角矩阵U的乘积，使n阶线性方程组求解中不存在矩阵求逆运算，只有乘积与求和运算，最终得到高阶线性方程组Ax＝b的解，利用LU分解法实现占据内存较少并节约计算时间。进一步地，当网络代数方程求解结束以后，步骤7)中用改进Euler法求解描述同步电机转子运动状态的微分方程式，包括如下步骤：41)根据式得到在微小时间间隔tk～tk+1初始时刻tk处状态变量δ和ω的变化率为其中，发电机的电磁功率在本迭代步长内求解网络代数方程时得到；42)按式Δt＝tk+1-tk以得到在时间间隔tk～tk+1终止时刻tk+1处状态变量δ和ω的预估值为43)将δ预估值作为已知量，重新求解整个网络的代数方程，最后得到按预估值计算所得的发电机端口电压和电流的预估值和进而，按式计算发电机电磁功率的预估值44)类比步骤41)，根据式求得在时间间隔tk～tk+1终止时刻tk+1处状态变量δ和ω变化率的预估值为45)根据式求得在时间间隔tk～tk+1终止时刻tk+1处状态变量δ和ω变化率的校正值为在时间间隔tk～tk+1内微分方程的求解完成后，所求状态变量δ的值作为下一时间间隔求解网络代数方程的已知条件，如此循环，完成整个仿真时段的计算。进一步地，步骤2)中判断系统的运行情况包括：网络正常运行、发生某种故障以及故障清除。进一步地，所述潮流计算数据的计算过程包括：将DFIG接入电网的母线处理为“类PQ”母线，具体为如下的步骤：S1：在传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法，其特征在于，将双馈感应式风电机组处理为负导纳模型，包括如下的步骤：1)导入双馈感应式风电机组接入电网的拓扑结构以及潮流计算数据，根据网络稳态潮流计算结果和暂态导纳矩阵，计算发电机初始值和负荷等效导纳；2)判断系统的运行情况，根据系统的实际运行情况计算对应的网络节点导纳矩阵，在此基础之上加入负荷等效导纳以修改网络节点导纳矩阵；3)网络中接入的DFIG采用负导纳简化模型，根据系统的实际运行情况计算DFIG端口母线在相应运行情况下注入电网的有功功率和无功功率，并据此等效为负导纳模型；4)将步骤3中DFIG等效的负导纳模型加入到所述步骤2)的网络节点导纳矩阵中，得到除开同步发电机全网络的节点导纳矩阵；5)根据xy0坐标系和dq0坐标系之间的变换关系，将同步发电机在dq0坐标系中的电压平衡方程变换到xy0坐标系下；将基于步骤4中节点导纳矩阵的网络方程变换到xy0坐标系下；联立xy0坐标系下的电压平衡方程和节点导纳矩阵的网络方程到暂态稳定计算用的网络代数方程；6)求解步骤5)中得到的暂态稳定计算用的网络代数方程，得到网络中各节点的电压，进而计算各同步发电机的注入电网的电流和电磁功率；7)用改进Euler法求解描述同步电机转子运动状态的微分方程，通过构建一个预估‑校正系统计算每一迭代步长结束时刻的同步电机转子功角和角频率；8)在计算时间段的每一迭代步长内交替切换求解描述同步电机转子运动状态的微分方程组和描述网络中各节点电压电流约束关系的代数方程组，将微分方程组的计算结果作为解代数方程组的已知值，将代数方程组的计算结果作为求解微分方程组的已知值，计算结束时得到网络中各同步发电机功角随时间的变化曲线，进而分析系统的暂态稳定性。...

【技术特征摘要】
1.一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法，其特征在于，将双馈感应式风电机组处理为负导纳模型，包括如下的步骤：1)导入双馈感应式风电机组接入电网的拓扑结构以及潮流计算数据，根据网络稳态潮流计算结果和暂态导纳矩阵，计算发电机初始值和负荷等效导纳；2)判断系统的运行情况，根据系统的实际运行情况计算对应的网络节点导纳矩阵，在此基础之上加入负荷等效导纳以修改网络节点导纳矩阵；3)网络中接入的DFIG采用负导纳简化模型，根据系统的实际运行情况计算DFIG端口母线在相应运行情况下注入电网的有功功率和无功功率，并据此等效为负导纳模型；4)将步骤3中DFIG等效的负导纳模型加入到所述步骤2)的网络节点导纳矩阵中，得到除开同步发电机全网络的节点导纳矩阵；5)根据xy0坐标系和dq0坐标系之间的变换关系，将同步发电机在dq0坐标系中的电压平衡方程变换到xy0坐标系下；将基于步骤4中节点导纳矩阵的网络方程变换到xy0坐标系下；联立xy0坐标系下的电压平衡方程和节点导纳矩阵的网络方程到暂态稳定计算用的网络代数方程；6)求解步骤5)中得到的暂态稳定计算用的网络代数方程，得到网络中各节点的电压，进而计算各同步发电机的注入电网的电流和电磁功率；7)用改进Euler法求解描述同步电机转子运动状态的微分方程，通过构建一个预估-校正系统计算每一迭代步长结束时刻的同步电机转子功角和角频率；8)在计算时间段的每一迭代步长内交替切换求解描述同步电机转子运动状态的微分方程组和描述网络中各节点电压电流约束关系的代数方程组，将微分方程组的计算结果作为解代数方程组的已知值，将代数方程组的计算结果作为求解微分方程组的已知值，计算结束时得到网络中各同步发电机功角随时间的变化曲线，进而分析系统的暂态稳定性。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在求解整个网络的代数方程时，包括如下的步骤：21)同步发电机在dq0坐标系中的电压平衡方程变换到xy0坐标系后的方程如下：利用上一迭代步求解微分方程的数值计算结果，计算方程中各参数式中Rai：第i台同步发电机定子绕组电阻，X'di：第i台同步发电机d轴暂态电抗，Xqi：第i台同步发电机q轴同步电抗，如果是首次求解网络代数方程，δ值按式进行计算；22)根据电网的实际运行状况按式列出除同步发电机以外网络的代数方程；23)联立步骤步骤21)和步骤22)中的方程组，得到暂态稳定计算用的网络方程网络方程中的节点导纳矩阵包含负荷、双馈感应式风电机组以及同步发电机的导纳。24)利用步骤21)中计算出的系数代入式计算各同步发电机机端节点注入的虚拟电流；25)将24)中求得的发电机节点虚拟电流代入式利用LU三角分解法，求解此高阶线性方程组，得到系统中所有节点电压的x分量和y分量；26)将25)中计算所得的节点电压代入式结合21)中计算出的参数，求得系统中所有节点注入电流的x分量和y分量；27)根据注入电压和注入电流，按式计算发电机输出的电磁功率。3.按照权利要求2所述的方法，，其特征在于，所述的LU三角分解法具体为：对系数矩阵A为n阶非奇异矩阵的方程Ax＝b，将系数矩阵A分解为一个单位下三角矩阵L和一个上三角矩阵U的乘积，使n阶线性方程组求解中不存在矩阵求逆运算，只有乘积与求和运算，最终得到高阶线性方程组Ax＝b的解，利用LU分解法实现占据内存较少并节约计算时间。4.按照权利要求2所述的方法，其特征在于，当网络代数方程求解结束以后，步骤7)中用改进Euler法求解描述同步电机转子运...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙淑琴，苟鑫，李永彬，梁伟强，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22