风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法技术方案

本发明专利技术提出一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，包括如下步骤：向风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号；建立风电机组锁相环、电流调节环节和PWM调制环节传递函数；获得风电机组正、负序阻抗模型Zp(s)、Zn(s)、电网等值阻抗模型Zg(s)和并网系统总阻抗模型Z(s)；确定合适的拟合分式多项式阶数m、n，并用其拟合所述并网系统总阻抗模型Z(s)；根据拟合结果求取拟合分式多项式在拟合区间内零点，根据所求零点确定系统振荡频率和阻尼水平。本发明专利技术的方法基于静止坐标系下序阻抗模型，解决了传统基于序阻抗模型的奈奎斯特稳定判据不能量化获得系统振荡频率和阻尼水平这一缺陷，以及基于聚合RLC电路模型量化分析方法的适用范围窄的问题。

Quantitative Analysis Method for Subsynchronous Oscillation Stability of Wind Turbine Grid-connected System

The present invention provides a quantitative analysis method for sub-synchronous oscillation stability of wind turbine grid-connected system, including the following steps: adding positive and negative sequence voltage disturbance signals to the grid-connected point of wind turbine; establishing transfer functions of phase-locked loop, current regulation link and PWM modulation link of wind turbine; obtaining positive and negative sequence impedance model Zp (s), Zn (s), grid equivalent impedance model Zg (s) and paralleling. The fitting fractional polynomial order m and N are determined and used to fit the total impedance model Z (s). The fitting fractional polynomial zeros in the fitting interval are obtained according to the fitting results, and the oscillation frequency and damping level of the system are determined according to the obtained zeros. The method of the present invention is based on the sequential impedance model in the stationary coordinate system, which solves the defect that the traditional Nyquist stability criterion based on the sequential impedance model can not quantify the oscillation frequency and damping level of the system, and the narrow application range of the quantitative analysis method based on the aggregated RLC circuit model.

【技术实现步骤摘要】
风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法
本专利技术属于新能源发电并网次同步振荡分析领域，具体涉及一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法。
技术介绍
近年来，随着全球能源危机的加剧，新能源发电技术受到了越来越多的关注。2015年7月我国新疆地区出现了大规模直驱风电机组接入弱交流电网的次同步振荡(SSO)现象。阻抗分析法因其有物理概念清晰、可扩展性强的优点，成为目前研究风电机组并网SSO问题的主要方法之一。采用阻抗分析法首先要获得风电机组和电网的阻抗模型，然后采用阻抗稳定判据进行稳定性分析。目前，传统的基于阻抗特性的奈奎斯特判据无法量化分析系统稳定性，只能给出定性的稳定分析结果，即系统稳定/不稳定；基于聚合RLC电路法的稳定量化分析方法通过等效RLC电路的形式首次实现了基于阻抗的量化分析，但该方法仅适用于阻尼很小的工况，限制了方法的适用范围。针对传统基于序阻抗模型的奈奎斯特稳定判据不能量化获得系统振荡频率和阻尼水平这一缺陷，以及基于聚合RLC电路模型量化分析方法的适用范围窄的问题，基于静止坐标系下序阻抗模型，本专利技术提出了一种实现了宽频带下的风电机组并网系统次同步振荡稳定性的量化分析方法。
技术实现思路
本专利技术提出一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，包括如下步骤：步骤1：向风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号；步骤2：建立风电机组锁相环、电流调节环节和PWM调制环节传递函数；步骤3：获得风电机组正、负序阻抗模型Zp(s)、Zn(s)、等值阻抗模型Zg(s)和并网系统总阻抗模型Z(s)；步骤4：确定合适的拟合分式多项式阶数m、n，并用其拟合所述并网系统总阻抗模型Z(s)；步骤5：根据拟合结果求取拟合分式多项式在拟合区间内零点，根据所求零点确定系统振荡频率和阻尼水平。进一步，在所述步骤1中，风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号解析表达式为：其中，U1是基波电压的幅值；φU1是基波电压的初相位；f1是基波电压的频率，f1＝50Hz；Up、Un是所加正、负序电压扰动的幅值；φUp、φUn是所加正、负序电压扰动的初相位；fp、fn是所加正、负序电压扰动的频率。进一步，步骤2中锁相环传递函数为：式中：其中：kpPLL是锁相环比例增益；kiPLL是锁相环积分增益；s是拉普拉斯算子；电流调节环节传递函数为：其中：Hi(s)＝kip+kii/s为电流调节器传递函数，采用比例积分(PI)控制，kip是比例增益，kii是积分增益，Kdq是dq轴交叉解耦系数，Kdq＝ω1L；PWM调制环节传递函数为：其中，Km是变流器输出增益；Udc是直流侧电压值；m是SPWM调制信号。进一步，联立式(4)(5)(6)(7)将式(1)作傅里叶变换代入可获得风电机组正、负序阻抗解析表达式为：其中，Gp(s)、GN(s)分别是锁相环正、负序传递函数；Km是逆变器输出增益；U1、I1是基波电压、电流幅值；φ1是基波电流初相位；ω1是基波角频率；电网等值阻抗模型为：Zg(s)＝Rg+sLg(10)其中，Rg是电网侧等值电阻，Lg是电网侧等值电感，s是拉普拉斯算子；风电机组并网系统总阻抗为：Z(s)＝Zs(s)+Zg(s)(11)其中，Zs(s)为风电机组输出阻抗；Zg(s)为电网等值输入阻抗。进一步，采用形如下式的分式多项式函数拟合Z(s)。其中，bn、bn-1、......、b0，am、am-1、......、a0，n、m均为实常数。进一步，n≥2，m≥1。进一步，根据拟合结果得到的bn、bn-1、......、b0，am、am-1、......、a0具体数值，采用MATLAB求零点函数即可获得拟合多项式的所有零点，根据拟合频率区间筛选出符合条件的多项式零点。根据所求拟合区间内分式多项式函数的零点即可判别互联系统稳定性，具体判别方式为：对于其中的共轭零点：λ1,2＝α±jβ，其中虚部β决定了振荡频率f；实部α决定了振荡发散或收敛及系统阻尼水平，阻尼σ＝-α；实部为正时，系统阻尼为负，系统振荡发散；实部为负时，系统阻尼为正，系统振荡收敛。进一步，拟合分式多项式函数曲线拟合的精度可以利用拟合优度R2来衡量，拟合优度的计算公式如下：其中，yi表示实际值；表示拟合值；拟合误差ε与拟合优度有如下关系：ε＝1-R2(14)当拟合误差很小时，即拟合精度很高时，在拟合区间内拟合多项式能很好地反映原函数的函数特性。当拟合实部误差和虚部误差均小于10-5时，拟合分式多项式分子、分母阶数选取的不同对拟合区间内分式多项式零点的求取影响很小。附图说明图1为本专利技术的风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法逻辑图；图2为本专利技术方法中的风电机组并网系统电路结构及控制示意图；图3为本专利技术方法中的锁相环内部传递示意图；图4为本专利技术方法中的风电机组dq电流解耦控制策略图；图5为本专利技术方法中的风电机组输出有功波形；图6为本专利技术方法中的并网点电流频谱分析结果。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。本专利技术提出了一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，该方法是基于静止坐标系下序阻抗模型进行的。下面结合附图对本专利技术作详细说明。量化分析流程如附图1所示，包括如下步骤：步骤1：向风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号。步骤2：建立风电机组电流调节环节和PWM调制环节传递函数。步骤3：获得风电机组正、负序阻抗模型Zp(s)、Zn(s)、电网等值阻抗模型Zg(s)和系统总阻抗模型Z(s)。步骤4：确定合适的拟合分式多项式阶数m、n，并用其拟合所述并网系统总阻抗模型Z(s)；步骤5：根据拟合结果求取拟合分式多项式在拟合区间内零点，根据所求零点确定系统振荡频率和阻尼水平。风电机组电路结构及控制示意图如附图2所示。风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号解析表达式为：其中，U1是基波电压的幅值；φU1是基波电压的初相位；f1是基波电压的频率，f1＝50Hz。Up、Un是所加正、负序电压扰动的幅值；φUp、φUn是所加正、负序电压扰动的初相位；fp、fn是所加正、负序电压扰动的频率。根据附图3所示的锁相环传递函数示意图获得锁相环传递函数为式中：其中：kpPLL是锁相环比例增益；kiPLL是锁相环积分增益；s是拉普拉斯算子。根据附图4所示的dq轴电流解耦控制策略，电流调节环节传递函数为：其中：Hi(s)＝kip+kii/s为电流调节器传递函数，采用比例积分(ProportionalIntegral，PI)控制，kip是比例增益，kii是积分增益。Kdq是dq轴交叉解耦系数，Kdq＝ω1L。PWM调制环节传递函数为：式中，Km是变流器输出增益；Udc是直流侧电压值；m是SPWM调制信号。联立式(4)(5)(6)(7)将式(1)作傅里叶变换代入可获得风电机组输出正负序阻抗解析表达式。其中，Gp(s)、GN(s)分别是锁相环正、负序传递函数；Km是逆变器输出增益；U1、I1是基波电压、电流幅值；φ1是基波电流初相位；ω1是基波角频率。电网等值阻抗模型为：Zg(s)＝Rg+sLg(10)其中，Rg是电网侧等值电阻，Lg是电网侧等值电感，s是拉普拉斯算子。风电机组并网系统总阻抗为：Z(s)＝Zp(s)+Zg(s)(11)其中，Zp(s)为风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，包括如下步骤：步骤1：向风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号；步骤2：建立风电机组锁相环、电流调节环节和PWM调制环节传递函数；步骤3：获得风电机组正、负序阻抗模型Zp(s)、Zn(s)、电网等值阻抗模型Zg(s)和并网系统总阻抗模型Z(s)；步骤4：确定合适的拟合分式多项式阶数m、n，并用其拟合所述并网系统总阻抗模型Z(s)；步骤5：根据拟合结果求取拟合分式多项式在拟合区间内零点，根据所求零点确定系统振荡频率和阻尼水平。

【技术特征摘要】
1.一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，包括如下步骤：步骤1：向风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号；步骤2：建立风电机组锁相环、电流调节环节和PWM调制环节传递函数；步骤3：获得风电机组正、负序阻抗模型Zp(s)、Zn(s)、电网等值阻抗模型Zg(s)和并网系统总阻抗模型Z(s)；步骤4：确定合适的拟合分式多项式阶数m、n，并用其拟合所述并网系统总阻抗模型Z(s)；步骤5：根据拟合结果求取拟合分式多项式在拟合区间内零点，根据所求零点确定系统振荡频率和阻尼水平。2.根据权利要求1所述的一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，其特征在于：在所述步骤1中，所述风电机组并网点加入正、负序电压扰动信号解析表达式为：其中，U1是基波电压的幅值；φU1是基波电压的初相位；f1是基波电压的频率，f1＝50Hz；Up、Un是所加正、负序电压扰动的幅值；φUp、φUn是所加正、负序电压扰动的初相位；fp、fn是所加正、负序电压扰动的频率。3.根据权利要求2所述的一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，其特征在于，所述步骤2中，所述锁相环传递函数为：式中：其中：kpPLL是锁相环比例增益；kiPLL是锁相环积分增益；s是拉普拉斯算子；所述电流调节环节传递函数为：其中：Hi(s)＝kip+kii/s为电流调节器传递函数，采用比例积分(PI)控制，kip是比例增益，kii是积分增益，Kdq是dq轴交叉解耦系数，Kdq＝ω1L；所述PWM调制环节传递函数为：其中，Km是变流器输出增益；Udc是直流侧电压值；m是SPWM调制信号。4.根据权利要求3所述的一种风电机组并网系统次同步振荡稳定性量化分析方法，其特征在于，在所述步骤3中，联立式(4)(5)(6)(7)将式(1)作傅里叶变换代入可获得风电机组正、负序阻抗解析表达式为：其中，Gp(s)、GN(s)分别是锁相环正、负序传递函数；Km是逆变器输出增益；U1、I1是基波电压、电流幅值；φ1是基波电流初相位；ω1是...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖仕武，张明远，张刘杰，毕天姝，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11