一种评估海上风电场柔性直流输电系统谐振稳定性的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种评估海上风电场柔性直流输电系统谐振稳定性的方法，其通过建立海上风电场经柔性直流输电送出系统的s域等效电路，构建海上风电场经柔性直流输电送出系统的s域节点导纳矩阵，根据节点导纳矩阵的行列式零根来确定系统的谐振模式，并进而对系统的稳定性进行判断；该方法采用s域阻抗模型描述风力发电机、柔性直流换流器等电力电子设备的动态特性，避免了设备建模与系统运行方式的耦合；同时，该方法采用节点导纳矩阵的分析充分计及了海上风电场的多电力电子设备及其网架结构，分析更为全面。分析更为全面。分析更为全面。

【技术实现步骤摘要】
一种评估海上风电场柔性直流输电系统谐振稳定性的方法


[0001]本专利技术属于电力系统输配电
，具体涉及一种评估海上风电场柔性直流输电系统谐振稳定性的方法。

技术介绍

[0002]为解决化石资源短缺和生态环境污染的难题，政府相继出台了一系列鼓励清洁可再生能源发展的政策，太阳能、风能等清洁可再生能源的发展受到了广泛的重视，尤其是以风力发电、光伏发电为主的风电发展势头迅猛。随着风电的规模化开发，考虑到海上风力资源丰富、风速相对稳定、发电利用小时数高、且不存在占地问题、对生态环境影响小，海上风电的开发逐渐引起政府和企业的重视，发展势头迅猛。但是，海上风电场没有同步发电机，其系统缺少电压频率支撑，呈现无源系统特性；而且，受风能的不确定性影响，风电场发电功率存在较大的波动性，对交流电网存在一定的冲击。
[0003]考虑到海上风电场的无源系统特性以及其波动性，采用以模块化多电平换流器为核心的柔性直流输电技术成为海上风电场功率外送方案中的首选。一方面，以模块化多电平换流器为核心的柔性直流输电技术采用全控型电力电子器件，不需要依赖交流电网进行换相，并能够为海上风电场提供电压频率支撑；另一方面，海上风电场通过柔性直流输电技术进行并网，海上风电场与交流电网之间是解耦的，能够在一定程度上缓解风电波动性对电网的冲击。
[0004]但是，海上风电场经柔性直流输电送出时，其系统主要由风力发电机、柔性直流换流器等电力电子设备构成，而电力电子设备的响应速度快、控制频带宽，在一定的频段内会呈现负电阻效应，导致系统存在一定的谐振不稳定风险。如2011年我国河北沽源地区某双馈风电场基地发生了多起次同步频率范围(10～50Hz)内的振荡问题，2015年我国新疆哈密地区某直驱风电场基地也出现了多起超同步频率范围(50～100Hz)内的振荡现象，2016年我国广西地区鲁西背靠背柔性直流换流站出现了频率为1270Hz左右的振荡现象等等。
[0005]为评估海上风电场经柔性直流送出系统的谐振稳定性，目前大多专家学者采用状态空间法或阻抗分析法对此进行研究。状态空间法可以很好地反映出系统的不稳定谐振模式，并可以确定出关键影响因素，但是其建模需要较为详细的风电设备及柔性直流换流器参数，而且其设备建模需要与系统的运行方式相统一，其分析的难度和工作量都较大，难以应用于大规模系统。阻抗分析法可以不依赖于风电设备及柔性直流换流器的参数，可以较为方便地通过量测手段获得其端口阻抗特性，而且阻抗模型不随系统结构的变化而变化，可以独立于系统级的分析，具有一定的优越性，但是阻抗分析法主要针对某一端口的稳定性进行判断，对于含有众多电力电子设备的海上风电场经柔性直流输电送出系统，其海上风电场侧多等效为一台或几台电力电子设备，未考虑海上风电场的网架结构及其内部可能存在的谐振模式，分析不太完备。

技术实现思路

[0006]鉴于上述，本专利技术提出了一种评估海上风电场柔性直流输电系统谐振稳定性的方法，其通过建立海上风电场经柔性直流输电送出系统的s域等效电路，构建海上风电场经柔性直流输电送出系统的s域节点导纳矩阵，根据节点导纳矩阵的行列式零根来确定系统的谐振模式，并进而对系统的稳定性进行判断；该方法采用s域阻抗模型描述风力发电机、柔性直流换流器等电力电子设备的动态特性，避免了设备建模与系统运行方式的耦合；同时，该方法采用节点导纳矩阵的分析充分计及了海上风电场的多电力电子设备及其网架结构，分析更为全面。
[0007]一种评估海上风电场经柔性直流输电系统谐振稳定性的方法，所述输电系统包括海上风电场和柔性直流换流器，海上风电场将风能转换成直流电后输送至柔性直流换流器，进而由换流器进一步转换成交流电后为陆上电网系统供电，上述方法包括如下步骤：
[0008](1)建立海上风电场包括风力发电机、升压变压器、中压集电海缆在内电力设备的s域阻抗模型；
[0009](2)建立柔性直流换流器的s域阻抗模型；
[0010](3)根据上述建立得到的s域阻抗模型，构建系统的s域阻抗等效电路；
[0011](4)根据所述s域阻抗等效电路，建立系统的s域节点导纳矩阵Y(s)；
[0012](5)在1～1000Hz频率范围内计算系统s域节点导纳矩阵Y(s)的行列式零根s0，即求解方程|Y(s0)|＝0；
[0013](6)上述计算得到的行列式零根s0即对应为系统在1～1000Hz频率范围内所有的谐振模式，将这些谐振模式采用复数形式描述并将其呈现在复平面坐标系中，若所有行列式零根s0均位于复平面坐标系左半平面，则这些谐振模式均是稳定的，系统不存在谐振不稳定的风险；若有任一行列式零根s0位于复平面坐标系右半平面，则其对应的谐振模式是不稳定的，判定系统存在谐振不稳定的风险。
[0014]所述步骤(1)中建立风力发电机、升压变压器、中压集电海缆的s域阻抗模型，即基于频率分量平衡原理，分析交流系统某一频率的电压扰动分量在电力设备内部的传递情况以及扰动分量之间的定量对应关系，确定相对应的电流扰动分量，电压扰动分量与电流扰动分量的比值即为电力电子设备在该频率下的端口阻抗，进而根据频域与s域的对应关系，可将电力电子设备的端口阻抗频率特性转换为电力电子设备的s域阻抗模型。
[0015]进一步地，所述海上风电场中的风力发电机分为两类：一类为双馈风力发电机，另一类为直驱风力发电机。
[0016]进一步地，所述双馈风力发电机由风机、转子侧换流器以及网侧换流器组成，其s域阻抗模型如下：
[0017][0018]其中：Z
DFIG
(s)为双馈风力发电机在频率为s情况下的阻抗，ω
m
为风机的转子角速度，R
r
为风机的转子电阻，L
r
为风机的转子电感，R
s
为风机的定子电阻，L
s
为风机的定子电感，M为风机的定转子互电感，L
g
为网侧换流器的滤波电感，Z
RSC
(s)和Z
RSC
(s
‑
jω
m
)分别为转子侧换流器在频率为s和s
‑
jω
m
情况下的阻抗，Z
GSC
(s)为网侧换流器在频率为s情况下的阻抗，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位，R
RL,RSC
和L
RL,RSC
分别为转子侧换流器出口电路的电阻和电感，K
m,RSC
为转子侧换流器的电压调制系数，K
m,GSC
为网侧换流器的电压调制系数，U
dc,RSC
为转子侧换流器的直流侧电压，U
dc,GSC
为网侧换流器的直流侧电压，H
In,RSC
(s
‑
jω1)为转子侧换流器内环控制PI环节在频率为s
‑
jω1情况下的传递函数，H
In,GSC
(s
‑
jω1)为网侧换流器内环控制P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种评估海上风电场经柔性直流输电系统谐振稳定性的方法，所述输电系统包括海上风电场和柔性直流换流器，海上风电场将风能转换成直流电后输送至柔性直流换流器，进而由换流器进一步转换成交流电后为陆上电网系统供电，上述方法包括如下步骤：(1)建立海上风电场包括风力发电机、升压变压器、中压集电海缆在内电力设备的s域阻抗模型；(2)建立柔性直流换流器的s域阻抗模型；(3)根据上述建立得到的s域阻抗模型，构建系统的s域阻抗等效电路；(4)根据所述s域阻抗等效电路，建立系统的s域节点导纳矩阵Y(s)；(5)在1～1000Hz频率范围内计算系统s域节点导纳矩阵Y(s)的行列式零根s0，即求解方程|Y(s0)|＝0；(6)上述计算得到的行列式零根s0即对应为系统在1～1000Hz频率范围内所有的谐振模式，将这些谐振模式采用复数形式描述并将其呈现在复平面坐标系中，若所有行列式零根s0均位于复平面坐标系左半平面，则这些谐振模式均是稳定的，系统不存在谐振不稳定的风险；若有任一行列式零根s0位于复平面坐标系右半平面，则其对应的谐振模式是不稳定的，判定系统存在谐振不稳定的风险。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中建立风力发电机、升压变压器、中压集电海缆的s域阻抗模型，即基于频率分量平衡原理，分析交流系统某一频率的电压扰动分量在电力设备内部的传递情况以及扰动分量之间的定量对应关系，确定相对应的电流扰动分量，电压扰动分量与电流扰动分量的比值即为电力电子设备在该频率下的端口阻抗，进而根据频域与s域的对应关系，可将电力电子设备的端口阻抗频率特性转换为电力电子设备的s域阻抗模型。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述海上风电场中的风力发电机分为两类：一类为双馈风力发电机，另一类为直驱风力发电机。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述双馈风力发电机由风机、转子侧换流器以及网侧换流器组成，其s域阻抗模型如下：器以及网侧换流器组成，其s域阻抗模型如下：其中：Z
DFIG
(s)为双馈风力发电机在频率为s情况下的阻抗，ω
m
为风机的转子角速度，R
r
为风机的转子电阻，L
r
为风机的转子电感，R
s
为风机的定子电阻，L
s
为风机的定子电感，M为风机的定转子互电感，L
g
为网侧换流器的滤波电感，Z
RSC
(s)和Z
RSC
(s
‑
jω
m
)分别为转子侧换流器在频率为s和s
‑
jω
m
情况下的阻抗，Z
GSC
(s)为网侧换流器在频率为s情况下的阻抗，s为拉普拉斯算子，j为虚数单位，R
RL,RSC
和L
RL,RSC
分别为转子侧换流器出口电路的电阻和电感，K
m,RSC
为转子侧换流器的电压调制系数，K
m,GSC
为网侧换流器的电压调制系数，U
dc,RSC
为转子侧换流器的直流侧电压，U
dc,GSC
为网侧换流器的直流侧电压，H
In,RSC
(s
‑
jω1)为转子侧换流器内环控制PI环节在频率为s
‑
jω1情况下的传递函数，H
In,GSC
(s
‑
jω1)为网侧换流器内环控制PI环节在频率为s
‑
jω1情况下的传递函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文嘉，蔡晖，彭竹弈，许偲轩，赵菲菲，黄成辰，谢珍建，祁万春，徐政，邢法财，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：