一种提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法：通过分析推导DFIG并网位置、功率输出特性、系统等效功角这些因素对系统暂态功角稳定的影响关系，得出了系统功角实时变化与DFIG输出外特性对等值系统电磁功率变化量ΔP

A superconducting energy storage control method for improving transient power angle stability of wind turbine system

【技术实现步骤摘要】
一种提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法
本专利技术涉及提高电力系统暂态功角稳定性
，更具体地说，是涉及一种提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法。
技术介绍
随着电力系统中风电穿透功率的不断提高，风电场接入对系统暂态功角稳定性的影响不容忽视。双馈异步风力发电机(DFIG)由于其特殊的结构，它本身不存在功角特性，不具备传统意义上的机电暂态过程，其主要通过输出功率影响同步机组的电磁功率从而影响系统的稳定运行。然而当系统出现大扰动的暂态期间，由于风力发电机自身的调节能力比较弱，通常需要补偿装置通过改善风机输出特性来提高系统的暂态稳定性。随着电力电子技术和高温超导体技术的发展，超导储能装置因其功率的快速响应和四象限调节能力，在维持电网稳定方面得到应用。近年来已有不少利用SMES提高系统稳定运行的研究。主要集中在以下方面：针对风电的随机性和波动性，储能装置的存储特性使得它能够在一定程度上解决风电输出功率不确定性和波动性的问题，利用储能技术可以在一段时间内使系统输出功率维持在一个相对稳定的范围，起到平滑输出有功，改善电能质量的作用。超导储能装置能够在短时间内向风电场提供有功和无功功率，利用储能装置快速去磁并衰减风电机组转子过电流，在故障暂态过程中吸收能量降低风电机组直流侧过电压，并配合网侧变换器控制无功功率，抬升DFIG并网点电压，提高并网点电压稳定性，加快故障后风电机组的恢复速度，并在故障后将能量回馈给电网，提高DFIG的低电压穿越能力。利用SMES装置的有功功率控制策略来提高系统暂态功角稳定性，在大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额是导致系统稳定被破坏的主要原因，在正确的控制策略下，SMES能够快速的进行有功补偿，从而可以有效的减少系统功率差额，通过增大系统减速面积和减小加速面积在较短的时间内抑制系统的振荡，提高系统的暂态稳定性。现有的研究大多将关注点放在利用超导储能装置来平滑并网风电场的动态输出特性和提高低电压穿越能力上。在系统暂态功角稳定性方面，也只是利用SMES的有功功率补偿特点，而未考虑SMES的无功输出特性和接入位置对系统暂态功角稳定的影响关系。将SMES-DFIG互联来提高系统暂态功角稳定性的研究较少又都基于单机无穷大系统，缺少理论上从原始多机系统入手分析DFIG-SMES接入对系统暂态稳定性的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种利用与风机并联的超导储能进行功率补偿来提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法，通过对含有DFIG-SMES的原始多机系统进行分析，推导出DFIG并网位置、功率输出特性、系统等效功角这些因素对系统转子运动方程中电磁功率的影响关系，在此基础上，总结出有利于系统暂态功角稳定的精确控制SMES功率输出的策略，主要是充分利用SMES灵活的四象限功率输出能力，依据DFIG接入位置和暂态期间系统暂态功角变化的信息，实时控制SMES功率的输入输出，补偿DFIG并网点的有功无功功率，通过增大系统减速面积和减小加速面积，达到提高系统暂态功角稳定性的目的。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。本专利技术提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法，包括以下内容：第一部分：通过分析推导DFIG并网位置、功率输出特性、系统等效功角这些因素对电力系统暂态功角稳定的影响关系，得出了电力系统功角实时变化与DFIG输出外特性对等值电力系统电磁功率变化量ΔPe的影响公式；具体过程如下：在含有DFIG的等效双机电力系统中转子运动方程为：式中：MSA为等效转动惯量，δSA为等效功角，Pm.SA为等效机械功率，Pc为电磁功率固定分量，ΔPe为DFIG存在对电磁功率的影响量，Pmax为电磁功率周期分量的幅值、γ为功角偏移量；将电网所有节点考虑为四个类型，分别是领先群S和余下群A的同步发电机内电势节点，网络中其余功率交换节点R，以及DFIG出口节点W；那么系统的节点电压方程列写为：式中，和分别是领先群S和余下群A同步发电机内电势节点，为功率交换节点R的电压，为DFIG出口节点W的电压，为S、A、W节点的电流，YSA、YRS、YRA、YWS、YWR、YAW、YAS、YWA、YSW、YSR、YAR、YRW为S、A、W、R节点间互导纳，YWW_0＝G0+jB0为W节点自导纳，YSS、YAA、YRR分别为S、A、R节点的自导纳；将系统节点电压方程进行两次收缩处理消去R、W节点，第一次收缩消去R节点，方程如下：第二次收缩消去W节点，方程如下：其中：ΔY为系统导纳矩阵的修正矩阵：通过对节点导纳矩阵的两次收缩，这样DFIG接入位置信息和其等效接地导纳所包含的功率特性就体现在修正矩阵中，反应了DFIG对同步机之间电气距离的影响程度；设系统S群有p台同步机，A群有(n-p)台同步机，设同步机内电势取标幺值，并考虑到节点导纳矩阵的对称性，得到等值系统电磁功率的变化量：其中：-gdfig+jbdfig为DFIG的输出外特性等效为的接地导纳，MA为A群的等值惯量，MS为S群的等值惯量，MT为整个系统的等值惯量；由于|B0+bdfig|》|G0-gdfig|，得：所以式简化为：从式(10)看出，影响ΔPe的因素包括DFIG并网位置、功率输出特性和系统等效功角δSA；ΔPe对gdfig和bdfig的偏导数，得到：第二部分：确定出有利于含DFIG的电力系统暂态功角稳定的SMES有功、无功输出的控制规律；1)计算X(δSA)、Y(δSA)的零点令X(δSA)＝0，即：求得X(δSA)的零点δX0为式中，Im(D)＝βx，同理，令Y(δSA)＝0，得到Y(δSA)的零点δY0为：式中，-Re(D)＝βY，2)制定SMES功率控制规律X(δSA)、Y(δSA)在零点处的导数为依据X(δSA)、Y(δSA)在零点处的导数来判断X(δSA)、Y(δSA)的正负区间；若零点处的导数值大于0，则零点左侧区间为负区间，右侧区间为正区间；若零点处的导数值小于0，则零点左侧区间为正区间，右侧区间为负区间；再依据ΔPe的增减性质和系统功角稳定的相关性，所制定的SMES功率控制规律如下：①在系统功角正摆期间，应增大ΔPe提高系统暂态稳定性若当δSA＜δX0，则X(δSA)＜0，ΔPe随gdfig的增大而增大，所以应控制SMES向系统增大输出(或减小吸收)有功；当δSA＞δX0，则X(δSA)＞0，ΔPe随gdfig的增大而减小，所以应控制SMES向系统减小输出(或增大吸收)有功；若当δSA＜δX0，则X(δSA)＞0，ΔPe随gdfigg的增大而减小，所以应控制SMES向系统减小输出(或增大吸收)有功；当δSA＞δX0，则X(δSA)＜0，ΔPe随gdfig本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法，其特征在于，包括以下内容：/n第一部分：通过分析推导DFIG并网位置、功率输出特性、系统等效功角这些因素对电力系统暂态功角稳定的影响关系，得出了电力系统功角实时变化与DFIG输出外特性对等值电力系统电磁功率变化量ΔP

【技术特征摘要】
1.一种提高含风机系统暂态功角稳定性的超导储能控制方法，其特征在于，包括以下内容：
第一部分：通过分析推导DFIG并网位置、功率输出特性、系统等效功角这些因素对电力系统暂态功角稳定的影响关系，得出了电力系统功角实时变化与DFIG输出外特性对等值电力系统电磁功率变化量ΔPe的影响公式；具体过程如下：
在含有DFIG的等效双机电力系统中转子运动方程为：



式中：MSA为等效转动惯量，δSA为等效功角，Pm.SA为等效机械功率，Pc为电磁功率固定分量，ΔPe为DFIG存在对电磁功率的影响量，Pmax为电磁功率周期分量的幅值、γ为功角偏移量；
将电网所有节点考虑为四个类型，分别是领先群S和余下群A的同步发电机内电势节点，网络中其余功率交换节点R，以及DFIG出口节点W；那么系统的节点电压方程列写为：



式中，和分别是领先群S和余下群A同步发电机内电势节点，为功率交换节点R的电压，为DFIG出口节点W的电压，为S、A、W节点的电流，YSA、YRS、YRA、YWS、YWR、YAW、YAS、YWA、YSW、YSR、YAR、YRW为S、A、W、R节点间互导纳，YWW_0＝G0+jB0为W节点自导纳，YSS、YAA、YRR分别为S、A、R节点的自导纳；
将系统节点电压方程进行两次收缩处理消去R、W节点，第一次收缩消去R节点，方程如下：



第二次收缩消去W节点，方程如下：



其中：



ΔY为系统导纳矩阵的修正矩阵：



通过对节点导纳矩阵的两次收缩，这样DFIG接入位置信息和其等效接地导纳所包含的功率特性就体现在修正矩阵中，反应了DFIG对同步机之间电气距离的影响程度；
设系统S群有p台同步机，A群有(n-p)台同步机，设同步机内电势取标幺值，并考虑到节点导纳矩阵的对称性，得到等值系统电磁功率的变化量：



其中：-gdfig+jbdfig为DFIG的输出外特性等效为的接地导纳，MA为A群的等值惯量，MS为S群的等值惯量，MT为整个系统的等值惯量；



由于|B0+bdfig|》|G0-gdfig|，得：



所以式简化为：



从式(10)看出，影响ΔPe的因素包括DFIG并网位置、功率输出特性和系统等效功角δSA；
ΔPe对gdfig和bdfig的偏导数，得到：
第二部分：确定出有利于含DFIG的电力系统暂态功角稳定的SMES有功、无功输出的控制规律；
1)计算X(δSA)、Y(δSA)的零点
令X(δSA)＝0，即：



求得X(δSA)的零点δX0为



式中，Im(D)＝βx，同理，令Y(δSA)＝0，得到Y(δSA)的零点δY0为：



式中，-Re(D)...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜惠兰，李政，张驰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12