一种基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法技术方案

本发明专利技术属于电力系统稳定性分析领域，具体涉及一种基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法。非线性系统及控制设备内部存在诸多限幅环节。扰动后，设备限幅环节饱和或控制切换会使得动力系统轨线在不同的光滑系统之间切换，传统基于局部平衡点的研究方法难以适用。为更好考虑新能源系统中非线性环节带来的影响，解释非线性系统中存在的复杂振荡现象，本发明专利技术建立了含SVG的双馈接入的简化电力系统模型，基于非光滑分岔理论，采用相图分析法和最大李雅普诺夫指数，提出了一种简单直观的双馈系统切换型振荡的分析方法。不同于传统的线性系统分析方法，该方法为未来非线性系统的稳定性分析，提供了新的思路，具有一定的参考价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法专利领域本专利技术属于电力系统稳定性分析领域，具体涉及一种基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法。
技术介绍
随着新能源系统规模的扩大，电力电子设备得到广泛应用，这使得新能源电网稳定性问题日益凸显，其中次同步振荡问题尤为突出。2015年7月，新疆哈密地区风电场出现的次同步振荡引起学界广泛关注。研究表明，电力电子设备是该类振荡的重要相关因素之一。从数学角度看，新能源系统次同步振荡问题可从以下三个方面解释：强迫振荡、负阻尼振荡以及切换型振荡。强迫振荡方面，新能源系统中，具有快速响应特性的电力电子设备与发电机系统之间存在着相互作用，这种相互作用使得电力电子设备可能成为强迫振荡的振荡源。现有对强迫振荡的研究主要包含电气信号上附加的强迫扰动以及输入风速引入的扰动。负阻尼振荡是由系统各组成部分之间复杂的相互作用，使得系统阻尼特性为负引发的振荡。对于该种类型的振荡，目前的研究方法主要包括阻抗法和特征值法等。阻抗法主要通过计算不同频率下的系统阻抗，辅以奈奎斯特判据，从而判断系统稳定性。现有研究分别建立了基于直驱风机的阻抗模型、双馈风机的并网阻抗模型以及较为完整的多风电场阻抗网络模型，并通过阻抗模型的阻抗–频率特性，分析系统的次同步振荡。特征值法通过分析状态方程中系数矩阵的特征值，从而获取系统在运行点附近的稳定性。有研究通过根轨迹法对双馈风电场模型的次同步振荡风险进行了评估。有研究通过特征值分析，给出了双馈风电场串补网络产生次同步振荡的主要原因。有研究通过参与因子分析了多个双馈风电场间的次同步振荡。另一方面，由于新能源系统普遍安装了SVG来改善电压稳定问题，且SVG对次同步电压扰动较为敏感，所以诸多研究通过以上方法对含SVG系统的振荡问题进行了研究。值得注意的是，系统及控制设备内部还存在诸多限幅环节。扰动后，设备限幅环节饱和或控制切换会使得动力系统轨线在不同的光滑系统之间切换，从而引发不同于以上两种振荡的切换型振荡。切换型振荡对应着系统大范围内的极限环，传统基于局部平衡点的研究方法难以适用，但可用非光滑系统的非光滑分岔理论解释。然而，目前关于双馈风机限幅饱和引起的切换型振荡的研究主要为故障中的振荡，且大多关注机组自身的限幅，而忽略了控制设备中限幅环节所产生的影响。有鉴于此，如何考虑双馈风机与SVG内部限幅的影响，分析含SVG双馈风电场大扰动下的次同步振荡，是一个值得研究的问题。
技术实现思路
在现代电力系统“双高”背景下，本专利技术考虑双馈风机系统中非线性环节的影响，搭建了含SVG的双馈接入的电力系统等效模型，基于非光滑分岔理论，利用相图和李雅普诺夫指数分析法，为现代电力系统中的切换型振荡提供了一种新型分析方法。其目的在于分析系统切换型振荡的特征，找出影响该类振荡的关键性因素，实现系统的稳定运行。1、一种基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法主要包含如下步骤：步骤A.建立含SVG的双馈接入的电力系统等效模型。步骤B.基于步骤A中的电力系统等效模型，通过潮流计算求得，双馈风机输出功率、转子侧变流器的d轴电流分量以及SVG的q轴电流分量步骤C.以转子侧变流器d轴电流分量为x轴，SVG的q轴电流分量为y轴，绘制双馈系统控制环节的相图，并计算系统最大李雅普诺夫指数。步骤D.利用C中求得的相图与李雅普诺夫指数对系统切换型振荡进行分析。2、步骤A所述含SVG的双馈接入的电力系统等效模型具体为：机械部分建模：由输入风速得到输入机械功率，进而除以转子转速得到机械转矩。式中，Tm为机械转矩，Vw为输入风速，wr为转子转速。单质块建模：系统输入的机械转矩减去运行所消耗的电磁转矩Te再扣除系统阻尼损耗D，剩下的能量驱动转子运行。式中，isq，isd分别为定子q、d轴电流分量，irq，ird分别为转子q、d轴电流分量，Lm为定转子间的漏感抗。异步机建模：根据定、转子各自的电压与磁链之间关系，可分别写出如下方程：定子磁链与电压方程：式中：Vds，Vqs分别为定子电压的d、q轴分量，Ψds、Ψqs分别为定子磁链的d、q轴分量。ω1为定子磁场同步转速，Ls为定子自感抗。同理可得转子磁链与电压方程，其中ωr为转子同步转速。结合式(3)、式(4)可得定转子电流微分方程：转子侧换流器建模：转子侧换流器采用定子磁链定向方式，q轴电流控制有功功率，d轴电流控制无功功率。式中：x8，x9，x10，x11分别为相应环节的状态变量。Pref，Qref分别有有功、无功功率参考值，Pmeas，Qmeas分别有有功、无功功率测量值，ird_ref，irq_ref分别为转子电流d、q轴分量的参考值，σ为转差系数。Kp，Ki分别为响应PI环节的比例参数和积分参数。网侧换流器建模：网侧换流器采用定子电压定向方式，d轴电流控制直流电压(有功功率)，q轴电流控制无功功率,转子侧和网侧定向方式不同会造成方程矛盾，需要统一定向方式，因此网侧换流器在列写方程时统一为定子磁链定向。式中：x12，x13，x14分别为相应环节的状态变量。VDC_ref、VDC分别为直流电容的参考值和实际值，igd，igq为并网点电流的d、q轴分量。网络方程：锁相环理想追踪的情况下，定子d轴电压为0，列写定子q轴电压与电网电压及网络阻抗的方程：3、步骤B中所采用的潮流计算方法具体为：对于任意非线性方程组：fi(x1，x2，...xn)＝yi(i＝1，2，...，n)(9)假设其解为：则方程真实解的情况可写作：将上式按照泰勒公式展开并忽略二次项及以上，则方程可化为：若将其展开并写作矩阵形式，则有：该矩阵又可简写为：Δy＝J·Δx(14)其中J表示该方程组的状态矩阵。通过公式14，可以求得修正量Δx，从而更新初始解，即：再将更新后的新解带入，从而求出新的Δy，J。按此迭代方式循环多次之后，便可使得初始解满足误差要求。4、步骤C中最大李雅普诺夫指数的计算方法具体为：设混沌时间序列x1，x2,…,xk,嵌入维数m，时间延迟τ，则重构相空间：Y(ti)＝(x(ti)，x(ti+τ)，...，x(ti+(m-1)τ))(16)取初始点Y(t0)，设其与最邻近点Y0(t0)的距离为L0，追踪这两点的时间演化，直到t1时刻，其间距超过某规定值ε>0，L’0＝|Y(t1)-Y0(t1)|>ε，保留Y(t1)，并在Y(t1)邻近另找一个点Y1(t1)，使得L1＝|Y(t1)-Y1(t1)|<ε，并且与之夹角尽可能的小，继续上述过程，直至Y(t)到达时间序列的终点N，这时追踪演化过程总的迭代次数为M，则最大李雅普诺夫指数为：5、步骤D中所述的基于相图和最大李雅普诺夫指数的双馈系统切换型振荡的分析方法，其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法，其特征在于，包含如下步骤：/n步骤A.建立含SVG的双馈接入的电力系统等效模型；/n步骤B.基于步骤A中的电力系统等效模型，通过潮流计算求得，双馈风机输出功率、转子侧变流器的d轴电流分量以及SVG的q轴电流分量；/n步骤C.以转子侧变流器d轴电流分量为x轴，SVG的q轴电流分量为y轴，绘制双馈系统控制环节的相图，并计算系统最大李雅普诺夫指数；/n步骤D.利用C中求得的相图与李雅普诺夫指数对系统切换型振荡进行分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法，其特征在于，包含如下步骤：
步骤A.建立含SVG的双馈接入的电力系统等效模型；
步骤B.基于步骤A中的电力系统等效模型，通过潮流计算求得，双馈风机输出功率、转子侧变流器的d轴电流分量以及SVG的q轴电流分量；
步骤C.以转子侧变流器d轴电流分量为x轴，SVG的q轴电流分量为y轴，绘制双馈系统控制环节的相图，并计算系统最大李雅普诺夫指数；
步骤D.利用C中求得的相图与李雅普诺夫指数对系统切换型振荡进行分析。


2.根据权利要求1所述的基于相图的双馈系统切换型振荡分析方法，其特征在于，步骤A所述含SVG的双馈接入的电力系统等效模型具体为：
机械部分建模：由输入风速得到输入机械功率，进而除以转子转速得到机械转矩

(1)
式中，为机械转矩，为输入风速，为转子转速；
单质块建模：系统输入的机械转矩减去运行所消耗的电磁转矩Te再扣除系统阻尼损耗D，剩下的能量驱动转子运行：

(2)
式中，isq，isd分别为定子q、d轴电流分量，irq，ird分别为转子q、d轴电流分量，Lm为定转子间的漏感抗；
异步机建模：根据定、转子各自的电压与磁链之间关系，可分别写出如下方程：
定子磁链与电压方程：

(3)
式中：Vds，Vqs分别为定子电压的d、q轴分量，Yds、Yqs分别为定子磁链的d、q轴分量；w1为定子磁场同步转速，Ls为定子自感抗；
同理可得转子磁链与电压方程，其中wr为转子同步转速；

(4)
结合式(3)、式(4)可得定转子电流微分方程：

(5)
转子侧换流器建模：转子侧换流器采用定子磁链定向方式，q轴电流控制有功功率，d轴电流控制无功功率；

(6)
式中：x8，x9，x10，x11分别为相应环节的状态变量；Pref，Qref分别有有功、无功功率参考值，Pmeas，Qmeas分别有有功、无功功率测量值，ird_ref，irq_ref分别为转子电流d、q轴分量的参考值，s为转差系数；Kp，Ki分别为响应PI环节的比例参数和积分参数；
网侧换流器建模：网侧换流器采用定子电压定向方式，d轴电流控制直流电压(有功功率)，q轴电流控制无功功率,转子侧和网侧定向方式不同会造成方程矛盾，需要统一定向方式，因此网侧换流器在列写方程时统一为定子磁链定向；

(7)
式中：x12，x13，x14分别为相应环节的状态变量；VDC_ref、VDC分别为直流电容的参考值和实际值，igd，igq为并网...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛安成，王永杰，刘晓博，孔贺，付潇宇，王嘉伟，汪云涛，马婧，顾雷，庄文斌，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11