一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，属于电力系统频率控制技术领域；包括以下步骤：获取双馈风机的一次、二次系统参数和稳态运行点；定义双馈风机的等效内电势；列写双馈风机等效内电势与机端电压、电机定子侧向电网注入的电流之间的关系；获得双馈风机等效转速的表达式；组合双馈风机内部各模块，得到线性化的双馈风机等效转子运动模型；获得双馈风机参与系统惯性中心频率动态的模型；获得双馈风机参与扰动功率分配的模型。本发明专利技术解析了双馈风机的等效暂态电抗和等效惯量，反映双馈风机与电网之间的电气距离和对电网的惯量支撑作用，对电网调度运行人员有重要参考价值。人员有重要参考价值。人员有重要参考价值。

【技术实现步骤摘要】
一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法


[0001]本专利技术涉及电力系统频率控制
，尤其是涉及一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法。

技术介绍

[0002]大规模新能源接入给电力系统频率稳定带来了严峻挑战。一方面，新能源通过电力电子设备接入电网，无法主动为系统提供惯量支撑，系统惯量水平降低，扰动后频率变化率（RoCoF）显著增加，频率失稳风险增加；另一方面，新能源规模化集中接入导致系统惯量空间分布不均匀，系统频率具有空间分布特性，局部地区频率动态特性恶化严重，局部故障可能引起全网频率连锁崩溃。
[0003]新能源对系统频率动态的影响仍是一个未知的问题，无法定量解释新能源对系统惯性中心（COI）频率动态和频率空间分布的作用机制。特别是广泛应用的双馈风力发电机（DFIG），其动态特性由双馈式感应电机和多种控制回路共同决定，并且电机定子与电网直接相连，在所有新能源中具有最复杂的动态特性。DFIG的详细模型阶数高且微分代数方程耦合，只能用于仿真分析电力系统频率动态的过程，研究DFIG对系统频率动态作用机制的关键点在于建立合适的DFIG简化模型。
[0004]现有DFIG简化建模的技术路线主要包括两类。其一，基于系统COI频率动态的DFIG简化建模。比如，考虑DFIG机械转子运动、MPPT控制和其他动态模块，采用虚拟惯量（VI）控制的DFIG可以建模为简化传递函数或者进一步提取为等效惯量常数。DFIG简化传递函数可以描述机端频率与其有功功率输出之间的关系，并在COI坐标系下频率响应模型（SFR）中计及DFIG动态特性。然而，基于系统COI的技术路线无法考虑系统频率空间分布特性。其二，支撑系统频率空间分布研究的DFIG简化建模。比如，将DFIG频率时间尺度特性建模为戴维南等值电路方程，能够描述DFIG与系统之间的电气距离。然而，现有技术中DFIG内电势与转子电流有关，无法解析扰动瞬间DFIG分配的扰动功率以及DFIG内电势对电网频率的贡献。
[0005]因此，需要一种用于电力系统频率动态分析的DFIG简化建模方法，能够同时考虑DFIG对COI频率的贡献和对频率空间分布特性的影响，支撑新能源电力系统频率动态精确分析与控制。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，解决上述
技术介绍
中提到的技术问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，包括以下步骤：S1、获取双馈风机的参数，包括双馈风机一次系统参数、双馈风机二次系统参数和双馈风机的稳态运行点；S2、定义双馈风机的等效内电势；
S3、列写双馈风机等效内电势与机端电压、电机定子侧向电网注入的电流之间的关系，将该关系建模为相量形式的方程，构成双馈风机的等效电路模型；S4、获得双馈风机等效转速的表达式；S5、根据线性化的双馈风机等效转速表达式，组合双馈风机内部各模块，将各模块的输入统一为有功功率，得到非线性形式的双馈风机等效转子运动模型，对其线性化处理得到线性化的双馈风机等效转子运动模型；S6、获得双馈风机参与系统惯性中心频率动态的模型；S7、获得双馈风机参与扰动功率分配的模型。
[0008]优选的，所述S2中，双馈风机等效内电势表示为系统频率动态时间尺度下的状态变量的代数组合，如下所示：；式中，表示双馈风机等效内电势，表示等效内电势幅值，表示等效内电势相角，表示虚数单位，表示代数组合，表示锁相环的输出相角，表示风机的机械转子转速，表示有功控制回路积分环节的状态变量。
[0009]优选的，所述S3中，双馈风机相量形式的等效电路模型如下式所示：；；；；；式中，是双馈风机机端电压，是双馈风机定子向电网注入的有功，是双馈风机的等效电阻，是等效暂态电抗，是双馈电机的额定转速，是定子电抗，是励磁电抗，是有功外环控制的比例控制参数，是有功外环控制的积分控制参数，是机端电压控制指令，是最大功率跟踪控制系数，是扰动前双馈风机电机转子q轴电流；和分别是双馈风机向电网注入的总有功和总无功，满足和，式中、分别表示双馈电机定子的有功和无功。
[0010]优选的，所述S4中，线性化的双馈风机等效转速表达式：
；；；式中，和是线性化系数，是电网额定频率，和分别是风机的机械转速和有功控制积分环节的状态变量在扰动前的值，是锁相环输出频率。
[0011]优选的，所述S5中，线性化的双馈风机等效转子运动模型为：；；；；；；；；；；；；；式中，等效转速分量、和分别对应线性化的双馈风机等效转速表达式中的、和，和分别是中的连续分量和非连续分
量，和分别是中的连续分量和非连续分量，和分别是中的连续分量和非连续分量，和分别是和对应的等效机械功率，是线性化后的双馈风机定子有功功率；等效转子运动模型中等效惯量常数为：；；；式中，是锁相环的比例控制参数，是锁相环的积分控制参数，是风力机的机械转动惯量；常数项为：；；；高阶分量为：；。
[0012]优选的，对于最大功率跟踪控制的线性化，最大功率跟踪的线性化系数表达式为：；对于双馈风机内部有功潮流方程的线性化，有功潮流方程的线性化系数表达式为：
；式中，和分别是双馈风机等效内电势和等效暂态电抗在扰动前的数值；对于风机空气动力学模型的线性化，考虑到风机空气动力学模型的多样性，若其模型为：；；；；式中，是风机的输出转矩，是叶尖速比，是一个中间变量，是风速，是额定风速，是风机特性的额定值，、、、、是空气动力学参数；风机空气动力学模型的线性化系数表达式为：；式中，是稳态风速，是额定叶尖速比。
[0013]优选的，所述S6中，双馈风机参与系统惯性中心频率动态的模型类比同步机系统获得，惯性中心频率动态和系统总惯量通过下式计算：；
；式中，g和w分别表示同步机和双馈风机的序号，是同步机的转子转速，和分别是同步机和双馈风机的额定容量，是同步机的惯量常数，是双馈风机的总等效惯量；是系统中第w台双馈风机的等效转速；的表达式如下：；式中，和分别是由线性化系数和归一化的等效惯量分量。
[0014]优选的，所述S7中，双馈风机参与扰动功率分配的模型类比同步机系统获得，系统中第w个双馈风机拾取的扰动功率用双馈风机和扰动位置之间的同步功率系数来描述，如下所示：；；式中，是同步机的同步功率系数，是扰动前扰动点电压的相角，是双馈风机等效内电势与扰动点之间的等效电抗，是系统扰动功率，是扰动前双馈风机等效内电势的幅值，是扰动前扰动点电压的幅值，是扰动前双馈风机等效内电势的相角。
[0015]本专利技术所述的一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法的有益效果在于：本专利技术所提方法类比同步机二阶经典模型建立了双馈风机的简化模型，该模型的优势在于模型能够直接用于电力系统频率动态分析，包括双馈风机参与系统惯性中心频率动态、双馈风机参与扰动功率分配等方面，模型中解析了双馈风机的等效暂态电抗和等效惯量，能够反映双馈风机与电网之间的电气距离和对电网的惯量支撑作用，对电网调度运行人员有重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取双馈风机的参数，包括双馈风机一次系统参数、双馈风机二次系统参数和双馈风机的稳态运行点；S2、定义双馈风机的等效内电势；S3、列写双馈风机等效内电势与机端电压、电机定子侧向电网注入的电流之间的关系，将该关系建模为相量形式的方程，构成双馈风机的等效电路模型；S4、获得双馈风机等效转速的表达式；S5、根据线性化的双馈风机等效转速表达式，组合双馈风机内部各模块，将各模块的输入统一为有功功率，得到非线性形式的双馈风机等效转子运动模型，对其线性化处理得到线性化的双馈风机等效转子运动模型；S6、获得双馈风机参与系统惯性中心频率动态的模型；S7、获得双馈风机参与扰动功率分配的模型。2.根据权利要求1所述的一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，其特征在于：所述S2中，双馈风机等效内电势表示为系统频率动态时间尺度下的状态变量的代数组合，如下所示：；式中，表示双馈风机等效内电势，表示等效内电势幅值，表示等效内电势相角，表示虚数单位，表示代数组合，表示锁相环的输出相角，表示风机的机械转子转速，表示有功控制回路积分环节的状态变量。3.根据权利要求2所述的一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，其特征在于：所述S3中，双馈风机相量形式的等效电路模型如下式所示：；；；；；式中，是双馈风机机端电压，是双馈风机定子向电网注入的有功，是双馈风机的等效电阻，是等效暂态电抗，是双馈电机的额定转速，是定子电抗，是励磁电抗，是有功外环控制的比例控制参数，是有功外环控制的积分控制参数，是机端电压控制指令，是最大功率跟踪控制系数，是扰动前双馈风机电机转子q轴电流；
和分别是双馈风机向电网注入的总有功和总无功，满足和，式中、分别表示双馈电机定子的有功和无功。4.根据权利要求3所述的一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，其特征在于：所述S4中，线性化的双馈风机等效转速表达式：；；；式中，和是线性化系数，是电网额定频率，和分别是风机的机械转速和有功控制积分环节的状态变量在扰动前的值，是锁相环输出频率。5.根据权利要求4所述的一种用于电力系统频率动态分析的双馈风机简化建模方法，其特征在于：所述S5中，线性化的双馈风机等效转子运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕天姝，王程，刘家豪，胥国毅，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：