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CN117458526A - 一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法 - Google Patents

一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法 Download PDF

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CN117458526A
CN117458526A CN202311393653.6A CN202311393653A CN117458526A CN 117458526 A CN117458526 A CN 117458526A CN 202311393653 A CN202311393653 A CN 202311393653A CN 117458526 A CN117458526 A CN 117458526A
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oscillation
determinant
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安甦
蒲清昕
刘明顺
贺先强
马覃峰
朱灵子
王寅
张青青
范翔
王国松
陈俊全
陈锐
张丹
曹杰
吴应双
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Guizhou Power Grid Co Ltd
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Guizhou Power Grid Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，所述方法包括：步骤1、对所分析的新能源场站中的新能源机组的阻抗特性进行分析，并通过数据矢量拟合的方式建立新能源机组的频域阻抗模型；步骤2、建立所分析的新能源场站中常规元件的频域阻抗模型；步骤3、据所分析的新能源场站的拓扑结构以及上述建立得到的新能源机组和各常规元件的频域阻抗模型，构建新能源场站的的频域等效电路，进而得到对应的的频域节点导纳矩阵；步骤4、在所需分析的频率范围内计算频域节点导纳矩阵的所有行列式零点，根据求得的行列式零点对所述新能源场站的次超同步振荡风险进行判断；从而为振荡风险抑制提供指导，保障相关工程的安全稳定运行。

Description

一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域；尤其涉及一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法。
背景技术
电力系统电力电子化是目前电力系统发展的一个趋势，随着电力系统电力电子化水平的不断提高，电力系统的动态特性将发生重要的变化，电力系统也将面临新的动态稳定问题。以往电力系统主要关注与同步发电机功角相关的动态稳定问题，如低频振荡、暂态稳定等，但随着电力系统的电力电子化发展，电力系统出现了新类型的次超同步振荡问题，如美国德州的双馈风电场振荡问题、河北沽源风电场的次同步振荡问题、新疆哈密风电场的次超同步振荡问题等。这些振荡现象与传统的振荡问题有着很大的不同，其多发生于电力电子设备集中地区，涉及频段宽，电压电流等电气量的振荡现象更为明显，而且受同步发电机的机械动态影响较小，受输电线路的串补电容和电力电子设备的控制器参数影响较大。
新能源机组通常采用电力电子变流器作为并网接口，因此新能源场站是典型的高度电力电子化电力系统，由大量电力电子设备并网引入的次超同步振荡风险也较高。因此，亟需提供一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，以评估新能源场站潜在的次超同步振荡问题，从而为振荡风险抑制提供指导，保障相关工程的安全稳定运行。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，以评估新能源场站潜在的次超同步振荡问题，从而为振荡风险抑制提供指导，保障相关工程的安全稳定运行，解决新能源机组通常采用电力电子变流器作为并网接口，因此新能源场站是典型的高度电力电子化电力系统，由大量电力电子设备并网引入的次超同步振荡风险也较高等问题。
本发明的技术方案是：
一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，所述方法包括：
步骤1、对所分析的新能源场站中的新能源机组的阻抗特性进行分析，并通过数据矢量拟合的方式建立新能源机组的频域阻抗模型；
步骤2、建立所分析的新能源场站中常规元件的频域阻抗模型；
步骤3、据所分析的新能源场站的拓扑结构以及上述建立得到的新能源机组和各常规元件的频域阻抗模型，构建新能源场站的的频域等效电路，进而得到对应的的频域节点导纳矩阵；
步骤4、在所需分析的频率范围内计算频域节点导纳矩阵的所有行列式零点，根据求得的行列式零点对所述新能源场站的次超同步振荡风险进行判断。
对所分析的新能源场站中的新能源机组的阻抗特性进行分析包括：在电磁暂态仿真软件中搭建新能源机组的电磁暂态仿真模型，仿真开始时使新能源机组进入稳态运行；然后在新能源机组并网端口施加某一频率的正弦扰动电压信号，正弦扰动电压信号的幅值不大于稳态运行情况下新能源机组并网点电压幅值的5％，同时记录正弦扰动电压信号持续时间段内的新能源机组并网端口电流信号，将测量得到的电流信号减去施加正弦扰动电压信号之前同一时间段内新能源机组的并网端口电流，最终得到正弦扰动电压信号激励下新能源机组的电流响应信号；正弦扰动电压信号除以电流响应信号，即得到该频率下新能源机组的阻抗值；在次/超同步频段内的各个频率点上，重复进行上述仿真测量，得到各个频率点上的阻抗值。
建立新能源机组的频域阻抗模型的方法包括：使用数据矢量拟合技术将新能源机组的阻抗拟合成以下有理多项式的形式：
其中，ai和ci分别表示有理多项式的极点和留数，d和h为补偿项的系数；经过矢量拟合，最终得到了频域内新能源机组的阻抗模型。
建立所分析的新能源场站中常规元件的频域阻抗模型的方法包括：新能源场站中常规元件分为电感性元件、电容性元件和电阻性元件及各种元件的串并联组合形式；对于电感性元件，当电感值为L时，频域阻抗模型为sL；对于电容性元件，当电容值为C时，频域阻抗模型为1/sC；对于电阻性元件，当电阻值为R时，频域阻抗模型为R；对于串并联形式，则由上述各种频域阻抗模型经过对应的串并联等效变换得到。
频域节点导纳矩阵的形式为：
其中，N为整个新能源场站中的节点个数，以上矩阵中主对角线元素表示对应节点的自导纳值，其余元素表示节点间的互导纳值，各元素的下标表示节点编号。
新能源场站频域节点导纳矩阵的构建方法为，遍历新能源场站中的每一个元件，根据元件连接到的节点将其添加到对应的矩阵元素中，当一个频域阻抗为Z1的元件接入到新能源场站的i节点时，对新能源场站频域节点导纳矩阵的影响为使yii加1/Z1；当一个频域阻抗为Z2的元件接入到新能源场站的j节点时和k节点之间时，对新能源场站频域节点导纳矩阵的影响为使yjj和ykk加1/Z2，同时使yjk和ykj加-1/Z2。
采用实部虚部交叉迭代法求解新能源场站频域节点导纳矩阵的行列式的零点，首先固定复数的实部为0，然后代入对应次超同步频段内不同频率的虚部值求解行列式，选择行列式出现极小值的虚部值并固定，再代入不同的实部值求解行列式的极小值，重复以上实部虚部交叉迭代的过程，直至取得使行列式足够接近于0的实部值和虚部值，即为新能源场站频域节点导纳矩阵行列式零点的实部值和虚部值。
次超同步振荡风险进行判断的方法为：对于求解得到的零点，每一个零点对应了新能源场站的一个次超同步振荡模式：零点的实部表示了对应振荡模式的衰减特性，当实部为正时振荡模式是发散的，即不稳定振荡模式，当实部为负时振荡模式是衰减的，即稳定振荡模式；零点的虚部表示了对应振荡模式的振荡角频率；当新能源场站振荡模式都是稳定振荡模式时，新能源场站在次超同步频段内是稳定的，反之则存在次超同步振荡分险。
本发明有益效果：
本发明对所分析的新能源场站中的新能源机组的阻抗特性进行分析，并通过数据矢量拟合的方式建立新能源机组的频域阻抗模型；建立所分析的新能源场站中其他常规元件的频域阻抗模型；根据所分析的新能源场站的拓扑结构以及上述建立得到的新能源机组和各常规元件的频域阻抗模型，构建新能源场站的的频域等效电路，进而得到对应的的频域节点导纳矩阵；在所需分析的频率范围内计算频域节点导纳矩阵的所有行列式零点，根据求得的行列式零点对所述新能源场站的次超同步振荡风险进行判断。本发明的主要优势在于，能够充分考虑多电气设备的相互作用的新能源场站的拓扑结构，可以适用于具有多个节点的新能源场站的次超同步振荡风险分析。另外，元件的动态特性采用阻抗模型描述，可以通过测量获取，因此具有极大的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法的流程示意图；
图2为新能源机组的频域阻抗模型仿真测量方法示意图；
图3为本发明实施例所分析的新能源场站结构示意图；
图4为本发明实施例所分析的新能源场站的电磁暂态仿真结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例提供的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，所述方法包括步骤S11至步骤S14：
步骤S11，对所分析的新能源场站中的新能源机组的阻抗特性进行分析，并通过数据矢量拟合的方式建立新能源机组的频域阻抗模型。
请参阅图2，所述新能源机组的频域阻抗模型建立方法为：
在电磁暂态仿真软件中搭建新能源机组的电磁暂态仿真模型，仿真开始时使新能源机组进入稳态运行。然后在新能源机组并网端口施加某一频率的正弦扰动电压信号，正弦扰动电压信号的幅值应不大于稳态运行情况下新能源机组并网点电压幅值的5％，以避免干扰新能源机组的稳态工作点。同时记录正弦扰动电压信号持续时间段内的新能源机组并网端口电流信号，将测量得到的电流信号减去施加正弦扰动电压信号之前同一时间段内新能源机组的并网端口电流，最终得到正弦扰动电压信号激励下，新能源机组的电流响应信号。正弦扰动电压信号除以电流响应信号，即得到该频率下新能源机组的阻抗值。在次/超同步频段内的各个频率点上，重复进行上述仿真测量，得到各个频率点上的阻抗值，然后使用数据矢量拟合技术，将新能源机组的阻抗拟合成以下有理多项式的形式：
其中，ai和ci分别表示有理多项式的极点和留数，d和h为补偿项的系数。经过矢量拟合，最终得到了频域内新能源机组的阻抗模型。
步骤S12，建立所分析的新能源场站中其他常规元件的频域阻抗模型。
所述新能源场站中其他常规元件的频域阻抗模型的建立方法为：
新能源场站中其他常规元件可以分为电感性元件、电容性元件和电阻性元件及它们的串并联组合形式。对于电感性元件，当其电感值为L时，其频域阻抗模型为sL；对于电容性元件，当其电容值为C时，其频域阻抗模型为1/sC；对于电阻性元件，当其电阻值为R时，其频域阻抗模型为R；对于它们的串并联形式，则有上述3中频域阻抗模型经过对应的串并联等效变换得到。
步骤S13，根据所分析的新能源场站的拓扑结构以及上述建立得到的新能源机组和各常规元件的频域阻抗模型，构建新能源场站的的频域等效电路，进而得到对应的的频域节点导纳矩阵。
所述频域节点导纳矩阵的形式为：
其中，N为整个新能源场站中的节点个数，以上矩阵中主对角线元素表示对应节点的自导纳值，其余元素表示节点间的互导纳值，各元素的下标表示节点编号。新能源场站频域节点导纳矩阵的构建方法为，遍历新能源场站中的每一个元件，根据元件连接到的节点将其添加到对应的矩阵元素中，例如：当一个频域阻抗为Z1的元件接入到新能源场站的i节点时，其对新能源场站频域节点导纳矩阵的影响为使yii加1/Z1；当一个频域阻抗为Z2的元件接入到新能源场站的j节点时和k节点之间时，其对新能源场站频域节点导纳矩阵的影响为使yjj和ykk加1/Z2，同时使yjk和ykj加-1/Z2。
步骤S14，在所需分析的频率范围内计算频域节点导纳矩阵的所有行列式零点，根据求得的行列式零点对所述新能源场站的次超同步振荡风险进行判断。
所述次超同步振荡风险判断方法为：
采用实部虚部交叉迭代法求解新能源场站频域节点导纳矩阵的行列式的零点，具体过程为：首先固定复数的实部为0，然后代入对应次超同步频段内不同频率的虚部值求解行列式，选择行列式出现极小值的虚部值并固定，再代入不同的实部值求解行列式的极小值，重复以上实部虚部交叉迭代的过程，直至取得使行列式足够接近于0的实部值和虚部值，即为新能源场站频域节点导纳矩阵行列式零点的实部值和虚部值。
对于求解得到的零点，每一个零点对应了新能源场站的一个次超同步振荡模式：零点的实部表示了对应振荡模式的衰减特性，当实部为正时振荡模式是发散的，即不稳定振荡模式，当实部为负时振荡模式是衰减的，即稳定振荡模式；零点的虚部表示了对应振荡模式的振荡角频率。当新能源场站振荡模式都是稳定振荡模式时，新能源场站在次超同步频段内是稳定的，反之则存在次超同步振荡分险。
进一步地，下面以图3所示的新能源场站为例，对本发明的应用进行介绍。图3中新能源场站为直驱型风电机组构成的风电场，而系统其他电力元件的参数与IEEE9节点标准算例系统的保持一致。
表1为根据本发明所提出的方法计算得到的本实例中的次超同步振荡模式：
表1
根据表1，本实例中，正常运行方式下新能源的并网容量为120MW时新能源场站存在零点实部为正的振荡模式，即不稳定振荡模式，N-1断线运行方式下新能源并网容量为80MW、100MW和120MW时新能源场站存在不稳定振荡模式。根据图4的电磁暂态仿真结果，上述工况下风电场输出功率中出现了振荡波形，验证了上述分析结果的准确性。

Claims (8)

1.一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：所述方法包括：
步骤1、对所分析的新能源场站中的新能源机组的阻抗特性进行分析，并通过数据矢量拟合的方式建立新能源机组的频域阻抗模型；
步骤2、建立所分析的新能源场站中常规元件的频域阻抗模型；
步骤3、据所分析的新能源场站的拓扑结构以及上述建立得到的新能源机组和各常规元件的频域阻抗模型，构建新能源场站的的频域等效电路，进而得到对应的的频域节点导纳矩阵；
步骤4、在所需分析的频率范围内计算频域节点导纳矩阵的所有行列式零点，根据求得的行列式零点对所述新能源场站的次超同步振荡风险进行判断。
2.根据权利要求1所述的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：对所分析的新能源场站中的新能源机组的阻抗特性进行分析包括：在电磁暂态仿真软件中搭建新能源机组的电磁暂态仿真模型，仿真开始时使新能源机组进入稳态运行；然后在新能源机组并网端口施加某一频率的正弦扰动电压信号，正弦扰动电压信号的幅值不大于稳态运行情况下新能源机组并网点电压幅值的5％，同时记录正弦扰动电压信号持续时间段内的新能源机组并网端口电流信号，将测量得到的电流信号减去施加正弦扰动电压信号之前同一时间段内新能源机组的并网端口电流，最终得到正弦扰动电压信号激励下新能源机组的电流响应信号；正弦扰动电压信号除以电流响应信号，即得到该频率下新能源机组的阻抗值；在次/超同步频段内的各个频率点上，重复进行上述仿真测量，得到各个频率点上的阻抗值。
3.根据权利要求2所述的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：建立新能源机组的频域阻抗模型的方法包括：使用数据矢量拟合技术将新能源机组的阻抗拟合成以下有理多项式的形式：
其中，ai和ci分别表示有理多项式的极点和留数，d和h为补偿项的系数；经过矢量拟合，最终得到了频域内新能源机组的阻抗模型。
4.根据权利要求1所述的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：建立所分析的新能源场站中常规元件的频域阻抗模型的方法包括：新能源场站中常规元件分为电感性元件、电容性元件和电阻性元件及各种元件的串并联组合形式；对于电感性元件，当电感值为L时，频域阻抗模型为sL；对于电容性元件，当电容值为C时，频域阻抗模型为1/sC；对于电阻性元件，当电阻值为R时，频域阻抗模型为R；对于串并联形式，则由上述各种频域阻抗模型经过对应的串并联等效变换得到。
5.根据权利要求1所述的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：频域节点导纳矩阵的形式为：
其中，N为整个新能源场站中的节点个数，以上矩阵中主对角线元素表示对应节点的自导纳值，其余元素表示节点间的互导纳值，各元素的下标表示节点编号。
6.根据权利要求5所述的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：新能源场站频域节点导纳矩阵的构建方法为，遍历新能源场站中的每一个元件，根据元件连接到的节点将其添加到对应的矩阵元素中，当一个频域阻抗为Z1的元件接入到新能源场站的i节点时，对新能源场站频域节点导纳矩阵的影响为使yii加1/Z1；当一个频域阻抗为Z2的元件接入到新能源场站的j节点时和k节点之间时，对新能源场站频域节点导纳矩阵的影响为使yjj和ykk加1/Z2，同时使yjk和ykj加-1/Z2。
7.根据权利要求1所述的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：行列式零点为：采用实部虚部交叉迭代法求解新能源场站频域节点导纳矩阵的行列式的零点，首先固定复数的实部为0，然后代入对应次超同步频段内不同频率的虚部值求解行列式，选择行列式出现极小值的虚部值并固定，再代入不同的实部值求解行列式的极小值，重复以上实部虚部交叉迭代的过程，直至取得使行列式足够接近于0的实部值和虚部值，即为新能源场站频域节点导纳矩阵行列式零点的实部值和虚部值。
8.根据权利要求7所述的一种新能源场站次超同步振荡风险分析方法，其特征在于：次超同步振荡风险进行判断的方法为：对于求解得到的零点，每一个零点对应了新能源场站的一个次超同步振荡模式：零点的实部表示了对应振荡模式的衰减特性，当实部为正时振荡模式是发散的，即不稳定振荡模式，当实部为负时振荡模式是衰减的，即稳定振荡模式；零点的虚部表示了对应振荡模式的振荡角频率；当新能源场站振荡模式都是稳定振荡模式时，新能源场站在次超同步频段内是稳定的，反之则存在次超同步振荡分险。
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