一种对海上风电并网系统进行暂态稳定性分析的方法

本发明涉及风电系统稳定性，尤其是涉及一种对海上风电并网系统进行暂态稳定性分析的方法。

背景技术：

1、随着具有高比例可再生能源和高比例电力电子设备特性的永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator，pmsg)海上风电集群并网系统不断建设，新型电力系统稳定性问题愈加突出，深入研究电力系统暂态稳定性问题迫在眉睫。实际中，海上风电集群空间范围广、规模大、机组数量多，同时风电出力具有强波动与不确定性，不同机组间运行工况的差异以及风电场内机组间动态能量耦合交互的影响直接导致了同步稳定性分析较传统电力系统更为复杂，永磁同步发电机风电集群并网系统在大扰动下容易引发系统暂态失稳，影响整个电网的安全运行。因此，在风电渗透率不断提高的背景下，找到一种适用于大规模海上风电集群并网系统的暂态稳定性分析方法十分重要。

2、现有技术中通常忽略了永磁同步发电机机组变流器间复杂的耦合作用以及非线性阻尼项，因此构造的能量函数难以充分反映暂态失稳机理，并且现有的能量函数法需要针对具体场景开展具体分析，能量函数设计方法不具有一般性，不利于稳定性判据的统一。

3、目前传统电力系统的暂态稳定性分析基本方法分为三大类：分别是数值解法、等面积法则和直接法。上述各类分析方法的使用中，都对电力系统有着对应不同程度的假设，在借用传统电力系统方法分析风电系统的暂态稳定性机理时，需要将不同方法下的假设对应风电并网系统加以考虑，目前在全功率风电机组的暂态稳定性分析调整方面还未有相关研究，亟需一种可以实现对全功率风电机组的暂态稳定性进行分析调整的方案。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通过能量函数进行海上风电系统暂态稳定性分析方法，该方法以内电势作为反映能量变化的本征值，在考虑机间耦合影响的情况下进行推导内电势表达式，进而构建海上风电并网系统能量函数，进行海上风电并网系统的暂态稳定性分析。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种对海上风电并网系统进行暂态稳定性分析的方法。方法步骤包括：

4、s1、在考虑pmsg海上风电系统机间耦合的影响的情况下，求取得到海上风电系统输出内电势q、d轴分量；

5、s2、根据输出内电势q、d轴分量求取得到输出内电势；

6、s3、从能量角度出发，由输出内电势求取得到系统的能量函数；

7、s4、找出lyapunov能量函数的吸引域；

8、s5、借助拉塞尔理论结合吸引域对系统状态进行暂态稳定性分析。

9、s1中的pmsg海上风电系统由m个pmsg集群并联组成，每个集群内包含k个pmsg风机，pmsg风机网侧变流器通过滤波阻抗并入公共汇集母线后，再经由线路阻抗接入公共耦合点，最后通过阻抗与交流电网连接，将采集到的风电功率传输至交流电网。

10、作为优选的技术方案，s1中的海上风电系统输出内电势q、d轴分量组成包括：自耦合同步项、互耦合同步项和电网同步项；

11、进一步地，自耦合同步项反映了风电场内部输出电流与其所在支路阻抗对内电势的影响；

12、进一步地，互耦合同步项反映了外部各风电场通过公共输电线路对风电场内电势的影响；

13、进一步地，电网同步项反映了电网电压与阻抗对风电场内电势的影响。

14、作为优选的技术方案，海上风电系统输出内电势q、d轴分量具体表达式为：

15、

16、其中，分别为海上风电集群网系统第k个支路输出内电势d、q轴分量；ik、分别为海上风电集群并网系统第k个支路线路电流及其d、q轴分量；im为海上风电集群并网系统第m个支路线路电流；lf为海上风电集群并网系统第k个支路的线路电感；ztk为海上风电集群并网系统第k个支路的阻抗；zg、θzg分别为海上风电集群并网系统公共线路阻抗、阻抗角；θztk、θik分别为海上风电集群并网系统第k个支路上的阻抗角、电流ik与d轴的夹角；θim为im与第m个支路参考坐标系d轴的夹角；δkm为海上风电集群并网系统第k个支路参考坐标系和第m个支路参考坐标系的角度差；vg为海上风电集群并网系统电网电压；δk为海上风电集群并网系统第k个支路参考坐标系d轴与电网电压的角度差；为微分符号；n为常数；m、k为不超过n的自然数；ztkikcos(θztk+θik)、ztkiksin(θztk+θik)为自耦合同步项，反映了第k个风电场内部输出电流与其所在支路阻抗对内电势的影响；为互耦合同步项，反映了外部各风电场通过公共输电线路对第k个风电场内电势的影响；vgcosδk、vgsinδk为电网同步项，反映了电网电压与阻抗对第k个风电场内电势的影响。

17、s2中的输出内电势由内电势d轴和q轴分量的平方和取平方根得到。

18、s3中的系统的能量函数由输出内电势借助首次积分法求取得到。

19、作为优选的技术方案，从能量角度出发，借助首次积分法设计的lyapunov能量函数为：

20、

21、其中，v为海上风电集群并网系统lyapunov能量函数；j为风力发电机虚拟惯量；ωpll、ω0分别为变流器锁相环频率实际值和额定值；vzq为变流器线路上总阻抗压降的q轴分量；δ为变流器锁相环功角；vg为海上风电集群并网系统电网电压；d为风力发电机阻尼系数；e为海上风电集群并网系统输出内电势；ii为海上风电集群并网系统输出电流；θe、θi分别为海上风电集群并网系统输出内电势、输出电流的相角；q0为变流器无功功率额定值；dq为电压下垂系数。

22、进一步地，s4中的吸引域为所构建的lyapunov能量函数的有效区域内的封闭等势面范围。

23、进一步地，有效区域为能量函数的最大稳定域边界。

24、作为优选的技术方案，s5中的借助拉塞尔理论结合吸引域对系统状态进行暂态稳定性分析时，当系统的状态点都在吸引域内部时，系统是暂态稳定的；当系统的状态点在吸引域外部时，系统是暂态失稳的。

25、与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：

26、1、提高了暂态稳定性分析的准确性。本发明以内电势作为反映能量变化的本征值，在考虑机间耦合影响的情况下进行推导内电势表达式，进而构建海上风电并网系统能量函数，进行海上风电并网系统的暂态稳定性分析，考虑了系统中机组间的耦合影响，实现了系统暂态稳定域的准确求取。这有助于更准确地反映系统的暂态稳定性特性，提高了对系统暂态稳定性分析的准确性。

27、2、提高方法的普适性。本发明利用首次积分法设计的能量函数，不依赖于具体的系统参数或特定场景，使得该方法可以广泛应用于不同的海上风电集群并网系统，实现暂态稳定性的准确分析，提高了方法的普适性；

28、3、更加简洁、简单。本发明中以内电势为反映能量变化的本征变量，将机间耦合影响纳入内电势表达式构建海上风电并网系统能量函数，能够更为简洁地反映机间耦合对海上风电并网系统暂态能量模型的影响。本发明所涉及的暂态稳定性分析过程简单，易于实施，通过基于所设计的lyapunov能量函数与拉塞尔不变原理对系统状态的稳定性进行判断，也使暂态稳定性分析更加简单。