一种电网不对称故障下多并联风电场的双序同步失稳风险判断方法

1.本发明涉及一种电网不对称故障下多并联风电场的双序同步失稳风险判断方法，适用于电网不对称短路故障下多个跟网型风电场并联的局部电力系统，该方法可准确判断电网不对称短路故障下多并联风电场系统在不同故障类型和工况时的双序同步稳定裕度和失稳风险，并识别系统双序同步失稳的正序或负序主导失稳风电场。


背景技术：

2.随着可再生能源的迅速发展，以风能并网的可再生新能源的装机容量不断提高，但风电资源大多集中在偏远地区，与电力主网连接较弱。相比于电网对称短路故障，电网不对称短路故障在实际系统中发生的概率更大。与同步发电机不同，大多数跟网型风电场都是通过检测和跟踪端电压相角的方式实现与电网同步。然而，当电网发生不对称短路故障时端电压极易受线路阻抗、电网故障和正负序电流注入的影响。特别是对于多并联风电场，在电网不对称短路故障期间，受序间耦合和风电场间耦合作用的影响，多并联风电场系统可能出现双序同步失稳问题，严重威胁电力系统的安全稳定运行。因此，评估多并联风电场在电网不对称故障期间的双序同步失稳风险以及识别导致系统双序同步失稳的正序或负序主导失稳风电场是目前风电发展的关键问题。目前国内外学者展开的相关研究主要针对对称故障下多风电场并网系统的同步稳定问题及其评估方法，如已公开的下列文献：
3.[1]j.zhao,m.huang,x.zha.transient stability analysis of grid-connected vsis via pll interaction[c].2018 ieee international power electronics and application conference and exposition(peac).shenzhen,china:ieee,2018:1-6.
[0004]
[2]x.he,h.geng.pll synchronization stability of grid-connected multiconverter systems[j].ieee transactions on industry applications.2022,58(1):830-842.
[0005]
文献[1]利用相平面法分析了电网对称故障下并联并网电压源变换器的暂态稳定性，从图形层面定性分析了变换器注入电流、电网阻抗和线路阻抗的影响。但该文献并未提出一个定量评估系统稳定性的指标。文献[2]以链式拓扑连接的多风电场为例，从最远端风电场的角度出发，定义了稳定性水平指数。该指数通过比较电网电压与最远端风电场的电压偏移项来判断电网对称故障下多风电场系统的同步稳定性。但是，上述文献都没有同时考虑电网不对称故障期间正、负序网络互联导致的序间耦合和多个风电场并联导致的风电场间耦合而产生的平衡点存在性问题。在电网不对称故障期间，多并联风电场输出正、负序电流经公共线路相互耦合，导致正、负序等效功角相互影响，这使得多并联风电场系统可能出现因部分风电场出现正序或负序主导失稳而造成系统双序同步失稳现象，恶化多并联风电场系统的双序同步稳定性。因此，综合考虑序间耦合和风电场间耦合的影响，研究电网不对称故障下多并联风电场的双序同步失稳风险评估方法，从而提高多并联风电场系统安全
稳定运行能力，具有十分重要的现实意义。


技术实现要素：

[0006]
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种电网不对称故障下多并联风电场的双序同步失稳风险判断方法，该方法可以判断系统是否发生双序同步失稳风险，并在系统发生双序同步失稳时识别出正序或负序主导失稳的风电场。
[0007]
本发明的技术方案是这样实现的：
[0008]
一种电网不对称故障下多并联风电场的双序同步失稳风险判断方法，具体步骤如下：
[0009]
a1)电网在公共传输线路发生不对称短路故障时，按照下式计算不对称短路故障期间风电场1，2，
…
n的正序和负序端电压q轴分量：
[0010][0011][0012]
式中u
q1
，u
q2
，
…uqn
分别是n个风电场端电压正序q轴分量；u
q1-，u
q2-，
…uqn-分别是n个风电场端电压负序q轴分量；|k1|、|k2|、|z1|、|z2|均是正负序耦合阻抗值；|均是正负序耦合阻抗值；分别为正负序耦合阻抗k1、k2、z1、z2的阻抗角；|z
l1
|，|z
l2
|，
…
|z
ln
|和分别为n个风电场出口端到公共连接点的支路传输线路阻抗值以及相应的阻抗角；i
1
，i
2
，
…in
和分别为n个风电场的正序输出电流幅值和相应的电流角；i
1-，i
2-，
…in-和分别为n个风电场的负序输出电流幅值和相应的电流角；δ
1
，δ
2
，
…
δ
n
和δ
1-，δ
2-，
…
δ
n-分别为n个风电场的正序和负序等效功角；是正序电网电压；
[0013]
a2)考虑不同的不对称短路故障类型，步骤a1)中的正负序耦合阻抗k1、k2、z1、z2分
别按照下式计算：
[0014]
单相接地故障时：
[0015][0016]
两相接地故障时：
[0017][0018]
两相短路故障时：
[0019][0020]
式中和分别为电网正、负、零序阻抗值；和为故障点到公共连接点的传输线路正序和零序阻抗值；zf为故障支路阻抗值；
[0021]
a3)针对不同类型的不对称短路故障，将步骤a2)中的正负序耦合阻抗k1、k2、z1、z2代入步骤a1)中，令u
q1
，u
q2
，
…uqn
和u
q1-，u
q2-，
…uqn-为0，并采用数值计算方法求解a1)中n个风电场的正序和负序等效功角和若计算结果收敛，则系统中每个风电场均存在平衡点，平衡点为若计算结果不收敛，则系统发生双序同步失稳。
[0022]
进一步地，若系统发生双序同步失稳，则在步骤a3)后还进行如下步骤，以在系统发生双序同步失稳时识别出正序或负序主导失稳的风电场；
[0023]
a4)先在数值计算中得到的每次迭代计算出的正序和负序端电压和然后在给定的最大迭代次数中寻找每个风电场正序和负序端电压的最大值和最小值；
[0024]
a5)分别按下式判断正序或负序主导失稳的风电场，
[0025]
若某个风电场k满足下式，则风电场k为正序主导失稳的风电场：
[0026][0027]
若某个风电场k满足下式，则风电场k为负序主导失稳的风电场：
[0028][0029]
若某个风电场k满足下式，则风电场k为正序和负序共同主导失稳的风电场：
[0030]
[0031]
若某个风电场k满足下式，则风电场k存在正序和负序平衡点，系统失稳是由其他风电场引起的：
[0032][0033]
式中和分别为最大迭代次数中风电场k正序和负序端电压q轴分量的最大值；和分别为最大迭代次数中风电场k正序和负序端电压q轴分量的最小值。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0035]
本发明能够根据不对称故障类型、故障位置、故障程度以及风电场运行工况，在电网不对称故障期间快速准确地计算出多并联风电场系统中每个风电场的正、负序等效功角，以判断电网不对称短路故障下多并联风电场系统在多种工况下的双序同步失稳风险，并进一步识别导致系统双序同步失稳的正序或负序主导失稳风电场。
附图说明
[0036]
图1为多并联风电场系统拓扑结构示意图。
[0037]
图2为电网公共线路发生两相短路接地故障，故障点正序和负序电压均为0.487p.u.，且系统双序同步稳定时的仿真波形图。
[0038]
图3为电网公共线路发生两相短路接地故障，故障点正序和负序电压均为0.487p.u.，且系统发生正序主导失稳时的仿真波形图。
[0039]
图4为电网公共线路发生单相短路接地故障，故障点正序电压和负序电压分别为0.77p.u.和0.23p.u.，且系统发生负序主导失稳时的仿真波形图。
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述。
[0041]
本发明用于判断多并联风电场系统在电网不对称短路故障期间的双序同步失稳风险和识别正序或负序主导失稳的风电场。图1为多并联风电场系统拓扑结构示意图。在电网不对称短路故障期间，通过计算系统中每个风电场的正、负序等效功角，可以判断多并联风电场系统的双序同步失稳风险，进一步在系统发生双序同步失稳时，判断风电场的正、负序端电压最大值和最小值，从而识别正序和负序主导失稳风电场。
[0042]
本发明的具体实施步骤如下：
[0043]
a1)电网在公共传输线路发生不对称短路故障时，按照下式计算不对称短路故障期间风电场1，2，
…
n的正序和负序端电压q轴分量：
[0044][0045][0046]
式中分别是n个风电场端电压正序q轴分量；分别是n个风电场端电压负序q轴分量；|k1|、|k2|、|z1|、|z2|均是正负序耦合阻抗值；|均是正负序耦合阻抗值；分别为正负序耦合阻抗k1、k2、z1、z2的阻抗角；|z
l1
|，|z
l2
|，
…
|z
ln
|和分别为n个风电场出口端到公共连接点的支路传输线路阻抗值以及相应的阻抗角；阻抗角；和分别为n个风电场的正序输出电流幅值和相应的电流角；和分别为n个风电场的负序输出电流幅值和相应的电流角；和分别为n个风电场的正序和负序等效功角；是正序电网电压；
[0047]
a2)考虑不同的不对称短路故障类型，步骤a1)中的正负序耦合阻抗k1、k2、z1、z2分别按照下式计算：
[0048]
单相接地故障时：
[0049][0050]
两相接地故障时：
[0051][0052]
两相短路故障时：
[0053][0054]
式中和分别为电网正、负、零序阻抗值；和为故障点到公共连接点的传输线路正序和零序阻抗值；zf为故障支路阻抗值；
[0055]
a3)针对不同类型的不对称短路故障，将步骤a2)中的正负序耦合阻抗k1、k2、z1、z2代入步骤a1)中，令和为0，并采用数值计算方法求解a1)中n个风电场的正序和负序等效功角和若计算结果收敛，则系统中每个风电场均存在平衡点，平衡点为若计算结果不收敛，则系统发生双序同步失稳。
[0056]
若系统发生双序同步失稳，则在步骤a3)后还进行如下步骤，以在系统发生双序同步失稳时识别出正序或负序主导失稳的风电场。
[0057]
a4)先在数值计算中得到的每次迭代计算出的正序和负序端电压和然后在给定的最大迭代次数中寻找每个风电场正序和负序端电压的最大值和最小值；
[0058]
a5)分别按下式判断正序或负序主导失稳的风电场，
[0059]
若某个风电场k满足下式，则风电场k为正序主导失稳的风电场：
[0060][0061]
若某个风电场k满足下式，则风电场k为负序主导失稳的风电场：
[0062][0063]
若某个风电场k满足下式，则风电场k为正序和负序共同主导失稳的风电场：
[0064][0065]
若某个风电场k满足下式，则风电场k存在正序和负序平衡点，系统失稳是由其他风电场引起的：
[0066][0067]
式中和分别为最大迭代次数中风电场k正序和负序端电压q轴分量的最大值；和分别为最大迭代次数中风电场k正序和负序端电压q轴分量的最小值。
[0068]
本发明效果说明：
[0069]
以下以三个并联风电场系统为例说明本发明所提方法的有效性。图2给出了电网公共线路发生两相短路接地故障，故障点正序和负序电压均为0.487p.u.时的仿真波形图。在故障持续期间，各风电场均向电网注入正、负有功电流和无功电流。采用本发明提出的多并联风电场的双序同步失稳风险评估方法，可以计算出在该工况下三个并联风电场的正序和负序等效功角，计算结果分别为[δ
1
,δ
1-,δ
2
,δ
2-,δ
3
,δ
3-]
t
＝[40.68
°
,10.67
°
,41.36
°
,10.67
°
,75.64
°
,10.72
°
]
t
，此时系统是稳定的。根据图2可知，三个并联风电场在该工况下的正、负序等效功角仿真结果分别为37.03
°
,9.59
°
,38.28
°
,9.58
°
,71.36
°
,9.33
°
。可见，本发明所提方法的计算结果非常接近仿真结果。
[0070]
图3给出了电网公共线路发生两相短路接地故障，故障点正序和负序电压均为0.487p.u.时的仿真波形图。在故障持续期间，仅减小风电场1和风电场2的正序无功电流给定值。采用本发明提出的多并联风电场的双序同步失稳风险评估方法，可以得到该工况下系统发生双序同步失稳，且风电场3是正序主导失稳的风电场。由图3可知，风电场3的正序等效功角δ
3
是发散的，即风电场3发生了正序同步失稳现象，是正序主导失稳的风电场。
[0071]
图4给出了电网公共线路发生单相短路接地故障，故障点正序电压和负序电压分别为0.77p.u.和0.23p.u.时的仿真波形图。在故障持续期间，各风电场均向电网注入正、负有功电流和无功电流。采用本发明提出的多并联风电场的双序同步失稳风险评估方法，可以得到该工况下风电场1发生负序主导失稳。由图4可知，风电场1的负序等效功角δ
1-是发散的，即风电场1发生了负序同步失稳现象，是负序主导失稳的风电场。
[0072]
由此可见，本发明提出的多并联风电场的双序同步失稳风险判断方法可以准确计算多个风电场在故障期间的正、负序等效功角，进而判断系统的双序同步失稳风险，并在系统发生双序同步失稳时，识别出正序或负序主导失稳的风电场。
[0073]
最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。