技术领域
[0001] 本
发明涉及新
能源发电并网稳定性控制技术领域，具体为一种基于双馈风 电场并网系统输出阻抗模型的稳定性分析方法。
背景技术
[0002] 大型风电场并网稳定运行的问题是目前国内外研究的热点。由于风
电渗透 率的增加以及我国新能源发电场多处于偏远地区，导致输电线路较长，使得等 效的
电阻抗增大，
电网呈现弱电网趋势，这会导致双馈风电并网系统与电网交 互而引发严重的稳定性问题。
[0003] 由于新能源并网所引起的次/超同步振荡，目前主要分析方法有阻抗分析法 和模态分析法。阻抗分析法由于物理概念清晰、直观性强，相对于模态分析法， 简化稳定性分析的复杂程度。其原理是分别建立新能源并网系统和交流电网的 小
信号输出阻抗模型，在同步旋转
坐标系下，将系统转换为多输入多输出系统， 然后根据广义奈奎斯特判据来对系统进行稳定性分析。
[0004] 目前所提的双馈风
电机组阻抗分析法多以单机进行分析，对于多机系统的 阻抗分析法也并未对风电场中各种系数以及运行工况做出稳定性分析。因而提 出一种基于双馈风电场并网系统输出阻抗模型的能够对双馈风电场不同运行工 况下进行稳定性分析的方法具有重要的意义。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为克服上述技术不足，提供了一种基于双馈风电场并网系 统输出阻抗模型的稳定性分析方法，该方法在同步旋转坐标系下建立了考虑
锁 相环、
电流环、功率环三个部分的双馈风机小信号输出阻抗模型，通过双馈风 机输出阻抗模型得到同步旋转坐标系双馈风电场并网小信号阻抗模型，在同步 旋转坐标系下建立电网小信号阻抗模型，计算双馈风电场输出阻抗与电网阻抗 之间的比值，根据广义奈奎斯特判据判断双馈风电场并网系统的稳定性。本发 明方法可用于分析双馈风电场并网系统的稳定性，为分析大规模风电场并入电 网所引起的次/超同步振荡提供理论
基础。
[0006] 为了实现所述目的，本发明采用的具体实施方案如下：
[0007] 一种基于双馈风电场并网系统输出阻抗模型的稳定性分析方法，包括以下 步骤：
[0008] 1)建立同步旋转坐标系下双馈风电机组主
电路的小信号阻抗模型；
[0009] 2)在双馈风电机组主电路的小信号阻抗模型基础上建立同步坐标系下考 虑电流环、
锁相环以及功率环的小信号阻抗模型；
[0010] 3)经过等值聚合得到同步坐标系下双馈风电场的小信号阻抗模型；
[0011] 4)建立同步坐标系下的电网阻抗模型；
[0012] 5)双馈风电场并网系统等值于一个多输入多输出系统，得到该系统的回率 矩阵，即电网阻抗矩阵乘以双馈风电场阻抗矩阵，根据广义奈奎斯特判据，即 可判断系统的稳定性。
[0013] 进一步的，所述步骤1)中双馈电机的小信号阻抗模型为：
[0014] Zdfig＝(Giss+GirsGsr+GdeGirrGissK1+GdeGirrGsrK2)-1·(GdeGirrK3+E)[0015] K1＝Gci-Gd1
[0016]
[0017]
[0018] 进一步的，所述步骤1)中为了得到双馈电机的小信号阻抗模型，从并网点 向双馈电机侧看，需要得到
定子电流和定子
电压之间的关系，故需要在并网点 电压添加小信号扰动，定义如下：
[0019]
[0020] 其中Usd和Usq分别为定子电压在同步旋转坐标系下的稳态工作点。
[0021] 进一步的，所述步骤2)中双馈电机的电流环的扰动电压小信号阻抗模型为：
[0022]
[0023] 其中：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 进一步的，所述步骤2)中双馈电机的锁相环主要是为了对电网的
三相电压 进行
相位检测，得出dq轴坐标系的坐标变换
角度ΔθPLL，为系统提供坐标变换的 基准；其最主要的表现在于在并网点电压出现扰动时，其扰动量会通过锁相环 引入到系统的各个变量中；则锁相环dq坐标系与系统dq坐标系变量之间的关系 如下：
[0028]
[0030]
[0031] 所述ΔθPLL的表达式为：
[0032]
[0033] 其中： 其中 为dq坐标系下定子 电流的静态工作点d轴分量， 和 分别为锁相环的比例系数和积分系数。
[0034] 进一步的，所述步骤2)中双馈电机的功率环的小信号阻抗模型为：
[0035]
[0036] 其中：
[0037]
[0038] 进一步的，所述步骤3)中，经过等值聚合得到具有n台型号相同的双馈风 机的双馈风电场的阻抗模型：
[0039]
[0040] 进一步的，所述双馈风电场输出阻抗模型可表示为二阶矩阵的形式:
[0041]
[0042] 其中：Zdd，Zdq，Zqd，Zqq分别为ZDFIG的dd，dq，qd，qq轴分量。
[0043] 进一步的，所述步骤4)中电网阻抗模型表示为二阶矩阵形式：
[0044]
[0045] 本发明的有益效果在于：可以用于分析双馈风电场并网系统的的稳定性， 并对于不同电网强度下、不同风机数量下、以及双馈风电机组
控制器设计中， 给出提高系统稳定性的依据，对于大规模风电并网系统所引发的次/超同步振荡 提供了有
力的理论依据。
附图说明
[0046] 图1为本发明双馈风电场并网系统。
[0047] 图2为本发明双馈风电机组矢量控制小信号模型。
[0049] 图4为本发明等值MIMO系统。
[0051] 图6为本发明不同
短路比下回率矩阵特征根轨迹。
[0052] 图7为本发明机端电压电流。
[0053] 图8为本发明不同RSC比例积分下回率矩阵特征根矩阵。
[0054] 图9为本发明RSC侧比例积分对定子侧电流的影响。
[0055] 图10为本发明不用锁相环比例积分下的回率矩阵特征根矩阵。
具体实施方式
[0056] 以下结合附图对本发明的结构及其有益效果进一步说明。
[0057] 如附图所述的一种基于双馈风电场并网系统输出阻抗模型的稳定性分析方 法，其利用小信号扰动分析方法，通过双馈风电机组矢量控制小信号模型建立 风电机组考虑电流环和锁相环以及功率环的小信号输出阻抗模型，将其等值聚 合得到双馈风电场的小信号输出阻抗模型，随后建立电网的小信号阻抗模型。 如图1所示为双馈风电场并网系统。
[0058] 双馈风机矢量控
制模型如图2所示，双馈风电场并网系统具体建模分析过 程如下；
[0059] 1)首先建立同步旋转坐标系下双馈风电机组主电路的小信号阻抗模型；
[0060] 2)在双馈风电机组主电路的小信号阻抗模型基础上建立同步坐标系下考虑 电流环、锁相环以及功率环的小信号阻抗模型；
[0061] 3)经过等值聚合得到同步坐标系下双馈风电场的小信号阻抗模型；
[0062] 4)建立同步坐标系下的电网阻抗模型；
[0063] 5)双馈风电场并网系统等值于一个多输入多输出系统，得到该系统的回率 矩阵，即电网阻抗矩阵乘以双馈风电场阻抗矩阵。根据广义奈奎斯特判据，即 可判断系统的稳定性。
[0064] 为了得到双馈电机的小信号阻抗模型，从并网点向双馈电机侧看，需要得 到定子电流和定子电压之间的关系。故需要在并网点电压添加小信号扰动，定 义如下：
[0065]
[0066] 其中Usd和Usq分别为定子电压在同步旋转坐标系下的稳态工作点，则可以 得到得到定、
转子电流扰动量和转子电压扰动量的表达式：转子电流扰动量和 定子电压扰动量的表达式：
[0067]
[0068]
[0069] a＝Rr+s[Lrr-kLm2(Lssωs2+LLsss2+Rss)]+Lm2Rskω2ωs
[0070] b＝ω2[Lrr-kLm2(Lssωs2+Lsss2+Rss)]-Lm2Rskωss
[0071] c＝Lmk[Lss(s2+ω2ωs)+sRs]
[0072] d＝Lmk[Lssωss-ω2(Rs+Lsss)] (18)
[0073] 其中k＝1/Lss2ωs2+Lss2s2+2LssRss+Rs2，Girs以及Girr分别为定转子电压到转子 电流的小信号扰动传递函数。
[0074] 同理可以得到转子电流扰动量和定子电压扰动量的表达式：
[0075]
[0076]
[0077] 其中k1＝LmLssωs2+LmLsss2+LmRss，Gsr以及Giss分别为转子电流和定子电 压到定子电流的小信号扰动传递函数。则根据式(17)和式(20)可得到双馈 电机主电路的小信号框图如图3所示。
[0078] 则由图3可得，双馈电机的主电路输出阻抗为：
[0079] Zo＝(Giss+GsrGirs)-1 (21)
[0080] 双馈电机的电流环主要实现的是励磁电流和有功电流的解耦控制。经过RSC 电流环的扰动电压小信号模型如下：
[0081]
[0082] 其中：
[0083]
[0084]
[0085]
[0086] 双馈电机的锁相环主要是为了对电网的三相电压进行相位检测，得出dq轴 坐标系的坐标变换角度ΔθPLL,为系统提供坐标变换的基准。其最主要的表现在于 在并网点电压出现扰动时，其扰动量会通过锁相环引入到系统的各个变量中。 则锁相环dq坐标系与系统dq坐标系变量之间的关系如下：
[0087]
[0088] 对式(26)做小信号处理得到：
[0089]
[0090] 下面给出ΔθPLL的表达式为：
[0091]
[0092] 其中： 其中 为dq坐标系下定子 电流的静态工作点d轴分量， 和 分别为锁相环的比例系数和积分系数。
[0093] 将(28)带入(27)中并令x表示不同的物理量，得到并网电压绕对通过 锁相环对于定转子电流及定转子电压的传递函数矩阵：
[0094]
[0095]
[0096] 双馈电机的输出有功和
无功功率小信号模型如下：
[0097]
[0098] 其中：
[0099]
[0100] 则根据图2即可得到双馈电机的输出阻抗模型为：
[0101] Zdfig＝(Giss+GirsGsr+GdeGirrGissK1+GdeGirrGsrK2)-1·(GdeGirrK3+E)[0102] K1＝Gci-Gd1
[0103]
[0104]
[0105] 经过等值聚合得到具有n台型号相同的双馈风机的双馈风电场的阻抗模型：
[0106]
[0107] 最后双馈风电场输出阻抗模型可以表示为二阶矩阵的形式:
[0108]
[0109] 其中：Zdd，Zdq，Zqd，Zqq分别为ZDFIG的dd，dq，qd，qq轴分量。电网阻 抗模型同样也为二阶矩阵形式：
[0110]
[0111] 则双馈风电场并网系统等值于一个多输入多输出(MIMO)系统，等值MIMO系 统如图4所示。其中：
[0112] Zsys(s)＝ZDFIG(s) (37)
[0113] 接着通过广义奈奎斯特判据进行稳定性分析，过判断判断回率矩阵 ZG(s)/Zsys(s)特征值的奈奎斯特曲线逆
时针环绕(-1,j0)点的次数之和来判断闭 环系统的稳定性。可以更为形象的观察到双馈风电场运行状态、并网条件、控 制系统特性对于系统稳定性的系统影响。
[0114] 双馈风电场输出阻抗模型频率扫描结果如图5所示。图5中灰色线为输出 阻抗计算结果，圆圈表示为仿真测试结果。验证了所建立双馈风电场输出阻抗 模型的正确性。
[0115] 图6给出了不同短路比情况下，回率矩阵的根轨迹图，从图中看出随着短 路比的逐渐减小，回率矩阵的特征值逐渐趋近与(-1，j0)点，说明系统随着 短路比的减小逐渐失稳。
[0116] 图7给出了时域仿真结果，可以看出在十秒钟的时候短路比有3降到1。机 端电压电流发散振荡失稳，说明此时系统处于失稳振荡状态，验证了图6的准 确性。
[0117] 风电场内不同并网风机台数，由回率矩阵可知并网风机数量越多实则等效 于增加了电网的等效电感，从了降低了短路比，即并网风机台数越多，短路比 越小，系统越容易失稳振荡。
[0118] 图8给出了不同转子侧比例积分系数下的回率矩阵根轨迹图，可以看出， 随着比例积分的减小根轨迹逐渐远离(-1，j0)点，系统趋于稳定。图9给出 了时域仿真下的定子电流
波形图，可以看到在十秒的时候转子侧比例积分由0.3 变为0.5后，系统短暂失稳，随后趋于收敛。可以从图8中看出，这是因为在 比例积分为0.5的时候，可以看到回率矩阵的特征值轨迹刚好达到(-1，j0) 点，此时刚好处于失稳的边界。
[0119] 从图10可以看出，随着锁相环比例积分的增大，系统回率矩阵的特征值轨 迹逐渐绕过(-1，j0)点。可以得出，随着锁相环比例积分的增大，双馈风电 场并网系统会逐渐失去稳定性，最终产生振荡。
[0120] 通过以上仿真实例，可以看出，本发明提出来的双馈风电场并网系统的小 信号阻抗模型可以用于分析双馈风电场并网系统的的稳定性，并对于不同电网 强度下、不同风机数量下，以及双馈风电机组控制器设计中，给出提高系统稳 定性的依据，对于大规模风电并网系统所引发的次/超同步振荡提供了有力的理 论依据。
[0121] 以上所述仅为本发明的优选
实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。
