基于波形松弛法含DFIG电力系统暂态稳定域边界求取方法

摘要

本发明属于电力系统暂态稳定域领域，考虑含双馈式异步风力发电机(DFIG)电力系统在定功率控制策略运行时利用波形松弛算法刻画其稳定域边界。该方法针对风电场接入电网以后其稳定域计算的问题，依据非线性微分动力系统稳定域计算的波形松弛算法，提出了用波形松弛算法计算双馈式风力发电机接入电网以后其稳定域计算的新算法，以双馈式风力发电机的单质量块轴系模型建立了目标函数，以这个目标函数作为非线性微分动力系统，利用波形松弛算法的雅可比迭代格式来计算稳定域。本发明提供了一种计算DFIG接入电力系统其在运行过程中的暂态稳定域计算的方法，为未来分布式风电大量接入电网其稳定域计算提供了相应的指导依据。

权利要求

1.基于波形松弛法含DFIG电力系统暂态稳定域边界求取方法，包括如下步骤：

1)、DFIG风力发电机建模；

2)、利用波形松弛法计算暂态稳定域边界；

在考虑DFIG风力发电机的单质量块模型中，选取DFIG风力发电机的转速和浆距角为状态变量，考虑定功率控制策略下，利用DFIG风力发电机的转动惯量，使DFIG风力发电机输出的电磁功率保持恒定，DFIG风力发电机在运行过程中按照设定的目标功率输出电磁功率，DFIG风力发电机的转子将释放动能已维持输出电磁功率恒定；

单质量块模型中，DFIG风力发电机的转子运动方程为：

DFIG风力发电机桨距角的运动方程为：

建立的DFIG风力发电机的模型如下：

建立模型的雅可比迭代造型：

建立模型的反方向系统的波形松弛迭代模型：

2.根据权利要求l所述的基于波形松弛法含DFIG电力系统暂态稳定域边界求取方法，其特征在于：所述步骤2)中依据非线性动力系统理论，稳定域边界应由其所有不平衡点的稳定流形的并集构成，根据单质量块模型，得到系统的渐进稳定平衡点，并求出系统在平衡点处的雅可比矩阵，求出雅可比矩阵具有正实部特征值且具有单位长度的不稳定特征向量，求出这些具有单位长度的不稳定特征向量和平衡点的每一个交截点，在得到的每个交截点处开始利用单质量块模型的反方向系统用波形松弛法计算积分轨线；最后DFIG风力发电机的稳定运行域是由以上的边界平衡点以及该平衡点的稳定流形构成。

说明书

基于波形松弛法含DFIG电力系统暂态稳定域边界求取方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统暂态稳定域领域，考虑含双馈式异步风力发电机(DFIG)电力系统在定功率控制策略运行时利用波形松弛算法刻画其稳定域边界。

背景技术

[0002] 风能是一种可再生能源，在能源日益枯竭环境日益污染严重的今天，特别是火力发电量占了我国总发电量的很大一部分比例，煤炭属于一次性能源，终有一天会面临着枯竭的局面，所以发展风能这样的清洁能源显得十分的有必要。风力发电在世界范围内取得了迅速发展。变速风力机系统是一个非线性自治动力系统，变速机的轴系特性、桨叶特性、桨距角变化、风速波动以及输出电磁功率的变化均会变速风力机的运行状态改变，这些方面是变速风力机的自身因素影响其稳定性。与变速风力机的自身的稳定性不同，变速风力机能否稳定还是受到变速风力机的控制策略、发电机输出功率的变化以及风速的突变都是引起变速风力机失稳的原因。目前风电机组的有功功率控制策略主要有两种：1、最大风功率捕获控制(maximum power point tracking)，2、定功率控制。本专利选取的是变速风力机的转速和桨距角为状态变量，分析不同控制策略下变速风力机转速和桨距角的轨迹。MPPT控制的目标是调节变速风力机转速到最优转速，使风力机捕获风能的效率最高。变速风力机输出电磁功率大小的设定是为了配合调节变速风力机的转速，因此在MPPT运行过程中，变速风力机不会出现失去稳定的现象。定功率控制的目标是利用变速风力机的转动惯量，使风电机输出的电磁功率保持恒定，风电机组在运行过程中按照设定的目标功率输出电磁功率，变速风力机的转子将释放动能已维持输出电磁功率恒定；若变速风力机在运行过程中持续出现转子释放动能的状态，变速风力机将会出现失去稳定，因此在变速风力机状态空间中存在稳定的边界，若变速风力机的状态在边界以内，变速风力机将趋于稳定。

[0003] 依据非线性动力系统理论，稳定域边界应由其所有不稳定平衡点的稳定流形的并集构成，因此电力系统的稳定域边界是由其稳定边界上所有一型不稳定平衡点处稳定流形的闭包之并集构成。波形松弛方法是微分方程数值解法，它将整个微分系统分成若干个子系统。各自独立进行仿真计算，子系统之间的耦合关系通过子系统中的一些波形信号的相互传递来实现，在系统间联系较弱的情况下，比较容易得到收敛结果。通过对微分动力系统的稳定域进行综合分析，得到微分动力系统的一个渐进稳定平衡点稳定域的边界是由闭轨线或由不稳定平衡点以及该不稳定的稳定域流形构成。

发明内容

[0004] 针对现有技术中计算含DFIG电力系统暂态稳定域的方法中存在的问题，有必要提出一种新的计算含DFIG电力系统暂态稳定域的新的方法。本发明专利构建DFIG的二阶模型，提出了基于波形松弛法含DFIG电力系统暂态稳定域的计算。首先，依据变速风力发电机单质量块轴系模型建立微分动力系统，写出微分动力系统的雅可比迭代形式，以桨距角和转速为变量，找出微分动力系统的所有平衡点，确定渐进稳定平衡点稳定域边界上的平衡点；其次，用微分动力系统的反方向系统确定原系统渐进平衡点稳定域边界上平衡点的稳定流形；最后，渐进稳定平衡点稳定域的边界是由边界上的平衡点和该平衡点稳定流形的并集构成，从而计算变速风力机的稳定运行域。

[0005] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

[0006] 本发明解决上述问题采取的技术方案：

[0007] 步骤1、变速风力发电机建模，模型的变量是DFIG的桨距角和转速，本发明主要是对风力发电机采用单质量块轴系模型，建立二阶轴系模型，得到系统的渐进稳定平衡点xs，否者记为 并求出在系统在平衡点 处的雅可比矩阵，求出雅可比矩阵具有正实部特征值且具有单位长度的不稳定特征向量，记为yi，求出这些具有单位长度的不稳定特征向量yi和平衡点 的ε球边界的每一个交截(交截点是 )。

[0008] 步骤2、利用波形松弛法计算暂态稳定域边界。

[0009] 从步骤(1)的得到的每个交截点开始，在DFIG模型反方向系统用波形松弛方法计算积分轨线确定，求出原系统渐进稳定平衡点稳定域边界上平衡点的稳定流形

[0010] 步骤3、最后变速风力发电机的暂态稳定运行域是由步骤2确定的边界平衡点以及该平衡点点稳定流形构成。

附图说明

[0011] 图1是本发明的算法总体流程图；

[0012] 图2变速风力机的稳定域

具体实施方式

[0013] 本发明包括以下步骤：

[0014] 1、变速风力发电机建模以及确定波形松弛法的模型。

[0015] 考虑到DFIG风力机单质量块模型中，其转子运动方程为:

[0016]

[0017] 变速风力机桨距角的运动方程为：

[0018]

[0019] 变速风力机捕获风能产生的机械转矩如下：

[0020]

[0021] 在以上三个式子中wr为变速风力机转速，J为变速风力机的转动惯量，Tm为变速风力机的机械转矩，Te为变速风力机输出的电磁功率，β桨距角，β0为变速风力机桨距角参考值，τβ为桨距角调节时间常数，Cp为风能捕获系数，ρ为空气密度，R为叶轮半径，Vwind为风速。变速风力机的风能捕获系数是风速、变速风力机转速和桨距角的函数，即：其中λ为叶尖速比，

[0022] DFIG的二阶轴系模型可表示为：

[0023]

[0024] 这个模型以变速风力机的桨距角β和转速wr为变量。这个二阶模型的雅可比迭代模型如下：

[0025]

[0026] 反方向系统的雅可比迭代模型如下：

[0027]

[0028] 2、利用波形松弛算法计算暂态稳定域

[0029] 2.1、找出微分系统的所有平衡点

[0030] 由单质量块轴系模型构成了一个所需的微分动力系统，找出这个微分动力系统的所有的平衡点，即Tm-Te＝0与βo-β＝0的所有解，并确定渐进平衡点稳定域边界上的平衡点。

[0031] 2.2计算稳定流形

[0032] (1)利用DFIG单质量块模型，确定系统的所有平衡点，零型平衡点记为xs，否则记为 求出系统(1-5)在 处的雅可比矩阵。

[0033] (2)找出雅可比矩阵具有正实部特征值且具有单位长度的不稳定特征向量yi。

[0034] (3)找出这些具有单位长度的不稳定特征向量yi和平衡点 的每一个交截和

[0035] (4)从这些交截点开始对系统(1-6)利用波形松弛法计算积分轨线到某一步，如果曲线保留在这个ε球内，则进行下一步。否则用αε代替ε，相应的重复步骤(3)[0036] (5)从这些交截点开始利用波形松弛方法计算积分轨线。

[0037] 2.3渐进平衡稳定点xs稳定域的边界是由第二步确定的平衡点和该平衡点稳定流形的并集构成。渐进平衡稳定点的稳定域边界即时本发明所要求的含DFIG电力系统暂态稳定域的边界。如图二所示，虚线左方为DFIG运行不稳定的区域，右方为DFIG运行的稳定区域。