[发明专利]一种考虑风电与直流综合作用的电力系统暂态稳定分析方法

权利要求书

1.一种考虑风电与直流综合作用的电力系统暂态稳定分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据扩展等面积法，得到单机无穷大系统的运动方程：

将受扰严重的同步机组定义为临界S机群，剩下的同步机组称为余下A机群，对全系统进行双机等值得到转子运动方程：

式中：M_s和M_a分别为S机群和A机群的惯性时间常数；δ_s和δ_a分别为S机群和A机群的转子角；P_ms和P_ma分别为S机群和A机群的等值机械功率；P_es和P_ea分别为S机群和A机群的等值电磁功率，其表达式为：

式中：M_i、P_mi、P_ei分别为S机群中第i个机组的惯性时间常数、等值机械功率和等值电磁功率；M_j、P_mj和P_ej分别为A机群中第j个机组的惯性时间常数、等值机械功率和等值电磁功率；s为S机群中机组数量，a为A机群中机组数量；

进一步作单机无穷大等值并定义转子角为：

δ＝δ_s-δ_a (6)

从而单机无穷大系统的运动方程为：

其中，

式中：M、P_m、P_e分别为单机无穷大系统的等值惯量、等值机械功率和等值电磁功率；P_em为三区域系统等值电磁功率最大值；γ为熄弧角；E_i、E_k、E_j、E_l分别为S机群与A机群中各台发电机的等值电势；G_ij为发电机i与发电机j的互导纳；M_T为整个系统的惯量，P_C、C、D分别为等值电磁功率表达式中的各分项；

步骤2：建立含大规模风电的交直流混联三区域系统模型：

将大规模双馈风力发电机组成的风电场等效为一台双馈风机，送端系统为区域1，由双馈风机与常规火电厂的同步机按比例组合构成；区域1与区域2同步弱互联，区域2为交流受端区域，区域3为直流受端区域，其中区域2与区域3非并联运行；

步骤3：确定风电机组接入对三区域系统暂态稳定影响分析指标：

假定三区域系统失稳模式已知，将区域1内的同步机组称为受扰严重的临界S机群，区域2内的同步机组称为余下A机群；

当风电机组未接入时，三区域系统的网络方程为

式中：分别为S机群和A机群节点注入电流列向量；分别为S机群和A机群节点注入电压列向量；Y_ss、Y_sa、Y_as、Y_aa是已包含负荷阻抗的导纳矩阵的元素；

双馈风机接入后，即等效电流源从风电并网点注入，则三区域系统的网络方程变为：

式中：分别为风机注入电流和节点电压列向量；Y_sw、Y_ww、Y_ws、Y_wa、Y_aw为风机机组接入后节点导纳矩阵中新增的元素，且Y_wa、Y_aw均为零；

为分析风电机组接入对三区域系统中同步机的影响，将双馈风机等值纳入S机群，则对以上网络方程进行变换，得到：

式中：Y′_ss为风电机组接入后区域1的自阻抗矩阵；ΔI_w为注入电流；

设风电机组接入比例为k，风电输出有功功率为P_w＝kP_s0，风电并网母线电压为U_w，则注入电流为：

ΔI_w＝kP_s0/U_w (11)

对公式(7)进行修正，其中与S机群自导纳相关的量只有P_C，而C、D、P_em、γ均不变，则

式中：P′_C为对式(7)中P_C进行修正之后的值；ΔP_C为修正量；

此外，风电机组接入后S机群的机械功率变为：

式中：M_w、P_mw分别为风电场等值惯量与机械功率；ΔP_m为风电作用下对机械功率的修正量；

令则风电机组接入后三区域系统的运动方程为：

式中：P′_m为考虑风电接入后的三区域系统等值机械功率；P′_e为考虑风电接入后的三区域系统等值电磁功率；

对比式(7)与式(14)，风电机组接入后对三区域系统稳定性的影响等效表现为对S机群机械功率或者电磁功率的增量ΔP_mw-ΔP_ew，变换为标准形式：

式中：P″_m＝P′_m-ΔP_C＝P_m+ΔP_mw-ΔP_ew；δ′为考虑风电接入后的三区域系统发电机功角；

步骤4：记及风电与直流综合作用的三区域系统暂态稳定的定量分析：

进一步考虑区域2直流系统的影响，得到三区域系统转子运动方程：

式中：P_D13为直流输送功率；

将直流系统的影响等效为对S机群机械功率或者电磁功率的增量P_D13，忽略发电机调速器动作以及负荷功率变化，式(16)简化为

其中，

式中：P″′_m为考虑风电与直流综合作用后的三区域系统等值机械功率；P′_em为考虑风电与直流综合作用后的三区域系统等值电磁功率最大值；M′_s为考虑风电接入后的三区域系统等值惯量；U₁和U₂分别为区域1和区域2交流母线的电压；x₁₂为区域1与区域2的互阻抗；

将风电与直流的综合作用等效为对三区域系统等值机械功率的增量ΔP_mw-ΔP_ew-P_D13，基于该模型定量分析风电与直流对系统暂态功角稳定的影响；

步骤5：基于扩展等面积定则的暂态稳定机理定性分析：

根据扩展等面积定则，基于所述式(17)与(18)绘制风电与直流综合作用下系统功角特性曲线：故障发生时刻为δ₀；故障切除时刻为δ_c；系统功角最大时刻为δ_m；将三区域系统正常运行时的电磁功率曲线记为P_I，等值机械功率为P′_m，稳态运行点为a点；故障发生时的三区域系统功角曲线记为P_II，稳态运行为b点；故障切除时的系统功角曲线记为P_III；c点为故障切除瞬间系统运行点；d点为故障切除后电磁功率恢复至P_II时系统运行点；g、f点为故障后未考虑风电与直流的制动作用时三区域系统在δ₀与δ_c时刻的等值机械功率；e点为故障后考虑风电与直流制动作用后三区域系统在δ_c时刻的等值机械功率；h点为系统在δ_m时刻的运行点；i、k为故障切除后未考虑风电与直流的制动作用时三区域系统在δ_m与δ_c时刻的等值机械功率；j为故障切除后考虑风电与直流制动作用后三区域系统在δ_c时刻的等值机械功率；

故障发生时，同步发电机的机械功率不变，三区域系统等值机械功率的变化分为两部分：由于区域1母线电压的下降，风电场的电磁功率下降ΔP_ew，风机由于转速控制与变桨距控制的作用，风机机械功率在故障期间近似线性变化，因此ΔP_mw-ΔP_ew使得机械功率不再是平行的直线，而是按一定斜率下降，该斜率由双馈风机的桨距角控制特性以及转速-转矩特性共同决定；其次，考虑严重故障下直流功率瞬降为零，机械功率增大P_D13，总的等值机械功率增大ΔP_mw-ΔP_ew-P_D13变为P″′_m；故风电与直流系统综合作用下三区域系统等值机械功率P_m″′在δ₀～δ_c故障期间的沿着直线ge变化，且大于电磁功率，转子沿着P_II加速至c点；在δ_c时刻，故障切除，系统电磁功率曲线恢复为P_III，同步电机运行于d点，加速面积为S_abcdeg；可知风电与直流系统的作用增大了加速面积，而风电场的制动作用减小了加速面积，减小量为S_efg，但两者在故障期间的综合作用增大了总加速面积，增加量为S_akdeg，不利于系统的暂态稳定；

故障切除后，等值机械功率的恢复也分为两部分：直流功率能够快速恢复到稳态值，机械功率P″′_m减小P_D13；风电场的无功控制能力使得并网点母线电压恢复，则ΔP_ew逐渐恢复，并且受风电场控制特性的影响，ΔP_mw-ΔP_ew作用下P″′_m以一定斜率线性上升，故风电与直流系统综合作用下的系统等值机械功率P″′_m在δ_c～δ_m的故障清除期间的沿着直线ji变化，且系统等值机械功率小于电磁功率；转子减速功角δ不断增大，运行点由d点沿着曲线P_III运动到h点，减速面积为S_dhij；直流系统的阻尼作用和风电场的制动作用增大了减速面积，增加量为S_ijk，有利于系统的暂态稳定。