[发明专利]一种基于能量函数法的直驱风机暂态同步稳定域构建方法

说明书

本项目公开一种基于能量函数的永磁同步风力发电机暂态同步稳定域构建方法。基于李雅普诺夫理论，构建出针对永磁同步风力发电机的能量函数，利用临界能量值构建其暂态同步稳定域。首先，对并网侧换流器控制系统合理降阶，建立出描述永磁同步发电机动态同步特性的降阶非线性模型。在此基础上，采用首次积分法推导永磁同步风力发电机的暂态能量函数，并利用势能边界面法确定其临界能量值。然后利用临界能量值构建永磁同步风力发电机暂态同步稳定域。利用该方法可以构建出不同电网电压暂降程度、电力线路阻抗和电流参考值等电路参数下的永磁同步风力发电机暂态同步稳定域，从而直观地分析不同电路参数对永磁同步风力发电机暂态同步稳定性的影响。

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是涉及一种针对永磁同步风力发电机暂态同步稳定域边界的构建策略。

背景技术

在可再生能源的开发利用过程中，风电以其突出的优势被认为是最具发展前景的清洁能源。永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator,PMSG)以转速低、效率高、功率控制灵活等特点成为应用最广泛的风力发电机之一。PMSG通过并网电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)调节电能，并将其传输至交流电网。PMSG的输出和调节特性与传统同步机有显著不同。随着电力系统中风力发电的占比逐渐增大，电力系统的动态行为和运行特性均发生了变化，使得对电力系统的稳定机理分析更为复杂。近年来，PMSG并网的暂态稳定性已成为备受关注的重要问题之一。

许多学者采用非线性仿真方法研究了风力发电对暂态稳定性的影响，还建立了更详细的永磁同步发电机模型，用于考虑锁相环模型的暂态稳定性分析，很多研究表明，当并网侧换流器与电网弱连接时，它的控制参数在暂态过程中起着重要作用。此外，不恰当的锁相环参数会严重降低电力系统的临界切除时间，锁相环的高控制带宽也不利于并网换流器的稳定性。因此，有学者提出有必要关注风电系统本身的动态同步特性。对于PMSG，其同步稳定性取决于锁相环能否实现与其他电源的同步。锁相环失锁即意味着风机与电网中的其他电源失去同步。已有研究表明，PMSG的同步稳定性除了与平衡点有关，还受其初始状态和暂态特性的影响。还有文献创新性地提出了PMSG“摇摆方程”的概念，并首次将等面积法则应用于锁相环的暂态稳定性研究。然而，如何建立一个适用于永磁同步发电机的能量函数仍是一个尚未解决的问题，有待进一步研究。

为了准确地描述电力系统在大扰动下保持同步的能力，研究某一运行状态下的稳定域边界是非常重要的。目前一个被广泛接受的理论是：稳定域本身由稳定平衡点的稳定流形组成，但稳定性域的边界可以用边界上不稳定平衡点的稳定流形来逼近。从实践的角度出发，可以用流形理论分析电力系统的暂态稳定性。能量函数法可用于电力系统暂态稳定分析。通过计算故障后电力系统的临界能量值，进而构建出系统稳定域边界，使电力系统暂态稳定性分析更为简便，但是目前研究PMSG暂态同步稳定性的相关研究较少，对于PMSG暂态同步稳定域的构建方法尚处空白。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对永磁同步风力发电机暂态同步稳定域边界的构建策略。基于李雅普诺夫直接法，构建出针对永磁同步风力发电机的暂态能量函数，利用临界能量值实现对永磁同步风力发电机同步稳定域边界的构建，进而构建出不同电路参数下的永磁同步风力发电机同步稳定域，以比较暂态响应过程中，不同电路参数对永磁同步风力发电机暂态同步稳定性的影响。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种针对永磁同步风力发电机暂态同步稳定域边界的构建策略，包括：

对永磁同步风力发电机的控制模型进行合理降阶。详细的永磁同步风力发电机模型很难直接用于同步过程的分析，有必要简化与同步稳定性分析无关或弱相关的动态过程。该模型可以根据控制系统的多时间尺度特性进行简化。对于永磁同步风力发电机，并网侧换流器可以有效地隔离电网的暂态扰动。因此，可以忽略机侧换流器，需要详细考虑网侧换流器的动态特性。基于以上分析，由于本研究特别关注锁相环的动态同步特性，可以得出适合于永磁同步风力发电机暂态同步稳定性分析的模型降阶方案：