[发明专利]一种适用于双馈风机的电力系统稳定器设计方法

权利要求书

1.一种适用于双馈风机的电力系统稳定器设计方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：对全网节点、线路统一编号并建立系统参数表；

步骤2：建立双馈风机增广关联测量模型；

步骤3：设计各选定工况点下的电力系统稳定器；

步骤4：计算模型切换权值并得到控制器输出；

所述步骤2中，建立双馈风机增广关联测量模型的过程为：

步骤201：电网调度中心利用风电场现有通讯设备RTU，将关联矩阵M_A传送到风电场监控设备端以确定电网接线图，从而根据全系统网络方程得到网络小信号方程；

所述关联矩阵M_A为m×n阶矩阵，关联矩阵的行号与节点号相对应，列号与支路号相对应；关联矩阵只含1，0，-1三种元素，具体意义为：矩阵每一行非零元素的个数表示与该节点相连接支路的个数，其中1表示相应支路电路电流的规定方向是离开节点；0表示该支路与该节点未连接；-1表示相应支路电路电流的规定方向是流入节点；矩阵每一列的非零元素所在位置表示相应支路两端的节点号；m为总节点数，n为总支路数；

所述全系统网络方程为：

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ .\\ .\\ .\\ V_{N_1}\\ .\\ .\\ .\\ V_N\\ .\\ .\\ .\\ V_m\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccc}{Z}_{11}& Z_{11}& \mathrm{...}& Z_{1N_1}& \mathrm{...}& Z_{1N}& \mathrm{...}& Z_{1m}\\ Z_{21}& Z_{22}& \mathrm{...}& Z_{2N_1}& \mathrm{...}& Z_{2N}& \mathrm{...}& Z_{2m}\\ .& .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .\\ Z_{N_{1}1}& Z_{N_{1}2}& \mathrm{...}& Z_{N_1{N}_1}& \mathrm{...}& Z_{N_{1}N}& \mathrm{...}& Z_{N_{1}m}\\ .& .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .\\ Z_{N1}& Z_{N2}& \mathrm{...}& Z_{{\mathrm{NN}}_1}& \mathrm{...}& Z_{NN}& \mathrm{...}& Z_{Nm}\\ .& .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .\\ .& .& & .& & .& & .\\ Z_{m1}& Z_{m2}& \mathrm{...}& Z_{{\mathrm{mN}}_1}& \mathrm{...}& Z_{mN}& \mathrm{...}& Z_{mm}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ .\\ .\\ .\\ I_{N_1}\\ .\\ .\\ .\\ I_N\\ .\\ .\\ .\\ 0\end{array}\right]$

式中，

写出仅包含发电机节点的网络方程并按V_Ti＝V_Xi+jV_Yi,I_Ti＝I_Xi+jI_Yj,Z_ij＝R_ij+jX_ij展开得到：

$\left[\begin{array}{c}{V}_{X1}\\ V_{Y2}\\ .\\ .\\ .\\ V_{{\mathrm{XN}}_1}\\ V_{{\mathrm{YN}}_1}\\ .\\ .\\ .\\ V_{XN}\\ V_{YN}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccc}{R}_{11}& -X_{11}& \mathrm{...}& R_{1N_1}& -X_{1N_1}& \mathrm{...}& R_{1N}& -X_{1N}\\ X_{11}& R_{11}& \mathrm{...}& X_{1N_1}& R_{1N_1}& \mathrm{...}& X_{1N}& R_{1N}\\ .& .& & .& .& & .& .\\ .& .& & .& .& & .& .\\ .& .& & .& .& & .& .\\ R_{N_{1}1}& -X_{N_{1}1}& \mathrm{...}& R_{N_1{N}_1}& -X_{N_1{X}_1}& \mathrm{...}& R_{N_{1}N}& -X_{N_{1}N}\\ X_{N_{1}1}& R_{N_{1}1}& \mathrm{...}& X_{N_1{N}_1}& R_{N_1{N}_1}& \mathrm{...}& X_{N_{1}N}& R_{N_{1}N}\\ .& .& & .& .& & .& .\\ .& .& & .& .& & .& .\\ .& .& & .& .& & .& .\\ R_{N1}& -X_{N1}& \mathrm{...}& R_{N_{1}N}& -X_{N_{1}N}& \mathrm{...}& R_{NN}& -X_{NN}\\ X_{N1}& R_{N1}& \mathrm{...}& X_{N_{1}N}& R_{N_{1}N}& \mathrm{...}& X_{NN}& R_{NN}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{X1}\\ I_{Y2}\\ .\\ .\\ .\\ I_{{\mathrm{XN}}_1}\\ I_{{\mathrm{YN}}_1}\\ .\\ .\\ .\\ I_{XN}\\ I_{YN}\end{array}\right]$

式中：V_i，I_i分别表示第i个节点的电压、电流矢量；R_ij，X_ij分别表示第i个节点到第j个节点阻抗、电阻和电抗；V_Xi，V_Yi，I_Xi和I_Yi表示第i个节点电压、电流的x轴，y轴分量；

将上式偏差化并写为紧凑形式，得到网络小信号方程为：

ΔV_F＝Z_FΔI_F

步骤202：综合双馈风机的小信号状态方程和转子励磁控制器的小信号状态方程，从而建立双馈风机增广模型，其具体方法为：

所述双馈风机的小信号状态方程为：

${\stackrel{\·}{X}}_j=A_{1j}{X}_j+A_{2j}{\mathrm{\ΔI}}_{Tj}+B_j({\mathrm{\ΔV}}_{dqrj}+V_{pssj}),j=1,2,...,N_1$

式中：

$A_{1j}=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{{\mathrm{\ω}}_{r0}F}{2H}& \frac{{\mathrm{\ω}}_{r0}{I}_{qs0}}{2H}& \frac{{\mathrm{\ω}}_{r0}{I}_{ds0}}{2H}\\ E_{d0}^{\′}& -\frac{R_R}{X_{RR}}& {\mathrm{\ω}}_{r0}-1\\ -E_{q0}^{\′}& 1-{\mathrm{\ω}}_{r0}& -\frac{R_R}{X_{RR}}\end{array}\right],A_{2j}=\left[\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\ω}}_{r0}{E}_{q0}^{\′}}{2H}& \frac{{\mathrm{\ω}}_{r0}{E}_{d0}^{\′}}{2H}\\ 0& R_R\frac{X_M^2}{X_{RR}}\\ -R_R\frac{X_M^2}{X_{RR}}& 0\end{array}\right];$

$B_j=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& \frac{X_M}{X_{RR}}\\ -\frac{X_M}{X_{RR}}& 0\end{array}\right]X_j=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\ω}}_{rj}\\ {\mathrm{\ΔE}}_{qj}^{\′}\\ {\mathrm{\ΔE}}_{dj}^{\′}\end{array}\right],Y_j=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔP}}_{sj}\\ {\mathrm{\ΔQ}}_{sj}\end{array}\right],{\mathrm{\ΔV}}_{dqrj}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_{qrj}\\ {\mathrm{\ΔV}}_{drj}\end{array}\right],{\mathrm{\ΔI}}_{Tj}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{qsj}\\ {\mathrm{\ΔI}}_{dsj}\end{array}\right],X_{RR}=X_R+X_M;$

下角标j表示第j个发电机节点，下角标0表示稳态值，前缀Δ表示偏差，X_M，X_R分别为互抗和转子自抗；R_R，R_S分别为转子电阻和定子电阻；ω_r双馈风机转子转速，E′_d、E′_q为双馈风机d轴和q轴暂态电动势，P_s，Q_s分别为双馈风机定子输出有功、无功，V_ds、V_qs、I_ds和I_qs分别是双馈风机dq坐标系中d轴和q轴定子电压、电流分量；V_pss为双馈风机稳定器输出；H为转子惯性时间常数；F为阻尼系数；所述转子励磁控制器的小信号状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_{Pj}=A_{Pj}{X}_{Pj}+B_{Pj}\mathrm{\Δ}P\\ {\mathrm{\ΔV}}_{dqrj}=C_{Pj}{X}_{Pj}\end{array}\right.$

式中：下角标j表示第j台双馈风机，X_p和ΔV_dqr分别为状态向量和输出向量；A_p，B_p和C_p分别为状态矩阵、控制矩阵和输出矩阵；

双馈风机增广模型为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{X}}_j\\ {\stackrel{\·}{X}}_{Pj}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{A}_{1j}& B_j{C}_{Pj}\\ 0& A_{Pj}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_j\\ X_{Pj}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{B}_j\\ 0\end{array}\right]V_{pss}+\left[\begin{array}{c}{A}_{2j}\\ 0\end{array}\right]{\mathrm{\ΔI}}_{Tj}+\left[\begin{array}{c}0\\ B_{Pj}\end{array}\right]{\mathrm{\ΔP}}_j$

上式写为紧凑格式为：

${\stackrel{\·}{X}}_j^a=A_{1j}^a{X}_j^a+A_{2j}^a{\mathrm{\ΔI}}_{Tj}+B_j^a{V}_{pssj}+B_{Pj}^a{\mathrm{\ΔP}}_j;$

步骤203：建立双馈风机增广关联测量模型，具体步骤包括：

步骤2031：结合双馈风机电压平衡方程，电网小信号方程和同步机电压平衡方程，利用关联测量法得到电力系统关联测量矩阵M，具体计算方法如下；

所述双馈风机电压平衡方程为：

ΔE′_j＝ΔV_Tj+Z_dqjΔI_Tj，j＝1,2,…,N₁；

式中：

X′＝X_S+X_MX_R/(X_M+X_R)为等效暂态电抗；R_S，X_S分别为双馈风机定子电阻，电抗；

所述同步机电压平衡方程为：

ΔE′_j＝ΔV_Tj+X_dqjΔI_Tj，j＝N₁+1,N₁+2,…,N

式中：

${\mathrm{\ΔI}}_{Tj}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔI}}_{qj}\\ {\mathrm{\ΔI}}_{dj}\end{array}\right],{\mathrm{\ΔE}}_j^{\′}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{E}_{Gqj}^{\′}\\ 0\end{array}\right],{\mathrm{\ΔV}}_{Tj}=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_{qj}\\ {\mathrm{\ΔV}}_{dj}\end{array}\right],X_{dqj}=\left[\begin{array}{cc}0& X_{dj}^{\′}\\ -X_{qj}& 0\end{array}\right]$

E′_Gq是同步机q轴暂态电动势，V_d、V_q、I_d和I_q分别是同步发电机dq坐标系中d轴和q轴定子电压、电流分量；X′_d和X_q分别为同步机d轴暂态电抗和q轴电抗；

所述电力系统关联测量矩阵M为：

M＝(M₁M₃+M₂M₄)；

式中：

M₁＝(Z_t+Zx_dq)^-1，M₂＝-(Z_t+Zx_dq)^-1K_Z；M₃，M₄根据以下关系计算：ΔE′＝M₃X，Δδ＝M₄X

其中：K_Z＝V_d0-Z_tI_d0，

$\stackrel{\‾}{T}=blockdiag\left\{T_i\right\}T=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\δ}}_{i0}& {\mathrm{sin\δ}}_{i0}\\ {\mathrm{sin\δ}}_{i0}& -{\mathrm{cos\δ}}_{i0}\end{array}\right];$

V_d0＝blockdiag{[-V_di0 V_qi0]^T}；I_d0＝blockdiag{[-I_di0 I_qi0]^T}

blockdiag表示分块对角矩阵；

步骤2032：将关联测量矩阵M展开得到：

${\mathrm{\ΔI}}_{Tj}=M_{jj}{X}_j+\underset{k\≠j}{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}}{M}_{jk}{X}_k,i=1,2,...,N$

步骤2033：将步骤2032的到结果代入步骤202得到的结果中得到双馈风机增广关联测量模型：

${\stackrel{\·}{X}}_j^a=A_j^a{X}_j^a+B_j^a{V}_{PSSj}+h_j^a$

式中：M_jj为第j个双馈风机在关联测量矩阵M中的对应位置。