基于hopf分岔的风电集群系统电压稳定分析-史昭娣.pdf
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1、第45卷第14期 电力系统保护与控制 V0145 No142017年7月16日Power System Protection and Contr01 Jul16,2017DOI:107667PSPCI6110l基于Hopf分岔的风电集群系统电压稳定分析史昭娣1,张靠社1,黄越辉2,杨硕2,邱成建2(1西安理工大学,陕西西安710048;2中国电力科学研究院,北京1001 92)摘要:针对大规模风电场集群接入后电力系统动态无功电压稳定问题,在DIgSILENTPower Factory中建立了计及风功率波动特性的风电场动态模型。改进了传统微分代数方程(DifferentialAlgebra Eq
2、uation,DAE)模型,提出一种基于Hopf分岔的改进连续潮流法(Continuation Power Flow,CPF)与时域仿真相结合的动态分析法。采用一种快速计算系统稳定裕度的算法,通过双参数“两步法”追踪系统二维Hopf分岔曲线,分析风电集群地区无功补偿设备动态响应特性及电压控制效果。对新疆哈密地区实际风电集群系统仿真结果表明:基于静态延拓法的鞍节分岔点(Saddle Node Bifurcation,st,m)稳定裕度高于基于CPF与动态时域仿真追踪的Hopf分岔点,所提方法能快速计算Hopf分岔点,准确计算风电集群系统电压稳定极限。关键词:风电集群系统:时域仿真;动态模型;Ho
3、pf分岔;电压稳定性Analysis of voltage stability in wind power cluster system based on Hopf bifurcationSHI Zhaodil,ZHANG Kaoshel,HUANG Yuehui2,YANG Shu02,QIU Chengjian2(1XiallUnivemityofTechnology,Xian710048,China;2ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing 100192,China)Abstract:In order to study dynamical
4、VOlta【ge stability of wind farms cluster,in this paper,the dynamic model of windfarm with active power fluctuation is established in DIgSILENTPower factoryThe traditional differential algebraequation(DAE)model is improvedA dynamic analysis method is proposed which combines the continuation power flo
5、w(CPF)and time domain simulation(TDS)method based on bifurcation theoryA fast algorithm is proposed for computingthe stability margin of the system,and the proposed method tracks the two dimensional Hopf bifurcation(皿)curves ofsystem by using a two parameter SO-calledtwostepmethodIt analyses and com
6、pares the dynamic response propertiesand voltage control capability of the wind Cable set area between different power compensation devicesThe simulationresults of a certain WFC in Hami,Xinjiang Province indicate that the stability margin of saddle node bifurcation(盼m)based on static continuation me
7、thod is more optimistic than HB based on CPF combined with dynamic TDS111eproposed analytical method is a fast direct method to obtain the libas well船can calculate voltage stability limit ofwindfarm accuratelyThis work is supported by National Natural Science Foundation of China(No5 1277056)National
8、 Key TechnologyProgram(No2015BAAOlB01 and No2015BAA01802)and Key Laboratory of Photovoltaic Technology of QinghaiProvince(No2014一ZY34A1Key words:wind farms cluster(WFC);time domain simulation;dynamic model;Hopf bifurcation;voltage stability0引言在国家“建设大基地、融入大电网”风电发展战略指导下,国内大型风电基地建设成果显著。拟建成的8个千万千瓦级风电基地总
9、装机容量将达到基金项目:国家自然科学基金项目(51277056);国家科技支撑项目(2015BAA01801,2015BAA01802);青海省光伏并网技术重点实验室项目(2014-ZY34A)138亿kW,风电发展将采用集群并网、高压输送模式。风电集群系统(Wind Farms Cluster,WFC)内汇集线路较长,系统内风电场多为辐射型连接,少有或没有负荷接入,为典型的弱联接送端电网。由于系统内各风电场均处于同一风资源带,因此风电出力具有很强的同时性,电网电压支撑能力弱,无功电压问题突出,脱网事故频发。因此,对含风电场的电力系统无功电压稳定分析研究不但具有理论意义,而且具有实用价值【l
10、J。万方数据-10 电力系统保护与控制近年来,国内外诸多学者针对风电并网系统电压稳定问题及风电集群系统无功源运行特性展开了一系列研究。文献23应用常规潮流算法分析风电场功率波动时电压信息,确定满足静态安全的风电场功率范围;文献49】说明风电场接入电网时需要进行动态稳定计算,基于动态分析法评估了双馈风电机组风电场的无功调控能力,并进行了电力系统动态电压稳定研究;文献1013通过求解平衡解流形确定系统分岔边界,并基于分岔理论分析了电力系统电压失稳乃至崩溃的发生、发展过程;文献1416研究了灵活交流输电设备特性及风电并网系统集群特性,提出了计及风电功率波动影响的WFC无功电压协调控制策略。上述研究多
11、基于小规模风电场群或单风电并网系统,多侧重WFC某运行断面无功潮流优化或风电场并网点(Point of Common Coupling,PCC)电压控制,没有考虑设备动态特性对WFC电压稳定性影响。传统PV曲线法基于机组一负荷模型,多采用静态分析法计算电压稳定极限,只能不断重复潮流计算。由于风电具有特殊性,大量风电集中接入会对系统稳定性产生一定的影响【2J。一方面,随着风电接入规模的扩大,WFC无负荷接入,风电无就地消纳问题,采用单风电系统分析的结论已不再适用于大规模WFC系统。另一方面,风电有功出力难以维持恒定,风速波动较大时,基于单断面运行信息的无功电压控制策略难以保证整个周期控制效果。采
12、用静态CPF分析系统稳定极限时不考虑无功补偿设备的动态特性,所得分析结果不能客观地反映系统真实运行情况。为解决以上问题,本文以单纯风电接入WFC系统为研究对象,改进系统微分代数方程(Differential Algebra Equation,DAE)模型,利用仿真软件DIgSILENTPower factory(DPF)建立风电场动态模型。提出一种基于Hopf分岔(Hopfbifurcation,HB)的连续潮流法(Continuation Power Flow,CPF)结合时域仿真的动态分析方法。采用一种快速计算系统稳定裕度的算法,通过双参数“两步法”求取系统HB曲线,研究系统不同工况及控制
13、方式下电压稳定极限。对比采用CPF求取的鞍节分岔点(Saddle Node Bifurcation,st,n3),得出传统静态分析法具有局限性。本文所提方法能快速计算系统HB,准确描述系统电压稳定性。1 系统设备控制模型11双馈异步发电机控制模型本文采用额定容量为15 MW的双馈异步发电机(Doubly-fed Induction Generator,DFIG),其空气动力模型、轴系模型、发电机模型及功率解耦控制模型参见文献9】。DFIG基本运行方式有恒电压控制、恒无功控制及恒功率因数控制,本质区别为无功调节容量利用率和跟随系统有功变化的能力。恒功率因数控制时驴掣咖痧Zm由上式可知,转子电流d
14、轴分量为开环控制,因此只需跟踪转子电流g轴分量变化就能保持功率因数恒定【16】,图1为恒功率因数控制框图。图1 DFIG恒功率因数控制框图Fig1 DFIG control diagram of constant power factor设转子电流最大值为。,将定、转子电流分量分别带入定子侧功率表达式,可得警。迎+fQ+嗡一警e恒电压控制时DFIG无功功率主要受限于变流器最大电流和电机容量【l 61,变流器电流运行范围又决定转子电流运行范围,控制框图如图2所示。图2 DFIG恒电压控制框图Fig2 DFIG diagram ofvoltage control12静止无功补偿器动态模型静止无功补
15、偿器(Static Var Compensator,svc)是目前风电场站中应用较多的FACTS控制装置,可控制PCC电压在合理范围。SVC控制器多采用PI调节器来保证精度,其PI控制参数设置合理与否对系统稳定性影响很大。SVC注入的无功功率为Q=一BsvcKvc2 (3)式中,曰。vr为SVC等效导纳。SVC多采用恒电压控制方式,如图3所示。万方数据史昭娣,等 基于Hopf分岔的风电集群系统电压稳定分析 -11一图3 SVC恒电压控制框图Fig3 SVC constant voltage con仃ol block2 风电集群系统改进DAE模型电力系统稳定性问题实质上是系统无功电压稳定问题,一
16、般以DAE模型来描述【111。将DAE模型在平衡点处进行小扰动线性化可得厂 , 、一1 缸=l六一(g,)g,lAx=hx (4)L J式中:六=af孤;工=af砂;g,=ag孤;g、,=agay;J。为系统状态矩阵。式(4)成立的充要条件是g,非奇异,此时l,有解,一般电力系统稳定性分析中都隐含g,非奇异的假设。若排除这个假设,式(4)中血的微小变化或有限速度变化会导致衄趋于无穷大量或无穷大速度变化,DAE模型在奇异点处病态。这是由于DAE模型忽略系统快动态过程,作为非线性动态系统,WFC在运行轨迹接近奇异点时快动态过程起主导作用,因此传统DAE模型失效,需要改进。本文采用奇异摄动法,考虑系
17、统集群特性【I引,引入微小正常数;WFC中动态元件众多,因此分开考虑动态元件和潮流方程中代数变量;同时本文后续分岔理论分析需要将系统注入功率以及动态元件设定参数分别作为分岔参数进行分析,因此将其单独考虑,综上本文对原DAE模型进行优化,改进后奇异摄动形式DAE模型为j=F(X,耳,S,)(圪)=GI(x,)一【s叫 (5)(岛)=G2()一is,o0=t(x,t,)可见,原DAE模型奇异点消失。式中:Z=刁(,)为动态元件设定参数;磊,分别为动态元件方程和潮流方程代数变量;S为暂态过程中风电集群向系统注入的波动有功及无功;G1,G,分别为动态元件方程和潮流方程:,表示常微分方程数值积分算法。为
18、了在同数学模型中计算系统SNB及HB。附加以下条件。0=歹(X,耳F,S,),+耐 0=t歹2(X,】,D,耳,S,)广一耐7、式中:缈为系统特征值虚部;,为左半部相应特征值的实部和虚部;厂为式(5)进行线性化得到的系统状态矩阵。联立式(5)、式(6)所求的解分别对应SNB(国=0)和HB(国0)。3 追踪系统分岔边界及分岔点的方法31双参数局部SNB和HB分岔边界追踪伴随系统控制参数的变化,稳定时全为负的特征值有一个实根沿实轴穿过虚轴,系统发生SNB。对应系统单调失稳,此时系统出现一个结型平衡点和鞍型平衡点的融合。若t,存在一对共轭负特征根连续穿过虚轴,则系统在非双曲平衡点附近发生Hopf分
19、岔。对应的失稳情况为周期性振荡失稳,此时对应相空间平衡点附近存在稳定不稳定极限环的消失或出现。这两种分岔都是余维1局部分岔。非线性系统中,当参数缓慢变化以致发生Hopf分岔时,一个原先运行在稳定平衡点的电力系统就会开始以一个周期轨道稳态振荡【111。这是由于平衡点和极限环的相互作用引起的。满足下列方程组的平衡点为系统Hopf分岔点。,妒(t)-I- , (7)detlj(oI,一J(x,)一0 一广,式中一2 kJ(x,)=纯(x,p)。延拓法可以完整追踪得到系统平衡解流,通过牛顿一拉夫逊法直接求解满足系统分岔条件的非线性方程获得分岔点。对式(5)优化DAE模型用延拓法进行求解,即可得到系统一
20、维流形和单参数分岔点。在此基础上,通过追踪局部分岔满足的流形条件即可获得系统二维分岔曲线。SNB二维分岔边界为If(x,Y,口)=0g(训,口)20 (8)A0口2”7l(g,q0)=1Hopf分岔点二维分岔边界为f(x,Y,口1=0g(x,Y,口)=0彳ql 1一泐(qlI:o (9)吼j u夕(91,g:。)=1万方数据电力系统保护与控制式中,参数及含义参见文献101。求解式(8)、式(9)平衡解流形,得到式(5)双参数局部分岔边界。可以看出HB边界流形包络在SNB边界流形之内,即系统在到达SNB之前就已经发生了Hopf分岔从而失稳。因此仅考虑SNB对于电力系统稳定分析来说是不够的,需要计
21、算HB指导系统安全稳定裕度。32基于Hopf分岔的改进CPF结合时域仿真的动态分析法本文采用CPF与时域仿真相结合的方法追踪系统HB。时域仿真通常基于多时标全阶系统模型,将控制参数作为常量处理,采用隐式梯形法进行求解,计算公式参见文献【11】。此时式(5)中,的形式为1,(妒1,巧“,t。+。)=写一寸一i1(乙“-t。)(妒1+)二(10)由于大规模风电集群系统多处于同一风力资源带,风电出力具有很强的同时性,因此集群区域内机组一般都运行于小出力工况。然而作为弱联接送端系统,机组运行于大出力工况,系统更容易受扰动影响而失稳。因此,本文在以上两种工况下分别对系统进行研究。首先,在DPF中基于实测
22、风功率数据通过CPF建立如图4所示两种工况下风电功率时间一有功波动特性曲线,模拟风机出力随机波动性,大小出力工况下各风电机组初始运行状态分别为额定容量的3878、1719,各风电场有功输出按其初始运行工况有功出力的11同步增长。然后,以图4所示有功变化过程为基础,从时域分析角度绘制系统时间一电压波动特性曲线,计算系统电1O0908O7060504O3O-210O9080706050403O20 3 6 9 12 15 18tsCo)小出力图4系统出力T-P曲线Fig4 T-P curve of system output压失稳点,求取系统Hopf分岔点。最后,综合两种特性曲线,绘制系统不同运行
23、工况下有功增长过程中的系统电压变化曲线,即为分岔曲线对应的PV曲线。仿真过程中,随着系统传输功率增长,系统运行至失稳点时电压开始发生图5所示周期稳态振荡。该点特征值满足式(7),为系统Hopf分岔点,各个工况下系统HB所组成的流形即为式(9)二维HB分岔边界。tls图5时域仿真中的电压失稳示意图Fig5 Schematic diagram of voltage instability in TDS令兄为式(5)雅克比矩阵的特征值,y为对应的特征向量,则存在向量缈满足:主驯;)JlLr纠vl堋在HB点,五=j纰为纯虚数,令y=+J嵋,国=昧+j劬。为了避免算法不收敛并提高算法的鲁棒性,给出以下线
24、性独立方程组,增加系统方程。H司卧一:。=1( 昧:蚓=o式(12)中包括规范化约束及正交约束,联立式(5)可得系统线性化方程。基于该方程,本文提出一种可获取动态变量初始条件的潮流算法,该算法可快速计算系统的HB点稳定裕度,图6为算法框图。假设q=o,l,。=(一1)昧,对所有f均有0飞0=00,基于这个假设通过求解式(12)得到特征向量实部,从而预调节特征向量初始条件来满足式(5)。该算法在没有任何初始平衡点信息的情况下仍可计算出系统初始条件,极大地提高了算法收敛性。算法中HB必要条件验证即为检验式(7)是否成立。算法计算收敛后,执行一个传统系统特征值计算,以确保右半平面上不存在特征值。由于
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