一种基于HHT的风电场内部机组聚合方法与流程

一种基于hht的风电场内部机组聚合方法
技术领域
1.本发明属电力系统运维于技术领域，特别是涉及到一种基于hht的风电场内部机组聚合方法。


背景技术：

2.目前，二氧化碳过度排放是引起气候变化的主要因素，二氧化碳等温室气体是导致全球变暖以及一些地区干旱、寒潮、台风、沙尘暴等极端天气频发的重要原因之一。当前碳排放主要来源于化石能源的利用过程。因此，光伏、风电等新能源的分布式应用以及创新发展将成为保证能源安全的重要内容。随着大量并网风场对电力系统稳定性的影响逐渐增大，风场动态聚合模型越来越受到专家学者的关注。由于风场通常由大量风机并联汇流而成，各台机组间的空间分布性和控制差异性较明显。为了避免系统的阶数及非线性度过高，研究并网风场对电力系统的影响时需要对并联机组进行等值建模。
3.目前常用的风电场聚合等值方法主要分为容量加权法、接口拟合法和同调等值法等。容量加权法遵循参数一致原则，以每台风电机组容量为权重，将机组类型与控制模式相同的机组直接进行等值。在风电场风速不均、地理位置分布广泛且风电机组型号众多的场景下，这种方法不仅无法有效降低系统阶数，反而使得风电场等值计算面临维数灾的问题。为了最大程度实现降阶，接口拟合法一般将风场并网点等效为一台发电机组，将风场聚合问题转化为发电机的参数求取及最优化问题，但通常情况下所获取的一种优化参数难以反映风电场运行特性，且很难保证仿真计算对于风场复杂工况的要求。而同调等值法则遵循同步发电机聚合的原则，利用聚类的方式将具有相似的机端电压特性和定子频率变化方式的机组进行分类，然而当前风力机组种类众多，实际运行中机组的频率、电压动态特性受各自变换器控制参数影响较大，无法获取风场中各机组统一的动态响应规律。
4.因此，现有技术亟需要一种新技术来解决此类问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，基于尔伯特黄变换(hilbert-huang transformation，hht)提取直驱风电机组振荡模式，进而采用相似理论定义直驱风机同调机组划分指标，即通过确定直驱风机间振荡模式相似度，应用相似振荡模式中的频率、阻尼、幅值确定同调机群，以直驱风机输出有功功率为权重计算等值机的暂态内电势等参数。解决现有技术中风场机组无法统一获取动态响应规律的问题。
6.一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，
7.步骤一、利用希尔伯特黄变换hht提取各风电场中直驱风机故障下功率响应曲线x(t)的动态特征；
8.步骤二、基于相似理论确定直驱风机故障下功率响应中的相似振荡模式；
9.步骤三、根据风电机组出口处各故障类型下同调机组划分指标计算确定风电场内
部同调机组；
10.步骤四、建立等值风机模型，获取等值风机模型参数，以直驱风机输出有功功率为权重获得等值风机的等效内电势参数。
11.所述步骤一x(t)的动态特征获取方法为：
12.查找信号x(t)的所有极大值点和极小值点，采用曲线拟合方法获得x(t)的上、下包络线，上、下包络线的平均值为m(t)；
13.建立imf固有模态函数h(t)，h(t)＝x(t)-m(t)，
14.将h(t)作为新的x(t)，满足条件：整个数据序列内，极值点数量和过零点数量相等或者相差1个，且上、下包络线关于时间轴局部对称；得到第一阶c1(t)；
15.将r(t)＝x(t)-c1(t)作为新的x(t)，满足条件：整个数据序列内，极值点数量和过零点数量相等或者相差1个，且上、下包络线关于时间轴局部对称；依次获得第二阶、第三阶imf分量，至第n阶imf分量ck(t)，功率响应信号可表示为：
[0016][0017]
式中，r(t)表示残余函数，代表功率响应信号的平均趋势；
[0018]
振荡模态ck(t)经过冲激响应为h(t)＝1/(πt)的线性系统，得到对应的hht变换形式
[0019]
在频域中各频率分量幅值不变，相位出现-90
°
的相移，建立复解析函数为：
[0020][0021]
式中，αk(t)和分别为第k个振荡模式的幅值和相位，j为虚部；对应表达式如下所示：
[0022][0023][0024]
和ck(t)的时域表达式分别为：
[0025][0026][0027]
式中，ak、
δk
、ωk和θk分别为振荡模式的幅值、衰减因子、振荡频率和初相位；
[0028]
计算其瞬时幅值和瞬时相位为：
[0029][0030][0031]
为关于时间t的一次函数，利用最小二乘法拟合瞬时相位关于时间t的一次函
数，拟合函数的斜率为振荡频率ωk，截距为初相位θk；
[0032]
对瞬时幅值两边取对数可得：
[0033]
lnαk(t)＝δkt+lnak[0034]
式中，lnαk(t)是关于时间的一次函数，利用最小二乘拟合的一次函数斜率即为衰减因子δk，截距为幅值的对数lnak。
[0035]
所述步骤二相似振荡模式的建立方法为：
[0036]
计算直驱风机p和直驱风机q功率响应中第i个振荡模式与第j个振荡模式中振幅、衰减因子和频率三者的欧式距离：
[0037][0038]
式中，和为直驱风机p第i个振荡模式的振幅、衰减因子和频率；和为直驱风机q第j个振荡模式的振幅、衰减因子和频率。
[0039]
计算直驱风机p的第i个振荡模式获得最小的d
ij
，直驱风机q的第j个振荡模式与直驱风机p的第i个振荡模式为一对相似振荡模式，去除直驱风机q的第j个振荡模式，用于下一对相似振荡模式的寻找，最后得到所有对应的相似振荡模式。
[0040]
所述步骤三风电场内部同调机组的确定方法为：
[0041]
设置各直驱风机出口处故障类型有h种，对于故障类型e，计算风机间相似度为s
(e)
，考虑不同故障下同调机组划分指标可定义为：
[0042][0043]
通过直驱风机同调机组划分指标的计算确定风电场内部同调机组。
[0044]
所述步骤四等值风机模型参数为：
[0045][0046]
式中，p
eq
和q
eq
分别为等值机的有功功率和无功功率；pi为第i台风机的有功功率；qi为第i台直驱风机的无功功率；x
seq
和r
seq
分别为等值机的定子电抗以及定子电阻；x
sn
和r
sn
分别为第n台直驱风机的定子电抗和定子电阻；x
req
和r
seq
分别为等值机的转子电抗和转子电阻；x
rn
和r
rn
分别为第n台直驱风机的转子电抗和转子电阻。
[0047]
所述步骤四等值风机的等效内电势参数采用风机有功功率为权重进行计算：
[0048][0049]
式中，h
geq
、h
teq
和k
seq
分别为等值机的等效惯性时间常数、直驱风机转子惯性时间常数和轴系刚度系数；pi为第i台风机的有功功率；h
gi
、h
ti
和k
si
分别为第i台发电机的等效惯性时间常数、直驱风机转子惯性时间常数和轴系刚度系数。
[0050]
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，基于尔伯特黄变换(hilbert-huang transformation，hht)提取直驱风电机组振荡模式，进而采用相似理论定义直驱风机同调机组划分指标，即通过确定直驱风机间振荡模式相似度，应用相似振荡模式中的频率、阻尼、幅值确定同调机群，以直驱风机输出有功功率为权重计算等值机的暂态内电势等参数。采用hht可以有效提取直驱风机动态振荡特性，同调机组划分指标可以充分反映直驱风机间动态特性的相似程度。所提定量指标不受观察人员经验准确性及视觉误差的影响，分群结果能够较准确地反应风电场中直驱风机动态变化。同调机组确定所需特征量获取较容易，且原理和算法简单，可以满足电力系统稳定分析的需求，适用于直驱风机保护、暂态控制等的研究和实施。
附图说明
[0051]
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
[0052]
图1为本发明一种基于hht的风电场内部机组聚合方法流程示意图。
[0053]
图2为本发明一种基于hht的风电场内部机组聚合方法实施例电网地理接线图。
[0054]
图3为本发明一种基于hht的风电场内部机组聚合方法实施例等值机出口支路潮流动态变化图。
具体实施方式
[0055]
一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，基于尔伯特黄变换(hilbert-huang transformation，hht)提取直驱风电机组振荡模式，进而采用相似理论定义直驱风机同调机组划分指标，即通过确定直驱风机间振荡模式相似度，应用相似振荡模式中的频率、阻尼、幅值确定同调机群，以直驱风机输出有功功率为权重计算等值机的暂态内电势等参数。如图1所示，包括以下步骤：
[0056]
步骤一、利用希尔伯特黄变换(hilbert-huang transformation，hht)提取各风电场中直驱风机故障下功率响应曲线x(t)的动态特征；
[0057]
步骤二、基于相似理论确定直驱风机故障下功率响应中的相似振荡模式；
[0058]
步骤三、风电机组出口处不同故障类型下同调机组划分指标计算；
[0059]
步骤四、以直驱风机输出有功功率为权重求取等值机的等效内电势等参数。
[0060]
具体的，步骤一的计算过程如下：
[0061]
首先找到信号x(t)的所有极大值和极小值点，分别用曲线拟合，得到x(t)的上、下包络线；
[0062]
将上、下包络线的平均值记为m(t)，并令h(t)＝x(t)-m(t)，则h(t)为一个近似的固有模态函数(intrinsic mode function，imf)。imf满足两个条件：(1)在整个数据序列内，极值点数量和过零点数量相等或者相差1个；(2)在信号的任意时刻，由局部极大值点和局部极小值点确定的上、下包络线的平均值为零，即上、下包络线关于时间轴局部对称；
[0063]
将h(t)作为新的x(t)，重复上述操作，直到h(t)满足imf条件停止，此时得到第一阶记作c1(t)；
[0064]
将r(t)＝x(t)-c1(t)作为新的x(t)，重复以上上述过程，依次得到第二阶、第三阶imf分量，最终可得n个imf分量ck(t)，功率响应信号可表示为：
[0065][0066]
其中，r(t)表示残余函数，代表功率响应信号的平均趋势。
[0067]
振荡模态ck(t)经过冲激响应为h(t)＝1/(πt)的线性系统，得到对应的hht变换形式
[0068][0069]
在频域中各频率分量幅值不变，相位出现-90
°
的相移，τ为时间常数；定义复解析函数为：
[0070][0071]
其中，αk(t)和分别为第k个振荡模式的幅值和相位，j为虚部；对应表达式如下所示：
[0072][0073][0074]
和ck(t)的时域表达式分别为：
[0075]
[0076][0077]
式中，ak、
δk
、ωk和θk分别为振荡模式的幅值、衰减因子、振荡频率和初相位。则进一步计算其瞬时幅值和瞬时相位为：
[0078][0079][0080]
根据瞬时相位表达式可知是关于时间t的一次函数，利用最小二乘法拟合瞬时相位关于时间的一次函数，拟合函数的斜率为振荡频率ωk，截距为初相位θk。
[0081]
对瞬时幅值两边取对数可得：
[0082]
lnαk(t)＝δkt+lna
k (10)
[0083]
式中，lnαk(t)是关于时间的一次函数，利用最小二乘拟合的一次函数斜率即为衰减因子δk，截距为幅值的对数lnak。
[0084]
步骤二的具体计算过程如下：
[0085]
以p、q两台直驱风机为例进行说明，计算两台直驱风机功率响应中第i个振荡模式与第j个振荡模式中振幅、衰减因子和频率三者的欧式距离：
[0086][0087]
其中，和为直驱风机p第i个振荡模式的振幅、衰减因子和频率；和为直驱风机q第j个振荡模式的振幅、衰减因子和频率。
[0088]
对直驱风机p的第i个振荡模式，计算获得最小的d
ij
，则直驱风机q的第j个振荡模式与直驱风机p的第i个振荡模式为一对相似振荡模式，在直驱风机q的振荡模式中去除第j个振荡模式，用于下一对相似振荡模式的寻找，最后得到所有对应的相似振荡模式。
[0089]
步骤三的具体计算过程如下：
[0090]
直驱风机第i个相似振荡模式的频率和阻尼的相似度可通过如下公式计算：
[0091][0092][0093]
根据风电场实际情况，给定频率与阻尼的相似度权重c、d，因此，第i个相似振荡模式之间的相似度为：
[0094]
s(λi)＝cs(ωi)+ds(δi),c+d＝1 (14)
[0095]
实际应用中，认为频率与阻尼的相似度权重相同，因此第i个相似振荡模式之间的
相似度可写成：
[0096]
s(λi)＝0.5s(ωi)+0.5s(δi) (15)
[0097]
定义振荡模式中各个分模式的振幅与全部模式振幅的比值为该分模式在相似度指标计算中占全部振荡模式的权重γi：
[0098][0099]
式中，l为总的相似振荡模式数量。
[0100]
考虑权重后所有相似振荡模式的相似度为：
[0101][0102]
设置各直驱风机出口处故障类型有h种，对于故障类型e，可计算风机间相似度为s
(e)
，因此，综合考虑不同故障下同调机组划分指标可定义为：
[0103][0104]
通过直驱风机同调机组划分指标的计算可以确定风电场内部同调机组。
[0105]
步骤四的具体计算过程如下：
[0106]
直驱风机定子电压方程为：
[0107][0108]
式中，ud和uq分别为直驱风机定子电压的d轴和q轴分量；ψd和ψq分别为直驱风机定子磁链的d轴和q轴分量；rs为定子电阻；ωs为转子旋转电角速度；p为微分算子。
[0109]
dq坐标系中的定子磁链方程为：
[0110][0111]
式中，iq和id分别为直驱风机定子电流的d轴和q轴分量；ψf为直驱风机转子磁链；lq和ld分别为直驱风机交、直轴电感，且：
[0112][0113]
式中，l
ss
为直驱风机定子电感；l
md
和l
mq
分别为直驱风机定子互感的d轴和q轴分量。
[0114]
把磁链方程带入电压方程可得：
[0115]
[0116]
定义直驱风机等效暂态内电势为：
[0117]
e'＝u
s-jx
ssis (23)
[0118]
式中，e'＝e'd+je'q；us为定子电压；is为定子电流。
[0119]
同调机群中有n台直驱风机，等值风机的暂态内电势为：
[0120][0121]
式中，ee′
qu
为等值机的暂态内电势；pi为第i台风机的有功功率；ei′
为第i台风机的暂态内电势。
[0122]
同群直驱风机ei′
母线分别通过复变比移相变压器连接到暂态内电势ee′
qu
母线，其中复变比移相变压器的变比为：
[0123][0124]
因此，同调直驱风机的等值母线可以由暂态内电势与等值电抗确定，其中等值电抗为：
[0125]
x
sseq
＝x
ss1
//x
ss2
//...//x
ssn (26)
[0126]
式中，x
ssn
为第n台风机的等值电抗。
[0127]
聚合前后同调风机群额定容量和输出特性应保持不变。因此，等值风机模型参数为：
[0128][0129]
式中，p
eq
和q
eq
分别为等值机的有功功率和无功功率；qi为第i台直驱风机的无功功率；x
seq
和r
seq
分别为等值机的定子电抗以及定子电阻；x
sn
和r
sn
分别为第n台直驱风机的定子电抗和定子电阻；x
req
和r
seq
分别为等值机的转子电抗和转子电阻；x
rn
和r
rn
分别为第n台直驱风机的转子电抗和转子电阻。
[0130]
对于等值风机轴系参数的求取，同样采用风机有功功率为权重进行计算：
[0131][0132]
式中，h
geq
、h
teq
和k
seq
分别为等值机的等效惯性时间常数、直驱风机转子惯性时间常数和轴系刚度系数；h
gi
、h
ti
和k
si
分别为第i台发电机的等效惯性时间常数、直驱风机转子惯性时间常数和轴系刚度系数。
[0133]
至此，一种基于hht的风电场内部机组聚合方法计算完成。
[0134]
下面结合实例对本发明作进一步详细说明：
[0135]
以图2所示云南地区电网为例，其动态等值过程如下：
[0136]
根据风电场的地理位置将其初步分为5个群：w1、w2、w3、w4、w5。在各风电场群的出口母线处设置三相故障。故障持续0.1s后消失，计算各群中风电场间的相似度量化指标。规定当有功功率相似度指标s
p
、无功功率相似度指标sq均大于0.850时判定风电场间同调。表1-5分别为风电场w1、w2、w3、w4、w5的同调识别结果。
[0137]
表1w1风电场同调识别结果
[0138][0139][0140]
表2w2风电场同调识别结果
[0141][0142]
表3w3风电场同调识别结果
[0143][0144]
表4w4风电场同调识别结果
[0145][0146]
表5w5风电场同调识别结果
[0147][0148]
根据表1-5的相似度指标可以看出，w2、w3、w5中风电场均为同调，而w1中风电场fetug1、fetug2、dlkg1归为一组；ytsg1、ytsg2归为一组；dlkg2、dlkg3归为一组；w4中风电场mptg、lfag归为一组；ljsg、dzsg归为一组。
[0149]
对于以上同调机组按所提方法进行同调机群母线聚合、同调机群参数聚合。经所提方法聚合后，其等值机出口处支路潮流如图3所示。其中，曲线1是以所提功率聚合算法进行母线化简后的出口支路潮流动态特性曲线，曲线2是进行母线化简的出口曲线。根据图3可以看出，相比于以传统的加权平均的聚合方式获取的支路潮流动态特性曲线2，根据所提方法等值后曲线1更贴近等值前的支路潮流动态曲线，证明了所提方法实现母线化简和参数聚合方法的优越性。

技术特征：
1.一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，其特征是：包括以下步骤，且以下步骤顺次进行，步骤一、利用希尔伯特黄变换hht提取各风电场中直驱风机故障下功率响应曲线x(t)的动态特征；步骤二、基于相似理论确定直驱风机故障下功率响应中的相似振荡模式；步骤三、根据风电机组出口处各故障类型下同调机组划分指标计算确定风电场内部同调机组；步骤四、建立等值风机模型，获取等值风机模型参数，以直驱风机输出有功功率为权重获得等值风机的等效内电势参数。2.根据权利要求1所述的一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，其特征是：所述步骤一x(t)的动态特征获取方法为：查找信号x(t)的所有极大值点和极小值点，采用曲线拟合方法获得x(t)的上、下包络线，上、下包络线的平均值为m(t)；建立imf固有模态函数h(t)，h(t)＝x(t)-m(t)，将h(t)作为新的x(t)，满足条件：整个数据序列内，极值点数量和过零点数量相等或者相差1个，且上、下包络线关于时间轴局部对称；得到第一阶c1(t)；将r(t)＝x(t)-c1(t)作为新的x(t)，满足条件：整个数据序列内，极值点数量和过零点数量相等或者相差1个，且上、下包络线关于时间轴局部对称；依次获得第二阶、第三阶imf分量，至第n阶imf分量c
k
(t)，功率响应信号可表示为：式中，r(t)表示残余函数，代表功率响应信号的平均趋势；振荡模态c
k
(t)经过冲激响应为h(t)＝1/(πt)的线性系统，得到对应的hht变换形式(t)经过冲激响应为h(t)＝1/(πt)的线性系统，得到对应的hht变换形式在频域中各频率分量幅值不变，相位出现-90
°
的相移，建立复解析函数为：式中，α
k
(t)和分别为第k个振荡模式的幅值和相位，j为虚部；对应表达式如下所示：示：示：和c
k
(t)的时域表达式分别为：(t)的时域表达式分别为：
式中，a
k
、
δk
、ω
k
和θ
k
分别为振荡模式的幅值、衰减因子、振荡频率和初相位；计算其瞬时幅值和瞬时相位为：计算其瞬时幅值和瞬时相位为：计算其瞬时幅值和瞬时相位为：为关于时间t的一次函数，利用最小二乘法拟合瞬时相位关于时间t的一次函数，拟合函数的斜率为振荡频率ω
k
，截距为初相位θ
k
；对瞬时幅值两边取对数可得：lnα
k
(t)＝δ
k
t+lna
k
式中，lnα
k
(t)是关于时间的一次函数，利用最小二乘拟合的一次函数斜率即为衰减因子δ
k
，截距为幅值的对数lna
k
。3.根据权利要求1所述的一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，其特征是：所述步骤二相似振荡模式的建立方法为：计算直驱风机p和直驱风机q功率响应中第i个振荡模式与第j个振荡模式中振幅、衰减因子和频率三者的欧式距离：式中，和为直驱风机p第i个振荡模式的振幅、衰减因子和频率；和为直驱风机q第j个振荡模式的振幅、衰减因子和频率。计算直驱风机p的第i个振荡模式获得最小的d
ij
，直驱风机q的第j个振荡模式与直驱风机p的第i个振荡模式为一对相似振荡模式，去除直驱风机q的第j个振荡模式，用于下一对相似振荡模式的寻找，最后得到所有对应的相似振荡模式。4.根据权利要求1所述的一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，其特征是：所述步骤三风电场内部同调机组的确定方法为：设置各直驱风机出口处故障类型有h种，对于故障类型e，计算风机间相似度为s
(e)
，考虑不同故障下同调机组划分指标可定义为：通过直驱风机同调机组划分指标的计算确定风电场内部同调机组。5.根据权利要求1所述的一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，其特征是：所述步骤四等值风机模型参数为：
式中，p
eq
和q
eq
分别为等值机的有功功率和无功功率；p
i
为第i台风机的有功功率；q
i
为第i台直驱风机的无功功率；x
seq
和r
seq
分别为等值机的定子电抗以及定子电阻；x
sn
和r
sn
分别为第n台直驱风机的定子电抗和定子电阻；x
req
和r
seq
分别为等值机的转子电抗和转子电阻；x
rn
和r
rn
分别为第n台直驱风机的转子电抗和转子电阻。6.根据权利要求1所述的一种基于hht的风电场内部机组聚合方法，其特征是：所述步骤四等值风机的等效内电势参数采用风机有功功率为权重进行计算：式中，h
geq
、h
teq
和k
seq
分别为等值机的等效惯性时间常数、直驱风机转子惯性时间常数和轴系刚度系数；p
i
为第i台风机的有功功率；h
gi
、h
ti
和k
si
分别为第i台发电机的等效惯性时间常数、直驱风机转子惯性时间常数和轴系刚度系数。

技术总结
一种基于HHT的风电场内部机组聚合方法，属于电力系统运维技术领域，基于尔伯特黄变换HHT提取直驱风电机组振荡模式，进而采用相似理论定义直驱风机同调机组划分指标，即通过确定直驱风机间振荡模式相似度，应用相似振荡模式中的频率、阻尼、幅值确定同调机群，以直驱风机输出有功功率为权重计算等值机的暂态内电势等参数。本发明可有效提取直驱风机动态振荡特性，所提定量指标不受观察人员经验准确性及视觉误差的影响，分群结果能够较准确地反应风电场中直驱风机动态变化；同调机组确定所需特征量获取较容易，且原理和算法简单，可以满足电力系统稳定分析的需求，适用于直驱风机保护、暂态控制等的研究和实施。暂态控制等的研究和实施。暂态控制等的研究和实施。


技术研发人员：张海锋 李德鑫 杨晶莹 吕项羽 庄冠群 张家郡 高松 彭晓宇 刘鸣泰
受保护的技术使用者：国网吉林省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15