CN103346580A - 一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，所述方法在双馈风力发电机组的转子侧换流器的有功、无功外环控制环节分别配置有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器，由有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器构成的混合阻尼控制器同时对有功功率和无功功率进行动态调节，增强双馈风力发电机组所提供的电气阻尼，进而达到抑制次同步振荡的目的。与现有的采用FACTS设备抑制次同步振荡的方法相比，所述方法不需要外加设备，只需对现有双馈风力发电机组的控制系统进行修改即可实现，具有成本低、施工周期短、参数整定简单的优点。

Description

一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法
技术领域
本发明涉及一种通过在双馈风力发电机组控制系统中加入混合阻尼控制器来抑制其次同步振荡的方法，属于发电技术领域。
背景技术
近年来，风力发电在国内外得到了迅猛的发展。由于风电场大多地处偏远地区，远离负荷中心，为解决大规模风电外送问题，串联补偿技术得到广泛的应用。但串联补偿可能会诱发双馈风力发电机组（DFIG）的次同步振荡问题，影响风电场以及外送系统的安全稳定运行。与火电机组的次同步振荡问题不同的是，DFIG的次同步振荡问题表现为3种作用形式，分别是次同步谐振(SSR)，指的是风电机组轴系与固定串补之间的作用；装置引发的次同步振荡（SSTI），主要是指DFIG控制器与机组轴系之间的交互作用，当处于与轴系模态互补的电气频率下，如果系统呈现负阻尼，就会发生这种现象；DFIG控制器引发的次同步振荡（SSCI），这主要是指DFIG控制器与串补系统之间的作用，这是风电机组区别于火电机组的一种作用形式。
SSCI是随着风力发电技术的快速发展而出现的一种新的次同步振荡现象，发生的主要原因是DFIG的快速直接电流控制导致系统出现负阻尼。当系统发生扰动时所产生的谐振电流会在发电机转子上感应出对应的次同步电流，进而引起转子电流的变化。变流控制器感受到此变化后会调节逆变器输出电压，引起转子中实际电流的改变。如果输出电压助增转子电流增大，谐振电流的振荡将会加剧，进而破坏系统稳定性。与SSR和SSTI不同，SSCI与DFIG的轴系完全无关，只是发电机控制系统与固定串补间的交互作用，振荡频率和衰减率由发电机控制系统和传输线路参数共同决定。此外，与SSTI和SSR相比，由于SSCI没有机械系统参与作用，系统对振荡的阻尼作用较小，SSCI所导致的振荡发散速度更快，因此，SSCI是DFIG次同步振荡的主要表现形式。
DFIG转子侧变频器(RSC)主要目的是控制转子转速跟踪风速的变化，最终实现功率的追踪和频率的稳定；网侧变频器(GSC)主要目的是控制有功功率平衡，维持直流链电容电压的稳定，如图1所示。一般来说，当线路电流即发电机定子电流存在次同步频率的振荡分量时，网侧变频器仍持续运行并维持直流母线的电压恒定，因此可认为网侧变频器控制对次同步电流的影响较小，SSCI主要由转子侧直接电流控制引起。
2009年9月，在美国德克萨斯州的某风电场发生了一次SSCI事故，造成风力发电机大量跳机以及内部撬棒电路损坏。该事故引发了相关学者的关注，并开展了相关的研究工作，提出了一系列抑制SSCI的方法。但这些方法多采用在DFIG附近安装FACTS装置，成本较高，并且FACTS与DFIG的交互作用使得FACTS的参数整定较为困难，在工程实际中实现较为困难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，确保风电场以及外送系统的安全稳定运行。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，所述方法在双馈风力发电机组（DFIG）的转子侧换流器的有功、无功外环控制环节分别配置有功功率阻尼控制器(P-SSDC)和无功功率阻尼控制器（Q-SSDC），由有功功率阻尼控制器(P-SSDC)和无功功率阻尼控制器（Q-SSDC）构成的混合阻尼控制器（H-SSDC）同时对有功功率和无功功率进行动态调节，增强双馈风力发电机组所提供的电气阻尼，进而达到抑制次同步振荡的目的。
上述双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，所述有功功率阻尼控制器(P-SSDC)和无功功率阻尼控制器（Q-SSDC）结构相同，均包括增益环节、移相环节以及限幅环节，双馈风力发电机组的转速偏差                                                
Figure 43216DEST_PATH_IMAGE001
依次经有功功率阻尼控制器的增益环节、移相环节和限幅环节进入双馈风力发电机组的转子侧换流器的有功外环控制环节；双馈风力发电机组的转速偏差
Figure 891086DEST_PATH_IMAGE001
还依次经无功功率阻尼控制器的增益环节、移相环节和限幅环节进入双馈风力发电机组的转子侧换流器的无功外环控制环节。
上述双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，所述有功功率阻尼控制器(P-SSDC)和无功功率阻尼控制器(Q-SSDC)的移相环节采用多个移相函数串联的形式，其表达式为
Figure 347475DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 978308DEST_PATH_IMAGE003
为移相函数的超前时间常数，
Figure 305384DEST_PATH_IMAGE004
为移相函数的滞后时间常数，为移相传递函数的复数形式自变量，为串联移相函数的个数。
上述双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，所述有功功率阻尼控制器(P-SSDC)和无功功率阻尼控制器（Q-SSDC）的参数整定步骤是：
a、建立所分析系统的电磁暂态模型；
b、对双馈风力发电机组（DFIG）所在位置的端口进行频率阻抗扫描，确定其电气谐振频率
Figure 951632DEST_PATH_IMAGE007
；
c、采用注入信号法分别测量有功功率环节到双馈风力发电机组（DFIG）的电磁转矩增量以及无功功率环节到双馈风力发电机组（DFIG）的电磁转矩增量
Figure 119625DEST_PATH_IMAGE008
的相位差，分别记作
Figure 425973DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 992083DEST_PATH_IMAGE010
；
d、分别计算有功功率阻尼控制器(P-SSDC)和无功功率阻尼控制器（Q-SSDC）的移相环节参数
Figure 559331DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 185484DEST_PATH_IMAGE004
和，使得有功功率阻尼控制器(P-SSDC)和无功功率阻尼控制器（Q-SSDC）在频率50-
Figure 332618DEST_PATH_IMAGE007
的相位偏移分别为
Figure 19951DEST_PATH_IMAGE011
，；
e、基于电磁暂态模型，采用时域仿真法，确定有功功率阻尼控制器(P-SSDC)的增益
Figure 832366DEST_PATH_IMAGE013
和无功功率阻尼控制器（Q-SSDC）的增益
Figure 537017DEST_PATH_IMAGE014
，使其能够抑制各种扰动所引发的次同步振荡。
本发明利用混合阻尼控制器对双馈风力发电机组的有功功率和无功功率进行动态调节，达到抑制次同步振荡的目的。与现有的采用FACTS设备抑制次同步振荡的方法相比，所述方法不需要外加设备，只需对现有双馈风力发电机组的控制系统进行修改即可实现，具有成本低、施工周期短、参数整定简单的优点。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1为现有的DFIG转子侧变流器控制模块；
图2为配置H-SSDC后的DFIG转子侧变流器控制模块；
图3 为P-SSDC和Q-SSDC具体结构图；
图4为测试系统接线示意图；
图5为所设计的H-SSDC的相频特性；
图6为不采用H-SSDC、仅采用P-SSDC和采用H-SSDC后有功功率；
图7为不采用H-SSDC、仅采用P-SSDC和采用H-SSDC后无功功率；
图8为不采用H-SSDC、仅采用P-SSDC和采用H-SSDC后电压。
图中各标号清单为：
Figure 547698DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure 171446DEST_PATH_IMAGE016
分别为转子电压
Figure 267578DEST_PATH_IMAGE017
轴分量；
Figure 244762DEST_PATH_IMAGE018
、为转子电流
Figure 920911DEST_PATH_IMAGE017
轴分量；
Figure 504339DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 285213DEST_PATH_IMAGE021
为定、转子的电气角速度；为转子电阻；，
Figure 306762DEST_PATH_IMAGE024
，，
Figure 731107DEST_PATH_IMAGE026
为同步旋转坐标系下定、转子的等效自感及互感；
Figure 618291DEST_PATH_IMAGE027
为定子磁链；
Figure 910732DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 298988DEST_PATH_IMAGE029
为DFIG出口线路上的有功和无功；
Figure 649067DEST_PATH_IMAGE030
为有功的参考值，来自最大风功率追踪环节；
Figure 300628DEST_PATH_IMAGE031
为无功的参考值；PI为比例积分控制器；P-SSDC为有功功率阻尼控制器；Q-SSDC为无功功率阻尼控制器；
Figure 877103DEST_PATH_IMAGE001
为DFIG转速偏差；、
Figure 227630DEST_PATH_IMAGE014
分别为P-SSDC和Q-SSDC的增益环节；
Figure 315672DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 113864DEST_PATH_IMAGE033
分别为P-SSDC和Q-SSDC的移相环节；为电网电压，
Figure 383574DEST_PATH_IMAGE035
为等值双馈风机机端电压；
Figure 642517DEST_PATH_IMAGE036
是双馈风电机组出口变压器电抗，
Figure 662426DEST_PATH_IMAGE037
是升压变压器电抗，
Figure 665017DEST_PATH_IMAGE038
和
Figure 594927DEST_PATH_IMAGE039
为输电线路电阻和电抗，
Figure 290350DEST_PATH_IMAGE040
为同步频率下线路串补电容的容抗，
Figure 531976DEST_PATH_IMAGE041
和
Figure 728471DEST_PATH_IMAGE042
为无穷大系统的电阻和电抗。
具体实施方式
现结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式，但本发明不受所描述实施例所限制。
具体步骤如下：
   1）在Matlab的Simulink 电磁仿真软件中，建立图4所示测试系统的仿真模型。该模型基于IEEE次同步谐振第一模型，发电机采用DFIG，其中容量为50*2MW，线路补偿度为40%。
   2）采用频率扫描法，获得从DFIG看进去系统的阻抗特性曲线，得到系统的电气谐振频率
Figure 106363DEST_PATH_IMAGE007
=15Hz；
 3）令Q-SSDC的输入为零，采用测试信号法，测量在（50-
Figure 238267DEST_PATH_IMAGE007
）Hz时有功环节到的相位差
Figure 452527DEST_PATH_IMAGE009
=
Figure 481663DEST_PATH_IMAGE043
；同理，令P-SSDC的输入为零，采用测试信号法，求得在（50-）Hz无功环节到
Figure 859741DEST_PATH_IMAGE008
的相位差=
Figure 625889DEST_PATH_IMAGE044
；
 4）设计图3所示的H-SSDC的参数，其中P-SSDC各参数为
Figure 709382DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 147317DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 364671DEST_PATH_IMAGE047
，=3；Q-SSDC各参数为
Figure 340904DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 266134DEST_PATH_IMAGE050
，
Figure 21601DEST_PATH_IMAGE051
，
Figure 348677DEST_PATH_IMAGE052
=2。其相频特性曲线如图5所示，可以看出在SSCI的特征频率（50-
Figure 39552DEST_PATH_IMAGE007
）Hz，P-SSDC和Q-SSDC补偿角度分别为
Figure 717658DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 745657DEST_PATH_IMAGE054
。
 5）在图4所示系统中，设置扰动以激起SSCI，转子侧换流器控制不采用H-SSDC、仅采用P-SSDC和采用本发明提出的H-SSDC三种情况下，对应的有功功率、无功功率和电压的时域波形分别如图6、图7和图8所示。
  由图6、图7和图8可以看出，采用本发明提出的方法，即通过为转子侧换流器配置H-SSDC，比现有的控制方案能够较快地抑制SSCI。

Claims (4)

1.一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，其特征是，所述方法在双馈风力发电机组的转子侧换流器的有功、无功外环控制环节分别配置有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器，由有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器构成的混合阻尼控制器同时对有功功率和无功功率进行动态调节，增强双馈风力发电机组所提供的电气阻尼，进而达到抑制次同步振荡的目的。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，其特征是，所述有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器结构相同，均包括增益环节、移相环节以及限幅环节，双馈风力发电机组的转速偏差                                                
Figure 159983DEST_PATH_IMAGE001
依次经有功功率阻尼控制器的增益环节、移相环节和限幅环节进入双馈风力发电机组的转子侧换流器的有功外环控制环节；双馈风力发电机组的转速偏差
Figure 825451DEST_PATH_IMAGE001
还依次经无功功率阻尼控制器的增益环节、移相环节和限幅环节进入双馈风力发电机组的转子侧换流器的无功外环控制环节。
3.根据权利要求2所述的一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，其特征是，所述有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器的移相环节采用多个移相函数串联的形式，其表达式为，其中为移相函数的超前时间常数，
Figure 371336DEST_PATH_IMAGE004
为移相函数的滞后时间常数，
Figure 456972DEST_PATH_IMAGE005
为移相传递函数的复数形式自变量，
Figure 964177DEST_PATH_IMAGE006
为串联移相函数的个数。
4.根据权利要求3所述的一种双馈风力发电机组次同步振荡的抑制方法，其特征是，所述有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器的参数整定步骤是：
a、建立所分析系统的电磁暂态模型；
b、对双馈风力发电机组所在位置的端口进行频率阻抗扫描，确定其电气谐振频率；
c、采用注入信号法分别测量定有功功率环节到双馈风力发电机组的电磁转矩增量
Figure 554876DEST_PATH_IMAGE008
以及定无功功率环节到双馈风力发电机组的电磁转矩增量
Figure 890042DEST_PATH_IMAGE008
的相位差，分别记作
Figure 150122DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 228936DEST_PATH_IMAGE010
；
d、分别计算有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器的移相环节参数、
Figure 888774DEST_PATH_IMAGE004
和，其中有功功率阻尼控制器和无功功率阻尼控制器在频率50-
Figure 925180DEST_PATH_IMAGE007
的相位偏移为
Figure 277664DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 751371DEST_PATH_IMAGE012
；
e、基于电磁暂态模型，采用时域仿真法，确定有功功率阻尼控制器的增益
Figure 189305DEST_PATH_IMAGE013
和无功功率阻尼控制器的增益，使其能够抑制各种扰动所引发的次同步振荡。
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