CN103780174A - 一种风电引起的电压波动和闪变抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电引起的电压波动和闪变抑制方法，该方法将自抗扰控制技术引入到风力发电机转矩控制中，将转矩尖波信号归入到未知扰动，在发生未知扰动的情况下，采用非线性状态误差反馈抑制转子电流波动，保持输出转矩稳定，进而抑制风力发电机电压波动和闪变。本发明克服了电网自身治理电压波动和闪变的局限性，在风电并网前抑制风机输出电压的波动和闪变，有利于提高风电机动态性能，改善供电质量。

Description

一种风电引起的电压波动和闪变抑制方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电控制方法，特别涉及一种由风电引起的电压波动和闪变抑制方法。

背景技术

电压波动和闪变是电能质量的一个重要技术指标。在电力系统中具有冲击性功率的负荷(如轧机、电弧炉)时，电力网中的电压降将发生相应变化，导致电压波动。频律在5～12Hz范围内的电压波动值，即使只有额定电压的1%，其引起的白炽灯照明的闪变，已足以使人感到不舒适，所以选白炽灯的工况作为判断电压波动值，把电压变动而引起人对灯闪的主观感觉叫“闪变”。

通常采取电压波动闪变的抑制措施有：提高供电能力。架设专线将大容量冲击性负荷用户接至较高电压等级的供电系统。该措施是在电网侧做技术改进从而减小和抑制电压波动和闪变；安装补偿器、改进运行操作和工艺。该方案是用户增加外围补偿设备和提高自身的控制技术，减小对电网电压的冲击。

随着越来越多的风力发电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。风资源的不确定性如风速变化，风剪切，塔影效应等都会引起转矩波动，转矩波动也将造成风力发电机输出功率的波动。风力发电功率的波动势必会引起电压的变化。落差过大也可能会使电压波动和闪变超出国家有关标准。

国内《电网技术》期刊第33卷第20期“风电引起的电压波动与闪变的仿真研究”一文指出，线路电抗与电阻比是影响风电机组引起电压波动和闪变的重要因素，合适的线路电抗与电阻比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉。系统的短路容量大小对电压波动和闪变有较大的影响，短路容量越大，电压波动越小。在风电场接入电网设计时，尤其是接入薄弱电网时，需要选择合适的并网点和电压等级。这两点都是针对风电机组即将并入的电网环境提出的解决办法，要求电网做出改进，选择合适的线路电抗和电阻比，增加大并网点处的短路容量，成本费用较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术要求选取合适的并网点和要求增大电网环境短路容量缺点，提出一种风电引起的电压波动和闪变的抑制方法。本发明在风力发电机电源输出端抑制电压波动和闪变，通过改进风力发电机控制策略，提高风力发电机的动态性能，改善风电的电能质量，具有重大的生产实践意义。

本发明将自抗扰控制方法引入风力发电机直接转矩控制系统中。在现有的风力发电机直接转矩控制系统基础上，采用自抗扰控制技术抑制转子电流波动，将转矩尖波信号归到未知扰动中，在风速突变的情况下，如发生风速变化，风剪切，偏航误差，塔影效应等，采用非线性状态误差反馈抑制转子电流波动，保持输出转矩稳定，从而抑制转矩扰动，抑制风力发电机输出电压波动和闪变。在本发明中，风速变化，风剪切，偏航误差，塔影效应等引起的风机转矩波动统称为未知扰动。

本发明风电引起的电压波动和闪变抑制方法采用以下技术方案：

所述的自抗扰控制系统包含跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性状态误差反馈三个部分。

在现有的风力发电机直接转矩控制系统基础上，本发明采用自抗扰控制技术，抑制转子电流波动，步骤如下：

第一步，在风力发电机直接转矩控制系统的基础上，采用自抗扰控制系统的跟踪微分器跟踪转子电流参考值i_{rq_ref}，跟踪微分器用来安排转子电流参考值与电流跟踪值的过渡过程，给出转子电流跟踪信号值z_21d，解决转子电流的控制响应速度与超调量之间的矛盾；

第二步，采用自抗扰控制系统的扩张状态观测器接收来自风力发电机直接转矩控制系统发出的风力发电机转子电流信号和转子电压参考信号。该扩张状态观测器设计了一个扩张的状态量来跟踪风力发电机转矩未知扰动的影响，然后给出扩张状态观测器的电流跟踪值z_22d补偿未知扰动，实现自抗扰控制系统的反馈线性化；将第一步得到的转子电流跟踪信号值z_21d和第二步得到的扩张状态观测器的电流跟踪值z_22d作差，差值ε1d作为非线性状态误差反馈部分的输入，非线性状态误差反馈部分根据该输入信号，给出风力发电机转子电压信号ε2d，补偿风力发电机的转矩未知扰动；

第三步，风力发电机的输出信号转子电流值i_rq和非线性状态误差反馈输出值，又作为扩张状态观测器的输入信号，不断修正所述的风力发电机转子电压控制参考信号，从而实现风力发电系统转子电流的自抗扰控制。风力发电机直接转矩控制系统的转子电流得到抑制以后，风力发电机直接转矩控制系统的转矩输出稳定，进而减小和抑制了风力发电机的输出电压波动，从而抑制风力发电机的输出电压和闪变。

附图说明

图1是本发明提供的一种风电引起的电压波动和闪变抑制方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的风电引起的电压波动和闪变抑制方法示意图。

如图1所示，风力发电机直接转矩控制系统101通过检测风力发电机定子电压和电流，实现对磁链和转矩的直接控制。现有的风力发电机直接转矩控制系统101中，独立调节转子侧励磁电源u_r的幅值和相位能够改变转子电流，进而控制风力发电机直接转矩控制系统电磁转矩。

需要说明的是，现有的风力发电机直接转矩控制系统涉及的双馈风力发电机五阶模型的代数式为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1\·\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dt}}=A\left({\mathrm{\Ω}}_r\right)I_s+B\left({\mathrm{\Ω}}_r\right)I_r+{\mathrm{CU}}_s\\ {\mathrm{\ϵ}}_2\·\frac{{\mathrm{dI}}_r}{\mathrm{dt}}=\stackrel{\‾}{A}\left({\mathrm{\Ω}}_r\right)I_r+B\left({\mathrm{\Ω}}_r\right)I_s\\ J\·\frac{{\mathrm{d\Ω}}_r}{\mathrm{dt}}=T_m-T_e(I_r,I_s)-K_d{\mathrm{\Ω}}_r\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，I_r为双馈电机转子电流向量，I_r=[i_dr1 i_qr1 i_dr2 i_qr2]^T，i_dr1、i_qr1为转子1的d轴和q轴电流，i_dr2、i_qr2为转子2的d轴和q轴电流，右上角的T表示向量的转置；I_s为双馈电机定子电流向量，I_s=[i_dp i_qp i_dc i_qc]^T，i_dp、i_qp为功率绕组d轴和q轴电流，i_dc、i_qc为控制绕组d轴和q轴电流；U_s为双馈电机的功率绕组和控制绕组电压向量，U_s=[u_dp u_qp u_dc u_qc]^T，u_dp u_qp为功率绕组d轴和q轴电压，u_dc、u_qc为控制绕组d轴和q轴电压；矩阵A(Ω_r)，B(Ω_r)，C属于实数矩阵，ε₁和ε₂为模型的摄动参数，ω_s和ω_c分别为功率电机和控制电机的定子角频率，Ω_r为电机转速，J为转动惯量，T_m为风力机输出力矩，T_e为电磁力矩，K_d为阻力系数。

不考虑电网电压的动态变化，即假定电网电压及定子磁链恒定，则双馈电机五阶模型简化为三阶为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sd}}=\frac{d(L_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_m{i}_{\mathrm{rd}})}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s(L_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_m{i}_{\mathrm{rq}})+R_s{i}_{\mathrm{sd}}\\ u_{\mathrm{sq}}=\frac{d(L_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_m{i}_{\mathrm{rq}})}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s(L_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_m{i}_{\mathrm{rd}})+R_s{i}_{\mathrm{sd}}\\ u_{\mathrm{rd}}=\frac{d(L_r{i}_{\mathrm{rd}}+L_m{i}_{\mathrm{sd}})}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s(L_r{i}_{\mathrm{rq}}+L_m{i}_{\mathrm{sq}})+R_r{i}_{\mathrm{rd}}\\ u_{\mathrm{rq}}=\frac{d(L_r{i}_{\mathrm{rq}}+L_m{i}_{\mathrm{sq}})}{\mathrm{dt}}-{\mathrm{\ω}}_s(L_r{i}_{\mathrm{rd}}+L_m{i}_{\mathrm{sd}})+R_r{i}_{\mathrm{sd}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u_rd为双馈电机d轴转子电压，u_rq为双馈电机q轴转子电压,u_sd为双馈电机d轴定子电压，u_sq为双馈电机q轴定子电压。i_rd为双馈电机d轴转子电流，i_rq为双馈电机q轴转子电流，i_sd为双馈电机d轴定子电流，i_sq为双馈电机q轴定子电流，L_s为双馈电机定子自感、L_r为双馈电机转子的自感、L_m分别为双馈电机定子和转子的互感，R_r为双馈电机转子电阻，R_s为双馈电机定子电阻，ω_s为定子电流角频律，t为时间变量。

简化后转子电压方程为：

$u_r=R_r{i}_r+\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_s}\·(1-\frac{L_m^2}{L_s\·L_r})L_r\·\frac{{\mathrm{di}}_r}{\mathrm{dt}}+j\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\ω}}_s}{\mathrm{\ψ}}_r---\left(3\right)$

其中，u_r为双馈电机转子电压。i_r为双馈电机转子电流，L_s为双馈电机定子自感、L_r为双馈电机转子的自感、L_m分别为双馈电机定子和转子的互感，ψ_r为双馈电机转子磁链，R_r为双馈电机转子电阻，R_s为双馈电机定子电阻，ω_s为定子电流角频律，ω₁为电机输出角频律，t为时间变量。

考虑直接转矩控制的特点，依据绕线转子电机双轴d、q数学模型，即同步旋转坐标系的d轴定向于定子电压矢量u_s，此时有：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sq}}=-L_s{i}_{\mathrm{sq}}+L_m{i}_{\mathrm{rq}}=0\\ u_{\mathrm{sd}}=-L_s{i}_{\mathrm{sd}}+L_m{i}_{\mathrm{rd}}=\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_1}\end{array}\right.---\left(4\right)$

根据上式得定转子电流分量的关系：

$i_{\mathrm{rq}}=\frac{L_s}{L_m}{i}_{\mathrm{sq}}---\left(5\right)$

电磁转矩T_e和风力发电机运动方程为：

$T_e=\frac{3}{2}{L}_m(i_{\mathrm{sq}}{i}_{\mathrm{rd}}-i_{\mathrm{sd}}{i}_{\mathrm{rq}})=\frac{3}{2}{i}_{\mathrm{sq}}\frac{u_s}{{\mathrm{\ω}}_1}---\left(6\right)$

$T_m-T_e=J\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}---\left(7\right)$

联立式（6）和式（7），得：

$\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{J}(T_m-\frac{3}{2}\frac{L_m}{L_s}{i}_{\mathrm{rq}}{\mathrm{\ψ}}_s)---\left(8\right)$

式中：u_sd、u_sq分别表示定子d、q轴电压，i_rd、i_rq分别表示转子d、q轴电流，i_sd、i_sq分别表示定子d、q轴电流，ψ_r、ψ_s分别表示定子、转子磁链，ψ_rq、ψ_rd分别表示定子、转子d、q轴磁链，L_s为双馈电机定子自感，L_r为双馈电机转子的自感，L_m分别为双馈电机定子和转子的互感，ω_s为定子电流角频律，ω_r为转子电流角频律，ω₁为电机输出角频律，T_m为风力机机械转矩，T_e为电磁转矩，t为时间变量。

由以上式可知，如果保持定子磁链不变，则转子转速由转子q轴电流i_rq和风力机机械转矩T_m协调控制。现有的风力发电机直接转矩控制系统是这样进行的。本发明在现有的风力发电机直接转矩控制系统的基础上展开，具体步骤如下：

第一步，将自抗扰控制系统引入风力发电机直接转矩控制系统。自抗扰控制系统的典型结构包括跟踪微分器102、扩张状态观测器103和非线性状态误差反馈104三部分。设风力发电机直接转矩控制系统方程为:

x⁽ⁿ⁾＝f(x⁰,x¹,...x^n-1,t)+bu(t)+w(t)（9）

式中：f(x,...)为未知扰动及外部扰动的作用量，b为自抗扰控系统的放大系数，w(t)为未知扰动，u(t)为控制输入量，t为时间变量。

风力发电机直接转矩控制系统101输出转子电流控制信号i_rq，该信号i_rq输入风力发电机执行机构的同时，也将该信号i_rq输入扩张状态观测器103；扩张状态观测器103的观测值和非线性状态误差反馈104的反馈值作差，差值输入风力发电机直接转矩控制系统101，作为转子电压控制信号参考值。风力发电机直接转矩控制系统101通过转子电压控制信号参考值，调整风力发电机直接转矩控制系统转矩输出，从而实现风力发电机直接转矩控制系统对输出转矩的优化控制。

根据式（8）设计跟踪微分器102，对给定转子电流指令i_r设计跟踪微分器102。跟踪微分器102用来安排风力发电机转子电流参考值与扩张状态观测器103反馈的跟踪电流值的过渡过程，给出转子电流控制信号，取转子d轴电流控制信号i_rd和转子q轴电流控制信号i_rq为状态变量，将式(3)分解为d-q形式:

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d_{\mathrm{ird}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}{R}_r{i}_{\mathrm{rd}}-\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}{u}_{\mathrm{rd}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\σL}}_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}}\\ \frac{d_{\mathrm{irq}}}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}{R}_r{i}_{\mathrm{rq}}-\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{{\mathrm{\σL}}_r}{i}_{\mathrm{rq}}-\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\σL}}_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式中， $\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\σL}}_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rq}},\frac{{\mathrm{\ω}}_1}{{\mathrm{\σL}}_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd}}$ 视为扰动。

第二步，以i_rd,i_rq为电流输入量，根据自抗扰控制系统的扩张状态观测器103对应的方程式(9)，分别构造扩张状态观测器测量扰动w_d,w_q。d轴构造的扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{1d}=z_{21d}-i_{\mathrm{rd}}\\ z_{21d}^{\′}=z_{22d}-{\mathrm{\β}}_{01d}\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_{1d},a_{1d},\mathrm{\δ})\\ z_{22d}^{\′}=-{\mathrm{\β}}_{02d}\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_{1d},a_{2d},\mathrm{\δ})\end{array},+b_0{u}_d\right.---\left(11\right)$

同理，q轴的扩张状态观测器为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{1q}=z_{21q}-i_{\mathrm{rq}}\\ z_{21q}^{\′}=z_{22q}-{\mathrm{\β}}_{01q}\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_{1q},a_{1q},\mathrm{\δ})\\ z_{22q}^{\′}=-{\mathrm{\β}}_{02q}\mathrm{fal}({\mathrm{\ϵ}}_{1q},a_{2q},\mathrm{\δ})\end{array},+b_0{u}_q\right.---\left(12\right)$

式中， $\mathrm{fal}(\mathrm{\ϵ},a,\mathrm{\δ})=\left\{\begin{array}{cc}{\left|\mathrm{\ϵ}\right|}^a\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\ϵ}\right)& \left|\mathrm{\ϵ}\right|>\mathrm{\δ}\\ \mathrm{\ϵ}/{\mathrm{\δ}}^{1-a}& \left|\mathrm{\ϵ}\right|\≤\mathrm{\δ}\end{array}\right.\mathrm{\δ}>0,$ b₀取ω_s/σL_r，z_21d，z_21q为实际电流跟踪值，z_22d，z_22q为扰动量，w_d,w_q的估计值。

扩张状态观测器103接收输入风力发电机直接转矩控制系统101的转子电压信号和风力发电机直接转矩控制系统101输出的转子电流控制信号，调节风力发电机直接转矩控制系统由风速变化，以及风剪切，偏航误差，塔影效应等未知扰动引起的风机转矩波动对风力发电机直接转矩控制系统自身的影响。扩张状态观测器103设计了一个扰动量的估计值z_22d、z_22q跟踪风力发电机直接转矩控制系统未知扰动部分的影响，扰动估计值z_22d、z_22q的大小随转子电流指令i_r变化而变化，跟踪方程式为式(12)。

第三步，自抗扰控制系统补偿未知扰动。非线性状态误差反馈104输出的电压信号ε2d减去扰动估计值z_22d、z_22q，得到电压参考值信号u_{rd_ref}。电压参考值信号u_{rd_ref}输入风力发电机直接转矩控制系统101，补偿未知扰动，实现自抗扰控制系统的反馈线性化。电压参考值信号u_{rd_ref}和u_{rq_ref}由方程式（13）得到：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{rd}\_\mathrm{ref}}={\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}(z_{22d}-z_{21d},{\mathrm{\α}}_{01},\mathrm{\δ})-z_{22d}/b_0\\ u_{\mathrm{rq}\_\mathrm{ref}}={\mathrm{\β}}_{01}\mathrm{fal}(z_{22q}-z_{21q},{\mathrm{\α}}_{01},\mathrm{\δ})-z_{22q}/b_0\end{array}\right.---\left(13\right)$

式中，u_{rd_ref}式中为d轴电压参考值，u_{rq_ref}式中为q轴电压参考值，β₀₁为修正系数，b₀为放大系数，z_21d，z_21q为实际电流跟踪值，z_22d，z_22q为扰动量。

通过扩张状态观测器103得出的扰动估计值，计算得到转子电压的参考值u_{rd_ref}和u_{rq_ref}，补偿风力发电机直接转矩控制系统101的转矩扰动，风力发电机直接转矩控制系统的转子电压得到抑制以后，风力发电机直接转矩控制系统的转矩输出稳定，抑制输出电压的波动和闪变。

综上所述，与现有技术相比较，本发明风电引起的电压波动和闪变抑制方法，是在风力发电机电源输出端抑制电压波动和闪变，提高风力发电机的动态性能，改善风电的电能质量，具有重大的生产实践意义。

Claims (3)

1.一种风电引起的电压波动和闪变抑制方法，其特征在于，所述的抑制方法是在现有的风力发电机直接转矩控制系统基础上，采用自抗扰控制技术抑制转子电流波动，将转矩尖波信号归到未知扰动中，在风速突变的情况下，采用非线性状态误差反馈抑制转子电流波动，保持输出转矩稳定，从而抑制转矩扰动，抑制风力发电机输出电压波动和闪变。

2.根据权利要求1所述的风电引起的电压波动和闪变抑制方法，其特征在于，所述的抑制方法步骤如下：

第一步，在风力发电机直接转矩控制系统的基础上，采用自抗扰控制系统的跟踪微分器跟踪转子电流参考值i_{rq_ref}，跟踪微分器用来安排转子电流参考值与电流跟踪值的过渡过程，给出转子电流跟踪信号值z_21d，解决转子电流的控制响应速度与超调量之间的矛盾；

第二步，采用自抗扰控制系统的扩张状态观测器接收来自风力发电机直接转矩控制系统发出的风力发电机转子电流信号和转子电压参考信号；该扩张状态观测器设计了一个扩张的状态量来跟踪风力发电机直接转矩控制系统未知扰动的影响，然后给出扩张状态观测器的电流跟踪值z_22d补偿未知扰动，实现自抗扰控制系统的反馈线性化；将第一步得到的转子电流跟踪信号值z_21d和扩张状态观测器的电流跟踪值z_22d作差，差值ε1d作为非线性状态误差反馈部分的输入，非线性状态误差反馈部分根据该输入信号，给出风力发电机转子电压信号ε2d，补偿风力发电机的转矩未知扰动；

第三步，风力发电机的输出信号转子电流值i_rq和非线性状态误差反馈输出值，又作为扩张状态观测器的输入信号，不断修正所述的风力发电机转子电压控制参考信号，从而实现风力发电系统转子电流的自抗扰控制；风力发电机直接转矩控制系统的转子电流得到抑制以后，风力发电机直接转矩控制系统的转矩输出稳定，进而减小和抑制了风力发电机的输出电压波动，从而抑制风力发电机的输出电压和闪变。

3.如权利要求1所述的风电引起的电压波动和闪变抑制方法，其特征在于，所述的未知扰动为风速变化，风剪切，偏航误差，塔影效应引起的风机转矩波动。

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