CN104410084B - 一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，属于电力系统控制技术领域。本方法通过适当的信号处理给出次同步电流参考信号，进而控制电力电子变换器中的开关开断，产生次同步电流信号注入到串补输电系统中，消耗掉风电场串补输电系统中的谐振能量，从而有效抑制风电场串补输电系统中的次同步谐振问题。本发明方法基于现代电力电子技术，对风电场SSR具有非常强的抑制能力。克服了传统分散控制方式(例如在双馈风机的变换器控制系统上附加一个次同步谐振阻尼控制环)SSR抑制能力受到风机变换器容量限制的缺点。

Description

一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法

技术领域

本发明涉及一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，特别是提出了一种基于大功率电力电子变换器的次同步谐振控制方法，属于电力系统控制技术领域。

背景技术

风能是一种无污染的可再生能源，蕴藏量十分丰富，近年来，风能的开发和利用受到广泛关注。随着风力发电的快速发展，大规模风电机组并网引起的系统部振荡问题也逐渐显现出来。风电场串补输电系统发生了不稳定的次同步谐振现象(以下简称SSR，Subsynchronous Resonance)，风电场SSR现象将引起风电场的电流和功率以次同步频率(＜50Hz)振荡、主变异常振动声响和保护误动作等问题，严重时将引起撬棒电路的损坏和大量风机脱网，不利于电网的安全稳定运行。

风电场SSR问题得到了学术界和工业界的广泛关注。大量研究表明相比于其他类型的机组，双馈风力发电机组更容易引起SSR问题，SSR不稳定是由于双馈风机发电机组、电力电子变换器控制系统和串补输电线路之间的相互作用造成的。发生在以双馈机组为主导机组的风电场串补系统中的SSR问题是一种电气谐振现象，其主要原因是感应发电机效应。在SSR频率处，在风速较低时风机存在负转差率，该负转差率导致等效转子电阻为负电阻，若该负电阻大于系统线路中的正电阻，整个系统对次同步频率处的谐振表现为负阻尼，为谐振提供能量，因此，风电场SSR不稳定现象发生。且风电场的SSR特性与多种因素相关，比如风速、串补度、双馈风电机组控制器参数等等。

由于风电场SSR问题的机理复杂、影响因素众多，目前的抑制措施主要分为两类：分散控制方法和集中控制方法。分散控制方法指在每台双馈风机的变换器控制系统上附加一个次同步谐振阻尼控制环，来提高系统阻尼，增强其SSR抑制能力。然而，双馈风机变换器的容量一般较小，因此，分散控制方法的SSR抑制能力受到限制。而本发明中提出的基于大功率电力电子变换器的次同步谐振控制方法属于集中控制方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法。该控制方法中，通过适当的信号处理给出次同步电流参考信号，进而控制电力电子变换器中的开关开断，产生次同步电流信号注入到串补输电系统中，消耗掉风电场串补输电系统中的谐振能量，从而有效抑制风电场串补输电系统中的次同步谐振问题。

本发明提出的控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，包括以下步骤：

(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端母线处并联一个耦合变压器，并使一个电力电子变换器的输出端与耦合变压器的一次侧相连；

(2)测量风电场串补输电线路中串补电容两端的电压信号；

(3)对上述电压信号进行滤波，得到电压信号中的次同步电压分量信号；

(4)对上述次同步电压分量信号进行移相，得到次同步电压参考信号v；

(5)根据上述次同步电压参考信号v，通过下式计算与该次同步电压参考信号成正比的次同步电流参考信号i：

i＝v/Z

其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，取值范围为1-10；

(6)将上述次同步电流参考信号i输入到步骤(1)的电力电子变换器中，作为电力电子变换器的控制信号，根据输入的控制信号，电力电子变换器通过对其内部电力电子开关的开关控制，产生一个次同步电流信号，该次同步电流信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电流信号耦合到风电场的串补输电线路中，实现对风电场串补输电系统次同步谐振的抑制。

本发明提出的另一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，包括以下步骤：

(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端母线处并联一个耦合变压器，并使一个电力电子变换器的输出端与耦合变压器的一次侧相连；

(2)测量风电场串补输电线路的电流信号；

(3)对上述电流信号进行滤波，得到电流信号中的次同步电流分量信号i_SSR；

(4)通过下式，将上述滤波得到的次同步电流分量信号转化为次同步电压分量信号v_SSR:

v_SSR＝i_SSR·x_L (4)

其中，i_SSR为串补输电线路电流信号中的次同步电流分量信号，x_L为串补线路的感抗值；

(5)对上述次同步电压分量信号进行移相，得到次同步电压参考信号v；

(6)根据上述次同步电压参考信号v，通过下式计算与该次同步电压参考信号成正比的次同步电流参考信号i：

i＝v/Z

其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，取值范围为1-10；

(7)将上述次同步电流参考信号i输入到步骤(1)的电力电子变换器中，作为电力电子变换器的控制信号，根据输入的控制信号，电力电子变换器通过对其内部电力电子开关的开关控制，产生一个次同步电流信号，该次同步电流信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电流信号耦合到风电场的串补输电线路中，实现对风电场串补输电系统次同步谐振的抑制。

本发明提出的控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，其优点是：

1、本发明提出的控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，其基于现代电力电子技术，对风电场SSR具有非常强的抑制能力。克服了传统分散控制方式(例如在双馈风机的变换器控制系统上附加一个次同步谐振阻尼控制环)SSR抑制能力受到风机变换器容量限制的缺点。

2、本发明控制方法中的电力电子变换器可安装在风电场出口变电站内，并联在变电站母线上，由于是一种并联型设备，安装维护方便。

3、本发明控制方法，可以根据风电场容量的大小灵活配置电力电子变换器的容量，当风电场容量变大时，电力电子变换器扩容方便。

附图说明

图1是本发明提出的一种控制风电场串补输电系统次同步谐振方法的流程框图。

图2是本发明提出的另一种控制风电场串补输电系统次同步谐振方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，其流程框图如图1所示，包括以下步骤：

(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端母线处并联一个耦合变压器，并使一个电力电子变换器的输出端与耦合变压器的一次侧相连；

本发明的一个实施例中，电力电子变换器：产品型号为RSVG，由荣信电力电子股份有限公司生产。耦合变压器：产品型号为SFP-120000/220，由济南西门子变压器有限公司生产。

(2)测量风电场串补输电线路中串补电容两端的电压信号；

(3)对上述电压信号进行滤波，得到电压信号中的次同步电压分量信号；

能实现该功能的滤波器均可用于本发明中，既可以采用数字滤波器，也可以采用模拟滤波器。

其中典型实现方式如下，即采用复合滤波器组实现滤波功能。复合滤波器组由一个二阶低通滤波器、一个二阶次同步带通滤波器和一个二阶工频带阻滤波器构成。这样即可以准确地提取次同步分量，又能避免次同步阻尼控制器输出不需要的工频分量。

低通滤波器的传递函数为

$G_{\mathrm{LP}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LP}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{LP}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LP}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LP}}^2}---\left(1\right)$

带通滤波器的传递函数为

$G_{\mathrm{BP}}\left(s\right)=\frac{2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{BP}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BP}}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{BP}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BP}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BP}}^2}---\left(2\right)$

带阻滤波器的传递函数为

$G_{\mathrm{BR}}\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{BR}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2}---\left(3\right)$

其中，ω_LP表示低通滤波器的选通频率，ξ_LP表示低通滤波器的阻尼比；ω_BP表示带通滤波器的选通频率，ξ_BP表示带通滤波器的阻尼比；ω_BR表示带阻滤波器的选通频率，ξ_BR表示带阻滤波器的阻尼比。

(4)对上述次同步电压分量信号进行移相，得到次同步电压参考信号v；

滤波可能会对目标模式振荡信号产生相移，影响SSR抑制效果，因此需要通过移相做适当的补偿。

移相环节的典型表达式如下：

$G\left(s\right)=\frac{{(1-\mathrm{Ts})}^n}{{(1+\mathrm{Ts})}^n}---\left(4\right)$

其中，T表示时间常数，n为正整数，表示n个移相环节串联。

(5)根据上述次同步电压参考信号v，通过下式计算与该次同步电压参考信号成正比的次同步电流参考信号i：

i＝v/Z (5)

其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，取值范围为1-10；

根据前面的原理分析，电力电子变换器向风电场串补输电系统中注入次同步电流，可等效为并联的电流源i。在次同步频率处，其阻抗特性见下式：

$\frac{v}{i}=Z=R+\mathrm{jX}---\left(6\right)$

可使式(6)中的X≈0，R>0，且R取最大值，从而为系统提供正阻尼。

因此，在谐振发生的次同步频率处，电力电子变换器应等效为并联在线路中的纯电阻，消耗谐振能量抑制SSR，而在工频处，电力电子变换器等效为开路，保证系统的工频工作状态不变。

(6)将上述次同步电流参考信号i输入到步骤(1)的电力电子变换器中，作为电力电子变换器的控制信号，根据输入的控制信号，电力电子变换器通过对其内部电力电子开关的开关控制，产生一个次同步电流信号，该次同步电流信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电流信号耦合到风电场的串补输电线路中，实现对风电场串补输电系统次同步谐振的抑制。

本发明提出的另一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，其流程框图如图2所示，包括以下步骤：

(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端母线处并联一个耦合变压器，并使一个电力电子变换器的输出端与耦合变压器的一次侧相连；

本发明的一个实施例中，电力电子变换器，产品型号为RSVG，由荣信电力电子股份有限公司生产。耦合变压器：产品型号为SFP-120000/220，由济南西门子变压器有限公司生产。

(2)测量风电场串补输电线路的电流信号；

(3)对上述电流信号进行滤波，得到电流信号中的次同步电流分量信号i_SSR；

能实现该功能的滤波器均可用于本发明中，既可以采用数字滤波器，也可以采用模拟滤波器。

其中典型实现方式如下，即采用复合滤波器组实现滤波功能。复合滤波器组由一个二阶低通滤波器、一个二阶次同步带通滤波器和一个二阶工频带阻滤波器构成。这样即可以准确地提取次同步分量，又能避免次同步阻尼控制器输出不需要的工频分量。

低通滤波器的传递函数为

$G_{\mathrm{LP}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LP}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{LP}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LP}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{LP}}^2}---\left(1\right)$

带通滤波器的传递函数为

$G_{\mathrm{BP}}\left(s\right)=\frac{2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{BP}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BP}}s}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{BP}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BP}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BP}}^2}---\left(2\right)$

带阻滤波器的传递函数为

$G_{\mathrm{BR}}\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{BR}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}s+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2}---\left(3\right)$

其中，ω_LP表示低通滤波器的选通频率，ξ_LP表示低通滤波器的阻尼比；ω_BP表示带通滤波器的选通频率，ξ_BP表示带通滤波器的阻尼比；ω_BR表示带阻滤波器的选通频率，ξ_BR表示带阻滤波器的阻尼比。

(4)通过下式，将上述滤波得到的次同步电流分量信号转化为次同步电压分量信号v_SSR:

v_SSR＝i_SSR·x_L (4)

其中，i_SSR为串补输电线路电流信号中的次同步电流分量信号，x_L为串补线路的感抗值；

(5)对上述次同步电压分量信号进行移相，得到次同步电压参考信号v；

滤波可能会对目标模式振荡信号产生相移，影响SSR抑制效果，因此需要通过移相做适当的补偿。

移相环节的典型表达式如下：

$G\left(s\right)=\frac{{(1-\mathrm{Ts})}^n}{{(1+\mathrm{Ts})}^n}---\left(5\right)$

其中，T表示时间常数，n为正整数，表示n个移相环节串联。

(6)根据上述次同步电压参考信号v，通过下式计算与该次同步电压参考信号成正比的次同步电流参考信号i：

i＝v/Z (6)

其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，取值范围为1-10；

根据前面的原理分析，电力电子变换器向风电场串补输电系统中注入次同步电流，可等效为并联的电流源i。在次同步频率处，其阻抗特性见下式：

$\frac{v}{i}=Z=R+\mathrm{jX}---\left(7\right)$

可使式(7)中的X≈0，R>0，且R取最大值，从而为系统提供正阻尼。

因此，在谐振发生的次同步频率处，电力电子变换器应等效为并联在线路中的纯电阻，消耗谐振能量抑制SSR，而在工频处，电力电子变换器等效为开路，保证系统的工频工作状态不变。

(7)将上述次同步电流参考信号i输入到步骤(1)的电力电子变换器中，作为电力电子变换器的控制信号，根据输入的控制信号，电力电子变换器通过对其内部电力电子开关的开关控制，产生一个次同步电流信号，该次同步电流信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电流信号耦合到风电场的串补输电线路中，实现对风电场串补输电系统次同步谐振的抑制。

本发明控制方法的基本原理是，测量串补线路电流信号或串补电容电压信号作为输入信号，通过信号处理得到次同步电流参考信号，将次同步电流参考信号输入到大容量电力电子变换器中产生实际的次同步电流信号，该次同步电流信号通过并联在串补线路风电场侧母线上的变压器耦合到串补输电系统中。因此，在谐振发生的次同步频率处，电力电子变换器应等效为并联在线路中的纯电阻，消耗谐振能量抑制SSR，而在工频处，电力电子变换器等效为开路，保证系统的工频工作状态不变。

Claims (2)

1.一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，其特征在于该控制方法包括以下步骤：

(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端母线处并联一个耦合变压器，并使一个电力电子变换器的输出端与耦合变压器的一次侧相连；

(2)测量风电场串补输电线路中串补电容两端的电压信号；

(3)对上述电压信号进行滤波，得到电压信号中的次同步电压分量信号；

(4)对上述次同步电压分量信号进行移相，得到次同步电压参考信号v；

(5)根据上述次同步电压参考信号v，通过下式计算与该次同步电压参考信号v成正比的次同步电流参考信号i：

i＝v/Z

其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，取值范围为1-10；

(6)将上述次同步电流参考信号i输入到步骤(1)的电力电子变换器中，作为电力电子变换器的控制信号，根据输入的控制信号，电力电子变换器通过对其内部电力电子开关的开关控制，产生一个次同步电流信号，该次同步电流信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电流信号耦合到风电场的串补输电线路中，实现对风电场串补输电系统次同步谐振的抑制。

2.一种控制风电场串补输电系统次同步谐振的方法，其特征在于该控制方法包括以下步骤：

(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端母线处并联一个耦合变压器，并使一个电力电子变换器的输出端与耦合变压器的一次侧相连；

(2)测量风电场串补输电线路的电流信号；

(3)对上述电流信号进行滤波，得到电流信号中的次同步电流分量信号i_SSR；

(4)通过下式，将上述滤波得到的次同步电流分量信号i_SSR转化为次同步电压分量信号v_SSR:

v_SSR＝i_SSR·x_L (4)

其中，i_SSR为串补输电线路电流信号中的次同步电流分量信号，x_L为串补输电线路的感抗值；

(5)对上述次同步电压分量信号v_SSR进行移相，得到次同步电压参考信号v；

(6)根据上述次同步电压参考信号v，通过下式计算与该次同步电压参考信号v成正比的次同步电流参考信号i：

i＝v/Z

其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，取值范围为1-10；

(7)将上述次同步电流参考信号i输入到步骤(1)的电力电子变换器中，作为电力电子变换器的控制信号，根据输入的控制信号，电力电子变换器通过对其内部电力电子开关的开关控制，产生一个次同步电流信号，该次同步电流信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电流信号耦合到风电场的串补输电线路中，实现对风电场串补输电系统次同步谐振的抑制。