CN104638661A - 采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法，具体包括：在转子侧变流器上通过DC/DC接口电路连接超级电容，且超级电容与双馈风电机组变流器共用一个直流母线，并建立等效电路，所述等效电路为电容C_sc、电阻R_res、电感L、转子侧变流器U₁和电容C_dc依次串联组成回路，所述电容C_dc的两端并联电阻R，所述电感L和转子侧变流器U₁之间的节点为A节点，所述电容C_sc和电容C_dc之间的节点为B节点，所述A节点与B节点之间连接转子侧变流器U₂。达到不仅能够有效阻尼轴系振荡，而且保证机组输出功率不受阻尼功率影响的目的。

Description

采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法

技术领域

本发明涉及风力发电及其并网控制领域，具体地，涉及一种采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法。

背景技术

目前，大规模风电集中并网对电力系统稳定产生重要影响，商业化变速风电机组虽采用大量变流技术实现同步并网，发电机和电网频率实现异步运行，增强了风电机组灵活控制性，但这种频率异步运行并不意味着机电完全解耦，不同的机组控制策略(如最大功率跟踪控制，恒功率控制等)，体现出不同程度的机电耦合，除此之外，电网故障下，这种机电耦合作用更为明显。

兆瓦级双馈风电机组传动系呈现较强柔性，存在与系统低频振荡接近的振荡频率(约1Hz)，存在诱导系统振荡失稳的风险，所以需要对风电机组增加类似同步机PSS的轴系镇定器。

现有技术方案多采用直接在风电机组功率控制环增加辅助阻尼控制回路，实现电气加阻尼，抑制轴系振荡，但这种方案会将用于抑制轴系振荡的功率注入电网，所以是欠优的。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法，不仅能够有效阻尼轴系振荡，而且保证机组输出功率不受阻尼功率的影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法，具体包括：

在转子侧变流器上通过DC/DC接口电路连接超级电容，且超级电容与双馈风电机组变流器共用一个直流母线，并建立等效电路，所述等效电路为电容C_sc、电阻R_res、电感L、转子侧变流器U₁和电容C_dc,依次串联组成回路，所述电容C_dc,的两端并联电阻R，所述电感L和转子侧变流器U₁之间的节点为A节点，所述电容C_sc和电容C_dc,之间的节点为B节点，所述A节点与B节点之间连接转子侧变流器U₂，所述电容C_dc,和电容C_sc表示直流母线电容和超级电容，电阻R_res为超级电容等效串联电阻，电阻R为等效负载，转子侧变流器U₁上的信号S₁和转子侧变流器U₂上的信号S₂为DC/DC变换器控制信号，电流I_sc和电流I_dc分别为电感电流和直流母线电容电流，电压E_sc和电压E_dc分别为超级电容和直流母线电压；

具体方法为：采用电感电流内环和直流母线电压外环的双闭环串级控制结构对公式(1)和公式(2)中的函数进行控制，

$G_{\mathrm{Id}}\left(s\right)=\frac{\frac{I_{\mathrm{sc}}}{I_{\mathrm{sc}0}}}{d}{|}_{E_{\mathrm{sc}}=0}=\frac{-{\mathrm{DRC}}_{\mathrm{dc}}(s+\frac{2}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{dc}}})}{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{dc}}{s}^2+(R_{\mathrm{res}}{C}_{\mathrm{dc}}+\frac{L}{R})s+\frac{R_{\mathrm{res}}}{R}+D^2}---\left(1\right)$

$G_{\mathrm{IE}}\left(s\right)=\frac{E_{\mathrm{dc}}}{I_{\mathrm{sc}}}=\frac{-\frac{L}{R}s+D^2-\frac{R_{\mathrm{res}}}{R}}{D(C_{\mathrm{dc}}s+\frac{2}{R})}---\left(2\right)$

其中，D为占空比稳态值，s为拉普拉斯算子，L为DC/DC接口电路的电感值即等效电路中电感L的电感值，d为占空比扰动值。

优选的，所述DC/DC接口电路采用双向buck-boost电路。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过加装超级电容，当需要功率振荡抑制时，网侧变流器控制转子功率的直流分量，并对定子振荡功率进行前馈控制，此时直流母线将振荡，由于超级电容对直流母线的控制，该振荡功率经过直流母线注入到超级电容中。达到不仅能够有效阻尼轴系振荡，而且保证机组输出功率不受阻尼功率影响的目的。并且由于只吸收振荡功率，所需超级电容容值较小。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法中超级电容加装原理示意图；

图2为本发明实施例所述的采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法中等效电路的电子电路图；

图3为电气加阻控制原理框图；

图4为超级电容控制原理框图；

图5为网侧变流器控制切换原理框图；

图6为电网电压仿真曲线图；

图7为直流母线、超级电容电压响应曲线图；

图8为有无功率振荡抑制对比曲线图；

图9为发电机转速对比曲线图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-双馈发电机；2-转子侧变流器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法，具体包括：

在转子侧变流器上通过DC/DC接口电路连接超级电容，且超级电容与双馈风电机组变流器共用一个直流母线，并建立等效电路，等效电路如图2所示，电容C_sc、电阻R_res、电感L、转子侧变流器U₁和电容C_dc,依次串联组成回路，电容C_dc,的两端并联电阻R，电感L和转子侧变流器U₁之间的节点为A节点，电容C_sc和电容C_dc,之间的节点为B节点，A节点与B节点之间连接转子侧变流器U₂，电容C_dc,和电容C_sc表示直流母线电容和超级电容，电阻R_res为超级电容等效串联电阻，电阻R为等效负载，转子侧变流器U₁上的信号S₁和转子侧变流器U₂上的信号S₂为DC/DC变换器控制信号，电流I_sc和电流I_dc分别为电感电流和直流母线电容电流，电压E_sc和电压E_dc分别为超级电容和直流母线电压；

具体方法为：采用电感电流内环和直流母线电压外环的双闭环串级控制结构对公式(1)和公式(2)中的函数进行控制，

$G_{\mathrm{Id}}\left(s\right)=\frac{\frac{I_{\mathrm{sc}}}{I_{\mathrm{sc}0}}}{d}{|}_{E_{\mathrm{sc}}=0}=\frac{-{\mathrm{DRC}}_{\mathrm{dc}}(s+\frac{2}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{dc}}})}{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{dc}}{s}^2+(R_{\mathrm{res}}{C}_{\mathrm{dc}}+\frac{L}{R})s+\frac{R_{\mathrm{res}}}{R}+D^2}---\left(1\right)$

$G_{\mathrm{IE}}\left(s\right)=\frac{E_{\mathrm{dc}}}{I_{\mathrm{sc}}}=\frac{-\frac{L}{R}s+D^2-\frac{R_{\mathrm{res}}}{R}}{D(C_{\mathrm{dc}}s+\frac{2}{R})}---\left(2\right)$

其中，D为占空比稳态值，s为拉普拉斯算子，L为DC/DC接口电路的电感值即等效电路中电感L的电感值，d为占空比扰动值。

其中，DC/DC接口电路采用双向buck-boost电路。

超级电容控制策略如图4所示，采用电感电流(IL)内环和直流母线电压(E_dc)外环的双闭环串级控制结构，控制对象分别为式(1)和公式(2)。

如图1所示，超级电容与双馈风电机组变流器共用一个直流母线，其接口电路采用双向buck-boost电路，如图2所示，图中C_dc,C_sc分别表示直流母线电容和超级电容，R_res为超级电容等效串联电阻，R为等效负载，S₁,S₂为DC/DC变换器控制信号，I_sc,I_dc分别为电感电流和直流母线电容电流，E_sc,E_dc分别为超级电容和直流母线电压。

功率振荡抑制控制策略包含两个主要组成部分：转子变流器进行电气加阻；超级电容与网侧变流器实现功率振荡抑制。

转子变流器电气加阻策略具体如下：

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

如图3所示，电气加阻尼是通过有功附加控制实现，通过测量发电机转速信号ω_r，根据式(3)提取主导振荡频率分量(ξ为阻尼比，ω_osc为特征角频率)，得到附加电气阻尼转矩ΔT_e，叠加到变流器原有电磁转矩给定(通过最大功率跟踪计算得到)，通过转矩闭环得到所需的发转子电流直轴给定分量

如图5所示，当不需要功率振荡抑制时(模式1)，网侧变流器控制直流母线，当需要功率振荡抑制时(模式2)，网侧变流器控制转子功率的直流分量，并对定子振荡功率进行前馈控制，此时直流母线将振荡，由于超级电容对直流母线的控制，该振荡功率经过直流母线注入到超级电容中，由于只吸收振荡功率，所需超级电容容值较小。

可行性验证(仿真)：

仿真工况：通过电网三相短路故障激发双馈风电机组轴系振荡，故障导致并网电压跌落至0.3pu，持续时间625ms，机组初始状态工作于85％额定。比较有无功率振荡抑制策略对双馈风电机组并网动态特性的影响。

由图7可知，电网暂态故障期间，超级电容对直流母线暂态特性有很大改善，保证直流母线不过压，由于超级电容只吸收暂态功率，其电压几乎不上升，故障恢复后，网侧变流器控制策略切换到抑制功率振荡，此时超级电容只吸收一定的振荡功率，电压上升较小。由图8可知，故障期间，网侧变流器控制策略切换到直流母线电压控制(模式1)，故障恢复后延时0.2s切换到功率振荡抑制控制(模式2)，延时的原因是避开定子功率跳变对陷波器信号提取的影响，切换到功率振荡抑制策略后，可以明显看出双馈风电机组并网功率不含振荡成分，较为平稳，与此同时，由于附加电气阻尼的作用，转速振荡也得到较快阻尼如图9所示。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法，其特征在于，具体包括：

在转子侧变流器上通过DC/DC接口电路连接超级电容，且超级电容与双馈风电机组变流器共用一个直流母线，并建立等效电路，所述等效电路为电容C_sc、电阻R_res、电感L、转子侧变流器U₁和电容C_dc,依次串联组成回路，所述电容C_dc,的两端并联电阻R，所述电感L和转子侧变流器U₁之间的节点为A节点，所述电容C_sc和电容C_dc,之间的节点为B节点，所述A节点与B节点之间连接转子侧变流器U₂，所述电容C_dc,和电容C_sc表示直流母线电容和超级电容，电阻R_res为超级电容等效串联电阻，电阻R为等效负载，转子侧变流器U₁上的信号S₁和转子侧变流器U₂上的信号S₂为DC/DC变换器控制信号，电流I_sc和电流I_dc分别为电感电流和直流母线电容电流，电压E_sc和电压E_dc分别为超级电容和直流母线电压；

具体方法为：采用电感电流内环和直流母线电压外环的双闭环串级控制结构对公式(1)和公式(2)中的函数进行控制，

${G_{\mathrm{Id}}\left(s\right)=\frac{\frac{I_{\mathrm{sc}}}{I_{\mathrm{sc}0}}}{d}|}_{E_{\mathrm{sc}}=0}=\frac{-{\mathrm{DRC}}_{\mathrm{dc}}(s+\frac{2}{{\mathrm{RC}}_{\mathrm{dc}}})}{{\mathrm{LC}}_{\mathrm{dc}}{s}^2+(R_{\mathrm{res}}{C}_{\mathrm{dc}}+\frac{L}{R})s+\frac{R_{\mathrm{res}}}{R}+D^2}---\left(1\right)$

$G_{\mathrm{IE}}\left(s\right)=\frac{E_{\mathrm{dc}}}{I_{\mathrm{sc}}}=\frac{-\frac{L}{R}s+D^2-\frac{R_{\mathrm{res}}}{R}}{D(C_{\mathrm{dc}}s+\frac{2}{R})}---\left(2\right)$

其中，D为占空比稳态值，s为拉普拉斯算子，L为DC/DC接口电路的电感值即等效电路中电感L的电感值，d为占空比扰动值。

2.根据权利要求1所述的采用超级电容储能系统的双馈风电机组功率振荡抑制方法，其特征在于，所述DC/DC接口电路采用双向buck-boost电路。