CN104979847A - 抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，双馈风电场串补输电系统包括：DFIG风电场和与DFIG风电场相连的串补输电系统，DFIG风电场包括：感应电机、电力电子变换器和电力电子变换器控制系统，该方法包括：选择阻塞滤波器，其中，阻塞滤波器用于滤除电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号；分析双馈风电场串补输电系统的次同步特性，确定阻塞滤波器的特征频率和带宽；分析电力电子变换器控制系统的结构，以便从中确定多个嵌入点；将参数整定后的阻塞滤波器嵌入至少一个嵌入点，以滤除电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号。本发明的方法能够有效抑制双馈风电场串补输电系统中的次同步谐振问题。

Description

抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法

技术领域

本发明涉及电力系统控制技术领域，特别涉及一种抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法。

背景技术

风电是一种清洁无污染的可再生能源，适宜大规模开发利用且技术相对成熟，在一些国家和地区已经成为一种主流能源。双馈风力发电机(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)因具有能实现变速恒频运行、风能转换效率高、功率控制灵活等优点而在实际风电场中得到广泛应用。DFIG采用两个背靠背、通过直流环节连接的电压源变换器进行交流励磁。其中，与DFIG转子相连的变换器称为转子侧变换器(Rotor Side Convertor，RSC)，对RSC的控制能实现对DFIG定子输出有功、无功功率的控制。与DFIG定子相连的变换器称为网侧变换器(Grid Side Convertor，GSC)，对GSC的控制能实现保持直流母线电压稳定、保证输入电流正弦和控制输入功率因数。DFIG的电力电子变换器包括RSC和GSC。

固定串联补偿可以大幅减小线路的工频等效电抗，缩短线路的电气距离，提高线路的输电距离、输电能力和暂态稳定性，为大容量风电的外送提供了新方案。然而，双馈风电场连接到安装有固定串补的电力系统中容易引起一种电力系统稳定性问题，也就是次同步谐振(Subsynchronous Resonance，SSR)。2009年9月美国德克萨斯州的一处风电场发生了风电场SSR事故，事故导致大量风机脱网和撬棒电路的损坏，造成巨大的经济损失。2012年12月，中国沽源地区的风电场发生了振荡频率为6-8Hz的SSR事故，导致部分风电机组脱网。此后，该地区又多次发生电流和功率振荡现象，给风电的开发利用和电力系统的安全稳定运行带来不良影响。

由于双馈风电场发生的SSR问题是由双馈风力发电机控制系统与固定串补之间的相互作用导致的，其特性非常复杂，风速、等效串补度、并网发电机台数和变换器控制参数都会对SSR特性产生影响，而如何有效的抑制双馈风电场SSR问题还没有很好的解决方法。目前，抑制双馈风电场发生的SSR问题主要通过附加阻尼控制的方法。通过在DFIG中的GSC或者RSC控制系统上附加次同步阻尼控制环，合理设计控制环参数来抑制风电场的SSR问题。然而，这种附加控制方法的SSR抑制能力受到GSC或者RSC容量的限制，因此应用范围受限。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，该方法能够有效抑制双馈风电场串补输电系统中的次同步谐振问题。

为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，双馈风电场串补输电系统包括：DFIG风电场和与所述DFIG风电场相连的串补输电系统，所述DFIG风电场包括：感应电机、电力电子变换器和电力电子变换器控制系统，所述方法包括以下步骤：选择阻塞滤波器，其中，所述阻塞滤波器用于滤除所述电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号；对所述阻塞滤波器进行参数整定，包括：对所述双馈风电场串补输电系统的次同步特性进行分析，并根据分析结果确定所述阻塞滤波器的特征频率和带宽；对所述电力电子变换器控制系统的结构进行分析，以便从所述电力电子变换器控制系统中确定多个嵌入点；将进行参数整定后的阻塞滤波器嵌入至少一个所述嵌入点，以滤除所述电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号。

根据本发明实施例的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，通过在双馈风力发电机GSC或者RSC的控制系统中嵌入阻塞滤波器进行阻塞滤波，滤除掉控制信号中的SSR模态信号，消除或大大降低DFIG控制与串补之间的相互作用，实现DFIG的SSR自免疫功能，从而有效抑制双馈风电场串补输电系统中的次同步谐振问题。同时，阻塞滤波器的嵌入不影响其他频率控制信号的正常通过，对DFIG正常的稳态和暂态控制没有影响。另外，该方法实现过程中参数设计简单、投资成本低。

另外，根据本发明上述实施例的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，对所述阻塞滤波器进行参数整定，具体包括：对所述双馈风电场串补输电系统的次同步特性进行分析，确定双馈风电场串补输电系统发生SSR问题的多个工况；确定所述多个工况下的SSR频率和阻尼的变化范围，并从所述多个工况中找出阻尼最弱的工况；根据所述多个工况下的SSR频率的变化范围和阻尼最弱的工况下的SSR频率确定所述阻塞滤波器的特征频率；根据所述多个工况下的SSR频率的变化范围确定所述阻塞滤波器的带宽。

在一些示例中，所述阻塞滤波器为二阶次同步带阻滤波器，所述二阶次同步带阻滤波器的传递函数为：

$G_{\mathrm{BR}}\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2}{s^2+2\mathrm{\πBs}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2},$

其中，ω_BR为带阻滤波器的特征频率，B为带阻滤波器的带宽。

在一些示例中，从所述电力电子变换器控制系统中确定的多个嵌入点包括：所述电力电子变换器控制系统的输入位置、输出位置以及所述电力电子变换器控制系统中内环和外环中的多个位置。

在一些示例中，所述电力电子变换器包括RSC和GSC，所述电力电子变换器控制系统包括RSC控制系统和GSC控制系统。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的双馈风电场串补输电系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的RSC控制系统双闭环控制环节的示意图；以及

图4是根据本发明一个实施例的GSC控制系统双闭环控制环节的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法。

在描述本发明实施例的方法之前，首先结合图2描述双馈风电场串补输电系统的具体结构。如图2所示，该双馈风电场串补输电系统包括：DFIG风电场和与DFIG风电场相连的串补输电系统，其中，DFIG风电场中包含多台DFIG，这些DFIG经箱式变压器连接到同一风电场母线上。进一步地，DFIG风电场包括：感应电机、电力电子变换器和电力电子变换器控制系统，其中，电力电子变换器例如包括RSC和GSC，对应地，电力电子变换器控制系统例如包括RSC控制系统及GSC控制系统。串补输电系统由串补线路和无穷大电网构成。其中，串补线路用线路电阻、线路电感和串补电容表示。

进一步地，图1是根据本发明一个实施例的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S101，选择阻塞滤波器，其中，阻塞滤波器用于滤除电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号。

具体地说，阻塞滤波器是实施阻塞滤波方法的基础，其功能主要是滤除掉控制信号中SSR模态的信号分量，而对其它频率控制信号的影响小。需要说明的是，能实现该功能的滤波器均可用于本发明的实施例中，且既可以采用数字滤波器，也可以采用模拟滤波器，此处仅是出于示例性的目的。

步骤S102，对阻塞滤波器进行参数整定，包括：对双馈风电场串补输电系统的次同步特性进行分析，并根据分析结果确定阻塞滤波器的特征频率和带宽。

具体地说，在本发明的一个实施例中，步骤S102进一步包括：

步骤a：对目标双馈风电场串补输电系统的次同步特性进行分析，确定双馈风电场串补输电系统可能发生SSR不稳定问题的多个工况。

步骤b：确定多个SSR不稳定工况下的SSR频率和阻尼的变化范围，并从多个工况中找出SSR阻尼最弱的工况。

步骤c：根据多个工况下的SSR频率的变化范围和SSR阻尼最弱的工况下的SSR频率确定阻塞滤波器的特征频率。

步骤d：根据多个工况下的SSR频率的变化范围确定阻塞滤波器的带宽。

更为具体地，在一些示例中，例如，阻塞滤波器为二阶次同步带阻滤波器。该二阶次同步带阻滤波器的传递函数为：

$G_{\mathrm{BR}}\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2}{s^2+2\mathrm{\πBs}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2},$

其中，ω_BR为带阻滤波器的特征频率，B为带阻滤波器的带宽。

步骤S103，对电力电子变换器控制系统的结构进行分析，以便从电力电子变换器控制系统中确定多个嵌入点。即电力电子变换器控制系统的输入位置、输出位置以及电力电子变换器控制系统中内环和外环中的多个位置。

具体地说，GSC控制系统和RSC控制系统双闭环控制环节的输入输出位置均可以嵌入阻塞滤波器，除此之外，双闭环控制环节内部包含多个控制环，每个控制环均可以嵌入阻塞滤波器，因此，适合阻塞滤波器嵌入的位置有许多个。

作为具体的示例，例如，将所有可嵌入位置分为两类：双闭环控制环节输入输出位置和双闭环控制环节内部位置。如图2所示，RSC的双闭环控制环节输入输出位置分别为位置1和位置2，同理，GSC的双闭环控制环节输入输出位置分别为位置1和位置2。

进一步地，如图3所示，RSC控制系统双闭环控制环节的外环采用转速控制和无功控制，内环采用电流跟踪控制。如图4所示，GSC控制系统双闭环控制环节的外环采用直流电压控制和定子电压控制，内环采用电流跟踪控制。RSC和GSC中的双闭环控制环节内部位置分别有8个，分别是位置1-位置8。

步骤S104，将进行参数整定后的阻塞滤波器嵌入至少一个嵌入点，以滤除电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号。

换言之，上述步骤S103中辨识出了DFIG控制系统中适合嵌入阻塞滤波器的所有位置。在所有位置中，可以仅嵌入一个阻塞滤波器，也可以在不同位置同时嵌入多个阻塞滤波器。因此，阻塞滤波器的嵌入方案有多种。

在一个具体示例中，例如，DFIG控制系统中适合嵌入阻塞滤波器的位置有20个，在20个位置中即可以仅嵌入一个阻塞滤波器，也可以同时嵌入多个阻塞滤波器。

根据本发明实施例的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，通过在双馈风力发电机GSC或者RSC的控制系统中嵌入阻塞滤波器进行阻塞滤波，滤除掉控制信号中的SSR模态信号，消除或大大降低DFIG控制与串补之间的相互作用，实现DFIG的SSR自免疫功能，从而有效抑制双馈风电场串补输电系统中的次同步谐振问题。该方法克服了传统附加控制方法(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，同时，阻塞滤波器的嵌入仅对SSR模态信号起到阻塞滤波作用，不影响其他频率控制信号的正常通过，因此对DFIG正常的稳态和暂态控制没有影响。另外，该方法实现过程中参数设计简单、投资成本低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，其特征在于，双馈风电场串补输电系统包括：DFIG风电场和与所述DFIG风电场相连的串补输电系统，所述DFIG风电场包括：感应电机、电力电子变换器和电力电子变换器控制系统，所述方法包括以下步骤：

选择阻塞滤波器，其中，所述阻塞滤波器用于滤除所述电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号；

对所述阻塞滤波器进行参数整定，包括：对所述双馈风电场串补输电系统的次同步特性进行分析，并根据分析结果确定所述阻塞滤波器的特征频率和带宽；

对所述电力电子变换器控制系统的结构进行分析，以便从所述电力电子变换器控制系统中确定多个嵌入点；

将进行参数整定后的阻塞滤波器嵌入至少一个所述嵌入点，以滤除所述电力电子变换器控制系统的控制信号中的SSR模态信号。

2.根据权利要求1所述的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，其特征在于，对所述阻塞滤波器进行参数整定，具体包括：

对所述双馈风电场串补输电系统的次同步特性进行分析，确定双馈风电场串补输电系统发生SSR问题的多个工况；

确定所述多个工况下的SSR频率和阻尼的变化范围，并从所述多个工况中找出阻尼最弱的工况；

根据所述多个工况下的SSR频率的变化范围和阻尼最弱的工况下的SSR频率确定所述阻塞滤波器的特征频率；

根据所述多个工况下的SSR频率的变化范围确定所述阻塞滤波器的带宽。

3.根据权利要求1或2所述的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，其特征在于，所述阻塞滤波器为二阶次同步带阻滤波器，所述二阶次同步带阻滤波器的传递函数为：

$G_{\mathrm{BR}}\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2}{s^2+2\mathrm{\πBs}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{BR}}^2},$

其中，ω_BR为带阻滤波器的特征频率，B为带阻滤波器的带宽。

4.根据权利要求1或2所述的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，其特征在于，从所述电力电子变换器控制系统中确定的多个嵌入点包括：

所述电力电子变换器控制系统的输入位置、输出位置以及所述电力电子变换器控制系统中内环和外环中的多个位置。

5.根据权利要求1所述的抑制双馈风电场串补输电系统次同步谐振的阻塞滤波方法，其特征在于，所述电力电子变换器包括RSC和GSC，所述电力电子变换器控制系统包括RSC控制系统和GSC控制系统。