CN105226677B - 一种抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，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。本发明首先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压参考信号，将次同步电压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压，该次同步电压通过串联在串补线路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，电力电子变换器等效为串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短路，保证系统的工频工作状态不变。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，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。
背景技术
近年来，我国风力发电持续快速发展，其中，双馈风力发电机因其具有控制灵活、能实现变速恒频等优点得到了广泛应用。目前，我国已建成多个千万千瓦级大型风电基地，大容量风电的外送成为技术难题。输电线路的串联电容补偿能等效减小线路电抗，提高线路输送能力和系统的暂态稳定性，为解决大型风电场电力外送问题提供了新思路。而研究表明，风电场接入含有固定串联电容补偿的电力系统可能会导致次同步谐振问题(以下简称SSR，Subsynchronous Resonance)的发生，相比于其他类型的机组，以双馈风力发电机组为主导机组的风电场串补输电系统更容易导致SSR风险。
风电场SSR现象是由系统等效负电阻导致持续发散的电气谐振，该SSR现象主要表现为感应发电机效应，是一种电气谐振，且双馈风力发电机的控制系统对系统的SSR特性产生不良影响。风电场串补输电系统的SSR特性与风电场并网发电机台数、风速、双馈风机控制系统参数有关。自从2009年美国德克萨斯州风电场串补输电系统因发生SSR导致风电场切机、撬棒电路损坏事故以来，风电场次同步谐振问题的机理和抑制策略研究得到了广泛关注。目前，有学者提出采用在双馈风机变换器(转子侧变换器或定子侧变换器)上附加次同步阻尼控制环的方法抑制风电场SSR，然而，双馈风机变换器容量较小，这种方法的SSR抑制能力也受到限制。由于风电场SSR问题的机理非常复杂、相关影响因素众多，如何有效的抑制风场SSR问题还没有很好的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，该控制方法中，通过适当的信号处理给出次同步电压参考信号，进而控制电力电子变换器中的开关开断，产生次同步电压信号耦合到串补输电系统中，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。
本发明提出的抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，包括以下步骤：
(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端串联一个耦合变压器，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；
(4)对上述次同步电流分量信号进行移相，得到次同步电流参考信号i；
(5)根据上述次同步电流参考信号i，通过下式计算与该次同步电流参考信号成正比的次同步电压参考信号v：
v＝i*Z
其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，典型取值范围为1-10；
(6)将上述次同步电压参考信号v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，产生一个次同步电压信号，该次同步电压信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电压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抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，包括以下步骤：
(1)在风电场串补输电线路的风电场输出端串联一个耦合变压器，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vSSR；
(4)通过下式，将上述滤波得到的次同步电压分量信号转化为次同步电流分量信号iSSR：
其中，vSSR为串补电容两端电压信号中的次同步电压分量信号，xC为串补电容容抗值；
(5)对上述次同步电流分量信号进行移相，得到次同步电流参考信号i；
(6)根据上述次同步电流参考信号i，通过下式计算与该次同步电流参考信号成正比的次同步电压参考信号v：
v＝i*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)将上述次同步电压参考信号v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，产生一个次同步电压信号，该次同步电压信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电压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。
本发明提出的抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，其优点是：
1、采用本发明中的控制方法抑制风电场的SSR问题属于集中控制方式，在风电场出口处变电站内安装一套即可抑制整个风电场串补输电系统的SSR问题，为风电场SSR问题的抑制提供了全新的思路。
2、本发明的控制方法，使电力电子变换器在谐振发生的次同步频率处等效为纯电阻，而在工频处等效为短路，不影响系统的正常工作。
3、本发明的控制方法中的电力电子变换器，可采用模块化的链式结构，可以根据风电场的容量合理配置控制系统的容量，安装调试灵活方便。当风电场容量变大时，由于采用模块化结构，控制系统扩容方便。
附图说明
图1是本发明提出的抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法的流程框图。
图2是本发明提出的另一种抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法的流程框图。
具体实施方式
本发明提出的抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，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串联一个耦合变压器，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，使用的电力电子变换器的产品型号为RSVG，由荣信电力电子股份有限公司生产。耦合变压器的产品型号为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；
滤波功能可以采用滤波器实现，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、一个二阶工频带阻滤波器和一个二阶次同步带通滤波器构成。低通滤波器的主要作用是滤除高频率的信号仅保留低频率的信号；工频带阻滤波器的主要作用是滤除工频信号；次同步带通滤波器的作用是滤出关心的次同步频率的信号，用于进一步的处理。采用这种复合滤波器组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
带阻滤波器的传递函数为
带通滤波器的传递函数为
其中，ωLP表示低通滤波器的选通频率，ξLP表示低通滤波器的阻尼比；ωBR表示带阻滤波器的选通频率，ξBR表示带阻滤波器的阻尼比；ωBP表示带通滤波器的选通频率，ξBP表示带通滤波器的阻尼比。
(4)对上述次同步电流分量信号进行移相，得到次同步电流参考信号i；
若滤波环节中的滤波器设计不合理，滤波环节可能会对次同步电流分量信号产生相移，影响SSR抑制效果，因此需要加入移相环节进行适当的相位补偿。
移相环节的典型传递函数如下：
其中，T表示时间常数，n为正整数，表示n个移相环节串联。
为了提高风电场SSR的抑制效果，需要通过合理设计移相环节的时间常数值，补偿滤波环节对次同步电流信号产生的相移，同时保证整个闭环系统的稳定运行。
(5)根据上述次同步电流参考信号i，通过下式计算与该次同步电流参考信号成正比的次同步电压参考信号v：
v＝i*Z (5)
其中，Z为参考值计算中的阻抗设定值，典型取值范围为1-10；
根据前面的分析，若采用上述次同步电压参考信号作为电力电子变换器的输入，消耗掉风电场等效负电阻产生的谐振能量，系统就能够保持稳定。电力电子变换器可产生与线路电流次同步分量成正比的次同步电压，因此，能将其等效为串联在串补线路中的电压源v。在次同步频率处，其阻抗特性见下式：
为使SSR抑制效果更好，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，电力电子变换器等效为串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短路，保证系统的工频工作状态不变。这样不仅可以防止风电场SSR的发生，减小电力电子变换器的容量，还可以保持系统的工频工作状态不变。
(6)将上述次同步电压参考信号v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，产生一个次同步电压信号，该次同步电压信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电压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抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，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串联一个耦合变压器，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，使用的电力电子变换器的产品型号为RSVG，由荣信电力电子股份有限公司生产。耦合变压器的产品型号为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vSSR；
滤波功能可以采用滤波器实现，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、一个二阶工频带阻滤波器和一个二阶次同步带通滤波器构成。低通滤波器的主要作用是滤除高频率的信号仅保留低频率的信号；工频带阻滤波器的主要作用是滤除工频信号；次同步带通滤波器的作用是滤出关心的次同步频率的信号，用于进一步的处理。采用这种复合滤波器组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
带阻滤波器的传递函数为
带通滤波器的传递函数为
其中，ωLP表示低通滤波器的选通频率，ξLP表示低通滤波器的阻尼比；ωBR表示带阻滤波器的选通频率，ξBR表示带阻滤波器的阻尼比；ωBP表示带通滤波器的选通频率，ξBP表示带通滤波器的阻尼比。
(4)通过下式，将上述滤波得到的次同步电压分量信号转化为次同步电流分量信号iSSR：
其中，vSSR为串补电容两端电压信号中的次同步电压分量信号，xC为串补电容容抗值；
(5)对上述次同步电流分量信号进行移相，得到次同步电流参考信号i；
若滤波环节中的滤波器设计不合理，滤波环节可能会对次同步电流分量信号产生相移，影响SSR抑制效果，因此需要加入移相环节进行适当的相位补偿。
移相环节的典型传递函数如下：
其中，T表示时间常数，n为正整数，表示n个移相环节串联。
为了提高风电场SSR的抑制效果，需要通过合理设计移相环节的时间常数值，补偿滤波环节对次同步电流信号产生的相移，同时保证整个闭环系统的稳定运行。
(6)根据上述次同步电流参考信号i，通过下式计算与该次同步电流参考信号成正比的次同步电压参考信号v：
v＝i*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；
根据前面的分析，若采用上述次同步电压参考信号作为电力电子变换器的输入，消耗掉风电场等效负电阻产生的谐振能量，系统就能够保持稳定。电力电子变换器可产生与线路电流次同步分量成正比的次同步电压，因此，能将其等效为串联在串补线路中的电压源v。在次同步频率处，其阻抗特性见下式：
为使SSR抑制效果更好，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，电力电子变换器等效为串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短路，保证系统的工频工作状态不变。这样不仅可以防止风电场SSR的发生，减小电力电子变换器的容量，还可以保持系统的工频工作状态不变。
(7)将上述次同步电压参考信号v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，产生一个次同步电压信号，该次同步电压信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电压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压参考信号，将次同步电压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压，该次同步电压通过串联在串补线路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，电力电子变换器等效为串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短路，保证系统的工频工作状态不变。
Claims (2)
1.一种抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，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串联一个耦合变压器，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；
(4)对上述次同步电流分量信号进行移相，得到次同步电流参考信号i；
(5)根据上述次同步电流参考信号i，通过下式计算与该次同步电流参考信号i成正比的次同步电压参考信号v：
v＝i*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)将上述次同步电压参考信号v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，产生一个次同步电压信号，该次同步电压信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电压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。
2.一种抑制风电场串补输电系统次同步谐振的控制方法，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串联一个耦合变压器，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vSSR；
(4)通过下式，将上述滤波得到的次同步电压分量信号vSSR转化为次同步电流分量信号iSSR：
其中，vSSR为串补电容两端电压信号中的次同步电压分量信号，xC为串补电容容抗值；
(5)对上述次同步电流分量信号iSSR进行移相，得到次同步电流参考信号i；
(6)根据上述次同步电流参考信号i，通过下式计算与该次同步电流参考信号i成正比的次同步电压参考信号v：
v＝i*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)将上述次同步电压参考信号v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，产生一个次同步电压信号，该次同步电压信号作为步骤(1)的耦合变压器的一次侧输入，将该次同步电压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。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20170728 Termination date: 20171120 |