CN105470979A - 一种抑制双馈风电机组次同步振荡的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制双馈风电机组次同步振荡的方法及系统，该系统包括：双馈风电机组、有功功率阻尼控制器及无功功率阻尼控制器；有功、无功功率阻尼控制器分别配置在双馈风电机组的转子侧变频器的有功、无功外环控制模块；有功功率阻尼控制器用于接收有功功率信号，并将有功功率信号经过滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块处理后，输出有功附加阻尼功率信号至有功外环控制模块；无功功率阻尼控制器用于接收无功功率信号，并将无功功率信号经过滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块处理后，输出无功附加阻尼功率信号至无功外环控制模块；双馈风电机组根据有功附加阻尼功率信号及无功附加阻尼功率信号调节电气阻尼，抑制次同步振荡。

Description

一种抑制双馈风电机组次同步振荡的方法及系统

技术领域

本发明属于发电技术领域，尤指一种抑制双馈风电机组次同步振荡的方法及系统。

背景技术

随着风电的迅速发展，由于双馈感应发电机的控制系统能根据风速的变化最大限度的捕获风能、可实现有功无功的灵活控制等特殊的优点，而被广泛使用。但风电资源又与负荷中心呈逆向分布，串补技术可大幅度提高系统稳定极限从而提高输电能力，在高压输电线路中被广泛采用。但串补度高时，线路中可能由于扰动产生频率低于额定频率的电气谐振，如果发电机的某个轴系自然扭振频率与电气谐振频率互补，就会产生扭振放大作用，即次同步振荡，会损坏风电机组并危及风电系统并网安全稳定运行，已引起国内外大量学者的关注，是目前研究的热点问题，具有很重要的现实意义。

风力发电引起的次同步振荡问题在工程实际中发生较晚，目前国内外的研究均较少。由于风电机组结构、并网方式与传统火电机组的本质区别，常规火电机组在次同步振荡抑制方面的研究成果不能直接应用于风电引起的次同步振荡分析。针对风电机组的次同步振荡问题，目前已提出了一些抑制的方法。但这些方法多采用在DFIG附近安装FACTS装置，成本较高，并且FACTS与DFIG的交互作用使得FACTS的参数整定较为困难，在工程实际中实现较为困难。

无论火电系统还是风电系统，发生次同步振荡的根本原因都可归结于系统的电气负阻尼超过了机械正阻尼，使得整个系统阻尼为负值。所以，要抑制次同步振荡，就应从增加系统阻尼的角度来考虑，而对一个固定系统而言，其机械阻尼一般不易改变，因此需从改善电气阻尼方面来着手。对于双馈风电机组(DFIG)，可在其自身的控制系统中利用相位补偿原理以附加阻尼模块，增加系统阻尼，从而达到有效抑制双馈风电机组次同步振荡的目的。

系统在次同步频率下的电气阻尼D_e定义为电磁转矩变化量ΔT与发电机转子转速偏移量Δω_r的比值，即

$D_e=\frac{{\mathrm{\ΔT}}_e}{{\mathrm{\Δ\ω}}_r};$

式中，转子转速偏移量Δω_r＝Aω_rcosω_rt。当ΔT_e与Δω_r之间的相角差大于90°，则电气阻尼D_e为负值，且其绝对值|D_e|较大时，有可能使电气阻尼的负值大于机械阻尼的正值，从而使系统阻尼D呈负值，导致系统振荡得以维持甚至发散。

目前，对次同步振荡的附加阻尼控制器的设计，主要是为了减弱发电机转子轴系的扭转振荡，所以现有论文及专利设计的阻尼器大部分是以发电机的转速偏差Δω_r为输入信号，通过适当的模块处理，进行相位补偿，得到一个附加的电磁转矩ΔT_e'，使其和ΔT_e的合成向量与Δω_r的相角差小于90°，则系统将得到正的阻尼转矩，且当ΔT_e'与Δω_r同相位时，附加电气阻尼D_e'得最大正值，阻尼效果最好。

基于上述原理，传统设计思路如图1所示，但是，在实际的风电系统中，转子转速偏移量Δω_r并不能直接获取，并且一般不会采集该数据，导致对抑制双馈风电机组的次同步振荡造成不便。

综上，针对双馈风电机组发生次同步振荡时，线路上产生功率振荡现象的问题，现有解决该问题的方案还有可改进之处。

发明内容

为克服双馈风电机组发生次同步振荡时线路上功率振荡的现象，本发明在现有技术的RSC双闭环比例积分调节的矢量控制基础上(如图2所示)，采用线路传输功率作为输入信号，经过信号过滤、移相、增益放大和限幅处理进行相位补偿，附加到双馈风电机组的转子侧变频器(RSC)的有功、无功外环控制中，构成有功和无功功率次同步振荡阻尼控制器(subsynchronousdampingcontroller，SSDC)，同时对有功和无功功率进行调节，增加双馈风电机组所提供系统的电气阻尼，进而达到对双馈风电机组经串补线路外送风电时所引起次同步振荡抑制的目的。

为达到上述目的，本发明公开了一种抑制双馈风电机组次同步振荡的系统，包括：双馈风电机组、有功功率阻尼控制器及无功功率阻尼控制器；其中，所述有功功率阻尼控制器、无功功率阻尼控制器分别配置在所述双馈风电机组的转子侧变频器的有功外环控制模块、无功外环控制模块；所述有功功率阻尼控制器或无功功率阻尼控制器包括：滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块；所述有功功率阻尼控制器用于接收有功功率信号，并将所述有功功率信号经过所述滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块处理后，输出有功附加阻尼功率信号至所述有功外环控制模块；所述无功功率阻尼控制器用于接收无功功率信号，并将所述无功功率信号经过所述滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块处理后，输出无功附加阻尼功率信号至所述无功外环控制模块；所述双馈风电机组根据所述有功附加阻尼功率信号及无功附加阻尼功率信号调节电气阻尼，抑制次同步振荡。

为达到上述目的，本发明还提出了一种抑制双馈风电机组次同步振荡的方法，包括：接收有功功率信号，并将所述有功功率信号经过滤波处理、移相处理、增益处理、限幅处理后，输出有功附加阻尼功率信号；接收无功功率信号，并将所述无功功率信号经过滤波处理、移相处理、增益处理、限幅处理后，输出无功附加阻尼功率信号；根据所述有功附加阻尼功率信号及无功附加阻尼功率信号调节电气阻尼，抑制次同步振荡。

本发明的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法及系统有效消除了谐波或干扰信号等的影响，并且还可有效抑制了双馈风电机组次同步振荡。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为传统次同步振荡附加阻尼设计原理图。

图2为现有技术的RSC双闭环比例积分调节的矢量控制框图。

图3为本发明实施例的抑制双馈风电机组次同步振荡的系统示意图。

图4A及图4B为图3中信号处理单元的结构示意图。

图5为本发明实施例的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法流程图。

图6为本发明一具体实施例发生次同步振荡时输电线路上功率的振荡波形示意图。

图7A及图7B为本发明一具体实施例附加功率阻尼控制时线路上有功或无功功率振荡曲线示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

图3为本发明实施例的抑制双馈风电机组次同步振荡系统示意图。图4A及图4B为图3中信号处理单元的结构示意图。结合图3、图4A及图4B所示，该系统包括：双馈风电机组1、有功功率阻尼控制器2及无功功率阻尼控制器3；其中，

有功功率阻尼控制器2、无功功率阻尼控制器3分别配置在双馈风电机组1的转子侧变频器的有功外环控制模块、无功外环控制模块；

有功功率阻尼控制器2包括：滤波模块21、移相模块22、增益模块23、限幅模块24

无功功率阻尼控制器3包括：滤波模块31、移相模块32、增益模块33、限幅模块34；

有功功率阻尼控制器2用于接收有功功率信号P_s，并将有功功率信号P_s经过滤波模块21、移相模块22、增益模块23、限幅模块24处理后，输出有功附加阻尼功率信号P_damp至有功外环控制模块；

无功功率阻尼控制器3用于接收无功功率信号Q_s，并将无功功率信号Q_s经过滤波模块31、移相模块32、增益模块33、限幅模块34处理后，输出无功附加阻尼功率信号Q_damp至无功外环控制模块；

双馈风电机组1根据有功附加阻尼功率信号P_damp及无功附加阻尼功率信号Q_damp调节电气阻尼，抑制次同步振荡。

在本实施例中，有功功率信号P_s以及无功功率信号Q_s可以通过系统设备直接采集获得，便于实现抑制双馈风电机组次同步振荡。

在本实施例中，有功功率的参考值P_{s_ref}来自最大风功率追踪模块，无功功率的参考值Q_{s_ref}一般采用恒功率因数运行时设为零。线路上传输的有功功率信号P_s和无功功率信号Q_s分别经过滤波模块21、31，移相模块22、32，增益模块23、33和限幅模块24、34的处理后得到抑制次同步振荡的有功附加阻尼功率信号P_damp及无功附加阻尼功率信号Q_damp，分别输入转子侧变频器的有功外环控制模块和无功外环控制模块中以对其进行调节。

在本实施例中，如图4A及图4B所示，滤波模块21、31用于阻止稳态信号的输入，其表达式为

其中，s为移相传递函数的复数形式自变量；

T_w为滤波模块的时间常数。T_w应取较大的值才能使次同步频率的信号通过该滤波模块时不会改变。滤波模块作用是阻止稳态信号的输入，仅当P_s、Q_s中含有次同步频率的信号时该附加阻尼控制器才其作用，给系统增加阻尼，而稳态时附加阻尼控制器输出为0，对稳态运行无影响。

在本实施例中，如图4A及图4B所示，移相模块22、32采用多个移相函数串联组成，其表达式为

其中，移相模块22的表达式为：移相模块32的表达式为

移相模块22、32用于相位补偿，因为每个移相函数的补偿角度不宜过大，一般不超过60°，过大时反而会对系统阻尼产生不利的影响，所以要达到合适的相位补偿的角度，需用多个移相函数串联，n的取值则根据实际需要而定。

其中，T₁、T_P1、T_Q1为移相函数的超前时间常数；

T₂、T_P2、T_Q2为移相函数的滞后时间常数；

s为移相传递函数的复数形式自变量；

n为串联移相函数的个数。

在本实施例中，增益模块23、33用于调整附加阻尼的放大倍数G_P和G_Q。关于两者的取值，过小时对阻尼的放大作用不明显，过大时虽增加了系统的阻尼但可能会影响控制器的稳定性，同时也可能会使输出达到限幅模块24、34的极值，所以和应取合适的值。

在本实施例中，限幅模块24、34用于增强系统的稳定性。

本发明的抑制双馈风电机组次同步振荡的系统，在接收到有功功率信号或无功功率信号后，首先进行了滤波，之后移相，最后才进行了增益放大，有效消除了谐波或干扰信号等的影响。因此避免了现有技术中抑制次同步振荡方案没有滤波模块，直接进行了增益放大，易放大谐波干扰信号，直至进入转子侧仍没有滤波，当有谐波或干扰信号时，易被其设计的增益模块放大等问题，对控制的影响可能非常大。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种抑制双馈风电机组次同步振荡的方法，如下面的实施例所述。由于该方法解决问题的原理与抑制双馈风电机组次同步振荡的系统相似，因此该方法的实施可以参见前述系统的实施，重复之处不再赘述。

如图5所示，图5为本发明实施例的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法流程图。该方法包括：

步骤1A，接收有功功率信号P_s，并将有功功率信号经过滤波处理、移相处理、增益处理、限幅处理后，输出有功附加阻尼功率信号P_damp；

步骤1B，接收无功功率信号Q_s，并将无功功率信号经过滤波处理、移相处理、增益处理、限幅处理后，输出无功附加阻尼功率信号Q_damp；

步骤2，根据有功附加阻尼功率信号P_damp及无功附加阻尼功率信号Q_damp调节电气阻尼，抑制次同步振荡。

为了对上述抑制双馈风电机组次同步振荡的方法及系统进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。

图6为本发明一具体实施例发生次同步振荡时输电线路上功率的振荡波形示意图。如图6所示，在Matlab/Simulink中搭建双馈风电机组经串补线路并网的仿真模型，系统初始化运行至某一稳态后，保存为0时刻，在0.1s时刻给系统施加一小扰动，使系统发生次同步振荡(SSO)。

其他条件不变，在双馈风电机的RSC控制系统中附加本发明中设计的阻尼控制器，将参数调为合适值，仍在系统运行至稳态后0.1s时刻施加一微小扰动，得到线路上有功及无功功率的振荡曲线如图7A及图7B所示。

由图7A及图7B可以看出，在附加阻尼控制器的系统0.1s时刻受扰动之后，因串补电容的存在，线路上的功率有一定的波动，但逐渐振荡收敛。因此，转子侧变频器中所采用的附加阻尼控制策略很好的进行了相位补偿，有效地增加了系统的阻尼，使得双馈风电机组经串补线路并网时引发的次同步振荡问题得到了很好的抑制。

本发明的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法及系统有效消除了谐波或干扰信号等的影响，并且还可有效抑制了双馈风电机组次同步振荡。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制双馈风电机组次同步振荡的系统，其特征在于，所述系统包括：双馈风电机组、有功功率阻尼控制器及无功功率阻尼控制器；其中，

所述有功功率阻尼控制器、无功功率阻尼控制器分别配置在所述双馈风电机组的转子侧变频器的有功外环控制模块、无功外环控制模块；所述有功功率阻尼控制器或无功功率阻尼控制器包括：滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块；

所述有功功率阻尼控制器用于接收有功功率信号，并将所述有功功率信号经过所述滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块处理后，输出有功附加阻尼功率信号至所述有功外环控制模块；

所述无功功率阻尼控制器用于接收无功功率信号，并将所述无功功率信号经过所述滤波模块、移相模块、增益模块、限幅模块处理后，输出无功附加阻尼功率信号至所述无功外环控制模块；

所述双馈风电机组根据所述有功附加阻尼功率信号及无功附加阻尼功率信号调节电气阻尼，抑制次同步振荡。

2.根据权利要求1所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的系统，其特征在于，所述滤波模块用于阻止稳态信号的输入，其表达式为

其中，s为移相传递函数的复数形式自变量；

T_w为滤波模块的时间常数。

3.根据权利要求1所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的系统，其特征在于，所述移相模块采用多个移相函数串联组成，其表达式为

其中，T₁为移相函数的超前时间常数；

T₂为移相函数的滞后时间常数；

s为移相传递函数的复数形式自变量；

n为串联移相函数的个数。

4.根据权利要求1所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的系统，其特征在于，所述增益模块用于调整附加阻尼的放大倍数。

5.根据权利要求1所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的系统，其特征在于，所述限幅模块用于增强所述系统的稳定性。

6.一种抑制双馈风电机组次同步振荡的方法，其特征在于，包括：

接收有功功率信号，并将所述有功功率信号经过滤波处理、移相处理、增益处理、限幅处理后，输出有功附加阻尼功率信号；

接收无功功率信号，并将所述无功功率信号经过滤波处理、移相处理、增益处理、限幅处理后，输出无功附加阻尼功率信号；

根据所述有功附加阻尼功率信号及无功附加阻尼功率信号调节电气阻尼，抑制次同步振荡。

7.根据权利要求6所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法，其特征在于，所述滤波处理用于阻止稳态信号的输入，其表达式为

其中，s为移相传递函数的复数形式自变量；

T_w为滤波处理的时间常数。

8.根据权利要求6所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法，其特征在于，所述移相处理采用多个移相函数串联组成，其表达式为

其中，T₁为移相函数的超前时间常数；

T₂为移相函数的滞后时间常数；

s为移相传递函数的复数形式自变量；

n为串联移相函数的个数。

9.根据权利要求6所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法，其特征在于，所述增益处理用于调整附加阻尼的放大倍数。

10.根据权利要求6所述的抑制双馈风电机组次同步振荡的方法，其特征在于，所述限幅处理用于增强所述系统的稳定性。