CN106300392A - 风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，系统包括：综合监控装置和分布在区域内各个风电场的次同步振荡抑制器。抑制器采集各个监测点的电压、电流数据并经过AD数据采集校正环节、信号滤波环节、次同步振荡频率辨识环节将处理后的数据及抑制器的设备信息通过无线网络传输给综合监控装置，综合监控装置基于接收的信息经过综合数据分析环节确定最佳的次同步振荡抑制方案，再经过自适应控制环节根据确定的次同步振荡频率和抑制方案匹配合适的控制参数，并通过无线网络将控制命令及控制参数信号发送给各个次同步振荡抑制器以启动次同步振荡抑制模式，各个抑制器利用自身的控制器在进行电压及无功功率控制的同时实现次同步振荡抑制作用。

Description

风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法

技术领域

本发明涉及一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，尤其是涉及到区域内有大规模风电机组并网或多座风电场并网引起的次同步振荡的抑制。

背景技术

新能源如风能、太阳能等属于可再生的清洁能源，这些能源的广泛利用减少了对传统火力发电的依赖，对节能减排有着重要的意义。我国新能源并网发电技术发展迅速，装机容量逐年增加，新能源发电已经成为我国发电领域的重要分支。然而新能源发电项目对环境因素高度依赖，如风电场在风力资源丰富的地区建设，通常远离城市负荷中心，这就需要高压、远距离输电。随着区域内风电机组规模的不断扩大、风电场数量的不断增加，在带来经济效益的同时也出现了新的问题，次同步振荡问题就是其中之一。

电力系统中各电气量的关联度很高，次同步振荡会由振源向邻近风电场扩散，进而影响整个区域风力发电系统的稳定性，甚至造成风机脱网。目前在一些区域风电场监测到的振荡频率分布在2～49Hz范围内，并且振荡与风场的发电量、风速没有呈现出明显的规律性。振荡产生的机理可能与串联补偿电容的谐振频率或者负荷情况有关，也可能与风电机组独立源的控制特性有关。经过现场实测，采用单一的就地抑制措施并不能很好地解决整体区域供电系统的次同步振荡问题，需要对系统进行综合分析确定最佳方案，采用区域内多机协调控制方式可以取得理想的次同步振荡抑制效果。

多机协调控制方式可以对区域内各监测点的数据进行汇总分析，确定次同步振荡源的分布及频谱，采用自适应控制算法得出控制指令及相应控制参数，最终以无线传输的方式向装设在各个风电场内的次同步振荡抑制器发送指令。多机协调控制提高了区域内风电场次同步振荡抑制器的冗余性，在部分次同步振荡抑制器处于故障或者检修的情况下仍然能够保证系统稳定。

发明内容

针对区域风电场次同步振荡问题，本发明提供了一种基于次同步振荡抑制器的多机协调控制方法，可抑制区域内大规模风电机组并网或多座风电场并网引起的次同步振荡，增强风力发电系统的可靠性与稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

风电场次同步振荡抑制器多机协调控制系统包括：综合监控装置和装设在各个风电场内的次同步振荡抑制器；

风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法包括监测点AD数据采集校正、信号滤波、次同步振荡频率辨识、数据综合分析、自适应控制、数据无线传输、振荡抑制电流输出。

所述AD数据采集校正，即由分布在各个风电场内的次同步振荡抑制器对系统电压、电流及装置输出电流信号进行采集，并对采集的模拟量信号作零偏校正和相位校正。

所述信号滤波是指对采集到的模拟量信号经过低通滤波器滤波，并做相应的限幅。

所述次同步振荡频率辨识，即对各个风电场监测点电网电压和流入电网的电流作FFT分析，得到所有次同步和互补的次同步振荡频率信号的幅值和相位，该频率范围一般为2Hz到49Hz。

所述数据综合分析需要考虑多方面因素，包括振荡源、次同步振荡频率、各个风电场电压等级及短路容量、风电场发电量、次同步振荡抑制器输出功率和状态，在汇总上述信息的基础上，根据以往现场实测总结的规律确定最佳的次同步振荡抑制方案。

所述自适应控制，即根据检测到的次同步振荡频率和所确定的次同步振荡抑制方案向分布在各个风电场内的次同步振荡抑制器发送控制指令，并根据自适应控制算法调整相关控制参数，达到最佳的控制效果。

所述数据无线传输是指抑制器与综合监控装置之间的数据传输，包括次同步频率、装置信息及控制指令等信号。其中无线传输网络可以采用3G网络或者项目现场已有的网络。

所述振荡抑制电流输出，即是将通过无线网络接收到的次同步振荡抑制指令和相应的控制参数通过抑制器自身的调节最终转换为开关脉冲信号驱动抑制器功率模块，产生可以抑制次同步振荡的电流。

进一步说明，本控制系统的监测点AD数据采集校正环节、信号滤波环节、次同步振荡频率辨识环节及振荡抑制电流输出环节由次同步振荡抑制器完成，即在装置级实现。其中数据校正环节的程序计算按照下式处理：

$\left\{\begin{array}{c}\sin pll=\sin theta\×cos\mathrm{\θ}+\cos theta\×sin\mathrm{\θ}\\ \cos pll=\cos theta\×cos\mathrm{\θ}+\sin theta\×sin\mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，sintheta、costheta为电网电压同步信号的正余弦值；θ为补偿的角度(通常为信号传输延迟角或者变压器移相角)；sinpll、cospll为校正后的同步信号正余弦值。

信号滤波环节采用二阶低通滤波器，其传递函数如下所示：

$\frac{{\mathrm{G\ω}}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}\mathrm{\ω}s+{\mathrm{\ω}}^2}$

其中，ξ为滤波器阻尼系数，ω为滤波器自然角频率，G为滤波器通态增益，s为复变量。

振荡抑制电流输出环节在不启动次同步振荡抑制模式时处于恒无功运行模式或者恒电压运行模式，由于振荡抑制器就地采集监测点的电压和电流信号，所以可以通过自身的闭环控制实现对系统的无功调节。其闭环控制是基于dq轴直流分量进行PI调节的，交流量到直流量的变换矩阵C如下式所示：

上式中，ωt为对电网电压作软件锁相得到的同步信号正序相角。

利用C的逆矩阵C^-1对调节后的输出值再作逆变换即可得到基波调制信号，在振荡抑制模式启动以后，将次同步振荡抑制电流信号与此基波调制信号叠加即可得到最终的调制信号。

本控制系统的数据综合分析环节、自适应控制环节由综合监控装置完成。数据综合分析环节在汇总相关信息后，确定次同步振荡源位置、次同步振荡频率及幅值、振荡抑制器状态等信息，并根据以往现场测试总结的规律采用一定的算法确定最佳的次同步振荡抑制方案，抑制器振荡抑制模式启动的原则为：接近振荡源的抑制器优先启动、振荡源附近有多台抑制器时根据振荡幅度选择容量满足要求的启动、多台抑制器同时启动时根据容量等信息加权分配抑制电流。对于上述振荡抑制模式启动原则，可以通过升级综合监控装置软件的方法进行更新和完善。

自适应控制环节根据上述环节所确定的振荡抑制方案，调配相应的次同步振荡抑制器并采用自适应控制算法匹配合适的控制参数，然后通过数据无线传输环节将次同步振荡抑制控制指令及控制参数传送给相应的次同步振荡抑制器，启动次同步振荡抑制模式。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1.本发明提供的次同步振荡抑制器多机协调控制方法是通过无线网络进行数据传递，施工成本低，易于项目规模扩展，而且可以通过远程监控界面模块实现远程监控。

2.利用综合监控装置可以实现对区域内的所有次同步振荡抑制器进行统一调配、协调控制。有效解决了单台设备就地抑制的弊端，如：(1)临近设备同时抑制时因控制特性不匹配或逆变器之间的相互干扰而引起振荡放大；(2)减少不必要的动作，即在多数振荡情形并不需要所有的抑制器都启动抑制模式。

3.在次同步振荡抑制器因检修或者故障而不能运行时，可以通过调配临近设备进行抑制，增强了冗余性。

4.对区域风力发电系统进行全局监控及数据汇总分析，可以通过系统分析更为全面地解决次同步振荡问题。

附图说明

图1是本发明多机协调控制系统构成图。

图2是次同步振荡抑制器主电路结构图。

图3是综合监控装置控制流程图。

图4是5Hz次同步振荡抑制效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对本发明进行阐述。

本发明提出一种次同步振荡抑制器多机协调控制方法，通过无线网络(3G网络或者项目现场已有的无线网络)连接综合监控装置与分布在区域内各个风电场的次同步振荡抑制器，并可通过Internet远程访问综合监控装置，如图1所示为多机协调控制系统构成图。

利用装设在各个风电场的抑制器采集监测点的电压与电流信号，通过抑制器的AD数据采集校正环节和信号滤波环节得到所需数据，然后通过次同步振荡频率辨识环节对流入电网的电流作FFT分析，得到次同步振荡频率、幅值信息。所有的抑制器将得到的频率信息及装置信息(电压等级、容量、状态、位置等)通过无线网络传给综合监控装置。

另外，次同步振荡抑制器根据采集的信号计算系统电压及无功功率，利用自身的控制器可以就地实现电压及无功功率控制。本方案采用的次同步振荡抑制器主电路结构为模块化级联结构，可以通过更改串联功率单元级数适应不同的电压等级，主电路结构如图2所示，但是不限于此结构，也可以是MMC结构、多重化结构和多电平结构等。

综合监控装置通过无线网络将分布在区域内各个风电场的次同步振荡抑制器监测并处理后的数据汇总，对上述数据进行综合分析确定次同步振动源、振荡幅度、振荡频率和需投入的抑制器数量，最终根据抑制器的运行状态、所处位置和容量采用一定算法和规律确定需要启动次同步振荡抑制功能的抑制器，提供最佳的抑制方案。

根据上述环节确定的次同步振荡频率和抑制方案，通过自适应控制环节自动匹配合适的调节参数，即不同的振荡频率需要匹配的调节参数有所不同。参数确定以后通过数据无线传输环节将振荡抑制指令及对应的参数发送给相应的次同步振荡抑制器，启动次同步振荡抑制模式，综合监控装置的控制流程如图3所示。

所有的抑制器在默认情况下都工作在恒电压或者恒无功模式，当接收到综合监控装置发送的启动命令后，会立刻启动次同步振荡抑制模式，并更新所接收的调节参数。

次同步振荡抑制模式启动以后，振荡抑制器的抑制电流调制信号与基波无功电流调制信号叠加形成新的调制信号，通过三角波比较法产生开关驱动信号，驱动功率单元的开关器件，最终输出基波无功电流和次同步振荡抑制电流。次同步振荡电流的幅值不恒定，通常表现为以某一特定次同步频率振荡，其振荡电流i_v表达式可用下式表示：

式中，ω₀为电网基波电流角频率；ω₁为振荡电流角频率；I₀、I₁为电流幅值；为初始相角。

由上式可见，振荡抑制电流通常包括两个互补频率的电流分量，所以振荡抑制器输出的电流包含3个频率，即频率分别为如图4所示为系统发生次同步振荡(以5Hz振荡为例)以后，振荡抑制器输出的电流波形及电网电压曲线，由图可见振荡抑制模式启动以后，电网电压趋于稳定。

如上所述的次同步振荡抑制器多机协调控制方法易于工程实践应用，在一定的区域范围内组网灵活，而且可以兼容不同类型的次同步振荡抑制设备，只需要在各个类型的设备上装设无线收发器与综合监控装置建立通讯实现遥控、遥调功能即可。本系统具有很强的适应性，对于未来可能出现的新的系统性问题，可以通过对综合监控装置进行软件算法升级即可满足新的控制要求。

上面结合具体实例和附图对本发明作了说明，但本发明涉及的无线通讯网络不限于上述提及的形式，包括任意类型的无线网络组网形式；次同步振荡抑制器不限于上述介绍的装置，还可以是其它类型的具有次同步振荡抑制功能的装置或设备。

Claims (7)

1.一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，其特征在于，所述的风电场次同步振荡抑制器多机协调控制系统包括综合监控装置和装设在各个风电场内的次同步振荡抑制器，控制方法是：抑制器采集各个监测点的电压、电流数据并经过AD数据采集校正环节、信号滤波环节、次同步振荡频率辨识环节将处理后的数据及抑制器的设备信息通过无线网络传输至综合监控装置，综合监控装置基于接收的数据信息经过综合数据分析环节处理后确定最佳的次同步振荡抑制方案，再经过自适应控制环节根据确定的次同步振荡频率和抑制方案匹配合适的控制参数，通过无线网络将控制命令及控制参数发送给各个次同步振荡抑制器以启动次同步振荡抑制模式，使得各个抑制器在进行电压及无功功率控制的同时实现次同步振荡抑制功能；

所述的AD数据采集校正环节，由分布在各个风电场内的次同步振荡抑制器对系统电压、系统电流及装置信息进行采集，并对所采集的模拟量信号进行零偏校正和相位校正，其相位校正环节的程序计算按照下式处理：

$\left\{\begin{array}{c}\sin pll=\sin theta\×\cos \mathrm{\θ}+\cos theta\×\sin \mathrm{\θ}\\ \cos pll=\cos theta\×\cos \mathrm{\θ}+\sin theta\×\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.$

其中，sintheta、costheta为电网电压同步信号的正余弦值；θ为补偿的角度，通常为信号传输延迟角或者变压器移相角；sinpll、cospll为校正后的同步信号正余弦值。

2.根据权利要求1所述的一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，其特征在于，所述的信号滤波环节，对采集到的模拟量信号经过低通滤波器滤波，并做相应的限幅，信号滤波环节采用二阶低通滤波器，其传递函数如下所示：

$\frac{{\mathrm{G\ω}}^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}\mathrm{\ω}s+{\mathrm{\ω}}^2}$

其中，ξ为滤波器阻尼系数，ω为滤波器自然角频率，G为滤波器通态增益。

3.根据权利要求1所述的一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，其特征在于，所述的次同步振荡频率辨识环节，对各个风电场监测点电网电压和流入电网的电流作FFT分析，得到所有次同步和互补的次同步振荡频率信号的幅值和相位，次同步频率范围为2Hz到49Hz。

4.根据权利要求1所述的一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，其特征在于，所述的数据综合分析环节，综合考虑多方面因素，包括振荡源、次同步振荡频率、各个风电场电压等级及短路容量、风电场发电量、次同步振荡抑制器输出功率和状态，在汇总上述信息的基础上，根据以往常规的现场实测总结的规律确定最佳的次同步振荡抑制方案。

5.根据权利要求1所述的一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，其特征在于，所述的自适应控制环节，根据检测到的次同步振荡频率和所确定的次同步振荡抑制方案向分布在各个风电场内的次同步振荡抑制器发送控制指令，并根据自适应控制算法和加权分配算法调整相关控制参数，达到最佳的抑制效果。

6.根据权利要求1所述的一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，其特征在于，所述的数据无线传输环节，次同步振荡抑制器与综合监控系统之间的数据传递，包括模拟量、装置状态及运行模式等信号；其中无线传输网络可以采用3G网络或者项目现场已有的网络。

7.根据权利要求1所述的一种风电场次同步振荡抑制器多机协调控制方法，其特征在于，所述的振荡抑制电流输出，在不启动次同步振荡抑制模式时抑制器处于恒无功运行模式或者恒电压运行模式，由于振荡抑制器就地采集监测点的电压和电流信号，所以可以通过自身的闭环控制实现对系统的无功调节；其闭环控制是基于dq轴直流分量进行PI调节的，交流量到直流量的变换矩阵C如下式所示：

上式中，ωt为对电网电压作软件锁相得到的同步信号正序相角；

利用C的逆矩阵C^-1对调节后的输出值再作逆变换即可得到基波调制信号；在振荡抑制模式启动以后，将次同步振荡抑制电流信号与此基波调制信号叠加即可得到最终的调制信号，再通过三角波比较法转换为开关脉冲信号以驱动抑制器功率模块，产生可以抑制次同步振荡的电流。