CN106786674B - 双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双馈风机‑串补输电系统次同步谐振抑制方法及装置，该方法包括：将双馈风机‑串补输电系统电流的静止坐标下的次同步频率分量转换为DQ坐标次同步频率分量；将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，以增强双馈风机对所述系统的次同步频率分量的控制，进而抑制所述系统的次同步谐振。本发明能够有效抑制双馈风机‑串补输电系统的次同步谐振。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法及装置。
背景技术
近年来，风电作为一种绿色能源，得到了快速的发展，大规模汇集地区的风电装机容量已经与火电厂相当。串联补偿电容作为一种成熟而经济的远距离输电技术，在大规模风电的外送中具有广阔的应用前景，我国华北地区的风电外送就采用了这样的结构。
串联补偿导致火电机组次同步振荡的风险，同样存在于风电-串补输电系统中。风电-串补输电系统次同步谐振的建模、机理分析与抑制成为亟待解决的问题。然而，现有抑制方法，不易实现，且有功功率的调制导致，容易导致系统谐振；另外，从电网规划上，也需要评估风电次同步谐振风险，需要风机能够抑制次同步谐振，所以有必要从风机角度对抑制措施进行深一步的研究。
发明内容
本发明提供一种双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法及装置，以更好地抑制双馈风机-串补输电系统次同步谐振。
本发明提供一种双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，包括：将双馈风机-串补输电系统电流的静止坐标下的次同步频率分量转换为DQ坐标次同步频率分量；将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述 DQ坐标次同步频率分量，以增强双馈风机对所述系统的次同步频率分量的控制，进而抑制所述系统的次同步谐振。
一个实施例中，将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，包括：通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及谐振频率，将所述比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量。
一个实施例中，所述比例积分谐振控制器的传递函数为：
其中，Gpir为传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为传递函数的复数形式自变量，kr为谐振系数，ωc为截止频率，ω1为谐振控制器的谐振频率1，ω2为谐振控制器的谐振频率2。
一个实施例中，比例系数kp和积分系数ki保持不变。
本发明还提供一种双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置，包括：DQ坐标次同步频率分量获取单元，用于将双馈风机-串补输电系统电流的静止坐标下的次同步频率分量转换为DQ坐标次同步频率分量；次同步谐振抑制单元，用于将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，以增强双馈风机对所述系统的次同步频率分量的控制，进而抑制所述系统的次同步谐振。
一个实施例中，所述DQ坐标次同步频率分量获取单元，包括：DQ坐标次同步频率分量获取模块，用于通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及谐振频率，将所述比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量。
一个实施例中，所述次同步谐振抑制单元还用于执行：
所述比例积分谐振控制器的传递函数为：
其中，Gpir为传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为传递函数的复数形式自变量，kr为谐振系数，ωc为截止频率，ω1为谐振控制器的谐振频率1，ω2为谐振控制器的谐振频率2。
一个实施例中，所述次同步谐振抑制单元还用于执行：比例系数kp和积分系数ki保持不变。
本发明实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法及装置，通过设计使比例积分谐振控制的谐振频率点与系统的DQ轴次同步频率相匹配，能够增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从而有效地实现从风机侧对双馈风机-串补输电系统存在的次同步谐振进行抑制。本发明实施例基于DQ轴的次同步电流的比例积分谐振控制的策略，不影响原有控制器特性，保持原有控制器结构和参数，其次同步频率下的阻尼可调，可以有效抑制双馈风机的次同步谐振。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例中双馈风机-串补输电系统的结构示意图；
图3是本发明一实施例的转子侧变流器的控制结构示意图；
图4是本发明一实施例中整个风电场等效为用一台双馈电机后的系统示意图；
图5是本发明一实施例的比例积分谐振控制示意图；
图6是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的开环波特图的幅度随频率变化的波形图；
图7是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的开环波特图的相位随频率变化的波形图；
图8是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的闭环波特图的幅度随频率变化的波形图；
图9是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的闭环波特图的相位随频率变化的波形图；
图10和图11分别是在保持比例系数、积分系数及截止频率不变的情况下不同谐振系数的波特图的幅度和相位随频率变化的波形图；
图12和图13分别是保持比例系数、积分系数及谐振系数不变的情况下不同截止频率的波特图随频率变化的波形图；
图14和图15分别是本发明一实施例中故障期的谐振录波电流和谐振录波电压；
图16和图17分别是本发明一实施例中未采取抑制措施得到的定子电流仿真波形图和定子电压仿真波形图；
图18和图19分别是本发明一实施例中发生次同步谐振时双馈风机PI控制内环 D轴的参考电流和D轴的反馈电流的波形图；
图20和图21分别是本发明一实施例中发生次同步谐振时双馈风机PI控制内环 Q轴的参考电流和Q轴的反馈电流的波形图；
图22和图23分别是本发明一实施例中在PIR控制的内环中加入图5所示的谐振控制器后得到的定子电流仿真波形和定子电压仿真波形；
图24和图25分别是本发明一实施例中在PIR控制的内环中加入图5所示的谐振控制器后得到的D轴参考和Q轴参考；
图26和图27分别是本发明一实施例中在PIR控制的内环中加入图5所示的谐振控制器后得到的D轴反馈电流和Q轴反馈电流；
图28是本发明一实施例中双馈风机串补次同步谐振硬件在环实验波形图；
图29是本发明一实施例中PIR控制的定子电压及电流波形图；
图30是本发明一实施例中PIR控制的转子电压及电流波形图；
图31是本发明一实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
针对风电-串补输电系统存在次同步谐振的问题，本发明的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，创造性地发现PIR控制器能够增强控制器谐振频率点的控制，并将其引入到双馈风机-串补输电系统中的转子变流器的控制中，设计转子网侧变流器PIR控制系统，使控制器的谐振频率点与系统的电气谐振频率点相匹配，以实现了次同步谐振电流的抑制。
图1是本发明实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，可包括步骤：
S110：将双馈风机-串补输电系统电流的静止坐标下的次同步频率分量转换为DQ坐标次同步频率分量；
S120：将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，以增强双馈风机对所述系统的次同步频率分量的控制，进而抑制所述系统的次同步谐振。
本发明实施例的方法是基于DQ轴的转子侧变流器的比例积分谐振控制策略。通过将静止坐标下的系统电流的次同步频率分量，转化为DQ轴频率分量，通过设计使比例积分谐振控制的谐振频率点与系统的DQ轴次同步频率相匹配，能够增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从而有效地实现从风机侧对双馈风机-串补输电系统存在的次同步谐振进行抑制。本发明实施例基于DQ轴的次同步电流的比例积分谐振控制的策略，不影响原有控制器特性，保持原有控制器结构和参数，其次同步频率下的阻尼可调，可以有效抑制双馈风机的次同步谐振。
一个实施例中，在上述步骤S120中，将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量的方法，具体实施方式可为：通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及谐振频率，将所述比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量。
本实施例中，谐振系数越大，系统在谐振频率点的系统在谐振频率点的增益越大，其对应谐振频率点的电流控制能力越强；然而，随着谐振系数增大，相角裕度随之减小，系统的稳定性变差。截止频率变化时，系统在谐振频率点的增益不变，但可以增加谐振频率点附近的增益，增大系统带宽，在被控交流分量频率出现偏差的情况下，提高谐振频率点附近的控制精度。然而，增大截止频率同样会降低系统相角裕度。增益、带宽以及相角裕度相互矛盾。通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及截止频率，可以尽量同时满足系统的增益和系统的稳定性。
实际电网中，谐振频率随着外界条件的变化，例如，在华北张家口地区的谐振频率为6-8Hz，故在一些实施例中为了适应其频率变化，实际应用中可使用具有两个谐振频率点的谐振控制器。
一个实施例中，所述比例积分谐振控制器的传递函数可为：
其中，Gpir为传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为传递函数的复数形式自变量，kr为谐振系数，ωc为截止频率，ω2为谐振控制器的谐振频率1，ω2为谐振控制器的谐振频率2。
本实施例中，在DQ轴下，次同步分量变为与工频互补的频率，存在两个频率的分量，上述传递函数中包含ω1的谐振控制和ω2的谐振控制，利用两个频率分量同时进行谐振控制，可以增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从而增强对双馈风机- 串补输电系统存在的次同步谐振进行抑制。
一个实施例中，比例系数kp和积分系数ki保持不变。本实施例中，通过使比例系数kp和积分系数ki保持不变，可以保证控制器参数变化最小，便于实施。
本发明各实施例的方法是经过创造性劳动得到的。发明人通过对双馈风机进行建模，推导出双馈风机数学模型，得到双馈风机的控制框图，并基于该控制框图分析发现，通过设计使比例积分谐振控制的谐振频率点与系统的DQ轴次同步频率相匹配，就能够增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从风机侧抑制双馈风机-串补输电系统中的次同步谐振。
双馈风机串补输电系统数学模型
双馈风机模型：
图2是本发明一实施例中双馈风机-串补输电系统的结构示意图。如图2所示，该系统包括轴系、感应发电机301、网侧变流器(Grid Side Converter，GSC)302、转子侧变流器(Rotor Side Converter，RSC)303、变流器直流环节304、主控器307、网侧变流器控制器305、转子侧变流器控制器306及其箱式变压器。在图2中，vs为定子电压，is为定子电流，in为网侧变流器电流，ir为转子变流器电流，vdc为直流电压。
一个实施例中，双馈风机的定子电压与转子电压及磁链方程如公式(1)～(2)所示：
其中，uds和uqs分别为定子电压d轴分量和定子电压q轴分量；udr和uqr分别为转子电压d轴分量和转子电压q轴分量；ids和iqs分别为定子电流d轴分量和定子电流q轴分量；idr和iqr分别为转子电流d轴分量和转子电流q轴分量；Ψds和Ψqs分别为定子磁链的d轴分量和定子磁链的q轴分量；Ψdr和Ψqr分别为转子磁链的d轴分量和转子磁链的q轴分量；Rs为定子电阻，Rr为转子电阻，Ls、Lr及Lm分别为定子电感、转子电感及互感；ωs为定子转速；ωr为转子转速；p为微分算子。
一个实施例中，由公式(1)和(2)，可以得到双馈风机转子电压表达式如公式(3)所示：
忽略交叉耦合项，然后将转子电流d轴分量idr和转子电流q轴分量iqr项用PI 控制的闭环代替，则得到转子侧变流器的控制结构。图3是本发明一实施例的转子侧变流器的控制结构示意图。如图3所示。内环为电流跟踪控制环401、402，外环分别对应转子转速控制环403和定子无功控制环404。转子侧变流器的作用主要分为两个方面，一方面是通过控制DFIG的转速，实现最大功率追踪，进而控制DFIG定子侧所发出的有功功率；另一方面是给DFIG的转子提供励磁分量的电流，从而可以调节DFIG定子侧无功功率。在图3中，ωrref为转子参考转速，Qsref和Qs分别为定子无功参考。内外环控制均采用比例积分(ProportionalIntegrator，PI)控制。
其中，kp和ki分别为内环PI控制器的比例系数与积分系数，kp1，ki1为外环控制的比例系数与积分系数，为外环生成的电流参考。
一个实施例中，系统以华北地区某风电场实际参数为背景进行研究，该风电场经变压器升压后接至串补输电系统，考虑低压输电线路阻抗，从该风电场侧看电网等效后串补度约为6.67％。当风电场内各个风机运行工况相差不大时，整个风电场可用一台双馈电机等效。图4是本发明一实施例中整个风电场等效为用一台双馈电机后的系统示意图。在图4中，Rg、Lg、Cg分别表示等效电阻、等效电感、等效电容。其中，风电场的具体的等值参数如表1所示。
表1双馈风机和输电系统的参数
经分析得知，固定串补与DFIG机组之间的相互作用导致SSR模式(相当于L-C 谐振模式)，而在控制器的积极参与下，在特定条件下(例如低风速等)，导致在谐振点的电路总电阻小于0，因而引发不稳定的SSR。在大量安装双馈型感应发电机的风电场发生SSR时，DFIG的RSC电流跟踪比例系数kp直接参与等效负阻尼的产生， kp越大，转子提供的负阻尼就越强，就越容易产生谐振。由于串补电容的存在，系统一个电气谐振频率点，如果风机变流器在该谐振频率点缺少足够的阻尼，则会引发系统谐振，为此有必要对系统的谐振点进行控制策略的改进。
双馈风机的比例积分谐振控制
双馈风机的谐振控制：
双馈风机现有控制策略是基于DQ坐标下的比例积分控制，采用比例积分谐振控制，可以不改变原有控制结构和参数，增加实施便利性。比例积分谐振控制器由比例积分调节器和谐振调节器组成。谐振调节器的原理是在谐振频率处增益较大，而在非谐振频率处增益很小，因此，控制系统在谐振频率处可以实现零稳态误差，能够直接控制交流量，其传递函数如式(4)所示：
其中，kp是比例谐振控制器的比例部分即比例系数，ki是积分系数，kr为谐振系数，ω0为谐振频率，ωc为截止频率。比例积分谐振控制器有5个设计参数：比例系数kp、积分系数ki、谐振系数kr、截止频率ωc和谐振频率ω0。经分析可知，谐振系数kr只影响谐振控制器的增益，截止频率ωc不仅影响比例谐振控制器的增益，还影响比例谐振控制器的带宽。
发明人考虑到，由于次同步频率分量为交流分量，故可以利用比例积分谐振控制实现对次同步分量的抑制。由于已有控制器是在DQ坐标下，为了保证控制器参数变化最小，可保持比例系数kp和积分系数ki不变，可通过调节谐振频率和谐振系数来实现对次同步分量的抑制，所以可以在DQ轴下的比例积分谐振控制。
在DQ轴下，次同步分量变为与工频互补的频率，故存在两个频率的分量。例如，当次同步谐振频率为4Hz时，DQ轴下的谐振控制器分量ω1为54和ω2为46Hz。故比例积分谐振控制中，可采用两个频率分量的谐振控制器。保持原有控制器的比例系数kp和积分系数ki不变，可以得到双馈风机抑制次同步谐振的比例谐振控制。图5 是本发明一实施例的比例积分谐振控制示意图，如图5所示，采用两个频率分量的谐振控制器，包括ω1谐振控制501和ω2谐振控制502。相应地控制表达式如公式(5) 所示：
其中，Gpir为传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为传递函数的复数形式自变量，kr为谐振系数，ωc为截止频率，ω1为谐振控制器的谐振频率1，ω2为谐振控制器的谐振频率2。
图6是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的开环波特图的幅度随频率变化的波形图。图7是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的开环波特图的相位随频率变化的波形图。图8是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的闭环波特图的幅度随频率变化的波形图。图9是本发明一实施例中PIR控制器和PI控制器的闭环波特图的相位随频率变化的波形图。图6至图9示出了DFIG比例谐振控制器的伯德图。由公式(5)和图5所示比例积分谐振控制，可以得到如图6至图9中所示的PIR调节器的系统开环和闭环波特图，以及采用PI控制的波特图对比如图6至图 7所示，其中，比例系数kp＝1.6，积分系数ki＝1.2，kr1表示谐振控制器的谐振频率1 对应的谐振系数，kr1＝5，kr2表示谐振控制器的谐振频率2对应的谐振系数，kr2＝5，截止频率ωc＝10rad/s，ω1表示谐振控制器的谐振频率1，ω1＝3.14*56rad/s，ω2表示谐振控制器的谐振频率2，ω2＝3.14*44rad/s。从图6至图9所示的波特图可以看出，通过增加在谐振频率点的谐振控制，在56Hz和44Hz处的控制能力较PI控制增强，从而能够实现相应频率的控制，避免风机的次同步谐振。
谐振控制的参数设计：
一个实施例中，谐振频率时间分布有所差异，可针对不同时间的谐振频率对谐振控制的参数进行调节。例如，根据华北某地区风电谐振的频率特点，谐振频率时间分布有所差异，风机脱网前频率较高，随着风机的脱网，谐振频率逐渐降低，谐振的频率分布在4～8Hz范围内，为此需要有针对性地对谐振控制的参数进行调节。
图10和图11分别是在保持比例系数、积分系数及截止频率不变的情况下不同谐振系数的波特图的幅度和相位随频率变化的波形图。图12和图13分别是保持比例系数、积分系数及谐振系数不变的情况下不同截止频率的波特图随频率变化的波形图。图10至图13是相同比例系数kp和积分系数ki，不同谐振系数kr和截止频率ωc下双馈风机比例谐振控制系统的开环波特图。其中，由图10和图11可以看出，谐振系数 kr越大，系统在谐振频率点的增益越大，其对应谐振频率点的电流控制能力越强；然而，随着谐振系数kr增大，相角裕度随之减小，系统的稳定性变差。由图12和图13 可以看出，截止频率ωc变化时，系统在谐振频率点的增益不变，但可以增加谐振频率点附近的增益，增大系统带宽，在被控交流分量频率出现偏差的情况下，提高谐振频率点附近的控制精度；然而，增大截止频率ωc同样会降低系统相角裕度，当截止频率ωc接近谐振频率时，波特图由双峰变为了单峰，在该点的增益最大。
从图10至图13及相应分析可以看出，增益、带宽以及相角裕度相互矛盾。谐振系数kr和截止频率ωc要满足系统的增益和系统的稳定性，根据风场次同步谐振频率的变化，2MW双馈系统的PIR参数选取可为比例系数kp＝1.6，积分系数ki＝1.2，kr1表示谐振控制器的谐振频率1对应的谐振系数，kr1＝5，kr2表示谐振控制器的谐振频率2对应的谐振系数，kr2＝5，截止频率ωc＝10rad/s，ω1表示谐振控制器的谐振频率1，ω1＝3.14*56rad/s，ω2表示谐振控制器的谐振频率2，ω2＝3.14*44rad/s。
一个实施例中，一地区共有27座风电场，并网容量4175.6MW。该地区在所有 500kV运行线路的串补全部投运，220kV风电系统正常送出情况下，500kV变电站发生了多次主变异常振动声响的情况，多个风电场也出现主变异常声响。图14和图15 分别是本发明一实施例中故障期的谐振录波电流和谐振录波电压。如图14和图15 所示，通过对故障期间录波数据的分析，发现该地区各风电场和汇集站电流出现了较大幅度的振荡，振荡频率约为4～8Hz，是一种典型的系统的故障录波数据。
比例积分谐振控制的仿真分析
采取PI控制的SSR仿真：
为了进一步验证所提出的比例积分谐振控制器对次同步振荡抑制的有效性，对所研究系统进行暂态时域仿真。仿真采用2MVA风机串补的等值进行仿真，系统框图如2所示，电机使用的是南京某汽轮机生产的双馈电机参数，具体参数和工况如表2 所示，仿真采用matlab/simulink进行，双馈风机的转子侧变流器控制策略如图3 所示。由于参与次同步谐振主要是转子侧变流器，故网侧变流器不做赘述。
表2双馈风机及其工况
图16和图17分别是本发明一实施例中未采取抑制措施得到的定子电流仿真波形图和定子电压仿真波形图。如图16和图17所示，从时域波形可以看出，电流中含有 4Hz的次同步电流分量，电流谐振幅度大幅，而电压谐振幅度较小，与故障录波情况波形相似，很好的复现了风电串补次同步谐振现象。
图18和图19分别是本发明一实施例中发生次同步谐振时双馈风机PI控制内环D轴的参考电流和D轴的反馈电流的波形图。图20和图21分别是本发明一实施例中发生次同步谐振时双馈风机PI控制内环Q轴的参考电流和Q轴的反馈电流的波形图。如图18至图21所示。从DQ轴的频率来看，参考电流与反馈电流含有其次同步频率的互补频率分量46Hz，与分析一致。从幅值来看，参考电流小幅波动，该次同步电流分量是由于系统同步造成，其含量较低表明发生次同步谐振时，控制器外环处于理想工作状态，锁相环等也处于线性工作区，相位误差小。反馈电流中含有较大的次同步电流，且呈现快速发散状态，表明控制器内环缺少相应的抑制措施，故需要对控制器内环控制策略进行改进。
采取PIR控制时的仿真：
图22和图23分别是本发明一实施例中在PIR控制的内环中加入图5所示的谐振控制器后得到的定子电流仿真波形和定子电压仿真波形。图24和图25分别是本发明一实施例中在PIR控制的内环中加入图5所示的谐振控制器后得到的D轴参考和Q 轴参考。图26和图27分别是本发明一实施例中在PIR控制的内环中加入图5所示的谐振控制器后得到的D轴反馈电流和Q轴反馈电流。如图22至图27所示，从静止坐标来看，电压和电流都没有发生谐振。
对比图16和图22，图17和图23，图18和图24，图19和图25，图20和图26，图21和图27，可以得出，通过在控制器内环比例积分控制的基础上，增加次同步谐振频率点的谐振控制，能够使风机增强对该频率点的控制，从而避免次同步谐振，与理论分析相一致，证实本发明的方法有效。
为了验证提出的理论的正确性，采用RT-LAB硬件在环实验平台进行验证， RT-Lab硬件在环系统主要包括上位机、目标机及参与仿真的硬件。上位机用于搭建控制对象，编译后生成的C代码通过以太网下载到目标机中，运行时目标机将控制对象的运行信息上传至上位机中以实时监测模型运行情况。实验平台配置最新 P5600-5仿真机，内置4个计算CPU，16路模拟输入输出信号通道，32路数字信号输入输出通道，可以实现风机、光伏等变流器、控制器的硬件在环仿真，最小仿真步长为10μs。
PI控制时的硬件在环实验：
图28是本发明一实施例中双馈风机串补次同步谐振硬件在环实验波形图。采用PI控制时得到的仿真波形，如图28所示，波形从上到下依次为：定子A相电压、定子A相电流、定子B相电流及定子C相电流。电压变比为1000:1，电流变比为1000:1，仿真步长8e-5。从图28所示波形可以看出，在没有采取措施的情况下，双馈风机- 串补输电系统产生了次同步谐振，其中电压振幅较小，电流振幅较大，谐振电流呈发散状态，与故障录波和时域仿真一致。
采取PIR时的硬件在环实验：
图29是本发明一实施例中PIR控制的定子电压及电流波形图。图30是本发明一实施例中PIR控制的转子电压及电流波形图。在PI控制器的基础上，引入如图5所示的谐振控制，进行硬件在环实验。如图29和图30所示，从上到下次为：定子A 相电压、定子A相电流、定子B相电流及定子C相电流。b)图依次为转子A相电压，转子A相电流，转子B相电流，转子C相电流。对比图28和图29及图30可以看出，通过引入次同步谐振频率点的谐振控制，能够增强谐振点的控制能力，有效避免双馈风机-串补输电系统的次同步谐振，与理论和时域仿真一致。
本发明实施例对风电-串补输电系统的次同步谐振问题，提出了比例积分谐振控制算法，并设计了控制器的相应参数，进行了故障录波与仿真复现，然后在此基础上，进行了比例积分谐振控制算法的仿真，并进行了RT-LAB硬件在环验证，仿真很好的复现了故障录波情况，提出的方法能够有效抑制次同步谐振。
本发明实施例中，经分析得知，双馈风机-串补输电系统存在次同步谐振的风险，需要对双馈风机的控制策略进行改进。针对双馈风机-串补输电系统存在次同步谐振问题，提出的比例积分谐振控制，通过使控制器在系统的串补谐振点发生谐振，增强在串补电气谐振点上的控制能力，使得在次同步频率下变流器呈现正电阻，可以有效的抑制风机的次同步谐振。并通过故障录波、仿真分析、硬件在环验证了该控制策略的有效性，本发明实施例在保持原有控制策略和参数的基础上，增加谐振环节，不影响原有控制器特性，其次同步频率下的阻尼可调，可以有效抑制次同步谐振。
本发明实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，通过设计使比例积分谐振控制的谐振频率点与系统的DQ轴次同步频率相匹配，能够增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从而有效地实现从风机侧对双馈风机-串补输电系统存在的次同步谐振进行抑制。本发明实施例基于DQ轴的次同步电流的比例积分谐振控制的策略，不影响原有控制器特性，保持原有控制器结构和参数，其次同步频率下的阻尼可调，可以有效抑制双馈风机的次同步谐振。
基于与图1所示的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置，如下面实施例所述。由于该双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置解决问题的原理与双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法相似，因此该双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置的实施可以参见双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法的实施，重复之处不再赘述。
图31是本发明一实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置的结构示意图。如图31所示，本发明实施例双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置的结构示意图，可包括：DQ坐标次同步频率分量获取单元210和次同步谐振抑制单元220，二者相互连接。
DQ坐标次同步频率分量获取单元210用于将双馈风机-串补输电系统电流的静止坐标下的次同步频率分量转换为DQ坐标次同步频率分量。
次同步谐振抑制单元220用于将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，以增强双馈风机对所述系统的次同步频率分量的控制，进而抑制所述系统的次同步谐振。
本发明实施例的装置是基于DQ轴的转子侧变流器的比例积分谐振控制策略。通过将静止坐标下的系统电流的次同步频率分量，转化为DQ轴频率分量，通过设计使比例积分谐振控制的谐振频率点与系统的DQ轴次同步频率相匹配，能够增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从而有效地实现从风机侧对双馈风机-串补输电系统存在的次同步谐振进行抑制。本发明实施例基于DQ轴的次同步电流的比例积分谐振控制的策略，不影响原有控制器特性，保持原有控制器结构和参数，其次同步频率下的阻尼可调，可以有效抑制双馈风机的次同步谐振。
一个实施例中，所述DQ坐标次同步频率分量获取单元210，可包括：DQ坐标次同步频率分量获取模块。
DQ坐标次同步频率分量获取模块用于通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及谐振频率，将所述比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量。
本实施例中，谐振系数越大，系统在谐振频率点的系统在谐振频率点的增益越大，其对应谐振频率点的电流控制能力越强；然而，随着谐振系数增大，相角裕度随之减小，系统的稳定性变差。截止频率变化时，系统在谐振频率点的增益不变，但可以增加谐振频率点附近的增益，增大系统带宽，在被控交流分量频率出现偏差的情况下，提高谐振频率点附近的控制精度。然而，增大截止频率同样会降低系统相角裕度。增益、带宽以及相角裕度相互矛盾。通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及截止频率，可以尽量同时满足系统的增益和系统的稳定性。
一个实施例中，所述次同步谐振抑制单元还可用于执行：
所述比例积分谐振控制器的传递函数为：
其中，Gpir为传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为传递函数的复数形式自变量，kr为谐振系数，ωc为截止频率，ω1为谐振控制器的谐振频率1，ω2为谐振控制器的谐振频率2。
本实施例中，在DQ轴下，次同步分量变为与工频互补的频率，存在两个频率的分量，上述传递函数中包含ω1的谐振控制和ω2的谐振控制，利用两个频率分量同时进行谐振控制，可以增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从而增强对双馈风机- 串补输电系统存在的次同步谐振进行抑制。
一个实施例中，所述次同步谐振抑制单元还用于执行：比例系数kp和积分系数ki保持不变。本实施例中，通过使比例系数kp和积分系数ki保持不变，可以保证控制器参数变化最小，便于实施。
本发明各实施例的方法是经过创造性劳动得到的。发明人通过对双馈风机进行建模，推导出双馈风机数学模型，得到双馈风机的控制框图，并基于该控制框图分析发现，通过设计使比例积分谐振控制的谐振频率点与系统的DQ轴次同步频率相匹配，就能够增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从风机侧抑制双馈风机-串补输电系统中的次同步谐振。
本发明实施例的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，通过设计使比例积分谐振控制的谐振频率点与系统的DQ轴次同步频率相匹配，能够增强双馈风机对系统次同步分量的控制，从而有效地实现从风机侧对双馈风机-串补输电系统存在的次同步谐振进行抑制。本发明实施例基于DQ轴的次同步电流的比例积分谐振控制的策略，不影响原有控制器特性，保持原有控制器结构和参数，其次同步频率下的阻尼可调，可以有效抑制双馈风机的次同步谐振。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等) 上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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 (6)
1.一种双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，其特征在于，包括：
将双馈风机-串补输电系统电流的静止坐标下的次同步频率分量转换为DQ坐标次同步频率分量；
将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，以增强双馈风机对所述系统的次同步频率分量的控制，进而抑制所述系统的次同步谐振；
所述比例积分谐振控制器的传递函数为：
其中，Gpir为传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为传递函数的复数形式自变量，kr为谐振系数，ωc为截止频率，ω1为谐振控制器的谐振频率1，ω2为谐振控制器的谐振频率2。
2.如权利要求1所述的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，其特征在于，将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，包括：
通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及谐振频率，将所述比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量。
3.如权利要求1所述的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制方法，其特征在于，比例系数kp和积分系数ki保持不变。
4.一种双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置，其特征在于，包括：
DQ坐标次同步频率分量获取单元，用于将双馈风机-串补输电系统电流的静止坐标下的次同步频率分量转换为DQ坐标次同步频率分量；
次同步谐振抑制单元，用于将所述系统的转子侧变流器中的比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量，以增强双馈风机对所述系统的次同步频率分量的控制，进而抑制所述系统的次同步谐振；
所述次同步谐振抑制单元还用于执行：
所述比例积分谐振控制器的传递函数为：
其中，Gpir为传递函数，kp为比例系数，ki为积分系数，s为传递函数的复数形式自变量，kr为谐振系数，ωc为截止频率，ω1为谐振控制器的谐振频率1，ω2为谐振控制器的谐振频率2。
5.如权利要求4所述的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置，其特征在于，所述DQ坐标次同步频率分量获取单元，包括：
DQ坐标次同步频率分量获取模块，用于通过调节所述比例积分谐振控制器的谐振系数及谐振频率，将所述比例积分谐振控制器的谐振频率点设置为所述DQ坐标次同步频率分量。
6.如权利要求4所述的双馈风机-串补输电系统次同步谐振抑制装置，其特征在于，所述次同步谐振抑制单元还用于执行：比例系数kp和积分系数ki保持不变。
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