CN106972510B - 基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，包括：步骤一、在网侧控制回路中，通过电阻分压、电阻采样环节获得逆变器控制所需的Uabc、Iabc和Udc，计算此环节的具体用时；步骤二、对Uabc、Iabc和Udc进行滤波，得到有效的控制信号，计算此环节的群时延；步骤三、将步骤二获得的控制信号转换成相应的数字信号以实现网侧控制，并计算此环节的具体用时；步骤四、将模数转换后的控制信号输入网侧控制回路，计算自输入网侧控制回路至输出网侧控制回路之间CPU的控制周期T；步骤五、综合上述四个步骤所需的延时，计算不同测量环节所需的具体延时。本发明能够分析次同步振荡现象产生机理。

Description

基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，涉及风电并网运行与控制技术，具体涉及一种基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法。
背景技术
目前，风电大规模集中式并网外送已经成为最为广泛的风电外送形式，直驱式风机凭借其结构简单、高效率和高可靠性等优点逐渐成为主流的机型之一。直驱式风机通过背靠背的PWM变流器接入电网，不能显著地提供系统的惯性，故直驱式风机与弱交流电网相互作用时，系统中时有发生次同步频率范围(2～50Hz)的功率振荡。
已有的研究表明，双馈感应发电机的次同步振荡多与发电机及电力系统间的串联补偿装置或高压直流输电装置等有关。而近年来，国内多地区的永磁直驱风电场在没有经过串联补偿连接到电网的情况下发生了次同步振荡频率范围内的持续功率振荡。又因为永磁直驱风电机组轴系自然扭振频率相对较低(1-10Hz)，且永磁直驱风电机通过背靠背双PWM变流器与电力系统隔离，故直驱式风电并网发生的次同步振荡与传统的次同步振荡不同，它是一种电磁功率的振荡，并不涉及到转子轴系的扭振和风机与电网系统间的串联补偿装置。
直驱式风机通过全功率的双PWM变流器接入电力系统，将有功功率送入系统，但并没有显著地提高系统的惯性。同时，风电系统中存在大量的电力电子设备，其响应速度非常迅速，这就要求永磁直驱风机网侧控制回路中的前馈电压延时环节尽可能短。永磁直驱风机闭环控制中延时的大小将直接影响闭环控制的效果，严重时可能无法维持电力系统稳定。因此，可以通过网侧控制回路延时对永磁直驱风机次同步振荡机理分析提供一种分析方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，能够完全不对直驱式风机并网的正常运行产生影响，并能够有效地通过网侧控制回路延时计算来分析次同步振荡现象。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一、在网侧控制回路中，通过电阻分压、电阻采样环节获得逆变器控制所需的Uabc、Iabc和Udc，计算此环节的具体用时；
步骤二、对Uabc、Iabc和Udc进行滤波，得到有效的控制信号，计算此环节的群时延为ω为信号频率，ωc为滤波器截止角频率；
步骤三、将步骤二获得的控制信号输入模数转换环节，转换成相应的数字信号以实现网侧控制，并计算此环节的具体用时；
步骤四、将模数转换后的控制信号输入网侧控制回路，计算自输入网侧控制回路至输出网侧控制回路之间CPU的控制周期T；
步骤五、将Uabc、Iabc和Udc前四个步骤计算所得的控制用时分别相加，计算不同测量量Uabc、Iabc和Udc各自所需的具体总延时。
所述步骤二通过二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波。
所述ω的数值根据Uabc、Iabc和Udc的频率决定。所述的Uabc取ω＝50Hz，ωc＝1.0kHz；所述的Iabc取ω＝50Hz，ωc＝2.0kHz；所述的Udc取ω＝0Hz，ωc＝128Hz。
所述CPU的控制周期T包含控制信号输入网侧逆变器后坐标变换以及与控制相关的数学运算的时间，一般取T＝0.344ms。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：现有的研究成果忽略了直驱式风机网侧逆变器控制环节中风机并网点电压电流测量和直流电容电压测量产生的延时影响。通过计算直驱式风机网侧逆变器控制环节中引入的具体延时时间，能够对现有PSCAD模型进行改进，有利于深入研究次同步振荡的机理，进而能够分析验证延时对直驱式风机次同步振荡产生的影响。然后通过分析网侧控制回路延时与直驱式风机次同步振荡之间的关系，进一步分析直驱式风机次同步振荡的产生机理。由PSCAD仿真结果能够得知，测量延时的大小与直驱式风机次同步振荡的发生有直接关系，当没有测量延时的时候，直驱式风机则不发生次同步振荡；当测量延时增大时，次同步振荡发生。本发明为次同步振荡现象的研究提供了依据。
附图说明
图1直驱式风电单机无穷大系统的仿真模型图；
图2直驱式风机网侧逆变器控制回路示意图；
图3直驱式风电网侧逆变器并网控制的测量延时环节图；
图4不考虑网侧逆变器控制回路延时直驱式风机输出有功功率的波形图；
图5考虑网侧逆变器控制回路延时直驱式风机输出有功功率的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，仿真系统模型为单机无穷大系统，即一台1.6MW/0.69kV的直驱式风机通过0.69/35kV箱变接入35kV的无穷大系统。详细的仿真参数如下表所示。
表1：仿真系统的参数
仿真系统参数 数值
风机额定容量/MW 1.6
风机额定电压/kV 0.69
滤波电感/H 0.001
变流器开关频率/kHz 5
联接电阻/Ω 3.57
联接电感/H 0.033
变压器短路电压百分数 6％
变压器额定容量/MVA 2
直驱式风机网侧逆变器控制回路如图2所示。从直驱式风机网侧逆变器控制回路信号的产生过程可知，网侧逆变器控制回路中的延时可分为四部分考虑，如图3所示。电阻分压/采样环节用于将实际系统中较大的电压电流值等比例缩小至可测量范围，此环节引入系统的延时很小，可忽略不计。在滤波环节中，实际电力系统中采用的二阶低通滤波器会给系统引入一定的延时。电网中采用的多为二阶巴特沃斯低通滤波器，通过群时延计算和PSCAD仿真可得，直流电容电压、网侧交流电压和网侧交流电流在滤波环节的延时如下表所示。
表2：不同测量环节的滤波延时
滤波器 直流电容电压 网侧交流电压 网侧交流电流
滤波器延时/ms 1.758 0.226 0.113
PSCAD仿真/ms 1.732 0.200 0.080
模数转换环节用于将模拟信号转换成相应的数字信号以实现网侧控制，此环节引入系统的延时很小，可忽略不计。在控制信号产生环节中，对输入网侧控制回路的直流电容电压和网侧交流电压电流值进行坐标变换，并进行相应的数学运算产生控制信号输出网侧控制回路，此环节引入系统的延时即为CPU的控制周期0.344ms。
综合考虑上述四个环节的延时可知，直流电容电压的测量延时为2.102ms，交流侧电压的测量延时为0.57ms，交流侧电流的测量延时为0.457ms。为了说明本发明方法的准确性，针对直驱式风电并网的单机无穷大模型进行电磁暂态的时域仿真，在不考虑网侧逆变器控制回路延时的情况下，仿真结果如图4所示，表明在没有经过串联补偿连接到电网且不考虑逆变器延时的情况下，并没有发生次同步振荡频率范围内的持续功率振荡。在考虑网侧逆变器控制回路延时的情况下，仿真结果如图5所示，表明在没有经过串联补偿连接到电网但考虑逆变器延时的情况下，发生了次同步振荡频率范围内的持续功率振荡。本发明对于网侧控制回路延时对次同步振荡影响的分析与电磁暂态仿真结果非常一致，因此该方法能够分析直驱式风机发生次同步振荡与网侧逆变器控制回路延时之间的联系，具有较强的实用性。
以上实施例仅为本发明推荐的一个模拟实施例，其结构与参数并不以任何形式限制本发明。该领域技术人员所做的基于发明内容原则内的任何修改、变更及改进等，将不影响该发明本质内容，均应在本发明的权利保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，其特征在于，包括：
步骤一、在网侧控制回路中，通过电阻分压、电阻采样环节获得逆变器控制所需的Uabc、Iabc和Udc，计算此环节的具体用时；
步骤二、对Uabc、Iabc和Udc进行滤波，得到有效的控制信号，计算此环节的群时延为ω为信号频率，ωc为滤波器截止角频率；
步骤三、将步骤二获得的控制信号输入模数转换环节，转换成相应的数字信号以实现网侧控制，并计算此环节的具体用时；
步骤四、将模数转换后的控制信号输入网侧控制回路，计算自输入网侧控制回路至输出网侧控制回路之间CPU的控制周期T；
步骤五、将Uabc、Iabc和Udc前四个步骤计算所得的控制用时分别相加，计算不同测量量Uabc、Iabc和Udc各自所需的具体总延时。
2.根据权利要求1所述基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，其特征在于：所述步骤二通过二阶巴特沃斯低通滤波器进行滤波。
3.根据权利要求1所述基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，其特征在于：所述ω的数值根据Uabc、Iabc和Udc的频率决定。
4.根据权利要求3所述基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，其特征在于：所述的Uabc取ω＝50Hz，ωc＝1.0kHz；所述的Iabc取ω＝50Hz，ωc＝2.0kHz；所述的Udc取ω＝0Hz，ωc＝128Hz。
5.根据权利要求1所述基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，其特征在于：所述CPU的控制周期T包含控制信号输入网侧逆变器后坐标变换以及与控制相关的数学运算的时间。
6.根据权利要求1或5所述基于网侧控制回路延时的直驱风电次同步振荡分析方法，其特征在于：所述CPU的控制周期T取为0.344ms。
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基于多级线性最优方法的多频段直流附加阻尼控制器设计;丁媛媛等;《电工技术学报》;20170331;第32卷(第6期);第76-84页

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