CN107017646B - 基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法 - Google Patents

基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，将双馈风机转子电流的dq轴分量作为输入信号，经带通滤波器滤除低频分量与基频分量后得到次同步电流分量；该电流分量经比例放大器与微分环节在转子回路引入一个虚拟阻抗，进而起到增大次同步振荡阻尼，抑制次同步振荡的作用。本发明从转子控制器结构出发，研究转子电流和转子控制器输出电压的关系，得到转子侧控制器的等效电阻，即虚拟电阻值；然后利用双馈风机转子电流传递函数模型求解得到虚拟阻抗控制所需的虚拟电感值。本发明的优点是参数配置方法简单，物理概念清晰，且对虚拟电阻控制策略进行了改良，适应性较强，控制成本低，能有效抑制一定程度的次同步振荡。

Description

基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法
技术领域
本发明属于电力系统稳定与控制领域，尤其涉及一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法。
背景技术
大型集群风电接入是中国电网的发展方向。由于风能具有地域性的特点，我国的风能资源与负荷中心整体又呈逆向分布，风电的大规模、高电压、远距离输送必不可少。串联电容补偿是解决电力远距离送出的经济有效的措施之一，也是目前风电并网远距离送出的主要措施。火电经由串联补偿输送容易引发次同步谐振的问题，已经为人们所熟知；双馈风电场经串联补偿输电线路接入电网时也存在着次同步振荡问题，如2009年在美国德克萨斯州ERCOT地区的双馈风电机组发生了次同步振荡事故。
附加阻尼控制是抑制次同步振荡的有效手段之一，相比于其他控制方法，附加励磁阻尼控制具有如下优点：(1)经济性良好，附加励磁阻尼控制属于二次设备，成本远低于可控串补(TCSC)和阻塞滤波器等一次设备；(2)安装、维护、调试方便，PSS可数字化、模块化实现，占地面积小，方便安装、调试和维护。相反，TCSC、静止无功补偿器(SVC)和阻塞滤波器等一次设备须接入高压电网，不仅体积大、占地广，而且还涉及绝缘问题，安装、调试和维护工作量大。
现有研究中，风电外送系统次同步振荡抑制方法多基于经典的相位补偿控制理论，设计安装在双馈风电机组控制器中的附加阻尼控制器，用于抑制次同步振荡的阻尼控制器一般至少包含滤波环节，控制器增益环节和相位补偿环节。但控制器结构相对较为复杂，其参数配置过于繁琐，需要通过反复时域仿真试验来获得，且缺乏清晰的物理概念。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，以抑制含串联电容补偿输电线路的双馈风电外送系统中的次同步振荡，仿真实例表明，该方法能有效抑制次同步振荡。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，具体包括以下步骤：
(1)采集双馈风机转子电流的dq轴分量，采用带通滤波器进行滤波处理，滤除低频分量与基频分量后得到次同步电流分量；
(2)将所得的转子次同步电流分量经比例环节与微分环节生成转子控制器附加信号；
(3)该附加信号在转子回路引入一个虚拟阻抗，起到增大次同步振荡阻尼，抑制次同步振荡的作用。
步骤(3)中虚拟阻抗的计算方法为：
(1)从转子控制器结构出发，研究转子电流和转子控制器输出电压的关系，得到转子侧控制器的等效电阻，即虚拟电阻值；
(2)在得到虚拟电阻的基础上，利用含虚拟阻抗控制器的双馈风机转子电流传递函数模型求解得到虚拟阻抗控制所需的虚拟电感值。
虚拟阻抗的具体计算步骤为：
转子侧控制器的输出电压方程为：
Figure GDA0002288446520000021
其中，Ps_ref和Qs_ref为风电机组有功功率、无功功率参考值；Ps与Qs为风电机组输出有功功率、无功功率；ur为风电机组输出电压；Kp1与Ki1为功率控制器的比例、积分系数；Kp3与Ki3为电流控制器的比例、积分系数；idr与iqr为d、q轴的转子电流参考值。
在定子电压定向下，双馈风机定子有功功率和无功功率的增量方程为：
Figure GDA0002288446520000022
其中，Us为双馈风机定子侧电压，Lm为dq坐标系定转子同轴等效绕组间的互感，Ls为dq坐标系中转子等效两相绕组自感。
由以上两式可得转子电流增量和转子侧控制器输出电压增量的关系为：
Δur＝-Kp3(1+Kp1UsLm/Ls)·Δir
因此，转子侧控制器相当于一个等效的转子电阻，虚拟电阻值即取所得等效阻抗的电阻值：
在得到虚拟电阻值的基础上，利用引入虚拟阻抗之后的转子电流闭环传递函数生成次同步电流与原始扰动电流量相位差：
Figure GDA0002288446520000024
其中，Ir为转子电流，可视为转子侧电流次同步电流的实时反馈量；Ir_ref为转子电流参考值，可视为转子侧次同步电流原始扰动电流量。
利用所得虚拟电阻值计算得出使得G(s)在次同步振荡频率相角为180度的虚拟电抗值。
有益效果：本发明提出的虚拟阻抗控制能有效地抑制风电场的次同步振荡现象，该方法仅需加装虚拟阻抗控制器，对风电外送系统的运行方式无需作出改变，控制成本较低。
附图说明
图1是本发明的测试系统等效电路图；
图2是双馈风机转子侧控制器电流控制框图；
图3是含虚拟阻抗控制器的双馈风机转子侧控制器控制框图；
图4是虚拟阻抗控制策略抑制次同步振荡时域仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明的测试系统等效电路图，为含双馈风电场和串联电容补偿的风电外送系统，双馈风电场由数台相同的1.5MW双馈风机组成，每台双馈风机通过0.69/35kV场内变压器T1连接在同一母线上并网发电，整个双馈风电场采用单机等效模型进行模拟。整个双馈风电场再经过35/220kV变压器T2连接到220kV线路，最后经过220/500kV升压变压器T3连接到500kV线路进行远距离输电，并在500kV线路中安装串联电容XC进行补偿，该串联电容XC对500kV线路的串补度为30％。RL1、XL1为220kV线路电阻和电抗，RL2、XL2为500kV线路电阻和电抗。
本发明所述的基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，具体步骤如下：
(1)采集双馈风机转子电流的dq轴分量，采用带通滤波器进行滤波处理，滤除低频分量与基频分量后得到次同步电流分量；
(2)将所得的转子次同步电流分量经比例环节与微分环节生成转子控制器附加信号；
(3)该附加信号在转子回路引入一个虚拟阻抗，进而起到增大次同步振荡阻尼，抑制次同步振荡的作用。
双馈风电外送系统的等效电路图如图1所示，由此计算虚拟阻抗控制中需引入的虚拟电阻；双馈风机转子侧控制器电流控制框图如图2所示，建立传递函数模型，进而计算所需引入的虚拟电抗。含虚拟阻抗控制器的双馈风机转子侧控制器控制框图如图3所示。
虚拟阻抗控制器的参数配置方法具体为：
(1)从转子控制器结构出发，研究转子电流和转子控制器输出电压的关系，得到转子侧控制器的等效电阻，即虚拟阻抗控制器引入的虚拟电阻值。
在将虚拟阻抗引入双馈风机之前，需对虚拟电阻值进行配置，其配置方法为：
转子侧控制器的多个参数对风电场次同步振荡都有影响。转子侧控制器的输出电压方程可以表示为：
Figure GDA0002288446520000041
其中，Ps_ref和Qs_ref分别为风电机组有功功率、无功功率参考值；Ps与Qs为风电机组输出有功功率、无功功率，ur为风电机组输出电压；Kp1与Ki1分别为功率控制器的比例、积分系数；Kp3与Ki3分别为电流控制器的比例、积分系数；idr与iqr分别为d、q轴的转子电流参考值。
在定子电压定向下，双馈风机定子有功功率和无功功率的增量方程为：
Figure GDA0002288446520000042
其中，Us为双馈风机定子侧电压，Lm为dq坐标系定转子同轴等效绕组间的互感，Ls为dq坐标系中转子等效两相绕组自感。
由以上两式可得转子电流增量和转子侧控制器输出电压增量的关系为：
Δur＝-Kp3(1+Kp1UsLm/Ls)·Δir
可以发现，当转子电流存在一个扰动电流Δir时，该扰动电流将导致转子侧控制器的输出电压变化。因此，可以认为转子侧控制器相当于一个等效的转子电阻，该等效电阻可以表示为：
Figure GDA0002288446520000043
虚拟电阻值即取所得等效阻抗中的电阻值RRSC。
(2)在得到虚拟电阻的基础上，利用含虚拟阻抗控制器的双馈风机转子电流传递函数模型求解得到虚拟阻抗控制所需的虚拟电感值。
在得到虚拟电阻值的基础上，利用转子电流传递函数对虚拟电抗值进行配置，其配置方法为：
当双馈风机定子电流存在次同步频率的谐振分量时，转子侧控制器采集的瞬时功率和瞬时转子电流ir都会发生变化，经过转子侧控制器的控制后，其输出转子电压ur也将发生变化，又反作用于ir，同时感应定子电流变化，产生新的次同步电流。新的次同步电流与原始扰动电流量叠加，若两者相位差大于90度，则原始扰动电流被消减，该频率下的次同步电流由于形成负反馈而逐渐减小，进而达到抑制次同步振荡的目的。为使得次同步电流消减速度最大，可通过虚拟电感来使得新的次同步电流与原始扰动电流量相位差为180度。
风电外送系统受转子侧控制器电流内环控制参数的影响较大，故利用引入虚拟阻抗之后的转子电流闭环传递函数来研究新生成次同步电流与原始扰动电流量相位差：
Figure GDA0002288446520000051
其中，Ir为转子电流，可视为转子侧电流次同步电流的实时反馈量；Ir_ref为转子电流参考值，可视为转子侧次同步电流原始扰动电流量。
利用步骤(1)中所得虚拟电阻值计算得出使得G(s)在次同步振荡频率相角为180度的虚拟电抗值。
在MATLAB/Simulink中建立图1的暂态仿真模型，虚拟阻抗控制器引入的虚拟电阻值为0.8pu，虚拟电感值为1.2pu。采用本发明的次同步振荡抑制效果验证如下：设定系统初始暂态为风速9m/s、串补度30％，在11s时投入串补电容，投入电容后，可以检测出系统发生了次同步振荡。此时分别采用虚拟电阻控制与本发明提出的虚拟阻抗控制控制来抑制次同步振荡，时域仿真结果图如图4所示。由图4可知，加装了虚拟阻抗控制的风电外送系统在12s之后无次同步振荡现象，采用本发明提出的虚拟阻抗控制能有效地抑制风电场的次同步振荡现象，该方法仅需加装虚拟阻抗控制器，对风电外送系统的运行方式无需作出改变，控制成本较低。

Claims (1)

1.一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)采集双馈风机转子电流的dq轴分量，采用带通滤波器进行滤波处理，滤除低频分量与基频分量后得到次同步电流分量；
(2)将所得的转子次同步电流分量经比例环节与微分环节生成转子控制器附加信号；
(3)该附加信号在转子回路引入一个虚拟阻抗，虚拟阻抗的计算包括虚拟电阻值和虚拟电感值；通过转子电流和转子控制器输出电压的关系，计算得到转子侧控制器的等效电阻，即虚拟电阻值；在虚拟电阻的基础上，利用含虚拟阻抗控制器的双馈风机转子电流传递函数模型求解得到虚拟阻抗控制所需的虚拟电感值；
转子侧控制器的输出电压方程为：
Figure FDA0002257361330000011
其中，Ps_ref和Qs_ref为风电机组有功功率、无功功率参考值；Ps与Qs为风电机组输出有功功率、无功功率；ur为风电机组输出电压；Kp1与Ki1为功率控制器的比例、积分系数；Kp3与Ki3为电流控制器的比例、积分系数；idr与iqr为d、q轴的转子电流参考值；
在定子电压定向下，双馈风机定子有功功率和无功功率的增量方程为：
其中，Us为双馈风机定子侧电压，Lm为dq坐标系定转子同轴等效绕组间的互感，Ls为dq坐标系中转子等效两相绕组自感；
由以上两式可得转子电流增量和转子侧控制器输出电压增量的关系为：
Δur＝-Kp3(1+Kp1UsLm/Ls)·Δir
因此，转子侧控制器相当于一个等效的转子电阻，虚拟电阻值即取所得等效阻抗的电阻值：
在得到虚拟电阻值的基础上，利用引入虚拟阻抗之后的转子电流闭环传递函数生成次同步电流与原始扰动电流量相位差：
Figure FDA0002257361330000021
其中，Ir为转子电流，可视为转子侧电流次同步电流的实时反馈量；Ir_ref为转子电流参考值，可视为转子侧次同步电流原始扰动电流量；利用所得虚拟电阻值计算得出使得G(s)在次同步振荡频率相角为180度的虚拟电抗值。
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