CN107147132A - 一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法 - Google Patents
一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，所述方法具体为：当串补并网系统的等值电抗Xeq(ω)=0时，控制对应频率点串补并网系统等值电阻Req(ω)＞0，进而抑制双馈风电机组次同步谐振，解决了现有的方法存在参数计算复杂，分析结果存在误差的技术问题，实现了充分考虑双馈风电机组转子侧变流器控制回路参数对系统次同步谐振的影响，并且参数整定灵活、简单，可有效抑制双馈风电机组的次同步谐振的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统控制技术领域，具体地，涉及一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法。
背景技术
风电是一种清洁无污染、可以大规模应用的可再生能源。风力发电并网运行是实现风能大规模利用的主要途径。双馈感应发电机(doubly-fed induction generator，DFIG)，由于其具有灵活的有功无功控制能力而在实际风电场中得到广泛应用。
由于我国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。为了实现风能远距离输电，提高风能利用率，串联补偿是目前采用的有效技术措施之一。然而串联补偿电容的使用，也引发了风电机组产生次同步谐振(Sub-synchronous Resonance，SSR)的风险。2009年10月，位于美国德克萨斯州南部的ZorilloGul风电机组发生了一起次同步谐振的重大事故，并由此引发了对风力发电系统次同步谐振问题的广泛关注。
利用双馈风电机组自身控制器，通过引入阻尼控制环节来抑制次同步谐振的方式，不需要增加额外设备，是一种经济有效的方式。传统方法一般在控制系统中利用相位补偿原理以附加阻尼模块，增加电气阻尼，达到抑制双馈风电机组次同步谐振的目的。但传统设计方法，参数整定计算相对复杂，也缺乏对清晰的物理机理认识。
对于双馈风电机组，其在次同步频率下，转子等效电阻呈负值。当转子等效电阻的幅值超过了定子和输电线路的等效电阻之和时，从系统侧看过去，整个系统电阻值将呈现负值，这将导致线路电流持续发散振荡，即系统产生次同步谐振现象。
但对于双馈电机，由于变流器控制回路的存在，其控制回路参数将影响双馈风电机组转子回路等效电阻值，进而影响系统的阻尼，而现有分析方法中，通常忽略了变流器控制回路的存在，将双馈电机等效为异步发电机，必然造成分析结果的误差。
发明内容
本发明提供了一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，解决了现有的方法存在参数计算复杂，分析结果存在误差的技术问题，实现了充分考虑双馈风电机组转子侧变流器控制回路参数对系统次同步谐振的影响，并且参数整定灵活、简单，可有效抑制双馈风电机组的次同步谐振的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，所述方法具体为：当串补并网系统的等值电抗Xeq(ω)＝0时，控制对应频率点串补并网系统等值电阻Req(ω)＞0，进而抑制双馈风电机组次同步谐振。
本申请中的方法利用等值阻抗法分析双馈风电机组经并网系统的次同步谐振现象时，考虑了变流器控制回路的影响。本方法能够得到双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗随频率变化的趋势。根据次同步谐振的机理，双馈风电机组经串补并网系统的次同步谐振阻尼大小与系统等值电抗Xeq(ω)＝0时所对应频率点系统等值电阻Xeq(ω)的大小有关。当等值电抗Xeq(ω)＝0时所对应频率点系统等值电阻Req(ω)＞0，则表示系统次同步谐振阻尼为正，不会发生次同步谐振现象；当等值电抗Xeq(ω)＝0时所对应频率点系统等值电阻Req(ω)＜0，则表示系统次同步谐振阻尼为负，将会产生次同步谐振现象。
进一步的，所述方法具体为：双馈风电机组转子两侧分别附加阻尼控制模块，阻尼控制模块包括：带通滤波器和比例放大器，带通滤波器与比例放大器连接，比例放大器与转子电压控制回路连接；分别以双馈电机转子电流q轴分量和d轴分量作为输入量，经过带通滤波器，再经过-KR的比例放大器，得到转子d轴和q轴的附加电压信号；
带通滤波器闭环传递函数如下：
选取KR补偿转子侧变流器控制回路等效电阻Rrsc,eq和转子绕组电阻Rr，即：
Rr+Rrsc,eq-KR＝0。
进一步的，所述方法具体包括：
建立双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型；
基于建立的双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型，并结合双馈风电机组模型，获得双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型；
基于双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型，获得双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗随频率变化的趋势：当串补并网系统的等值电抗Xeq(ω)＝0时，控制对应频率点串补并网系统等值电阻Req(ω)＞0，进而抑制双馈风电机组次同步谐振。
进一步的，频域下转子侧变流器的等效电阻和等效电抗为：
其中，Kp1、Kp2为双馈电机转子侧变流器功率外环和电流内环的比例系数；Ki1、Ki2为双馈电机转子侧变流器功率外环和电流内环的积分系数；Ls、Lr、Lm为双馈电机定子自感、转子自感、定转子互感。
进一步的，所述建立双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型，具体包括：
基于双馈风电机组转子侧变流器的双闭环控制回路，该回路由功率外环和电流内环构成；对于功率外环，令uref＝Pref+jQref，通过对PI控制器进行电路等效，推导出双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路初步模型；进一步对上述初步模型进行戴维南等效，则双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型简化为一个电压源与阻抗的串联模型。
进一步的，频域下双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗的解析表达式为：
式中，Rs、RL分别为双馈电机定子电阻、输电线路电阻；Lls、Llr分别为双馈电机定转子漏感；ωr为双馈电机转子电角速度；CL为串补电容。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
由于本发明从转子侧变流器PI控制回路等值电路出发，建立了双馈风电机组转子侧变流器的等效电路模型，结合双馈风电机组模型，进而获得双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型，并推导出双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗解析表达式，据此可方便分析双馈风电机组经串补并网系统的次同步谐振现象，在此基础上，引入附加阻尼控制环节，使得当串补并网系统的等值电抗Xeq(ω)＝0时，对应频率点串补并网系统等值电阻Req(ω)＞0，进而抑制双馈风电机组次同步谐振。所以有效解决了现有的方法存在参数计算复杂，分析结果存在误差的技术问题，进而实现了充分考虑双馈风电机组转子侧变流器控制回路参数对系统次同步谐振的影响，并且参数整定灵活、简单，可有效抑制双馈风电机组的次同步谐振的技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是转子侧变流器控制回路示意图；
图2是转子侧变流器的等效电路模型示意图；
图3是双馈风电机组转子侧变流器控制回路戴维南等效电路模型示意图；
图4是双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型示意图；
图5是双馈风电机组经串补并网系统的戴维南等效电路示意图；
图6是DFIG转子侧附加阻尼控制框图；
图7是考虑转子侧附加阻尼控制的双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型示意图；
图8是双馈风电机组有功功率、串联补偿电容电压、双馈电机转子转速的动态变化过程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，解决了现有的方法存在参数计算复杂，分析结果存在误差的技术问题，实现了充分考虑双馈风电机组转子侧变流器控制回路参数对系统次同步谐振的影响，并且参数整定灵活、简单，可有效抑制双馈风电机组的次同步谐振的技术效果。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请提供了一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，包括：
1、建立双馈风电机组转子侧变流器的等效电路模型。
图1所示为双馈风电机组转子侧变流器的双闭环控制回路，由功率外环和电流内环构成。其中Kp1、Ki1为功率外环的比例和积分系数；Pref、Ps表示有功功率参考值和量测值；Qref、Qs表示无功功率参考值和量测值；ird_ref、ird分别为电流环d轴参考值和转子电流值；irq_ref、irq分别为电流环q轴参考值和转子电流值；urd，urq分别为d轴和q轴转子电压值。
对于功率外环，令uref＝Pref+jQref，这样转子侧变流器控制回路就可看成由电压跟踪型PI控制单元构成的功率外环，以及由电流跟踪型PI控制单元构成的电流内环组成，通过对PI控制器进行电路等效，可推导出双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型，如图2所示。
进一步对上述电路进行戴维南等效，则双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型可简化为一个电压源与阻抗的串联，如图3所示。
图3中，
将s＝jω带入上式子，可得到频域下转子侧变流器的等效电阻和等效电抗：
2、建立双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型
根据1)给出的双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型，再结合双馈电机模型，可得到如图4所示双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型。
图4中LT1、LT2、LL风电机组及输电线路升压变压器电感、输电线路电感；Lls、Llr、Lm为双馈电机定子漏感、转子漏感、定转子互感；Rs、Rr、RL分别为定转子电阻、输电线路电阻；CL为串补电容。转差率sslip＝(ω1-ωr)/ω1，在复频域下转差率可表示为：
进一步对上述电路进行戴维南等效，图4所示双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型可进一步简化如图5所示。
其中，双馈风电机组经串补并网系统的戴维南等效电压源为：
双馈风电机组经串补并网系统的戴维南等效阻抗：
将s＝jω带入式子，可得到频域下双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗的解析表达式：
式中，Rrsc,eq(ω)、Xrsc,eq(ω)由1给出。
通过上述Req(ω)、Xeq(ω)的解析表达式，我们可以得到双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗随频率变化的趋势。根据次同步谐振的机理，双馈风电机组经串补并网系统的次同步谐振阻尼大小与系统等值电抗Xeq(ω)＝0时所对应频率点系统等值电阻Xeq(ω)的大小有关。当等值电抗Xeq(ω)＝0时所对应频率点系统等值电阻Req(ω)＞0，则表示系统次同步谐振阻尼为正，不会发生次同步谐振现象；当等值电抗Xeq(ω)＝0时所对应频率点系统等值电阻Req(ω)＜0，则表示系统次同步谐振阻尼为负，将会产生次同步谐振现象。
因此，只要保证等值电抗Xeq(ω)＝0时所对应频率点系统等值电阻Req(ω)＞0，系统就不会发生系统谐振现象。正是基于此，本发明通过对双馈风电机组的转子侧变流器进行改进，以增大次同步频率下的系统等值电阻，进而增大系统次同步阻尼，起到抑制次同步谐振的作用。
3)抑制双馈风电机组次同步谐振的附加阻尼控制方法
本发明设计的次同步谐振控制策略如图6所示。分别以双馈电机转子电流q轴分量和d轴分量作为输入量，经过带通滤波器，目的是仅让次同步频率电流流过，再经过-KR的比例放大器，得到转子d轴和q轴的附加电压信号。
带通滤波器采用巴特沃斯(Butterworth)滤波器，其闭环传递函数如下：
为了不影响双馈电机低电压穿越控制，KR的不易过大，本文选取KR刚好补偿转子侧变流器控制回路等效电阻Rrsc,eq和转子绕组电阻Rr，即
Rr+Rrsc,eq-KR＝0
图7给出了附加阻尼控制环节后的双馈风电机组经串补并网系统的等效阻抗模型。可以看出，增加附加阻尼控制环节后相当于在转子侧电路上串联了一个电阻值为-KR的电阻，使得转子侧等效电阻变为Rr,eq＝(Rr+Rrsc,eq-KR)/sslip。因为在次同步频率下，转子侧等效电阻呈负值，串入一个电阻值为-KR的电阻可以减小整个转子侧等效负电阻的幅值，进而增大系统等值电阻，进而增大系统次同步阻尼，起到抑制次同步谐振的作用。
为了验证本文提出的方法的有效性，本文在MATLAB/Simulink中搭建了双馈风电机组经串联补偿线路并网系统的仿真模型，进行暂态性能时域仿真分析，在t＝5s时投入串联补偿电容，并观察投入串联补偿电容后系统运行状态的动态变化过程。图8为初始风速7m/s，串补度为60％时双馈风电机组有功功率、串联补偿电容电压、双馈电机转子转速的动态变化过程。
从图8可以看出，在t＝5s接入串补度为60％的串联补偿电容后，系统存在严重次同步振荡现象，但采用本文设计的虚拟电阻控制策略后，系统则很快趋于稳定，表明本文提出基于虚拟电阻的转子侧附加阻尼控制策略能有效抑制次同步振荡的发生。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
由于本发明从转子侧变流器PI控制回路等值电路出发，建立了双馈风电机组转子侧变流器的等效电路模型，结合双馈风电机组模型，进而获得双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型，并推导出双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗解析表达式，据此可方便分析双馈风电机组经串补并网系统的次同步谐振现象，在此基础上，引入附加阻尼控制环节，使得当串补并网系统的等值电抗Xeq(ω)＝0时，对应频率点串补并网系统等值电阻Req(ω)＞0，进而抑制双馈风电机组次同步谐振。所以有效解决了现有的方法存在参数计算复杂，分析结果存在误差的技术问题，进而实现了充分考虑双馈风电机组转子侧变流器控制回路参数对系统次同步谐振的影响，并且参数整定灵活、简单，可有效抑制双馈风电机组的次同步谐振的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，其特征在于，所述方法具体为：当串补并网系统的等值电抗Xeq(ω)＝0时，控制对应频率点串补并网系统等值电阻Req(ω)＞0，进而抑制双馈风电机组次同步谐振。
2.根据权利要求1所述的抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，其特征在于，所述方法具体为：双馈风电机组转子两侧分别附加阻尼控制模块，阻尼控制模块包括：带通滤波器和比例放大器，带通滤波器与比例放大器连接，比例放大器与转子电压控制回路连接；分别以双馈电机转子电流q轴分量和d轴分量作为输入量，经过带通滤波器，再经过-KR的比例放大器，得到转子d轴和q轴的附加电压信号；
带通滤波器闭环传递函数如下：
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其中，A、B、C、D、E、F、G为带通滤波器参数；
选取KR补偿转子侧变流器控制回路等效电阻Rrsc,eq和转子绕组电阻Rr，即：
Rr+Rrsc,eq-KR＝0。
3.根据权利要求1所述的抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，其特征在于，所述方法具体包括：
建立双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型；
基于建立的双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型，并结合双馈风电机组模型，获得双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型；
基于双馈风电机组经串补并网系统的等效电路模型，获得双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗随频率变化的趋势：当串补并网系统的等值电抗Xeq(ω)＝0时，控制对应频率点串补并网系统等值电阻Req(ω)＞0，进而抑制双馈风电机组次同步谐振。
4.根据权利要求3所述的抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，其特征在于，频域下转子侧变流器的等效电阻和等效电抗为：
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其中，Kp1、Kp2为双馈电机转子侧变流器功率外环和电流内环的比例系数；Ki1、Ki2为双馈电机转子侧变流器功率外环和电流内环的积分系数；Ls、Lr、Lm为双馈电机定子自感、转子自感、定转子互感。
5.根据权利要求3所述的抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，其特征在于，所述建立双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型，具体包括：
基于双馈风电机组转子侧变流器的双闭环控制回路，该回路由功率外环和电流内环构成；对于功率外环，令uref＝Pref+jQref，通过对PI控制器进行电路等效，推导出双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路初步模型；进一步对上述初步模型进行戴维南等效，则双馈风电机组转子侧变流器控制回路的等效电路模型简化为一个电压源与阻抗的串联模型。
6.根据权利要求4所述的抑制双馈风电机组次同步谐振的控制方法，其特征在于，频域下双馈风电机组经串补并网系统的等效电阻和等效电抗的解析表达式为：
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式中，Rs、RL分别为双馈电机定子电阻、输电线路电阻；Lls、Llr分别为双馈电机定转子漏感；ωr为双馈电机转子电角速度；CL为串补电容。
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