CN107370183B - 双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法和控制器 - Google Patents
双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法和控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供了一种双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法和控制器,所述方法包括:根据双馈风机发电系统的数学模型建立复频域传递函数G(s);基于传递函数定义特征多项式δ(s,kp,ki),在特征多项式中PI控制器的控制参数kp、ki同时出现在s的奇数次幂项和偶数次幂项中;基于传递函数和特征多项式定义测试多项式v(s),在测试多项式中kp、ki在s的奇数次幂项和偶数次幂项中实现分离;对测试多项式v(s)进行傅立叶变换,kp出现在虚部多项式q(ω,kp)中,ki出现在实部多项式p(ω,ki)中,通过q(ω,kp)确定kp的取值范围,根据每一个固定的kp值确定能够使p(ω,ki)>0的ki值。
Description
技术领域
本申请涉及风电设备技术领域,尤其涉及一种双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法和控制器。
背景技术
随着能源、环境危机的加剧,世界各国利用可再生能源的步伐在不断加速。近年来,风力发电作为技术较为成熟的可再生能源发电形式之一,发展十分迅速,许多国家已经做出大规模开发利用风能的决策和规划。双馈风力发电机(Doubly-Fed InductionGenerator,DFIG)具有成本低,技术成熟,电力电子变流装置所需要的容量小等优点,目前在我国得到了广泛使用。随着并网双馈风电场容量的增大以及风力发电渗透率的提高,由双馈风电场产生的次同步间谐波以及次同步振荡问题日渐凸现,而次同步间谐波的频率很可能与汽轮发电机组的轴系固有频率匹配,引起汽轮发电机组的次同步振荡,甚至导致汽轮发电机组大轴的损坏,严重影响电力系统的安全稳定运行。
目前,在双馈风机控制参数对次同步分量影响规律以及双馈风机控制参数的次同步稳定域方面,尚缺少研究。
发明内容
有鉴于此,本申请实施例提供了一种双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法和控制器,用以解决现有技术中风电场的次同步振荡影响汽轮发电机组以及电力系统安全稳定运行的技术问题。
根据本申请实施例的一个方面,提供了一种双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法,所述方法包括:根据双馈风机发电系统的数学模型建立复频域传递函数G(s);基于传递函数定义特征多项式δ(s,kp,ki),在特征多项式中PI控制器的控制参数kp、ki同时出现在s的奇数次幂项和偶数次幂项中;基于传递函数和特征多项式定义测试多项式v(s),在测试多项式中kp、ki在s的奇数次幂项和偶数次幂项中实现分离;对测试多项式v(s)进行傅立叶变换,kp出现在虚部多项式q(ω,kp)中,ki出现在实部多项式p(ω,ki)中,通过q(ω,kp)确定kp的取值范围,根据每一个固定的kp值确定能够使p(ω,ki)>0的ki值。
根据本申请实施例的另一方面,提供了一种控制器,包括:处理器;用于存储处理器可执行指令的存储器;其中,处理器被配置为:执行上述双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法。
本申请实施例的有益效果包括:合理调节双馈风机RSC的d轴电流内环控制器参数,减弱或消除次同步振荡对并网双馈风电场的影响,保证系统稳定运行。
附图说明
通过以下参照附图对本申请实施例的描述,本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚,在附图中:
图1是并网双馈风电场接线图;
图2是是双馈风机RSC的d轴电流内环控制器模型示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本申请进行描述,但是本申请并不仅仅限于这些实施例。在下文对本申请的细节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。为了避免混淆本申请的实质,公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外,本领域普通技术人员应当理解,在此提供的附图都是为了说明的目的,并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求,否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义;也就是说,是“包括但不限于”的含义。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外,在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
本申请的发明人在前期研究中建立了并网双馈风电场的数学模型,并对其进行了特征值分析,发现系统中可能存在一至两个次同步振荡模态,双馈风机的转子侧变流器(Rotor Side Converter,RSC)的d轴电流内环控制器参数对次同步振荡模态影响显著,控制参数设置不当可能导致模态的阻尼为负,即导致该模态成为不稳定的次同步振荡模态,进而使整个系统失去稳定。因此,有必要发明一种双馈风机控制参数的次同步稳定域计算方法,以便合理设置双馈风机的控制参数,减弱或消除次同步振荡对并网双馈风电场的影响,保证系统稳定运行。
图1是并网双馈风电场接线示意图,RSC用来控制电机(定子侧)输出的有功和无功功率,网侧变流器(GSC)的主要作用是控制直流电压的稳定和调节电网的功率因数。图1中采用Back-to-Back拓扑形式的变流器,RSC和GSC可以方便的采取各自的控制策略且互不影响。定子侧的有功和无功功率与转子q轴、d轴的电流存在线性关系,因此RSC采用功率外环、电流内环的双闭环控制策略。构造RSC电流内环时,需要将电流指令转换为电压指令,RSC的d轴电流内环控制器模型示意图如图2所示,然后在对电压指令进行空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)。
本申请实施例中,首先建立双馈风机发电系统的数学模型,如下式所示:
ψs、ψr代表定子、转子磁链,下标d、q分别表示d轴、q轴分量;Ls代表dq坐标系下的定子等效电感,Lm代表dq坐标系下的定子转子间等效互感,Lr代表dq坐标系下的转子等效电感;is、ir代表定子、转子电流,下标d、q分别表示d轴、q轴分量。
us、ur代表定子、转子电压,下标d、q分别表示d轴、q轴分量;Rs代表dq坐标系下的定子等效电阻,Rr代表dq坐标系下的转子等效电阻;ω1代表同步速,ω1=1pu;ωb代表角频率基值,ωb=ωg,单位为rad/s。
Cdc代表直流母线连接的电容,Udc代表直流母线的电压;ug、ig代表GSC交流侧的电压、电流,下标d、q分别表示d轴、q轴分量;ur、ir代表RSC交流侧的电压、电流,下标d、q分别表示d轴、q轴分量。
(usd+jusq)-(uSYSd+juSYSq)=(iTd+jiTq)·[RL+RSYS+j(XT1+XT2+XL+XSYS)];
isd+jisq+igd+jigq+iTd+jiTq=0。
uSYS代表电网系统电压,XT1、XT2代表同步频率下的变压器电抗,XSYS代表电网系统的等效电抗,iT代表风机输出电流,XL代表输电线路电抗。
将上述方程整理成如下的状态空间形式:
其中,X代表状态向量,U代表控制输入,Y代表测量输出,A代表状态矩阵,B代表输入矩阵,C代表输出矩阵,E代表转移矩阵。
形成风力发电系统的复频域传递函数G(s):
N(s)=Ne(s2)+sNo(s2),
D(s)=De(s2)+sDo(s2)。
其中,I代表单位矩阵,N(s)为分子多项式,D(s)为分母多项式,Ne(s2)为N(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sNo(s2)为N(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式,则No(s2)中仅含s的偶数次幂项;类似的,De(s2)为D(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sDo(s2)为D(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式,则Do(s2)中仅含s的偶数次幂项。
基于传递函数G(s)定义特征多项式δ(s,kp,ki)。
δ(s,kp,ki)=s·D(s)+(ki+kps)·N(s)
=s[De(s2)+sDo(s2)]+(ki+kps)[Ne(s2)+sNo(s2)];
由上式可知:在δ(s,kp,ki)中,PI控制器的两个控制参数(kp,ki)既出现在s的偶数次幂项中,也出现在s的奇数次幂项中。特征多项式δ(s,kp,ki)是系统闭环传递函数的分母,特征多项式的根决定系统的稳定性。
基于传递函数G(s)和特征多项式δ(s,kp,ki)定义测试多项式ν(s)。
N*(s)=N(-s)=Ne(s2)-sNo(s2);
v(s)=δ(s,kp,ki)N*(s)
={s[De(s2)+sDo(s2)]+(ki+kps)[Ne(s2)+sNo(s2)]}·[Ne(s2)-sNo(s2)]
=s2[Do(s2)Ne(s2)-De(s2)No(s2)]+ki[Ne(s2)Ne(s2)-s2No(s2)No(s2)]
+s[De(s2)Ne(s2)-s2Do(s2)No(s2)]+kps[Ne(s2)Ne(s2)-s2No(s2)No(s2)]
上式中,前两项为s的偶数次幂项,后两项为s的奇数次幂项。通过定义测试多项式v(s)实现参数分离,从而实现PI控制器控制参数的解耦,分步确定每个控制参数的取值范围。在δ(s,kp,ki)中,PI控制器的两个控制参数(kp,ki)既出现在s的偶数次幂项中,也出现在s的奇数次幂项中。而在v(s)中,kp仅出现在s的奇数次幂项中,ki仅出现在s的偶数次幂项中。
对测试多项式v(s)进行傅立叶变换,令s=jω,
则v(jω)=δ(jω,kp,ki)N*(jω)=p(ω,ki)+jq(ω,kp)。
式中,p(ω,ki)=p1(ω)+kip2(ω),q(ω,kp)=q1(ω)+kpq2(ω),
p1(ω)=-ω2[Do(-ω2)Ne(-ω2)-De(-ω2)No(-ω2)],
p2(ω)=Ne(-ω2)Ne(-ω2)+ω2No(-ω2)No(-ω2),
q1(ω)=ω[De(-ω2)Ne(-ω2)+ω2Do(-ω2)No(-ω2)],
q2(ω)=ω[Ne(-ω2)Ne(-ω2)+ω2No(-ω2)No(-ω2)]。
要使系统稳定,v(s)应与N*(s)有相同个数的闭环右半平面零点,kp取值范围的确定方式为:q(ω,kp)=0至少有β个非负实根。
式中,l(N(s))和r(N(s))分别为N(s)在开环左半平面和右半平面的根的个数,n和m分别为δ(s,kp,ki)和N(s)的阶数。
设定一个适当的步长,例如0.1,在已经确定的取值范围内扫描kp,然后针对每一个kp值,找到满足以下不等式的ki值。
即可得到能使整个系统稳定的控制器参数,避免出现不稳定的次同步振荡模态,减弱或消除次同步振荡对并网双馈风电场的影响。
此外,本申请实施例提供的用于RSC的d轴电流内环PI控制器包括:处理器,用于存储处理器可执行指令的存储器;其中,处理器被配置为:执行上述双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法。
以上所述仅为本申请的优选实施例,并不用于限制本申请,对于本领域技术人员而言,本申请可以有各种改动和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双馈风机控制参数的次同步稳定域控制方法,其特征在于,所述方法包括:
根据双馈风机发电系统的数学模型建立复频域传递函数G(s);
基于所述传递函数定义特征多项式δ(s,kp,ki),在所述特征多项式中PI控制器的控制参数kp、ki同时出现在s的奇数次幂项和偶数次幂项中;
基于所述传递函数和特征多项式定义测试多项式v(s),在所述测试多项式中kp、ki在s的奇数次幂项和偶数次幂项中实现分离;
对测试多项式v(s)进行傅立叶变换,kp出现在虚部多项式q(ω,kp)中,ki出现在实部多项式p(ω,ki)中,通过q(ω,kp)确定kp的取值范围,根据每一个固定的kp值确定能够使p(ω,ki)>0的ki值;
其中,通过q(ω,kp)确定kp的取值范围包括:
根据q(ω,kp)的非负实根的个数β确定kp取值范围,
其中,N(s)为分子多项式,l(N(s))和r(N(s))分别为N(s)在开环左半平面和右半平面的根的个数,n和m分别为δ(s,kp,ki)和N(s)的阶数。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
复频域传递函数
其中,N(s)=Ne(s2)+sNo(s2),D(s)=De(s2)+sDo(s2);
其中,D(s)为分母多项式,Ne(s2)为N(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sNo(s2)为N(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式,De(s2)为D(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sDo(s2)为D(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
特征多项式δ(s,kp,ki)=s·D(s)+(ki+kps)·N(s);
其中,D(s)为分母多项式。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,
测试多项式v(s)=δ(s,kp,ki)N*(s),其中N*(s)=N(-s)=Ne(s2)-sNo(s2);
其中,Ne(s2)为N(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sNo(s2)为N(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式。
5.一种PI控制器,其特征在于,包括:
处理器;
用于存储处理器可执行指令的存储器;
其中,所述处理器被配置为:根据双馈风机发电系统的数学模型建立复频域传递函数G(s);
基于所述传递函数定义特征多项式δ(s,kp,ki),在所述特征多项式中PI控制器的控制参数kp、ki同时出现在s的奇数次幂项和偶数次幂项中;
基于所述传递函数和特征多项式定义测试多项式v(s),在所述测试多项式中kp、ki在s的奇数次幂项和偶数次幂项中实现分离;
对测试多项式v(s)进行傅立叶变换,kp出现在虚部多项式q(ω,kp)中,ki出现在实部多项式p(ω,ki)中,通过q(ω,kp)确定kp的取值范围,根据每一个固定的kp值确定能够使p(ω,ki)>0的ki值;
其中,通过q(ω,kp)确定kp的取值范围包括:
根据q(ω,kp)的非负实根的个数β确定kp取值范围,
其中,N(s)为分子多项式,l(N(s))和r(N(s))分别为N(s)在开环左半平面和右半平面的根的个数,n和m分别为δ(s,kp,ki)和N(s)的阶数。
6.根据权利要求5所述的PI控制器,其特征在于,
复频域传递函数
其中,N(s)=Ne(s2)+sNo(s2),D(s)=De(s2)+sDo(s2);
其中,D(s)为分母多项式,Ne(s2)为N(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sNo(s2)为N(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式,De(s2)为D(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sDo(s2)为D(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式。
7.根据权利要求5所述的PI控制器,其特征在于,
特征多项式δ(s,kp,ki)=s·D(s)+(ki+kps)·N(s);
其中,D(s)为分母多项式。
8.根据权利要求5所述的PI控制器,其特征在于,
测试多项式v(s)=δ(s,kp,ki)N*(s),其中N*(s)=N(-s)=Ne(s2)-sNo(s2);
其中,Ne(s2)为N(s)中仅含s的偶数次幂项的多项式,sNo(s2)为N(s)中仅含s的奇数次幂项的多项式。
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