CN107579531B - 双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法，包括以下步骤：S1：建立双馈风电外送系统的状态‑空间方程；S2：选取临界阻尼α_cri，以风速构成的“风速稳定域”为目标，利用遗传算法对附加阻尼控制器的各个参数进行优化；S3：根据步骤S2优化得到的附加阻尼控制器的各个参数，对风电外送系统进行特征值分析，判断所使用的附加阻尼控制器是否能使得“风速稳定域”最大：如果不满足，则返回步骤S2；如果满足，则结束。本发明能够最大限度地保证控制器的鲁棒性，且同样适用于其他附加阻尼控制器的设计，具有良好的应用价值。

Description

双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制领域，特别是涉及双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法。

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。最近几年，双馈风电场经由串联补偿输电线路接入电网的次同步谐振问题也开始受到关注。在双馈风电机组的控制器中安装次同步阻尼控制器，引入阻尼控制环节来抑制次同步振荡，作为一种经济有效的方式得到了深入研究。

然而，传统阻尼控制器设计往往采用逐点法分析，即对某个或某几个运行状态分析系统的稳定性，无法获得系统的整体稳定性测度。并且由于风力资源的间歇性与随机性，以及双馈风电机组因变频器所带来的结构特点导致设计的控制器可能存在鲁棒性不足的问题。

“域”的方法是同目前广泛使用的逐点法截然不同的方法学，它可以克服“逐点法”无法对系统运行状态作出整体评判的不足，同时可以提供系统的整体稳定性测度。但传统的小扰动稳定域以虚轴为界，往往用于判别系统的稳定范围，难以应用于阻尼控制器的设计。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法，包括以下步骤：

S1：建立双馈风电外送系统的状态-空间方程；

S2：选取临界阻尼α_cri，以风速构成的“风速稳定域”为目标，利用遗传算法对附加阻尼控制器的各个参数进行优化；

S3：根据步骤S2优化得到的附加阻尼控制器的各个参数，对风电外送系统进行特征值分析，判断所使用的附加阻尼控制器是否能使得“风速稳定域”最大：如果不满足，则返回步骤S2；如果满足，则结束。

进一步，所述步骤S2中，设计附加阻尼控制器所使用的“风速稳定域”以特征根穿越阻尼轴时风速的大小为稳定域边界，来划分风电外送系统安全稳定运行范围，位于所述“风速稳定域”边界内的范围为符合风电外送系统次同步振荡安全标准的风速变化范围；

进一步，所述步骤S2中，优化的过程如下：

将优化问题转换成求取最小值问题，则目标函数J如式(1)所示：

J＝min(V_min-V_max) (1)

式(1)中，V_min、V_max分别为风速构成的“域”的左、右边界，双馈风机DFIG在风速变化情况下的安全运行范围V∈[V_min，V_max]；

约束条件为：

式(2)中，K为附加阻尼控制器的放大倍数，T_i为附加阻尼控制器移向环节的时间常数，需要优化的附加阻尼控制器参数向量p为：

p＝[K T₁₁ T₁₂ T₂₁ T₂₂] (3)。

有益效果：本发明公开了一种双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法，以特征根穿越阻尼轴时风速的大小为“域”边界，划分双馈风电外送系统安全稳定运行范围，位于“域”边界内的范围为符合双馈风电外送系统次同步振荡安全标准的运行范围。为使得双馈风电场在风速变化情况下的安全运行范围最大，本发明直接以“域”为目标，利用遗传算法求取附加阻尼控制器的参数。所得的阻尼控制器可确保风电外送系统在“域”内的次同步振荡特征根能够满足一定的阻尼比要求，具有很强的实用性。此外，这种基于“域”的参数设计方法能够最大限度地保证控制器的鲁棒性，且同样适用于其他附加阻尼控制器的设计，具有良好的应用价值。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的方法流程图；

图2为本发明具体实施方式中测试系统的结构图；

图3为本发明具体实施方式中附加阻尼控制器的结构及安装位置图；

图4为本发明具体实施方式中附加阻尼控制器在不同风速下抑制次同步振荡时域仿真图；

图4(a)为风速v＝7m/s，未安装附加阻尼控制器时的抑制次同步振荡时域仿真图；

图4(b)为风速v＝7m/s，安装附加阻尼控制器时的抑制次同步振荡时域仿真图；

图4(c)为风速v＝9m/s，未安装附加阻尼控制器时的抑制次同步振荡时域仿真图；

图4(d)为风速v＝9m/s，安装附加阻尼控制器时的抑制次同步振荡时域仿真图；

图4(e)为风速v＝11m/s，未安装附加阻尼控制器时的抑制次同步振荡时域仿真图；

图4(f)为风速v＝11m/s，安装附加阻尼控制器时的抑制次同步振荡时域仿真图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式使用的验证实例为含双馈风电场和串联电容补偿的风电外送系统，其系统结构如图2所示。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来进行模拟。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进行补偿，该串联电容对500kV线路的串补度为8％。图中，R_L1、X_L1为220kV线路电阻和电抗，R_L2、X_L2为500kV线路电阻和电抗，X_C为串补电容容抗。当双馈风机运行在最大风能跟踪模式下时，转速与风速之间呈正相关。故本具体实施方式将转速偏差信号Δω作为附加阻尼控制器的输入，以便阻尼控制器在多种风速情况下能更有效地抑制次同步振荡。控制器结构如图3所示，主要由带通滤波器、增益环节、超前滞后环节和限幅环节组成。

本具体实施方式公开了一种双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1：建立双馈风电外送系统的状态-空间方程。

S2：选取临界阻尼α_cri＝-0.3(1/s)，以风速构成的“风速稳定域”为目标，利用遗传算法对附加阻尼控制器的各个参数进行优化；

优化的过程如下：

将优化问题转换成求取最小值问题，则目标函数J如式(1)所示：

J＝min(V_min-V_max) (1)

其中式(1)中，V_min、V_max分别为风速构成的“域”的左、右边界，DFIG在风速变化情况下的安全运行范围V∈[V_min，V_max]；

约束条件为：

其中式(2)中，K为附加阻尼控制器的放大倍数，T_i为附加阻尼控制器移向环节的时间常数，需要优化的附加阻尼控制器参数向量p为：

p＝[K T₁₁ T₁₂ T₂₁ T₂₂] (3)。

所得的优化结果如表1所示：

表1优化所得附加阻尼控制器参数

设计附加阻尼控制器所使用的“风速稳定域”以特征根穿越阻尼轴时风速的大小为稳定域边界，来划分风电外送系统安全稳定运行范围，位于所述“风速稳定域”边界内的范围为符合风电外送系统次同步振荡安全标准的风速变化范围。

S3：根据步骤S2优化得到的附加阻尼控制器的各个参数，对风电外送系统进行特征值分析，判断所使用的附加阻尼控制器是否能够确使得“风速稳定域”最大：如果不满足，则返回步骤S2；如果满足，则结束。

双馈风机加装该附加阻尼控制器后，计算得次同步振荡模式阻尼随风速的变化如表2所示。

表2加装附加阻尼控制器后次同步振荡模式阻尼随风速的变化

如图4所示，在相同的运行状态下用时域仿真模型验证利用稳定域优化后的阻尼控制器在风速7、9和11m/s的情况下对次同步振荡的抑制能力。特征值与仿真结果均表明，该方法优化所得的参数具有很强的鲁棒性，所有风速下次同步模式的实部均小于-0.3，保证了双馈风机在最大风能跟踪模式下能够稳定运行。

Claims (2)

1.双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：建立双馈风电外送系统的状态-空间方程；

S2：选取临界阻尼α_cri，以风速构成的“风速稳定域”为目标，利用遗传算法对附加阻尼控制器的各个参数进行优化；所述步骤S2中，设计附加阻尼控制器所使用的“风速稳定域”以特征根穿越阻尼轴时风速的大小为稳定域边界，来划分风电外送系统安全稳定运行范围，位于所述“风速稳定域”边界内的范围为符合风电外送系统次同步振荡安全标准的风速变化范围；

S3：根据步骤S2优化得到的附加阻尼控制器的各个参数，对风电外送系统进行特征值分析，判断所使用的附加阻尼控制器是否能使得“风速稳定域”最大：如果不满足，则返回步骤S2；如果满足，则结束。

2.根据权利要求1所述的双馈风电附加阻尼控制器的“域”设计方法，其特征在于：所述步骤S2中，优化的过程如下：

将优化问题转换成求取最小值问题，则目标函数J如式(1)所示：

J＝min(V_min-V_max) (1)

式(1)中，V_min、V_max分别为风速构成的“域”的左、右边界，双馈风机DFIG在风速变化情况下的安全运行范围V∈[V_min，V_max]；

约束条件为：

式(2)中，K为附加阻尼控制器的放大倍数，T_i为附加阻尼控制器移向环节的时间常数，需要优化的附加阻尼控制器参数向量p为：

p＝[K T₁₁ T₁₂ T₂₁ T₂₂] (3)。