CN108988387A - 基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，建立双馈风电机组并网系统小信号模型，通过特征值分析，确定对SSR模态影响最为显著的系统参数和SSR振荡模态的主要参与因子，在获得转子电流的SSR次同步分量频率信息的基础上，通过移相变换附加于转子内环参考电流处以快速降低转子电流次同步分量，实现对系统SSR的快速抑制度。本发明能够快速降低转子电流的次同步分量，达到对系统SSR的快速抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法。
背景技术
风能是最具规模化开发前景的清洁、可再生优质能源。由于风能资源一般远离负荷中心，串联电容补偿能够有效提高远距离输电系统的输电容量，从而被风电远距离外送系统广泛采用。然而，实际运行情况表明，串联电容补偿的引入增大了风电并网系统诱发次同步谐振(sub-synchronous resonance,SSR)的风险，严重时甚至会造成并网系统设备的损伤。因此，对于风电并网系统SSR的分析以及抑制策略研究对于进一步提高风电系统的稳定运行具有重要的意义。
目前，国内外对双馈风电机组(doubly-fed induction generator，DFIG)并网系统SSR问题的研究已经取得了初步的进展。DFIG的变流器控制是引起SSR的关键因素，在风速较低时将产生明显的“负电阻”效应，进而导致SSR的发生。针对含DFIG并网系统SSR发生机理和振荡特性的研究，主要基于频率扫描、特征值分析和时域仿真三种方法。在此分析的基础上，目前主要的SSR抑制策略包括两类：一类是利用柔性交流输电系统(flexiblealternative current transmission,FACTS)进行SSR的抑制，另一类是利用DFIG自身变流器提供附加阻尼。在FACTS进行SSR的抑制方面，现有方法提出采用晶闸管可控串联补偿(thyristor controlled series compensation,TCSC)的SSR抑制方案。然而，该方案均需加装FACTS装置，因而增加了投资成本。在利用DFIG自身变流器进行次SSR的抑制方面，主要包括利用转子侧变流器(rotor side converter,RSC)和网侧变流器(grid sideconverter,GSC)进行SSR两类。在利用RSC进行SSR抑制方面，现有文献进行了多种方向的研究，如以DFIG转子转速作为反馈信号，通过PID相位补偿控制器进行附加阻尼控制；以RSC内环电流与GSC内环电流作为输入信号，采用多输入多输出状态空间方法设计附加阻尼控制器；等等。然而，现有SSR控制器的参数设计依赖于系统运行参数，在对系统参数估计存在偏差的情况下，其抑制效果将受到显著影响。因此，有必要研究更有效的次同步振荡抑制策略。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，本发明仅需对转子电流测量信息进行简单移相处理即可实现对SSR的快速抑制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，建立双馈风电机组并网系统小信号模型，通过特征值分析，确定对SSR模态影响最为显著的系统参数和SSR振荡模态的主要参与因子，在获得转子电流的SSR次同步分量频率信息的基础上，通过移相变换附加于转子内环参考电流处以快速降低转子电流次同步分量，实现对系统SSR的快速抑制。
进一步的，建立双馈风电机组并网系统小信号模型时，基于IEEE第一标准测试系统，将同步发电机组替换为双馈风电场，对风电场进行等效，分别构建感应发电机模型、风力机传动链模型、变流器控制模型和串联电容补偿线路模型，联立构建模型。
进一步的，对双馈风电机组并网系统小信号模型进行特征值分析，具体包括模态分析，模态频率随着转子内环比例参数以及转子外环积分参数增大而增大，随内环积分参数的增加而减小；模态阻尼随着转子内环比例参数以及内环积分参数的增大而增大，随外环积分参数的增大而减小。
更进一步的，内环比例参数对SSR模态的影响最为显著，内环积分参数的增大将导致SSR模态阻尼的下降，由于转子电流偏差量将直接通过对内环控制参数，当在系统发生扰动激励时，选取转子电流作为输入信号进行附加控制能够快速降低转子电流偏差量，从而有利于系统SSR的抑制。
进一步的，对双馈风电机组并网系统小信号模型进行特征值分析，具体包括参与因子分析，定子与转子电流、RSC内环状态变量、线路补偿电容电压状态变量对于SSR模态具有较大参与因子，且定子与转子电流对次同步模态的相关性最为显著，选取转子电流作为附加控制器的输入信号。
进一步的，对转子电流的成分进行分析，确定转子电流的次同步分量引起系统SSR的关键电流成分，引入移相平均控制器对转子电流中的次同步分量进行快速滤除，进而实现对系统SSR的快速抑制。
进一步的，表达转子电流对应的次同步分量的时域，通过延时n/fn使得转子电流的次同步分量移相半个周期，fn为转子电流SSR模态对应的频率，n为常数。
更进一步的，移相环节的引入使得处理后的转子电流信号与原信号相位相差180°。
进一步的，对移相后的转子电流乘上对应时间下的加权系数，与转子电流作加权平均处理。
更进一步的，平均环节的引入保证在滤除次同步分量的同时不影响转子电流稳态直流量的输入。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明确定了双馈风电机组RSC电流内环控制参数对SSR模态的影响最为显著，转子电流对于SSR模态最为相关。当系统发生扰动激励时，转子电流中的次同步分量突出，采用转子电流进行SSR抑制的效果更为显著；
本发明针对转子电流中的次同步分量，设计了基于移相平均的抑制策略。该策略能够快速降低转子电流的次同步分量，达到对系统SSR的快速抑制；
本发明所提出的基于转子电流移相平均的抑制策略对SSR的检测频率误差有较强的鲁棒性，在所检测的次同步振荡频率存在一定误差的情况下，该抑制策略仍能有效的抑制SSR。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的双馈风电机组并网系统结构图；
图2是本发明的双馈风电机组RSC侧控制环示意图；
图3是本发明的双馈风电机组控制参数对次同步谐振模态影响示意图；
图4是本发明的转子电流加权移相平均控制框图；
图5是本发明的转子电流加权移相平均控制框图；
图6是本发明的转子电流移相平均波形图；
图7是本发明的双馈风电机组转子电流动态响应曲线；
图8是本发明的不同附加控制位置下双馈风电机组动态响应曲线；
图9是本发明的检测频率存在误差时的仿真结果示意图；
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
本发明研究的双馈风电机组并网算例系统如图1所示，该系统基于IEEE第一标准测试系统，将同步发电机组替换为双馈风电场。其中，风电场由50台单机容量为2MW的双馈风电机组构成，本发明采用一台容量为100MW的风电机组对风电场进行了等效，等效后的双馈风电机组并网系统的参数如表1所示。
表1双馈风电机组并网系统参数
感应发电机模型
选取DFIG定子电流与转子电流为状态变量，并经坐标变换转至dq0坐标系，则感应发电机状态方程可以表示为
其中，
Xg＝[Δiqs,Δids,Δi0s,Δiqr,Δidr,Δids]T (2)
Ug＝[Δvqs,Δvds,Δv0s,Δvqr,Δvdr,Δvor]T (3)
式中，ids，iqs，idr，iqr分别为DFIG定子和转子dq轴电流；vds，vqs，vdr，vqr分为别DFIG定子和转子dq轴电压；i0s，i0r，v0s，v0r分别为定子和转子零序电流和电压分量，Δ表示变量在稳定运行点增量。
风力机传动链模型
风电机传动链两质量块状态方程可以表示为：
式中，ωb，ωr，ωt分别为系统基准电角速度、风力机和发电机转子电角速度；Ht，Hg分为别为风力机和发电机转子的惯性时间常数；K，D分别为传动链轴系的刚度系数和风力机自身阻尼系数；θ为风力机与发电机转子之间的角位移。
变流器控制模型
双馈风电机组GSC的作用是维持RSC与GSC之间直流母线电压的恒定，其控制参数对SSR影响微弱。因此，在本发明的分析过程中，忽略GSC的动态，仅考虑双馈风电机组RSC的动态，其控制框图如图2所示，动态数学模型可以用五阶状态方程表示为:
其中，
式中，Kp1，Ki1分别为转子转速比例和积分参数；KiV为定子电压积分参数；Kp2，Ki2分别为电流内环比例和积分参数；x1，x2，x3，x4为引入控制环节的中间状态变量；分别为转子电流dq轴参考分量；Vref，Vs分别为定子电压参考值与测量值；ωn为系统谐振角频率；s为系统转差率。
通过坐标变换，两相静止αβ坐标系下的转子电压可以表示如下
为初始时刻d轴与转子α轴之间的夹角。
串联电容补偿线路模型
忽略变压器饱和特性与线路分布电容等因素的影响，dq坐标系下的串联电容补偿线路状态方程的增量形式可以表示为:
式中，
XL＝[Δiql,Δidl,Δvqc,Δvdc]T (9)
iql，idl分别为流经线路电流的dq轴分量；vqc，vdc分别为串联电容电压两端的dq轴分量；EBq，EBd分为别为无穷大电源的交直流分量；RL表示变压器电阻与线路电阻之和；XL表示变压器电感与线路电感之和，XC为线路串联补偿电容电抗值。
双馈风电机组特征值分析
联立方程(1)-(12)，可以得到双馈风电机组并网系统小信号数学模型为:
式中，Asys为系统小信号数学模型特征矩阵。系统状态方程包含6阶感应发电机模型、3阶风力机传动链模型、4阶变流器控制模型以及4阶串联电容补偿线路模型在内共17阶状态方程。其中λ＝λ1,λ2,…,λ17的17个解为Asys的特征值。在所有特征值中，存在着振荡频率为5-50Hz之间的SSR模态，该模态为引起系统次同步谐振的关键模态。因此，本发明主要研究对SSR模态产生影响的关键影响因素以及该模态的参与因子。
图3所示为风速为8m/s、系统的串联电容补偿度为20％时，不同控制参数对系统SSR模态阻尼σ以及频率f的影响。图中所示结果表明：模态频率随着转子内环比例参数以及转子外环积分参数增大而增大，随内环积分参数的增加而减小；模态阻尼随着转子内环比例参数以及内环积分参数的增大而增大，随外环积分参数的增大而减小。当转子内环比例参数从0.01增加至0.04时，系统SSR模态阻尼由负转正，对应模态的时域表现为随时间振荡发散；而当转子内环积分参数增至5时，对应模态阻尼仍为负值，对应模态的时域表现为随时间振荡收敛。综合比较RSC控制参数对系统SSR模态阻尼以及频率的影响，可以得到：内环比例参数对SSR模态的影响最为显著，内环积分参数的增大也将导致SSR模态阻尼的下降。由于转子电流偏差量将直接通过对内环控制参数，当在系统发生扰动激励时，选取转子电流作为输入信号进行附加控制能够快速降低转子电流偏差量，从而有利于系统SSR的抑制。
参与因子分析
参与因子可用于定量衡量各个状态变量对系统某一个模态的影响大小，特征值的参与因子的定义为
式中，pki表示第i个状态变量对第k个模态影响大小。
W是满足方程WAsys＝λW的左特征向量矩阵。它的逆矩阵即是右特征向量矩阵并且表示为V。
表2给出了风速为8m/s时，不同串联电容补偿水平下SSR模态的参数因子大小。表中所示结果表明：定子与转子电流、RSC内环状态变量、线路补偿电容电压状态变量对于SSR模态具有较大参与因子，而其中定子与转子电流对次同步模态的相关性最为显著。
由于RSC电流内环比例控制参数对SSR模态影响显著，dq坐标系下的转子电流又与SSR模态具有较强的相关性。因此，本发明选取转子电流作为附加控制器的输入信号，以便于快速的实现对SSR的抑制。
表2不同的补偿水平下次同步模态参与因子
基于移相平均的次同步谐振抑制方案
根据分析结果表明，转子电流与SSR模态相关性显著，因此基于转子电流附加控制，能够实现对系统SSR的快速抑制。首先对转子电流的成分进行分析，确定转子电流的次同步分量引起系统SSR的关键电流成分。然后引入移相平均控制器对转子电流中的次同步分量进行快速滤除，进而实现对系统SSR的快速抑制。
转子电流成分分析
当线路中出现次同步谐振角频率为ωn的电流扰动时，忽略谐波以及GSC动态，DFIG定子电流将含有谐振角频率为ωn的电流分量。定子的三相次同步电流分量形成的旋转磁场切割转子绕组，将在转子绕组中感应出角频率为ωs-ωn的三相次同步电流分量，将三相转子电流变换到同步旋转dq坐标系，可以得到
式中，θ0为初始时刻d轴与转子a相的夹角；Ir与分别为转子基波电流的有效值和初相位；为次同步电流的初相位；ωs为电子的电角速度。
式(15)中前一项为转子电流的直流分量，后一项为转子电流的次同步分量。idr，iqr的次同步分量通过转子RSC内环PI环节引发RSC输出电压扰动，这部分扰动量反作用于转子绕组，在转子上施加角频率为ωn的次同步电压的dq轴分量。电压扰动量反作用于转子绕组将产生新的次同步电流。当转子电流与转子电压相互助增，次同步频率下的次同步电流将形成正反馈而逐渐增大，将加剧系统发生SSR的风险。
基于转子电流移相平均控制器设计
在系统稳态运行情况下，dq坐标系下转子电流为直流量。当系统发生SSR时，相应的转子电流叠加了次同步电流分量，该分量即是导致系统SSR的关键因素。针对转子电流存在的次同步分量，本发明设计移相平均控制器将该分量快速滤除。
设转子电流对应的次同步分量的时域表达式为
式中，σn为转子电流SSR模态对应的阻尼，fn为转子电流SSR模态对应的频率。
通过延时0.5/fn使得转子电流的次同步分量移相半个周期，可以得到
将式(17)乘上对应时间下的加权系数并与转子电流作加权平均处理，得到
由式(18)可知，经移相处理后的转子电流与原先转子电流分量作加权平均，对应次同步分量切好被完全抵消，其加权平均的输出结果为0。将转子电流经移相与加权平均处理后的信号附加于RSC内环参考电流处，得到的控制框图如图4所示。其中移相环节的引入使得处理后的转子电流信号与原信号相位相差180°，平均环节的引入保证在滤除次同步分量的同时不影响转子电流稳态直流量的输入。
电力系统次同步分量的快速在线监测分析可以通过简单扩展PMU装置功能加以实现。在转子电流的次同步分量的频率与阻尼可以测量准确的情况下，图4所示的抑制策略可以完全滤除转子电流对应的次同步分量。但考虑引入阻尼后，加权分量为时变量，该分量需要时时获取信号的阻尼测量信息，这将放大测量的误差，因而忽略阻尼分量的影响。转子电流的移相加权平均抑制策略可以简化为仅需量测转子电流频率信息的移相平均抑制策略，其控制框图如图5所示。
为更为直观地说明移相平均策略的抑制效果，图6给出了移相平均抑制策略的波形示意图，其中蓝线对应的为转子电流的次同步分量，红线即为转子电流次同步分量延时0.5/fn所对应的波形。可以发现红线的波谷移至蓝线对应的波峰处，红线的波峰移至蓝线的波谷处。黑线为附加移相平均抑制策略后对应的波形，可以发现：通过移相平均环节，转子电流次同步分量的含量得以快速降低。而当系统处于稳态运行的状态时，转子电流的输入量为直流量，本发明提出的移相平均控制策略并不会改变转子电流的稳态输入量，因此该附加抑制策略并不会改变系统的稳态运行点。
为了验证本发明所提出的基于转子电流移相平均的SSR抑制策略的有效性，以图1所示的双馈风电机组并网系统为例，进行了仿真分析。设置初始风速与理论分析时的情况一致，此时对应的转子转速为0.852pu。首先使并网系统运行在20％串联电容补偿度的工况下，在0.5s时刻附加的补偿电容投入使得系统的串联电容补偿度上升至55％。图7中比较了无附加控制与移相平均控制器附加在iqrref与idrref两处下转子电流的动态响应曲线。可以发现：无附加控制下转子电流的次同步分量在附加的补偿电容投入之后振荡幅值快速发散；而采用本发明提出的移相平均抑制策略后，转子电流在经历短暂的暂态后趋于稳定，抑制策略对其次同步分量抑制效果明显。
图8比较了无附加控制、在iqrref处附加提出的移相平均控制器、在idrrref处以及同时在iqrref与idrref两处附加提出的移相平均控制器时的仿真结果。可以看出，在无附加控制时，双馈风电机组的转子转速、电磁转矩、有功功率、无功功率在系统的在附加的补偿电容投入之后均呈现发散趋势，并网系统发生振荡频率约为20Hz的SSR现象。比较移相平均控制器附加在iqrref处与idrref处的结果可以发现：当系统附加的补偿电容投入之后，两种抑制策略均能快速平抑系统SSR现象，移相平均控制器附加在idrref处会有更好的平抑效果。当移相平均控制器同时附加在iqrref与idrref两处时，双馈风电系统有着最好的抑制效果，无论是双馈风电机组的电磁转矩、有功功率还是无功功率均能在最短的时间回到稳态平衡点。因此，在iqrref与idrref两处附加移相平均控制器可以最大程度的抑制并网系统SSR。
本发明提出的基于转子电流移相平均的SSR抑制策略依赖于对系统SSR振荡模式的频率的识别。然而，实际中受制于测量精度，频率的识别结果可能存在一定的误差。为了分析频率测量误差对所提出控制器的抑制效果的影响，本小节仿真分析了检测频率存在偏差时双馈风电机组有功功率的动态响应，仿真中并网系统运行工况与4.1小结相同，特征值分析结果表明此时系统的实际振荡频率为20Hz，叠加±2.5Hz以及±5Hz的频率量测误差后，得到的仿真结果图9所示。
仿真结果表明，虽然随着频率偏差的增大，本发明提出的基于转子电流移相平均的SSR抑制策略的抑制效果有所减弱，但仍能够在振荡发生后的2s内有效抑制系统SSR。由此说明该抑制策略对检测频率误差具有较好的鲁棒性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：建立双馈风电机组并网系统小信号模型，通过特征值分析，确定对SSR模态影响最为显著的系统参数和SSR振荡模态的主要参与因子，在获得转子电流的SSR次同步分量频率信息的基础上，通过移相变换附加于转子内环参考电流处以快速降低转子电流次同步分量，实现对系统SSR的快速抑制。
2.如权利要求1所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：建立双馈风电机组并网系统小信号模型时，基于I EEE第一标准测试系统，将同步发电机组替换为双馈风电场，对风电场进行等效，分别构建感应发电机模型、风力机传动链模型、变流器控制模型和串联电容补偿线路模型，联立构建模型。
3.如权利要求1所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：对双馈风电机组并网系统小信号模型进行特征值分析，具体包括模态分析，模态频率随着转子内环比例参数以及转子外环积分参数增大而增大，随内环积分参数的增加而减小；模态阻尼随着转子内环比例参数以及内环积分参数的增大而增大，随外环积分参数的增大而减小。
4.如权利要求3所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：内环比例参数对SSR模态的影响最为显著，内环积分参数的增大将导致SSR模态阻尼的下降，由于转子电流偏差量将直接通过对内环控制参数，当在系统发生扰动激励时，选取转子电流作为输入信号进行附加控制能够快速降低转子电流偏差量，从而有利于系统SSR的抑制。
5.如权利要求1所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：对双馈风电机组并网系统小信号模型进行特征值分析，具体包括参与因子分析，定子与转子电流、RSC内环状态变量、线路补偿电容电压状态变量对于SSR模态具有较大参与因子，且定子与转子电流对次同步模态的相关性最为显著，选取转子电流作为附加控制器的输入信号。
6.如权利要求1所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：对转子电流的成分进行分析，确定转子电流的次同步分量引起系统SSR的关键电流成分，引入移相平均控制器对转子电流中的次同步分量进行快速滤除，进而实现对系统SSR的快速抑制。
7.如权利要求1所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：表达转子电流对应的次同步分量的时域，通过延时n/fn使得转子电流的次同步分量移相半个周期，fn为转子电流SSR模态对应的频率，n为常数。
8.如权利要求7所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：移相环节的引入使得处理后的转子电流信号与原信号相位相差180°。
9.如权利要求1所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：对移相后的转子电流乘上对应时间下的加权系数，与转子电流作加权平均处理。
10.如权利要求9所述的一种基于转子电流移相平均的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征是：平均环节的引入保证在滤除次同步分量的同时不影响转子电流稳态直流量的输入。
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