CN109066725B - 一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法。本方法综合考虑了直驱永磁同步风电机组的控制器结构，根据实际风电场构造及风机参数建立仿真模型，在公共连接节点处施加一个次同步频率的测试电流，获得电压谐波各分量的幅值，根据谐波各分量幅值和控制器参数之间的关系，获得等值风电场的模型参数，实现对风电场的等值建模。

Description

一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，特别地涉及一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法。

背景技术

风电具有清洁、来源广泛等特点，近几年来发展迅猛。风能汇聚地区，地理上多处于偏远地区，多位于远离负荷中心的电网末端，因此我国风电场一般都采用集中并网再远距离输送的方式传输电能，由此引发的次同步振荡问题严重威胁着电力系统的安全稳定运行。

电力系统的次同步振荡属于系统的振荡失稳，是一种由特殊的机电耦合引发的电力系统各部分间持续功率交互现象。传统火电机组引发的次同步振荡，指电力系统和发电机组以低于系统同步频率的某个或多个振荡频率交换显著的能量，振荡频率一般在8～49Hz。直驱风机作为现役的主要机型之一，其与传统火电机组不同，采用全功率式的逆变器作为并网接口，具有响应速度快，系统整体惯性小等特点。而直驱风机由于机械部分被交-直-交换流器隔离，其主导模态不参与系统振荡，而现有研究结果表明，网侧换流器控制的各个参数、锁相环、电网强度等都会影响次同步振荡的特性。同时直驱风机并网系统在发生次同步振荡时会有大量的分布有规律的谐波产生。

实际系统中的风电场多由几十台甚至上百风电机组组成，同一地区通常有若干风电场接入。由于风机数目庞大，在分析系统稳定性时，构建系统特征方程会面临特征矩阵维数过高，统计参数所需时间过长等问题。因此，必须对风电场整体进行等值，即将同一风电场内的同型号风电机组等值成一台或几台风机。而现有的等值方法在选取参数时均是基于暂态值或经验值，缺少系统且有理论值支持的等值方法。

因此，本发明提出一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法，通过分析直驱风机对谐波的动态响应过程，来获多机聚合后系统的整体参数，达到对风电场进行等值的目的。

发明内容

本发明提出一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法，包括以下步骤：步骤1：建立实际风电场的数字仿真平台；步骤2：在风电场出口公共连接点处施加谐波电流激励，测得谐波电压幅值；步骤3：根据谐波电压幅值和控制器及电路参数之间的函数关系，获得直驱风机等值模型参数。

进一步，步骤3包括如下子步骤：

1)建立系统小扰动分析模型，其包括直驱风机的锁相环、网侧换流器控制的小信号模型；

2)根据形成的小信号模型，通过假定谐波电流激励输入的方式，逐步计算得出直驱风机dq坐标系下的电压、电流及电压指令值，最后得到风电场出口处各谐波电压幅值、相位和控制器及电路参数间的函数关系：

其中A_nj为各谐波电压幅值，γ_nj为各谐波电压相位，n代表谐波次数，j表示关于工频50Hz对称的两个谐波电压分量；K_pp,K_ip为锁相环比例、积分系数，K_pdc,K_idc为电压外环比例、积分系数，K_pi,K_ii为电流内环比例、积分系数，L_g为电网等效电感，C,L为直流侧电容、网侧换流器连接电感，δ为谐波电流激励幅值，ω_s为谐波电流激励频率；

3)控制器及电路参数和谐波电压幅值间函数关系的函数形式可以表示成：

式(2)表示的函数为式(1)表示的函数的反函数，利用matlab中solve函数求解直驱风机等值模型参数。

附图说明：

图1为针对次同步振荡问题的直驱风机等值原理图；

图2为直驱风机并网原理图；

图3为网侧换流器dq坐标下控制系统框图；

图4为锁相环控制系统框图；

图5为本发明实施例中等值前风电场公共连接点电压频谱；

图6为本发明实施例中等值后风电场公共连接点电压频谱。

具体实施方式：

本发明提出一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法。首先需要建立风电场的实时仿真平台，然后在公共连接点处施加谐波电流激励，测得谐波电压幅值，根据谐波电压幅值和控制器及电路参数之间的函数关系获得等值后的直驱风机模型参数。图1为针对次同步振荡问题的直驱风机等值原理图。包括建立直驱风机控制系统小信号模型、输出谐波的电压幅值与控制器及电路参数间函数关系、反函数计算得到等值后的控制器及电路参数、得到等值后的直驱风机模型；在风电场出口公共连接点处叠加测试信号电流谐波激励，提取谐波电压幅值。

建立直驱风机控制系统小信号模型如下：

直驱风机对谐波响应过程：直驱风机的并网结构及网侧换流器控制结构如图2所示，网侧换流器dq坐标下控制系统如图3所示，锁相环控制系统结构如图4所示。其中αβ表示换流器控制系统的坐标系，

为网侧换流器端口电压值，u_α,u_β为换流器输出电压值，u_αref,u_βref为电压指令值，i_α,i_β为流入换流器电流值，i_αref,i_βref为电流指令值，u_dc,u_{dc_ref}为直流电压、直流电压指令值，K_pdc,K_idc为电压外环比例、积分系数，K_pi,K_ii为电流内环比例、积分系数，C,L,L_g为直流侧电容、网侧换流器连接电感、电网等效电感。

(1)锁相环小信号方程

系统同步旋转角度为θ，锁相环输出相位为θ_c：

其中

θ_c＝-u_q/u_t0 (2)

u_t0为网侧电压幅值，直驱风机网侧换流器采取电压定向的控制策略，在图4控制方式下可以认为u_t0＝u_d0＝1，则式(2)线性化后有：

Δθ_c＝-Δu_q/u_t0+Δθ (3)

将(1)线性化后代入(3)中可以得到：

公式(4)即为锁相环对次同步频率谐波的响应过程。

(2)控制系统的小信号方程

由图3得到直驱风机控制器同步坐标系下的小信号方程为：

两相同步旋转坐标下的电气量由三相静止坐标下的电气量经过派克变换得到，锁相环在次同步谐波影响下会对这一过程产生影响，考虑谐波干扰的情况下控制系统方程为：

其中

输出谐波电压幅值与控制器及电路参数间函数关系。

控制器及锁相环对次同步频率分量的响应过程。假设从风机出口处的公共连接点节点传入网侧一个谐波电流，如为幅值δ、频率ωs的三相对称正弦波，在后文的推导过程中发现谐波电流的初始相位不影响控制系统的动作过程，不失一般性的可以假设其初始相位为零，A相电流可以表示为：

Δi_a＝δcos(ω_st) (8)

由于网络电阻较小，相比电抗通常可以忽略，(8)引起的A相电压波动为：

将(8)(9)变换到dq坐标系下可以得到：

将(11)代入(4)中得到：

将(11)(12)代入(6)中得到电压指值：

其中M_ij为各谐波电压幅值，γij为各谐波电压初始相位(i,j＝1,2,3)。Δu_dref，Δu_qref与Δu_d，Δu_q叠加作为新的扰动。这些新的扰动分量继续作用于换流器的控制系统。按照式(8)到式(13)的过程，多次迭代后得到三相电压的最终表达式：

其中A_nj为各谐波电压幅值，γ_nj为各谐波电压相位，n代表谐波次数，j表示关于工频50Hz对称的两个谐波电压分量，n＝1,2,3...，j＝1,2。从上述推导可知A_nj、γ_nj为有关直驱风机控制器及电路参数的函数，将其表示成函数形式为：

利用(15)通过matlab等软件的反函数计算功能，可以得到等值后的控制器及电路参数，得到直驱风机等值模型。

(1)直驱风机出口处电压谐波的提取

如图2所示，在直驱风机出口处注入一个小幅值的电流测试信号Δi_a＝δcos(ωst)，此时风电场出口处电压具有与式(14)相同的形式：

其中A_ni可以由傅里叶变换获得，显然各次谐波幅值的获取较相位容易。

(2)等值后参数的获取

式(15)的反函数形式为：

求解线性方程时，需要列出与未知量个数相同的方程组，对于风电场出口处电压电流等电气量，其包含的各谐波电压幅值较相位更易获取。因此，测量与待求参数个数相同的谐波电压的幅值即可求解上述过程。通过(16)可以得到风电场等值后直驱风机系统的参数。下面以某风电场为实施例，对本发明的方法进行说明。该风场由200台额定功率为1.5MVA的直驱永磁同步风电机组组成，其中并网换流器采用图3所示控制系统，锁相环结构如图4所示，现将整个风电场等值成直驱风机并网结构，需要获得的参数包括控制器参数和锁相环参数。

首先建立风电场的实时仿真平台。风电场并网结构如图2所示，统计风电场的参数建立其仿真模型。单机参数：u_t0＝575V，i_αref＝1，i_βref＝0，u_{dc_ref}＝1175V，K_pdc＝5，K_idc＝40，K_pi＝10，K_ii＝20，Kpp＝5，K_ip＝1500，C＝1.2mF，L＝1mH，L_g＝0.8mH。

其次在风电场出口的公共连接点处施加谐波电流，测得谐波电压幅值。在公共连接点处施加一个正弦电流谐波，幅值δ＝0.01，相位为0。测量公共连接点处的电压，其频谱分布情况如图5所示。

最后根据谐波电压幅值和控制器及电路参数之间的函数关系，获得的直驱风机等值模型参数。

将风电场等值成一台风电机组并网结构，单机容量为200*1.5MVA，网侧电压不变网侧换流器容量扩大两百倍，考虑电压的波动性电容C＝1.2mF，其余给定的参数u_t0＝575V，i_αref＝1，i_βref＝0，u_{dc_ref}＝1175V，L＝1mH，L_g＝0.8mH。由2中已获得的A_nj，利用Matlab中solve函数求解式(16)可以获得等值后的直驱风机模型参数：K_pdc＝5，K_idc＝40，K_pi＝47，K_ii＝120，K_pp＝50，K_ip＝15250。在上述控制器及电路参数下施加相同的扰动电流，公共连接点的电压频谱如图6所示，其与等值前的频谱具有很高的相似程度，等值后的直驱风机模型对谐波的响应特性与等值前基本一致，能够表征风电场整体动态特性。

Claims (1)

1.一种用于次同步振荡仿真的直驱风机等值建模方法，包括以下步骤：

步骤1：建立实际风电场的数字仿真平台；

步骤2：在风电场出口公共连接点处施加谐波电流激励，测得谐波电压幅值；

步骤3：根据谐波电压幅值和控制器及电路参数之间的函数关系，获得直驱风机等值模型参数，包括：

1)建立系统小扰动分析模型，其包括直驱风机的锁相环、网侧换流器控制的小信号模型；

2)根据形成的小信号模型，通过假定谐波电流激励输入的方式，逐步计算得出直驱风机dq坐标系下的电压、电流及电压指令值，最后得到风电场出口处各谐波电压幅值、相位和控制器及电路参数间的函数关系：

其中A_nj为各谐波电压幅值，γ_nj为各谐波电压相位，n代表谐波次数；K_pp,K_ip为锁相环比例、积分系数，K_pdc,K_idc为电压外环比例、积分系数，K_pi,K_ii为电流内环比例、积分系数，L_g为电网等效电感，C,L为直流侧电容、网侧换流器连接电感，δ为谐波电流激励幅值，ω_s为谐波电流激励频率；

3)控制器及电路参数和谐波电压幅值间函数关系的函数形式可以表示成：

式(2)表示的函数为式(1)表示的函数的反函数，利用matlab中solve函数求解直驱风机等值模型参数。

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