CN109193705B - 双馈风电机组次同步谐振抑制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双馈风电机组次同步谐振抑制方法及装置，该方法包括：获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量；将所述补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出实际转子电压至双馈风电机组。本发明可以在实现针对双馈机组的风电机组次同步谐振抑制的同时降低设备和施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电领域，尤其涉及一种双馈风电机组次同步谐振抑制方法及装置。
背景技术
国内外许多地区都曾出现过风电与串补线路间的次同步振荡现象，例如美国德克萨斯州以及中国的冀北、东北地区。我国张家口沽源地区曾多次发生次同步谐振，严重影响电网安全。而风电与串补线路出现的次同步振荡目前主要发生在双馈机组，是由于双馈感应发电机的感应发电机放大效应以及机侧控制导致。
目前针对双馈机组的风电机组次同步谐振抑制的解决思路都借鉴火电机组的次同步振荡抑制方法，主要包括下述两个方面：一是电网侧增加抑制次同步振荡的STATCOM(Static Synchronous Compensator,静止同步补偿器)设备；二是双馈机组转子侧附加基于转速波动信号的阻尼控制。前一种方法需要增加大型硬件设备，成本较高；后一种方法对转速检测精度要求很高，目前商业应用的风电机组尚不具备这样的性能，需要升级转速传感器，产生额外的硬件成本和施工成本。
发明内容
本发明实施例提出一种双馈风电机组次同步谐振抑制方法，用以在实现双馈风电机组次同步谐振抑制的同时降低设备和施工成本，该方法包括：
获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量；
将所述补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；
对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出实际转子电压至双馈风电机组；
获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量，包括：采用高通滤波或带通滤波的方式，滤除转子电压中的转速分量，提取出双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量。
本发明实施例还提出一种双馈风电机组次同步谐振抑制装置，用以在实现双馈风电机组次同步谐振抑制的同时降低设备和施工成本，该装置包括：
次同步谐振分量获得模块，用于获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
移相校正模块，用于对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量；
补偿增量叠加模块，用于将所述补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；
脉冲宽度调制模块，用于对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出至双馈风电机组；
次同步谐振分量获得模块进一步用于：采用高通滤波或带通滤波的方式，滤除转子电压中的转速分量，提取出双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量。
本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述双馈风机次同步谐振抑制方法。
本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述双馈风机次同步谐振抑制方法的计算机程序。
在本发明实施例中，通过获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量；将所述补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出实际转子电压至双馈风电机组。本发明实施例采用对转子电压次同步谐振分量进行相位补偿的方式，提高了谐振频率下的阻尼，实现了抑制谐振的目的，本发明实施例无硬件回路改造成本，成本低；同时因避免了对风机转速的高精度检测，施工成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例的单台双馈风电机组经串补线路并网的系统示意图；
图2为本发明实施例的双馈风电机组次同步谐振抑制方法的流程图；
图3为本发明实施例的双馈风电机组次同步谐振抑制方法的控制原理示意图；
图4为本发明实施例的双馈风电机组经串补线路并网发生次同步谐振的仿真波形；
图5为图4中仿真波形的局部放大图；
图6为本发明实施例中应用本发明方法后振荡被抑制的仿真波形；
图7为图6中仿真波形的局部放大图；
图8为本发明实施例的双馈风电机组次同步谐振抑制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1为本发明实施例中单台双馈风电机组经串补线路并网的系统示意图，如图1所示，变流控制器控制变流器，将双馈感应发电机1所发出的电能通过变压器4、串补线路5输送到电网6中，其中，变流控制器包括机侧控制器21与网侧控制器22，相应的变流器也包括机侧变流器31与网侧变流器32，网侧控制器22接收定子电流(电流互感器CT1提供)、机侧变流器与网侧变流器之间的直流电压(电压互感器PT3提供)以及电网电压(电压互感器PT1提供)作为输入信号，机侧控制器21的接收信号在网侧控制器22接收信号的基础上，还包括转子电压(电压互感器PT2提供)。本发明实施例针对双馈机组的拓扑特点，以及次同步振荡发生在双馈感应发电机1与串补电路5之间的特点，采用对转子电压次同步谐振分量相位补偿的方式，实现对谐振频率下双馈风机阻抗特性的修正，提高谐振频率下阻尼，从而实现抑制谐振的目的。
图2为本发明实施例的风电机组的次同步振荡抑制方法的流程图，如图2所示，本发明实施例的风电机组的次同步振荡抑制方法，包括：
步骤201，获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
步骤202，对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量；
步骤203，将所述补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；
步骤204，对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出实际转子电压至双馈风电机组。
由图2所示流程可以得知，在本发明实施例中，通过获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量，并对其进行相位补偿的方式，可获得实际的转子电压，将其输出至双馈风电机组，以提高双馈风电机组在谐振频率下的阻尼，实现抑制谐振的目的，本发明实施例无硬件回路改造成本，成本低；同时因避免了对风机转速的高精度检测，施工成本低。
图3为本发明实施例的风电机组的次同步振荡抑制方法的控制原理示意图，如图3所示，具体实施时，先获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量。首先，获取转子电压，由于机侧控制器通过一电压互感器PT2连接至双馈感应发电机1的输出线路中，因此可以直接获取风电机组的转子电压Vabc_rotor。获得次同步谐振分量的过程中，可以有多种实现方式。例如，可以采用高通滤波的方式，滤除转子电压中的转速分量，提取出双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量。当然，可以理解的是，上述采用高通滤波的方式仅为举例，本领域技术人员可以根据实际需求采用其它的获得次同步谐振分量的具体方式，比如还可以采用带通滤波的方式，相关的变化例均应落入本发明的保护范围。
对次同步谐振分量进行相位补偿，包括对次同步谐振分量进行超前滞后调节；对超前滞后调节后的次同步谐振分量进行校正。
在一实施例中，采用如下s域传递函数对次同步谐振分量进行超前滞后调节：
其中，a为相角偏移系数，a＞1时相位超前，a＜1时相位滞后；T1为相角偏移时间常数；s为拉普拉斯变换算子。在具体实施过程中，根据双馈并网系统具体的次同步振荡频率和相角偏移目标值，调整a、T1。
在一实施例中，采用比例系数对超前滞后调节后的离散化的次同步谐振分量进行校正，以纠正其幅频变化，得到次同步谐振分量的补偿增量ΔVabc_rotor。
在一实施例中，还可以对s域传递函数进行离散化，以满足在网侧变流器的网络控制器中进行数字实现的需求，离散化可以有多种实现方式。例如，可以采用如下的双线性变换方程对s域传递函数离散化，以保证离散化前后的相频特性一致：
其中，s为拉普拉斯变换算子；Tc为控制周期；z为z变换算子。当然，可以理解的是，上述采用双线性变换方程仅为举例，本领域技术人员可以根据实际需求采用其它的获得次同步谐振分量的具体方式，相关的变化例均应落入本发明的保护范围。
在一实施例中，将补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值。首先，获得网侧转子电压的参考值Vabc_rotor_ref，然后，将补偿增量ΔVabc_rotor叠加至双馈风电机组的转子电压参考值Vabc_rotor_ref，得到叠加后的转子电压参考值Ucontrol_rotor_conv，对其进行脉冲宽度调制，获得实际转子电压。脉冲宽度调制有多种形式，例如，对叠加后的转子电压参考值Ucontrol_rotor_conv进行正弦脉冲宽度调制(SPWM)，当然，可以理解的是，上述采用正弦脉冲宽度调制仅为举例，本领域技术人员可以根据实际需求采用其它的进行脉冲宽度调制的具体方式，相关的变化例均应落入本发明的保护范围。
下面给出一具体实施例，说明本发明的双馈风电机组的次同步谐振抑制方法的具体应用。考虑到国内某地区大规模风电机组经串补线路接入电网，实测交流侧次同步振荡频率约4～8Hz。下述实施例以此应用场景为例展开。将上述双馈风电机组次同步振荡抑制方法，在基于Matlab\Simulink电磁暂态模型中仿真实现，验证该方法可有效抑制双馈经串补线路的次同步谐振。
采用高通滤器滤除转子电压中的转速分量，分离提取出转子电压中的次同步谐振分量。对于交流侧谐振频率为4Hz-8Hz的次同步谐振场景，转子电压对应频率为28Hz-34Hz。图4为本发明实施例中双馈风电机组经串补线路并网发生次同步谐振的仿真波形，图5为图4对应仿真波形的局部放大图。
本发明实施例中双馈风电机组经串补线路并网系统发生次同步谐振的仿真波形，在图4对应的次同步谐振场景下，转子转速频率为37Hz，正常运行时转子电压频率为(50Hz-37Hz)＝13Hz；在次同步谐振场景下，定子电流中的谐振频率分量为6Hz，因此对应的转子电压频率为(37Hz-6Hz)＝31Hz；综上所述，正常运行时转子电压频率13Hz分量对应定子电流中工频分量，而在次同步谐振场景下，转子电压频率31Hz分量对应定子电流中次同步谐振频率6Hz分量。因此，高通滤波器的截止频率选取原则是尽量减少对转子电压中次同步频率的影响。
采用s域传递函数对次同步谐振分量进行超前滞后调节之后，采用双线性变换方程对s域传递函数离散化，并通过比例系数对离散化后得到的次同步谐振分量进行校正，得到次同步谐振分量的补偿增量。
叠加后的转子电压参考值通过SPWM得到实际的转子电压，图6为本实施例中应用本发明方法后振荡被抑制的仿真波形，图7为图6对应仿真波形的局部放大图。从图4和图5的无抑制策略仿真波形中可以看出，从第3秒中系统串补电容投入开始出现次同步谐振，该次同步谐振将会引起实际风电机组过流保护跳机。参考图6和图7，可以看出，电流波形得到改善明显，系统表现为正常并网波形，谐振被抑制。
由上述实施例可知，本发明实施例通过获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量，对次同步谐振分量进行相位补偿，得到次同步谐振分量的补偿增量，将补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值，对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出实际转子电压至双馈风电机组。本发明实施例采用对转子电压次同步谐振分量进行相位补偿的方式，提高了谐振频率下的阻尼，实现了抑制谐振的目的，本发明实施例无硬件回路改造成本，成本低；同时因避免了对风机转速的高精度检测，施工成本低。在实施例中，采用双线性变换方程对s域传递函数离散化，满足了在机侧变流器的机侧控制器中数字实现的需求，且保证了离散前后的相角特性一致。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种双馈风电机组次同步谐振抑制装置，如下面的实施所述。由于这些解决问题的原理与双馈风电机组次同步谐振抑制方法相似，因此装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不在赘述。
图8为本发明实施例的双馈风电机组次同步振荡抑制装置的结构示意图，如图8所示，该装置包括：
次同步谐振分量获得模块801，用于获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
移相校正模块802，用于对次同步谐振分量进行相位补偿，得到次同步谐振分量的补偿增量；
补偿增量叠加模块803，用于将补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；
脉冲宽度调制模块804，用于对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出至双馈风电机组。
在一实施例中，次同步谐振分量获得模块进一步用于：采用高通滤波的方式，滤除转子电压中的转速分量，提取出双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量。当然，可以理解的是，上述采用高通滤波的方式仅为举例，次同步谐振分量获得模块也可以采用其它的获得次同步谐振分量的具体方式，比如还可以采用带通滤波的方式，相关的变化例均应落入本发明的保护范围。
移相校正模块，可进一步包括超前滞后调节模块和校正模块。
在一实施例中，超前滞后调节模块进一步用于：采用如下s域传递函数对次同步谐振分量进行超前滞后调节：
其中，a为相角偏移系数，a＞1时相位超前，a＜1时相位滞后；T1为相角偏移时间常数；s为拉普拉斯变换算子。在具体实施过程中，根据双馈并网系统具体的次同步振荡频率和相角偏移目标值，调整a、T1。
在一实施例中，校正模块用于采用比例系数对超前滞后调节后的离散化的次同步谐振分量进行校正，以纠正其幅频变化，得到次同步谐振分量的补偿增量ΔVabc_rotor。
在一实施例中，超前滞后调节模块，进一步包括离散化模块，用于对s域传递函数进行离散化，以满足在机侧变流器的机侧控制器中进行数字实现的需求，离散化可以有多种实现方式。例如，可以采用如下的双线性变换方程对s域传递函数离散化，以保证离散化前后的相频特性一致：
其中，s为拉普拉斯变换算子；Tc为控制周期；z为z变换算子。当然，可以理解的是，上述采用双线性变换方程仅为举例，离散化模块可用于采用其它的获得次同步谐振分量的具体方式，相关的变化例均应落入本发明的保护范围。
在一实施例中，脉冲宽度调制模块用于对叠加后的转子电压参考值Ucontrol_rotor_conv进行正弦脉冲宽度调制(SPWM)，获得实际转子电压。当然，可以理解的是，上述采用正弦脉冲宽度调制仅为举例，脉冲宽度调制模块也可用于采用其它的进行脉冲宽度调制的具体方式，相关的变化例均应落入本发明的保护范围。
综上所述，本发明实施例通过获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量，对次同步谐振分量进行相位补偿，得到次同步谐振分量的补偿增量，将补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值，对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出实际转子电压至双馈风电机组。本发明实施例采用对转子电压次同步谐振分量进行相位补偿的方式，提高了谐振频率下的阻尼，实现了抑制谐振的目的，本发明实施例无硬件回路改造成本，成本低；同时因避免了对风机转速的高精度检测，施工成本低。在实施例中，采用双线性变换方程对s域传递函数离散化，满足了在机侧变流器的机侧控制器中数字实现的需求，且保证了离散前后的相角特性一致。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征在于，包括：
获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量；
将所述补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；
对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出实际转子电压至双馈风电机组；
获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量，包括：采用高通滤波或带通滤波的方式，滤除转子电压中的转速频率分量，提取出双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量，包括：
对所述次同步谐振分量进行超前滞后调节；
采用比例系数对超前滞后调节后的所述次同步谐振分量进行校正；
在获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量之前，还包括：
从电压互感器获得双馈风电机组的转子电压，其中，电压互感器连接至双馈感应发电机的转子侧。
2.如权利要求1所述的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征在于，对所述次同步谐振分量进行超前滞后调节，包括：
采用如下s域传递函数对所述次同步谐振分量进行超前滞后调节：
其中，a为相角偏移系数，a＞1时相位超前，a＜1时相位滞后；
T1为相角偏移时间常数；
s为拉普拉斯变换算子。
3.如权利要求2所述的双馈风电机组次同步谐振抑制方法，其特征在于，对所述次同步谐振分量进行超前滞后调节之后，还包括：
采用如下双线性变换方程对s域传递函数离散化：
其中，s为拉普拉斯变换算子；
Tc为控制周期；
z为z变换算子；
对超前滞后调节后的所述次同步谐振分量进行校正，包括：
对超前滞后调节后的离散化的次同步谐振分量进行校正。
4.一种双馈风电机组次同步谐振抑制装置，其特征在于，包括：
次同步谐振分量获得模块，用于获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
移相校正模块，用于对所述次同步谐振分量进行相位补偿，得到所述次同步谐振分量的补偿增量；
补偿增量叠加模块，用于将所述补偿增量叠加至双馈风电机组的转子电压参考值；
脉冲宽度调制模块，用于对叠加后的转子电压参考值进行脉冲宽度调制，输出至双馈风电机组；
次同步谐振分量获得模块进一步用于：采用高通滤波或带通滤波的方式，滤除转子电压中的转速频率分量，提取出双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量；
移相校正模块包括：
超前滞后模块，用于对所述次同步谐振分量进行超前滞后调节；
校正模块，用于采用比例系数对超前滞后调节后的所述次同步谐振分量进行校正；
在获得双馈风电机组的转子电压中的次同步谐振分量之前，还包括：
从电压互感器获得双馈风电机组的转子电压，其中，电压互感器连接至双馈感应发电机的转子侧。
5.如权利要求4所述的双馈风电机组次同步谐振抑制装置，其特征在于，超前滞后模块进一步用于：采用如下s域传递函数对所述次同步谐振分量进行超前滞后调节：
其中，a为相角偏移系数，a＞1时相位超前，a＜1时相位滞后；
T1为相角偏移时间常数；
s为拉普拉斯变换算子。
6.如权利要求5所述的双馈风电机组次同步谐振抑制装置，其特征在于，超前滞后模块，还包括：
离散化模块，用于采用如下双线性变换方程对s域传递函数离散化：
其中，s为拉普拉斯变换算子；
Tc为控制周期；
z为z变换算子；
校正模块进一步用于：对超前滞后调节后的离散化的次同步谐振分量进行校正。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至3任一所述方法。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求1至3任一所述方法的计算机程序。
Priority Applications (1)
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