CN109361226A - 次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，包括如下步骤：步骤1，建立适用于次同步振荡分析的风力发电系统的小信号模型；步骤2，选择次同步阻尼控制器的反馈信号；步骤3，选择次同步阻尼控制器的安装位置。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：简单易于实现，适用于风力发电系统次同步阻尼控制器的反馈信号和安装位置的选取；可以反映系统次同步振荡模态的能观性和能控性，有效改善系统次同步阻尼，减少次同步振荡的发生；可以反映系统对非次同步阻尼的控制能力和观测能力，从而减小次同步阻尼控制器对系统非次同步振荡阻尼的影响，从而避免引发其他系统稳定性问题。

Description

次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法

技术领域

本发明涉及的是电力系统的安全与稳定领域，具体涉及到一种风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法。

背景技术

近年来，随着风电规模化集中开发利用的快速发展，工程实践中发生多起次同步振荡(Subsynchronous Oscillation，SSO)事件，次同步振荡从而成为一个受到特别关注的风电并网稳定性问题。自2009年来，国内外曾发生多起风电场次同步振荡事件，引起了风机脱网、电厂全停等严重事故。系统次同步振荡不仅会影响系统的稳定性还会影响新能源的消纳。因此，大规模电力系统的次同步振荡研究成为了本领域的研究热点。随着次同步振荡问题研究的深入，大规模电力系统设计也开始考虑次同步振荡的抑制效果。

目前，交流次同步振荡的抑制措施大致分为：系统阻尼控制，继电保护，系统机组切除等。次同步阻尼控制器(subsynchronous damping controller，SSDC)是在变流器控制环节引入包含振荡信息的输入信号，控制变流器控制产生的电压，增强双馈风机的次同步阻抗，是一种经济有效的次同步振荡抑制方式。

次同步阻尼控制器的反馈信号需要包含振荡信息，其安装位置需要对次同步振荡模态有较好的控制效果。不同的反馈信号和安装位置会对次同步阻尼控制器的效果产生较大的影响。目前，仍未有量化的数值计算来确定次同步阻尼控制器最佳反馈信号和安装位置的优化方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，适用于风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的优化设计，可以通过量化的数值选择出具有最佳次同步振荡能观程度的反馈信号和具有最佳次同步振荡能控程度的安装位置，使次同步阻尼控制器具有更好的抑制次同步振荡的能力，同时对系统其他模态阻尼影响较小，实用性较强，且易于实现。

为解决上述技术问题，本发明次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，包括如下步骤：

步骤1，建立适用于次同步振荡分析的风力发电系统的小信号模型；

步骤2，选择次同步阻尼控制器的反馈信号；

步骤3，选择次同步阻尼控制器的安装位置。

优选地，步骤1中，风电机组类型和变流器控制参数相同的机组可划分为同一风机组群，每个风机组群可等值为一台风机建立适用于次同步振荡分析的风力发电系统的信号模型。

优选地，步骤2包括：

步骤2.1，列举系统中的可行反馈信号测点及测量信号；

步骤2.2，在小信号模型中，分别以可行反馈信号为信号输出，获取系统状态空间模型的输出矩阵；

步骤2.3，获取每个可行反馈信号的次同步振荡主导模态综合能观性测度，选择次同步阻尼控制器的反馈信号。

优选地，步骤2.3中，次同步振荡主导模态综合能观性测度m_so满足：

m_so＝m_ossoR_osso

其中，m_osso为次同步振荡主导模态的能观性测度，R_osso为次同步振荡主导模态能观比；

振荡模态的能观性测度m_oi满足：

m_oi＝||C_j[u_i u′_i]||_F

其中，i＝1，2，…，N₀，N₀为系统中共轭振荡模态特征值的对数，C_j为第j个反馈信号对应的系统状态空间模型的输出矩阵，u_i、u′_i为一对共轭振荡模态特征值λ_i、对应的右特征向量，[u_i u′_i]表示向量u_i、u′_i组成的矩阵，||·||_F表示矩阵的Frobenius范数；当计算次同步振荡主导模态的能观性测度m_osso时，u_i、u′_i取次同步振荡主导模态特征值λ_sso、对应的右特征向量；

次同步振荡主导模态能观比R_osso为：

其中，M表示振荡模态中振荡频率在1～100Hz范围内的振荡模态个数，振荡模态编号分别为1～M，m_oi为相应振荡模态的能观性测度；

最大的次同步振荡主导模态综合能观性测度对应的反馈信号即选择为次同步阻尼控制器的反馈信号。

优选地，步骤3包括：

步骤3.1，列举系统中的可行次同步阻尼控制器安装位置；

步骤3.2，在小信号模型中，分别以可行次同步阻尼控制器安装位置为系统的控制输入，获取系统状态空间模型的输入矩阵；

步骤3.3，获取每个可行次同步阻尼控制器安装位置的次同步振荡主导模态综合能控性测度，选择次同步阻尼控制器的安装位置。

优选地，步骤3.3中，次同步振荡主导模态综合能控性测度m_sc为：

m_sc＝m_cssoR_csso

其中，m_csso为次同步振荡主导模态的能控性测度，R_csso为次同步振荡主导模态能控比；

振荡模态的能控性测度m_ci为：

m_ci＝||[v_i v′_i]^TB_j||_F

其中，B_j为第j个安装位置对应的系统状态空间模型的输入矩阵，v_i、v′_i为振荡模态特征值λ_i、对应的左特征向量，||·||_F表示矩阵的Frobenius范数；当计算次同步振荡主导模态的能控性测度m_csso时，u_i、u′_i取次同步振荡主导模态特征值λ_sso、对应的左特征向量；

次同步振荡主导模态能控比R_csso为：

其中，M表示振荡模态中振荡频率在1～100Hz范围内的振荡模态个数，振荡模态编号分别为1～M，m_ci为相应振荡模态的能控性测度；

最大的次同步振荡主导模态综合能控性测度对应的安装位置即选择为次同步阻尼控制器的安装位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：简单易于实现，适用于风力发电系统次同步阻尼控制器的反馈信号和安装位置的选取；可以反映系统次同步振荡模态的能观性和能控性，有效改善系统次同步阻尼，减少次同步振荡的发生；可以反映系统对非次同步阻尼的控制能力和观测能力，从而减小次同步阻尼控制器对系统非次同步振荡阻尼的影响，从而避免引发其他系统稳定性问题。

附图说明

图1为风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法的流程图。

图2为本发明实施例即双馈风电机组经串补线路送出系统的结构原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出了一种风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其完整流程图如图1所示。

以双馈风电机组经串补线路送出系统为实施例。其中双馈机组单机容量1.25MW，共1200台，双馈风电场总容量1500MW，串补线路串补度取30％。整套系统包括等值双馈风电场1、变流器2(包括转子侧3和网侧4)、变流器出口电感5、变流器出口变压器6、线路变压器7、串补电容8及无穷大电网9等。其系统结构图如图2所示。

本发明采用的具体实施方式是：

一种风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立适用于次同步振荡分析的风力发电系统的小信号模型；

步骤2，通过综合能观性测度选择次同步阻尼控制器的反馈信号；

步骤3，通过综合能控性测度选择次同步阻尼控制器的安装位置。

上述技术方案中，所述步骤1中，风电机组类型和变流器控制参数相同的机组可划分为同一风机组群。每个风机组群可等值为一台风机进行建模。

在本实施例中，所有双馈风机均为同一型号，且运行状态相同，变流器控制参数相同，所以可以将整个双馈风电场等值为一台机进行建模。

上述技术方案中，所述步骤2包括：

步骤2.1，列举系统中可行的反馈信号测点及测量信号；

步骤2.2，分别以可行的反馈信号为信号输出，计算系统状态空间模型的输出矩阵；

步骤2.3，计算每个可行反馈信号的次同步振荡主导模态综合能观性测度，选择次同步阻尼控制器的反馈信号。

所述步骤2.3中，次同步振荡主导模态综合能观性测度m_so为：

m_so＝m_ossoR_osso

其中，m_osso为次同步振荡主导模态的能观性测度，R_osso为次同步振荡主导模态能观比。

振荡模态的能观性测度m_oi为：

m_oi＝||C_j[u_i u′_i]||_F

其中，C_j为第j个反馈信号对应的系统状态空间模型的输出矩阵，u_i、u′_i为振荡模态特征值λ_i、对应的右特征向量，||·||_F表示矩阵的Frobenius范数。当计算次同步振荡主导模态的能观性测度m_osso时，u_i、u′_i取次同步振荡主导模态特征值λ_sso、对应的右特征向量。

次同步振荡主导模态能观比R_osso为：

其中，M表示振荡模态中振荡频率在1～100Hz范围内的振荡模态个数，振荡模态编号分别为1～M，m_oi为相应振荡模态的能观性测度。

最大的次同步振荡主导模态综合能观性测度对应的反馈信号即选择为次同步阻尼控制器的反馈信号。

本实施例中，可行的反馈信号测点有三处，转子侧变流器出口处、网侧变流器出口处、风机总出口处，分别对应图1中的A/B/C三点。可供选择的测量电气量包括这三个位置的电压、电流和功率信号。

应用以上次同步阻尼控制器的反馈信号选取方法，计算得到可行的反馈信号对应的次同步振荡主导模态综合能观性测度结果如表1所示。

表中可以看出，测点C处的电流的次同步振荡主导模态的综合能观性测度最大，因此测点C的电流最适合作为次同步阻尼控制器的反馈信号。

表1不同反馈信号对应的次同步振荡主导模态综合能观性测度

信号类型	测点A	测点B	测点C
				U<sub>d</sub>	0.00001	0.00001	0.00001
U<sub>q</sub>	0.00000	0.00002	0.00002
				I<sub>d</sub>	0.00000	0.00000	1.27890
I<sub>q</sub>	0.00000	0.00000	1.59611
				P	0.00000	0.00000	0.55458

上述技术方案中，所述步骤3包括：

步骤3.1，列举系统中可行的次同步阻尼控制器安装位置；

步骤3.2，分别以可行的安装位置为系统的控制输入，计算系统状态空间模型的输入矩阵；

步骤3.3，计算每个安装位置的次同步振荡主导模态综合能控性测度，选择次同步阻尼控制器的安装位置。

所述步骤3.3中，次同步振荡主导模态综合能控性测度m_sc为：

m_sc＝m_cssoR_csso

其中，m_csso为次同步振荡主导模态的能控性测度，R_csso为次同步振荡主导模态能控比。

振荡模态的能控性测度m_ci为：

m_ci＝||[v_i v′_i]^TB_j||_F

其中，B_j为第j个安装位置对应的系统状态空间模型的输入矩阵，v_i、v′_i为振荡模态特征值λ_i、对应的左特征向量，||·||_F表示矩阵的Frobenius范数。当计算次同步振荡主导模态的能控性测度m_csso时，v_i、v′_i取次同步振荡主导模态特征值λ_sso、对应的左特征向量。

次同步振荡主导模态能控比R_csso为：

其中，M表示振荡模态中振荡频率在1～100Hz范围内的振荡模态个数，振荡模态编号分别为1～M，m_ci为相应振荡模态的能控性测度。

最大的次同步振荡主导模态综合能控性测度对应的安装位置即选择为次同步阻尼控制器的安装位置。

本实施例中，可行的次同步阻尼控制器安装位置有四处，包括转子侧变流器和网侧变流器的有功控制通道和无功控制通道内环处。

应用以上次同步阻尼控制器的安装位置的选取方法，计算得到可行的安装位置对应的次同步振荡主导模态综合能控性测度结果如表2所示。

表2不同安装位置对应的次同步振荡主导模态综合能观性测度

表中可以看出，转子侧变流器无功控制通道内环的次同步振荡主导模态的综合能观性测度最大，因此转子侧变流器无功控制通道内环最适合作为次同步阻尼控制器的安装位置。

应用风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，得到次同步阻尼控制器最佳反馈信号为风机出口侧的电流，最佳安装位置为转子侧变流器的无功控制通道内环。

为了验证本发明提出的风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法对于次同步阻尼和非次同步阻尼的影响。首先，以风机出口侧的功率为反馈信号，转子侧有功控制通道内环为安装位置作为未优化的次同步阻尼控制器；以风机出口侧的电流为反馈信号，转子侧无功控制通道内环为安装位置作为优化的次同步阻尼控制器。在双馈风电经串补送出系统中，分别加入优化前后两种次同步阻尼控制器，对两个系统进行特征值分析，并与未加入阻尼控制器的系统进行对比。部分振荡模态特征值汇总于表3。

表3加入SSDC前后的次同步振荡模态特征值

从表3看出，在未加入SSDC系统中，特征值1振荡频率为8.3Hz，实部为正，对应不稳定的次同步频率振荡模态，参与因子显示该振荡模态与串补线路和变流器控制强相关，故可以认为该模态为次同步振荡主导模态。其余振荡模态均为负实部特征值，即为稳定模态。对比未加入SSDC的次同步振荡主导模态阻尼，两种SSDC都可以有效改善次同步振荡的阻尼。但是当选取优化前的SSDC时，控制器会对第4个振荡模态阻尼产生较大的控制效果，最终甚至导致模态呈现负阻尼，可能会影响系统的稳定性。而采取优化后的SSDC时，系统次同步主导模态的阻尼明显得到了改善，而其他所有振荡特征值的变化均相对较小。可见，经过本发明提出的风力发电系统次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法优化后的次同步阻尼控制器具有良好的效果，可以使次同步振荡模态阻尼增大，次同步振荡得到抑制，同时对其余模态阻尼影响较小。经过验证，本发明简单易于实现，该优化方法实用有效。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立适用于次同步振荡分析的风力发电系统的小信号模型；

步骤2，选择次同步阻尼控制器的反馈信号；

步骤3，选择次同步阻尼控制器的安装位置。

2.根据权利要求1所述的次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其特征在于，步骤1中，风电机组类型和变流器控制参数相同的机组可划分为同一风机组群，每个风机组群可等值为一台风机建立适用于次同步振荡分析的风力发电系统的信号模型。

3.根据权利要求1所述的次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其特征在于，步骤2包括：

步骤2.1，列举系统中的可行反馈信号测点及测量信号；

步骤2.2，在小信号模型中，分别以可行反馈信号为信号输出，获取系统状态空间模型的输出矩阵；

步骤2.3，获取每个可行反馈信号的次同步振荡主导模态综合能观性测度，选择次同步阻尼控制器的反馈信号。

4.根据权利要求3所述的次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其特征在于，步骤2.3中，次同步振荡主导模态综合能观性测度m_so满足：

m_so＝m_ossoR_osso

其中，m_osso为次同步振荡主导模态的能观性测度，R_osso为次同步振荡主导模态能观比；

振荡模态的能观性测度m_oi满足：

m_oi＝||C_j[u_i u′_i]||_F

其中，i＝1，2，…，N₀，N₀为系统中共轭振荡模态特征值的对数，C_j为第j个反馈信号对应的系统状态空间模型的输出矩阵，u_i、u′_i为一对共轭振荡模态特征值λ_i、对应的右特征向量，[u_i u′_i]表示向量u_i、u′_i组成的矩阵，||·||_F表示矩阵的Frobenius范数；当计算次同步振荡主导模态的能观性测度m_osso时，u_i、u′_i取次同步振荡主导模态特征值λ_sso、对应的右特征向量；

次同步振荡主导模态能观比R_osso为：

其中，M表示振荡模态中振荡频率在1～100Hz范围内的振荡模态个数，振荡模态编号分别为1～M，m_oi为相应振荡模态的能观性测度；

最大的次同步振荡主导模态综合能观性测度对应的反馈信号即选择为次同步阻尼控制器的反馈信号。

5.根据权利要求1所述的次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其特征在于，步骤3包括：

步骤3.1，列举系统中的可行次同步阻尼控制器安装位置；

步骤3.2，在小信号模型中，分别以可行次同步阻尼控制器安装位置为系统的控制输入，获取系统状态空间模型的输入矩阵；

步骤3.3，获取每个可行次同步阻尼控制器安装位置的次同步振荡主导模态综合能控性测度，选择次同步阻尼控制器的安装位置。

6.根据权利要求5所述的次同步阻尼控制器反馈信号和安装位置的选取方法，其特征在于，步骤3.3中，次同步振荡主导模态综合能控性测度m_sc为：

m_sc＝m_cssoR_csso

其中，m_csso为次同步振荡主导模态的能控性测度，R_csso为次同步振荡主导模态能控比；

振荡模态的能控性测度m_ci为：

m_ci＝||[v_i v′_i]^TB_j||_F

其中，B_j为第j个安装位置对应的系统状态空间模型的输入矩阵，v_i、v′_i为振荡模态特征值λ_i、对应的左特征向量，||·||_F表示矩阵的Frobenius范数；当计算次同步振荡主导模态的能控性测度m_csso时，u_i、u′_i取次同步振荡主导模态特征值λ_sso、对应的左特征向量；

次同步振荡主导模态能控比R_csso为：

其中，M表示振荡模态中振荡频率在1～100Hz范围内的振荡模态个数，振荡模态编号分别为1～M，m_ci为相应振荡模态的能控性测度；

最大的次同步振荡主导模态综合能控性测度对应的安装位置即选择为次同步阻尼控制器的安装位置。