CN109861245A - 一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法与控制系统 - Google Patents

一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法与控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法与控制系统，所述方法包括：步骤A、实时监测风电场出口母线功率情况；步骤B、若控制系统判定次同步振荡发生，启动超导磁储能控制器的有功外环附加阻尼控制器；步骤C、观察次同步振荡的变化状态，若次同步振荡收敛速度未达到预设标准，启动超导磁储能控制器的无功外环附加阻尼控制器；步骤D、当检测到的系统中风电场功率次同步分量小于指定值后，退出超导磁储能控制器的外环附加阻尼控制器。基于本发明所述次同步振荡抑制方法与控制系统，可以在超导磁储能储存能量的基础功能上，适应风电场灵活多变的运行工况，有效抑制风电场次同步振荡。

Description

一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法与 控制系统
技术领域
本发明涉及电力系统控制领域，更具体地说，涉及新能源风电控制技术领域。
背景技术
近些年来，我国的风电产业得到了快速发展。受地理条件影响，风电主要集中装设在三北地区，距离东中部负荷中心较远，串联电容补偿技术是一种实现风电远距离外送的重要手段。现有研究表明，双馈异步风电机组经串补送出时，有发生次同步振荡的风险，对风电场的安全稳定运行带来不利影响。2009年美国德州某双馈风电场发生次同步振荡，导致大量机组跳机，撬棒电路损坏。2012年河北北部某双馈风电场发生次同步振荡，导致大量风机脱网。
现有的对风电经串补送出系统次同步振荡抑制方法研究主要集中于风电机组附加阻尼控制和附加FACTS装置。风电机组附加阻尼控制通过在双馈异步风机定子侧换流器或转子侧换流器上附加一个次同步频率的附加指令值以达到抑制效果，但这种方法难以应用于以投运的双馈风电场。附加FACTS装置以并联STATCOM为代表，但风电场对并网电压变化较为敏感，存在低压和高压脱网的风险，当STATCOM的附加控制对并网点电压影响较大时，不利于风电场稳定运行，并且采用定电压控制的STATCOM有引发SSCI的风险。
超导磁储能SMES作为一种储能装置，能在四象限内独立调节功率，具有响应速度快、功率密度高、充放电次数多等优势，可应用于抑制系统功率振荡、调节系统频率、平抑风机出力波动和辅助故障穿越等方面。本发明利用SMES的dq解耦VSC控制器，提出一种SMES抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法与控制系统，控制SMES产生一个与风机次同步电流频率相同、相位相反的次同步电流，产生附加阻尼以抑制风电场的次同步振荡。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法。在监测到次同步振荡发生后，通过优先启动SMES有功外环附加阻尼控制器，减小抑制过程对风电场并网电压影响，并在风电场振荡收敛速度未达到预设标准时，启动SMES无功外环附加阻尼控制器，加快抑制速度，从而产生一个与风机次同步电流频率相同、相位相反的次同步电流，产生附加阻尼以抑制风电场的次同步振荡。
应用本方法的风电经串补送出系统中的风机类型为双馈异步风机，风机经过箱变、汇集线路后，通过风场主变接入电力系统，电力系统中含有串联补偿装置，SMES通过升压变接入风电场出口母线
为了实现此目的，本发明采取的技术手段如下：
步骤A：实时监测风电经串补送出系统的风机频率和风电场出口母线功率情况，确定风电经串补送出系统是否发生次同步振荡；
步骤B：若风电经串补送出系统发生次同步振荡，启动SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器，实现对风电经串补送出系统次同步振荡现象的抑制；
步骤C：观察次同步振荡的变化状态，若次同步振荡收敛速度未达到预设标准，再启动SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器，实现对风电经串补送出系统次同步振荡现象的抑制；
步骤D：当监测到的系统中风电场功率次同步分量小于指定值后，退出SMES控制器的外环附加阻尼控制器。
其中，所述步骤A中，实时监测系统中风机频率和风电场出口母线功率情况，监测到振荡现象时，通过频谱分析法，通过频谱分析法，将功率次同步分量实时监测值与预设启动动作逻辑作对比，当判定为次同步振荡发生时，启动SMES进行次同步振荡抑制，否则判定为不需要启动SMES。
所述步骤B中，判定次同步振荡发生后，SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器对监测到的风电场出口母线有功功率信号进行滤波、放大和相位补偿，产生SMES有功附加指令，控制SMES输出的有功功率。
具体来说，步骤B包括：
步骤B1：判定风电经串补送出系统发生次同步振荡；
步骤B2：根据振荡频率确定滤波环节参数，根据有功振荡幅值确定放大环节参数，根据风电场有功次同步振荡特征量确定相位补偿环节参数，
步骤B3：启动SMES的有功外环附加阻尼控制器。
更进一步地说，上述风电场次同步有功振荡特征量指风电场次同步振荡频率和风电场有功振荡幅值，步骤B2包括：
步骤B21：根据次同步振荡频率，确定滤波环节参数；
步骤B22：根据有功振荡幅值，确定放大环节参数；
步骤B23：根据次同步振荡频率和有功振荡幅值，确定移相环节参数。
所述步骤B21中，滤波环节由隔直环节和低通滤波器串联组成。
所述步骤B23中，移相环节由确定，在次同步振荡角频率ωh处滞后角度为其中ωh＝1/Tp√b，
所述步骤C中，在启动SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器后，将功率次同步分量实时监测值与次同步振荡收敛速度逻辑作对比，当次同步振荡收敛速度未达到预设标准，启动SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器。
所述步骤C中，判定次同步振荡收敛速度未达到预设标准后，SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器对监测到的风电场出口母线无功功率信号进行滤波、放大和相位补偿，产生SMES无功附加指令，控制SMES输出的无功功率。
具体来说，步骤C包括：
步骤C1：判定启动SMES有功外环附加阻尼控制器后，风电经串补送出系统次同步振荡收敛速度未达到预设标准；
步骤C2：根据振荡频率确定滤波环节参数，根据无功振荡幅值确定放大环节参数，根据风电场无功次同步振荡特征量确定相位补偿环节参数；
步骤C3：启动SMES的无功外环附加阻尼控制器。
更进一步地说，上述风电场次同步无功振荡特征量指风电场次同步振荡频率和风电场无功振荡幅值，步骤C2包括：
步骤C21：根据次同步振荡频率，确定滤波环节参数；
步骤C22：根据无功振荡幅值，确定放大环节参数；
步骤C23：根据次同步振荡频率和无功振荡幅值，确定移相环节参数。
所述步骤C21中，滤波环节由隔直环节和低通滤波器串联组成。
所述步骤C22中，移相环节由确定，在次同步振荡角频率ωh处滞后角度为其中ωh＝1/Tq√c，
所述步骤D中，在系统启动SMES控制器的外环附加阻尼控制器后，将功率次同步分量实时监测值与次同步振荡抑制逻辑作对比，当判定次同步振荡被有效抑制后，退出SMES控制器的外环附加阻尼控制器。
所述步骤D中，SMES控制器的外环附加阻尼控制器指SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器和SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器。
本发明还提出一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡控制系统，所述控制系统包括次同步信号监测单元、次同步振荡判定逻辑单元、有功外环附加阻尼控制器、无功外环附加阻尼控制器，其中：
次同步信号监测单元用于监测风电场出口母线的功率，获取次同步频率分量；
次同步振荡判定逻辑单元用于判定次同步振荡发生、次同步振荡收敛速度与次同步振荡抑制过程完成与否，判定次同步振荡发生时，启动有功外环附加阻尼控制器，判定次同步振荡收敛速度未达到预设标准时，启动无功外环附加阻尼控制器，判定次同步振荡抑制过程完成时，退出外环附加阻尼控制器；
有功外环附加阻尼控制器与无功外环附加阻尼控制器分别由滤波环节、放大环节和相位补偿环节，分别动态调整SMES的基于dq解耦的VSC外环有功、无功参考值，产生一个与风机次同步电流频率相同、相位相反的次同步电流，产生附加阻尼以抑制风电场的次同步振荡。
附图说明
图1为有SMES接入的风电经串补送出系统结构示意图；
图2为SMES的VSC结构示意图；
图3为不同系统串补度对风电经串补送出系统次同步振荡特性的影响，(a)为风电场输出功率时域仿真结果图，(b)为风电场振荡频率变化图；
图4为不同风电场输出功率对风电经串补送出系统次同步振荡特性的影响，(a)为风电场输出功率时域仿真结果图，(b)为风电场振荡频率变化图；
图5为SMES的VSC控制器的外环附加阻尼控制器与次同步振荡判定逻辑单元示意图；
图6为测试系统各工况下的抑制结果，(a)为不同系统串补度下的抑制结果，(b)为不同风电场输出功率下的抑制结果；
图7为超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡控制系统的抑制过程流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方案对本发明作进一步说明。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅出于描述示范实施例的目的。
显然，所描述的示范实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，对本公开范围内的所有修改、等同物和替换物所获得的其他实施例都属于本发明保护的范围。
本发明具体实施例中的含SMES接入的风电经串补送出系统结构如图1所示。双馈风电场内所有风机等值为一台风机，额定功率198MW，经箱变升压至35kV后经汇集线连接到风场主变，升压到220kV后，再升压至500kV经串补线路连接至无限大系统。SMES经过升压变连接至风电场35kV母线上。设定基准工况下，风电场功率88MW，系统串补度4％，SMES额定功率2MVA。在PSCAD/EMTDC中搭建图1所示测试系统的电磁暂态模型。仿真开始时旁路图1所示500kV线路的串补电容，通过投入串补电容，激发双馈风电场的次同步振荡。
为了确定附加阻尼控制器的控制器参数，在结构如图1所示的测试系统电磁暂态模型中，分析不同运行工况对含SMES接入的风电经串补送出系统次同步振荡特性的影响，即对次同步振荡频率与次同步振荡幅值的影响。SMES的VSC结构如图2所示。
通过改变风电场运行工况，即改变系统串补度和风电场出力，通过时域仿真分析运行工况对系统次同步振荡特性的影响。
分析系统串补度改变对系统次同步振荡特性的影响，风电场保持88MW输出，考虑到实际系统中的线路串补度情况，分别设定系统串补度为4％、5％、6％，观察风电场输出有功功率，结果如图3所示，可以看到随系统串补度增加，系统振荡幅度与发散程度均有上升，振荡频率随串补度升高而升高。
分析风电场出力改变对系统次同步振荡特性的影响，系统串补度保持4％，考虑到当风电场输出功率较大时振荡能够很快自行收敛，而风电场输出功率较小时次同步振荡幅度也较小，分别设定风电场输出功率为59MW、88MW、140MW，观察风电场输出有功功率，结果如图4所示，可以看到随风电场输出功率增加，次同步振荡幅度增加，发散程度下降，振荡频率在很小的范围内波动。
据此分别设定各工况下的次同步信号监测单元动作值Pset，当监测到系统中风电场有功功率次同步分量PSSO大于或等于Pset时，每隔0.1s监测一次该次同步分量的值，若连续三次超过预设动作值时，判定为次同步振荡发生，此时启动有功外环附加阻尼控制器。否则判定为不需要启动SMES进行次同步振荡抑制。
再启动有功外环附加阻尼控制器后，每隔0.1s监测一次风机次同步频率功率分量的值，若第n次及第(n+1)次连续两次监测到的值分别大于系统中第一次监测到次同步频率功率分量值与启动SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器之间最大的次同步功率分量值的(100-5n)％和(95-5n)％，判定次同步振荡收敛速度未达到预设标准，启动SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器。
根据图3及图4可以看到，所设定各工况下风电场次同步振荡频率在很小的范围内变化，变化主要体现在振荡幅度上。根据基准工况下的风电场次同步振荡频率，基于时域仿真法，通过在PSCAD/EMTDC中搭建的电磁暂态模型，分别确定外环附加阻尼控制器滤波环节参数。通过隔直环节与低通滤波器串联实现滤波，低通滤波器的传递函数为：
其中，ωc为截止频率；ξ为阻尼比，可选0.5到0.8之间的值。
分别根据风电场有功、无功次同步振荡的振荡幅度，基于时域仿真法分别确定各设定工况下有功外环附加阻尼控制器与无功外环附加阻尼控制器的放大环节参数。
综合风电场次同步振荡频率及风电场有功、无功次同步振荡的初始振荡幅度，基于时域仿真法分别确定各设定工况下有功外环附加阻尼控制器与无功外环附加阻尼控制器的移相环节参数。更进一步的说，风电场有功、无功次同步振荡的初始振荡幅度分别指判定系统次同步振荡发生所需的连续三次超过预设动作值中的次同步振荡幅度最大一次有功、无功次同步振荡幅度。有功外环附加阻尼控制器的移相环节由确定，在次同步振荡角频率ωh处滞后角度为其中ωh＝1/Tp√b，无功外环附加阻尼控制器的移相环节由确定，在次同步振荡角频率ωh处滞后角度为其中ωh＝1/Tq√c，
在系统启动SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器后，每0.1s监测一次风电场功率次同步分量值，当连续3次监测值小于指定值时，退出SMES控制器的外环附加阻尼控制器。
完整的SMES控制器的外环附加阻尼控制器与次同步振荡判定逻辑单元示意图如图5所示。
基于图5说明本超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法的原理。控制SMES输出的功率，使其除了含有常规控制下的分量外，还存在和SSCI电流振荡角频率ωss互补的次同步功率分量。设三相电压、电流对称，并且忽略谐波分量。SMES的输出功率瞬时值可表示为：
其中，P0为常规控制下的有功功率量；Px为有功次同步分量的幅值，与有功外环附加阻尼控制器的附加输入信号种类及增益取值相关；ωm为功率次同步分量的角频率，ωm＝ω0-ωss，ω0为工频角频率；为有功附加信号的初相角；βx为滤波器导致的输入信号相位偏移；θx为有功外环附加阻尼控制器需要补偿的相位。无功功率量的定义原则与有功功率量相同。
设SMES接入点的系统三相电压对称，利用正交派克变换，可得dq坐标系下的系统电压：
根据：
其中，id、iq分别为SMES输出电流的dq轴分量。
将式(2)和式(3)代入式(4)，可得：
利用正交派克逆变换，可得到SMES输出的三相电流。其中a相电流为：
其中，
SSCI的产生主要原因是DFIG在次同步频率下具有负阻尼特性，由于工频和超同步电流分量在系统中受到的阻尼较强，并且在SMES的工频分量指令值较小的情况下，SMES注入DFIG的次同步电流远大于工频和超同步电流。忽略工频和超同步电流对电气阻尼的影响，则在本超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法中，SMES附加阻尼控制器控制产生的次同步电流为(以a相为例)：
可以看到，SMES附加阻尼控制器控制产生的次同步电流分为分别受有功外环附加阻尼控制器和无功外环附加阻尼控制器控制的两部分。通过本超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法，可以根据风电场SSCI的程度分别控制SMES有功外环附加阻尼控制器和无功外环附加阻尼控制器的启动，产生一个幅值与相位均可控的次同步电流，这个电流注入风电场，激发一个幅值与相位适当的电磁转矩，产生附加阻尼以起到抑制风电场的次同步振荡的作用。
对本实施例进行抑制效果验证，仿真结果如图6所示。可以看到，启动SMES附加阻尼控制器后，各设定工况下的风电场次同步振荡得到有效抑制，且抑制效果较好。
与本发明的超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法相对应，本发明还包括一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡控制系统，所述控制系统包括次同步信号监测单元、次同步振荡判定逻辑单元、有功外环附加阻尼控制器、无功外环附加阻尼控制器，
次同步信号监测单元用于监测风电场出口母线的功率，获取次同步频率分量；
次同步振荡判定逻辑单元用于判定次同步振荡发生、次同步振荡收敛速度与次同步振荡抑制过程完成与否，判定次同步振荡发生时，启动有功外环附加阻尼控制器，判定次同步振荡收敛速度未达到预设标准时，启动无功外环附加阻尼控制器，判定次同步振荡抑制过程完成时，退出外环附加阻尼控制器；
有功外环附加阻尼控制器与无功外环附加阻尼控制器分别由滤波环节、放大环节和相位补偿环节，分别动态调整SMES的基于dq解耦的VSC外环有功、无功参考值，产生一个与风机次同步电流频率相同、相位相反的次同步电流，产生附加阻尼以抑制风电场的次同步振荡。
需要说明的是，上述实施例仅为本发明较佳的实施方案，本文中所定义的一般方案可以在不脱离本发明范围的情况下在其他实施例中实现。因此，在未脱离本发明构思的前提下，对本发明所做的任何微小变化或修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡方法，风电机组类型为双馈异步风机，风机经过箱变、汇集线路后，通过风场主变接入电力系统，电力系统中含有串联补偿装置，超导磁储能装置SMES通过升压变接入风电场出口母线，通过附加阻尼控制器向SMES的基于dq解耦的VSC外环有功、无功控制器分别叠加附加阻尼控制信号，从而产生附加阻尼以抑制风机的次同步振荡，其特征在于，所述的抑制方法包括：
步骤A：实时监测风电经串补送出系统的风机频率和风电场出口母线功率情况，确定风电经串补送出系统是否发生次同步振荡；
步骤B：若风电经串补送出系统发生次同步振荡，启动SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器，实现对风电经串补送出系统次同步振荡现象的抑制；
步骤C：观察次同步振荡的变化状态，若次同步振荡收敛速度未达到预设标准，再启动SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器，实现对风电经串补送出系统次同步振荡现象的抑制；
步骤D：当监测到的系统中风电场功率次同步分量小于指定值后，退出SMES控制器的外环附加阻尼控制器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中，实时监测系统中风机频率和风电场出口母线功率情况，监测到振荡现象时，通过频谱分析法，将功率次同步分量实时监测值与预设启动动作逻辑作对比，当判定为次同步振荡发生时，启动SMES进行次同步振荡抑制，否则判定为不需要启动SMES。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中，判定次同步振荡发生后，SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器对监测到的风电场出口母线有功功率信号进行滤波、放大和相位补偿，产生SMES有功附加指令，控制SMES输出的有功功率包括：
步骤B1：判定风电经串补送出系统发生次同步振荡；
步骤B2：根据振荡频率确定滤波环节参数，根据有功振荡幅值确定放大环节参数，根据风电场有功次同步振荡特征量确定相位补偿环节参数，
步骤B3：启动SMES的有功外环附加阻尼控制器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述风电场次同步有功振荡特征量指风电场次同步振荡频率和风电场有功振荡幅值，步骤B2包括：
步骤B21：根据次同步振荡频率，确定滤波环节参数；
步骤B22：根据有功振荡幅值，确定放大环节参数；
步骤B23：根据次同步振荡频率和有功振荡幅值，确定移相环节参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，在启动SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器后，将功率次同步分量实时监测值与次同步振荡收敛速度逻辑作对比，当次同步振荡收敛速度未达到预设标准，启动SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C中，判定次同步振荡收敛速度未达到预设标准后，SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器对监测到的风电场出口母线无功功率信号进行滤波、放大和相位补偿，产生SMES无功附加指令，控制SMES输出的无功功率包括：
步骤C1：判定启动SMES有功外环附加阻尼控制器后，风电经串补送出系统次同步振荡收敛速度未达到预设标准；
步骤C2：根据振荡频率确定滤波环节参数，根据无功振荡幅值确定放大环节参数，根据风电场无功次同步振荡特征量确定相位补偿环节参数；
步骤C3：启动SMES的无功外环附加阻尼控制器。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述风电场次同步无功振荡特征量指风电场次同步振荡频率和风电场无功振荡幅值，步骤C2包括：
步骤C21：根据次同步振荡频率，确定滤波环节参数；
步骤C22：根据无功振荡幅值，确定放大环节参数；
步骤C23：根据次同步振荡频率和无功振荡幅值，确定移相环节参数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，在系统启动SMES控制器的外环附加阻尼控制器后，将功率次同步分量实时监测值与次同步振荡抑制逻辑作对比，当判定次同步振荡被有效抑制后，退出SMES控制器的外环附加阻尼控制器。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中，SMES控制器的外环附加阻尼控制器指SMES控制器的有功外环附加阻尼控制器和SMES控制器的无功外环附加阻尼控制器。
10.一种超导磁储能抑制风电经串补送出系统次同步振荡控制系统，其特征在于，所述控制系统包括次同步信号监测单元、次同步振荡判定逻辑单元、有功外环附加阻尼控制器、无功外环附加阻尼控制器，其中：
次同步信号监测单元用于监测风电场出口母线的功率，获取次同步频率分量；
次同步振荡判定逻辑单元用于判定次同步振荡发生、次同步振荡收敛速度与次同步振荡抑制过程完成与否，判定次同步振荡发生时，启动有功外环附加阻尼控制器，判定次同步振荡收敛速度未达到预设标准时，启动无功外环附加阻尼控制器，判定次同步振荡抑制过程完成时，退出外环附加阻尼控制器；
有功外环附加阻尼控制器与无功外环附加阻尼控制器分别由滤波环节、放大环节和相位补偿环节，分别动态调整SMES的基于dq解耦的VSC外环有功、无功参考值，控制SMES发出一个与风机次同步电流频率相同、相位相反的次同步电流，产生附加阻尼以抑制风电场的次同步振荡。
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