CN109861294B - 一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法，属于风电技术领域。该方法包括：S1根据双馈风电并网系统主电路参数和变流器控制参数计算双馈风电机组序阻抗模型；S2利用双馈风电机组并网阻抗稳定判据，计算不同电网阻抗下锁相环临界稳定带宽，得到双馈风电机组并网系统并网稳定运行区域；S3基于电网阻抗测量技术，获取电网阻抗值，根据稳定运行区域，计算锁相环稳定运行带宽；S4根据锁相环稳定运行带宽计算锁相环PI控制参数，实现弱电网下双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制。该方法可有效提高双馈风电机组对于电网阻抗的适应性，为提高双馈风电机组在弱电网下的运行稳定性提供技术支撑。

Description

一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法。
背景技术
随着风电渗透率的不断增加，双馈风电机组引发的并网稳定性问题不断凸显，尤其是我国大部分风电场处于电网末端，需经长线路远距离输送，电网阻抗大，呈现为弱电网特性，极易导致双馈风电机组并网失稳。双馈风电机组定子直接连接电网，通过锁相环获取电网相角实现并网运行，锁相环对于双馈风电机组并网稳定性至关重要。在弱电网条件下，电网阻抗变化会导致双馈风电机组并网稳定性的变化，对于参数固定的锁相环控制器来说，当电网阻抗变化时，无法保证系统的控制性能始终处于最佳状态，而且不正确的锁相环控制参数极易导致系统不稳定现象发生。
目前对于双馈风电机组并网稳定性问题已有学者开展了一些研究，针对在弱电网下双馈风电机组的并网稳定性问题，可从现有控制参数改进设计和控制方法方面进行改善，但是采用控制参数改进设计并不能适应弱电网下电网阻抗的动态变化，需要研究一种适应电网阻抗变化的控制策略。因此，为了适应弱电网下电网阻抗的变化，提高双馈风电机组的并网稳定性，急需发展一种适应电网阻抗变化的双馈风电机组并网系统的控制方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法,该方法基于双馈风电机组主电路参数和锁相环电网电压定向的矢量控制技术，利用双馈风电机组并网阻抗稳定性判据，计算得到不同电网阻抗下锁相环的临界稳定带宽，进而得到弱电网下双馈风电机组的锁相环控制参数自适应规律。该方法基于双谐波电流注入的电网阻抗在线测量技术实时监测电网阻抗值，利用得到的锁相环参数自适应规律实现弱电网下双馈风电机组的锁相环参数自适应控制。该方法能有效提高双馈风电机组对于电网阻抗的适应性，为提高双馈风电机组在弱电网下的并网稳定性提供技术支持。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法，该方法包括以下步骤：
S1：根据双馈风电并网系统的主电路参数和变流器控制参数计算双馈风电机组序阻抗模型，包括双馈风电机组序阻抗计算、双馈风电机组稳态工作点计算、锁相环传递函数的计算；
S2：利用双馈风电机组并网阻抗稳定判据，计算不同电网阻抗下锁相环临界稳定带宽，得到双馈风电机组并网系统并网稳定运行区域；
S3：基于电网阻抗测量技术，获取电网阻抗值，根据稳定运行区域，计算锁相环稳定运行带宽；
S4：根据锁相环稳定运行带宽计算锁相环PI控制参数，实现弱电网下双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制。
进一步，在步骤S1中，所述双馈风电机组序阻抗计算方程为：
Figure BDA0002018691000000021
上式中，Zdfig(s)表示双馈风电机组的序阻抗，Rs，Rr为双馈发电机定、转子电阻，Ls，Lr，Lm分别为定、转子等效自感和互感，s表示拉普拉斯算子，Ir1为转子电流参考值，Mr1为转子电压参考值，Vdc为直流母线电压，f1为基波频率，Tpll为锁相环传递函数，j为虚数单位。其中Krdq为双馈风电机组电流环控制补偿项，Hri为电流环控制传递函数，ρp(s)、ρn(s)分别为正、负序频率折算项，其表达式如下：
Krdq＝(ω1-ωr)σLr
Figure BDA0002018691000000022
Figure BDA0002018691000000023
Figure BDA0002018691000000024
Figure BDA0002018691000000025
其中σ为双馈感应电机的漏磁系数，Ls，Lr分别为定、转子等效自感，ω1为同步角速度，ωr为转子角速度，fr为转子频率，fp为扰动频率，Kpi、Kii为转子变流器电流环PI控制参数。
所述双馈风电机组稳态工作点计算方程为：
Figure BDA0002018691000000026
Figure BDA0002018691000000031
Figure BDA0002018691000000032
Urq＝RrIrq+σLr(ω1-ωr)Ird
Ir1＝Ird+jIrq
Mr1＝(Urd+jUrq)/(Vdc/2)
式中Ird、Irq和Urd、Urq为双馈风电机组并网系统稳态运行时的转子电流和电压值，Ps、Qs为双馈风电机组定子输出有功无功功率，Vs为定子电压幅值。
所述锁相环传递函数的计算方程为：
Figure BDA0002018691000000033
Figure BDA0002018691000000034
式中Hpll表示为锁相环的环路增益，Kppll、Kipll为转子变流器锁相环控制参数。
进一步，在步骤S2中，临界稳定带宽计算方程为：
|Zg(j2πfint)|＝|Zdfig(j2πfint)|
PM＝180°-arg[Zg(j2πfint)-Zdfig(j2πfint)]
式中Zg为电网序阻抗，fint为双馈风电机组阻抗和电网阻抗幅值交点，PM为双馈风电并网系统的稳定裕度。
进一步，在步骤S3中，电网阻抗测量计算方程为：
Figure BDA0002018691000000035
Figure BDA0002018691000000036
式中，Lg、Rg分比为电网电感和电阻的测量值，ωm1、ωm2分别为两个注入小信号的角频率，Zm1、Zm2分别为对应频率下的阻抗测量值。
进一步，在步骤S4中，获得锁相环PI控制参数计算方程为：
Figure BDA0002018691000000037
Figure BDA0002018691000000041
Figure BDA0002018691000000042
式中，ωn为锁相环系统的自然振荡频率，ξ为锁相环系统的阻尼比，取值为0.707，fBW为锁相环并网稳定带宽。
本发明的有益效果在于：本发明基于电网阻抗在线测量技术，通过计算双馈风电机组在弱电网下的稳定运行区域，提出锁相环参数的自适应控制方法。通过对不同电网阻抗下双馈风电机组锁相环控制参数的合理设计，提高了双馈风电机组对于电网阻抗的适应性，为提高双馈风电机组在弱电网下的并网稳定性提供技术支持。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的双馈风电机组锁相环参数自适应控制方法系统框图；
图2为本发明的双馈风电机组锁相环参数自适应控制方法实现流程图；
图3为计算得到双馈风电机组的序阻抗模型图；
图4为双馈风电机组弱电网下的稳定运行区域图；
图5为本发明的改进方法仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行说明。
在本实施例中，以2MW风力发电机组为研究对象，利用仿真验证所提出锁相环参数自适应控制方法的效果。
图1为本申请中提出的双馈风电机组所向环参数自适应控制方法系统框图；包含锁相环参数自适应控制模块和双馈风电机组转子侧变流器控制模块，其中：
锁相环参数自适应控制模块包括电网阻抗在线测量模块和锁相环参数自适应调节模块。电网阻抗在线测量模块通过测量公共连接点的电压和电流的值，得到电网阻抗值。锁相环参数自适应调节模块利用电网阻抗的测量值计算得到锁相环的稳定运行控制参数，实现锁相环参数的自适应调节。转子侧变流器控制模块实现双馈风电机组定子输出功率的控制。
图2为锁相环参数自适应控制方法的实施流程，具体为：
S1：利用电网阻抗在线测量模块测量当前电网阻抗值；
S2：判断当前电网阻抗条件下双馈风电机组是否位于稳定运行区域内，假如位于稳定运行区域则继续执行S1，否则，执行S3；
S3：根据当前电网阻抗值计算得到锁相环的稳定运行控制参数，同时更新当前锁相环的控制参数，继续执行S1；
图3为计算得到的双馈风电机组的序阻抗模型。
图4为计算得到的双馈风电机组的稳定运行区域。进一步得到，锁相环参数自适应控制规律为:
Figure BDA0002018691000000051
图5给出了不同电网阻抗下的仿真对比波形，可以看出本申请提出的一种双馈风电机组锁相环参数自适应控制方法有效提高了双馈风电机组在弱电网下的稳定性。
根据图的仿真可得出以下结论：
1)在所提控制方法下，在弱电网下双馈风电机组并网稳定性提高。
2)相比传统控制的情况下，当电网阻抗增大时，双馈风电机组失去稳定，采用本发明的锁相环参数自适应控制方法后，锁相环的控制参数得到改进，系统振荡消失，说明本发明提出的一种双馈风电机组锁相环参数自适应控制方法的有效性。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：根据双馈风电并网系统的主电路参数和变流器控制参数计算双馈风电机组序阻抗模型，包括双馈风电机组序阻抗计算、双馈风电机组稳态工作点计算、锁相环传递函数的计算；
所述双馈风电机组序阻抗计算方程为：
Figure FDA0003762784280000011
上式中，Zdfig(s)表示双馈风电机组的序阻抗，Rs，Rr为双馈发电机定、转子电阻，Ls，Lr，Lm分别为定、转子等效自感和互感，s表示拉普拉斯算子，Ir1为转子电流参考值，Mr1为转子电压参考值，Vdc为直流母线电压，f1为基波频率，TPLL为锁相环传递函数，j为虚数单位；其中Krdq为双馈风电机组电流环控制补偿项，Hri为电流环控制传递函数，ρp(s)为正序频率折算项，其表达式如下：
Krdq＝(ω1-ωr)σLr
Figure FDA0003762784280000012
Figure FDA0003762784280000013
Figure FDA0003762784280000014
s＝j2πfp
Figure FDA0003762784280000015
s＝j2πfp
其中σ为双馈感应电机的漏磁系数，ω1为同步角速度，ωr为转子角速度，fr为转子频率，fp为扰动频率，Kpi、Kii为转子变流器电流环PI控制参数，ρn(s)为负序频率折算项；
所述双馈风电机组稳态工作点计算方程为：
Figure FDA0003762784280000016
Figure FDA0003762784280000017
Figure FDA0003762784280000021
Urq＝RrIrq+σLr(ω1-ωr)Ird
Ir1＝Ird+jIrq
Mr1＝(Urd+jUrq)/(Vdc/2)
式中Ird、Irq和Urd、Urq为双馈风电机组并网系统稳态运行时的转子电流和电压值，Ps、Qs为双馈风电机组定子输出有功、无功功率，Vs为定子电压幅值；
所述锁相环传递函数的计算方程为：
Figure FDA0003762784280000022
Figure FDA0003762784280000023
式中HPLL表示为锁相环的环路增益，Kpp11、Kip11为转子变流器锁相环控制参数；
S2：利用双馈风电机组并网阻抗稳定判据，计算不同电网阻抗下锁相环临界稳定带宽，得到双馈风电机组并网系统并网稳定运行区域；
临界稳定带宽计算方程为：
|Zg(j2πfint)|＝|Zdfig(j2πfint)|
PM＝180°-arg[Zg(j2πfint)-Zdfig(j2πfint)]
式中Zg为电网序阻抗，fint为双馈风电机组阻抗和电网阻抗幅值交点，PM为双馈风电并网系统的稳定裕度；
S3：基于电网阻抗测量技术，获取电网阻抗值，根据稳定运行区域，计算锁相环稳定运行带宽；
S4：根据锁相环稳定运行带宽计算锁相环PI控制参数，实现弱电网下双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制；
锁相环PI控制参数计算方程为：
Figure FDA0003762784280000024
Figure FDA0003762784280000025
Figure FDA0003762784280000031
式中，ωn为锁相环系统的自然振荡频率，ξ为锁相环系统的阻尼比，取值为0.707，fBW为锁相环并网稳定带宽。
2.根据权利要求1所述的一种双馈风电机组并网系统锁相环参数自适应控制方法，其特征在于：在步骤S3中，电网阻抗测量计算方程为：
Figure FDA0003762784280000032
Figure FDA0003762784280000033
式中，Lg、Rg分比为电网电感和电阻的测量值，ωm1、ωm2分别为两个注入小信号的角频率，Zm1、Zm2分别为对应频率下的阻抗测量值。
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