CN110086178A - 一种抑制风电系统次同步振荡的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抑制风电系统次同步振荡的方法及系统，包括：将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的。本发明易于实现，实用性强；可以有效改善系统次同步阻尼，减少次同步振荡的发生，同时避免了次同步阻尼控制器的参数设计依赖模型，由于模型误差等原因可能导致鲁棒稳定性问题。

Description

一种抑制风电系统次同步振荡的方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定技术领域，具体涉及一种抑制风电系统次同步振荡的方法及系统。

背景技术

近年来，随着环境保护的意识逐渐增强，依靠新能源发电已经成为一种方式，由于大部分地区的风力发电基地和负荷中心相距较远，所以面临着大容量风电远距离外送的问题。串联电容补偿可显著提高线路输送能力，在远距离风电外送中得以应用，但同时也存在着诱发次同步振荡的风险。2009年10月，美国德州的一处风电场发生了由串补电容引起的次同步振荡事故，造成了大面积的切机跳闸和撬棒电路损坏。2012年底，中国华北地区某风电场发生了多起次同步振荡现象，通过对现场相量测量单元和故障录波数据分析后得到振荡频率为6～8Hz。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，在风机串补系统的次同步振荡抑制方面，已取得一些研究成果，包括：通过装FACTS装置进行抑制和通过风机自身控制进行抑制。相比加装FACTS装置，通过风机自身控制抑制次同步振荡可以降低成本，且具有较好的抑制效果和响应速度。采用次同步阻尼控制器(Supplementary Sub-synchronous Damping Controller，SSDC)抑制次同步振荡是风机通过自身控制抑制次同步振荡的其中一种方式。次同步阻尼控制器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。然而现有技术中已经提出的次同步阻尼控制器的参数设计依赖模型，由于模型误差等原因可能导致鲁棒稳定性问题。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种抑制风电系统次同步振荡的方法及系统，通过在变流器控制前加入局部变增益控制器以抑制系统次同步振荡，避免了现有的次同步阻尼控制器的参数设计依赖模型、由于模型误差等原因导致鲁棒稳定性的问题。

本发明提供的一种抑制风电系统次同步振荡的方法，包括：

将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；

基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；

基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；

其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的。

优选的，所述局部变增益控制器的设计，包括：

基于局部变增益控制器的原理，设置局部变增益控制器的接入位置，并设置局部变增益控制器的增益表达式；

基于局部变增益控制器的增益表达式，确定输入输出关系表达式；

基于增益表达式和输入输出关系表达式确定局部变增益控制器的结构；

基于所述局部变增益控制器的结构设计局部变增益控制器的参数。

优选的，所述设置局部变增益控制器的增益表达式，包括：

基于局部变增益控制器的输入量与增益之间的关系，绘制局部变增益控制器的增益特性曲线；

基于所述增益特性曲线确定各输入量的取值范围对应的增益表达式。

优选的，所述增益表达式，如下式所示：

式中：G(ΔI)：局部变增益控制器的增益；ΔI：局部变增益控制器的输入量；a：第一设计参数；b：局部变增益控制器的输入阈值；h：第二设计参数。

优选的，所述基于局部变增益控制器的增益表达式，确定输入输出关系表达式，包括：

基于各局部变增益控制器的增益表达式和局部变增益控制器的输入输出关系，获得对应的局部变增益控制器的输入输出关系表达式。

优选的，所述输入输出关系表达式，如下式所示：

式中，ΔI'：局部变增益控制器的输出量；ΔI：局部变增益控制器的输入量；b：局部变增益控制器的输入阈值；a：第一设计参数；h：第二设计参数。

优选的，所述局部变增益控制器的参数，包括：

局部变增益控制器的输入阈值b、第一设计参数a和第二设计参数h。

优选的，所述局部变增益控制器的参数值，包括：

所述局部变增益控制器的输入阈值为0.01≤b≤0.1之间的任意一个数值；

所述第一设计参数为0≤a≤0.8b之间的任意一个数值；

所述第二设计参数为0.2≤h<1之间的任意一个数值。

优选的，所述变流器控制的输入端，包括：

双馈风机转子侧变流器控制的输入端或高压直流输电(high-voltage directcurrent，HVDC)整流侧变流器控制的输入端。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种抑制风电系统次同步振荡的系统，包括：

接入模块，用于将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；

确定模块，用于基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；

抑制模块，用于基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；

其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的。

优选的，所述系统还包括，设计模块，用于设计局部变增益控制器；

所述设计模块，包括：

第一表达式设计单元，用于基于局部变增益控制器的原理，设置局部变增益控制器的接入位置，并设置局部变增益控制器的增益表达式；

第二表达式设计单元，用于基于局部变增益控制器的增益表达式，确定输入输出关系表达式；

结构设计单元，用于基于增益表达式和输入输出关系表达式确定局部变增益控制器的结构；

参数设计单元，用于基于所述局部变增益控制器的结构设计局部变增益控制器的参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的技术方案，将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的，易于实现，实用性强；可以有效改善系统次同步阻尼，减少次同步振荡的发生，同时避免了次同步阻尼控制器的参数设计依赖模型，由于模型误差等原因可能导致鲁棒稳定性问题。

本发明提供的技术方案，通过在变流器控制前加入局部变增益控制器以抑制系统次同步振荡，对系统其它性能的负面影响小，对模型精度要求低，鲁棒性好。

本发明提供的技术方案，可附加于需要在特定范围内减小增益的控制器中，具有通用性。

附图说明

图1为本发明抑制风电系统次同步振荡的方法流程图；

图2为本发明局部变增益控制器作用原理图；

图3为本发明局部变增益控制器的增益特性曲线示意图；

图4为本发明局部变增益控制器输入输出特性曲线示意图；

图5为本发明实施例中双馈风电机组经串补线路送出系统结构示意图；

图6为本发明实施例中有无局部变增益控制器加入时，网侧电流变化曲线示意图；

图7为本发明实施例中有无局部变增益控制器加入时，风电场出口处的有功功率变化曲线示意图；

图8为本发明实施例中有无局部变增益控制器加入时，风电场出口处的无功功率变化曲线示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种抑制风电系统次同步振荡的方法，包括：

步骤S1、将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；

步骤S2、基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；

步骤S3、基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；

其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的。

本实施例中提供了设计局部变增益控制器的方法，包括：

步骤1、选择局部变增益控制器的适用位置；

步骤2、设计局部变增益控制器的结构形式；

步骤3、设计局部变增益控制器的参数。

步骤1、选择局部变增益控制器的适用位置，包括：

将局部变增益控制器串联于需要在特定范围内减小增益的次同步阻尼控制器的输入端，如双馈风机转子侧变流器内环PI控制的输入端和直流整流侧变流器定电流控制的输入端。

步骤2、设计局部变增益控制器的结构形式，包括：

步骤2.1、根据局部变增益控制器的增益表达式，给出局部变增益控制器的增益特性曲线；

其中，局部变增益控制器的作用过程满足：

ΔI'＝G(ΔI)*ΔI

其中,ΔI为局部变增益控制器的输入量，ΔI'为局部变增益控制器的输出量；a：第一设计参数；b：局部变增益控制器的输入阈值；h：第二设计参数。

进一步的，G(ΔI)的具体取值满足：

上式为局部变增益控制器的增益表达式，式中包含3个设计参数，分别为局部变增益控制器的输入阈值b、第一设计参数a和第二设计参数h。

步骤2.2、根据局部变增益控制器的输入输出关系表达式，给出局部变增益控制器的输入输出特性曲线。

其中，局部变增益控制器的输入输出关系表达式为：

步骤3、设计局部变增益控制器的参数，包括：

局部变增益控制器是在数字控制器中按照框图编程实现的，增益特性曲线是由a、b、h这3个参数确定的5段直线，由输入通过线性插值算法得到输出，a、b、h是需要针对应用场合来设计的参数，可以根据控制对象的不同变化。

由步骤2可知，局部变增益控制器的设计参数包括：局部变增益控制器的输入阈值b、第一设计参数a和第二设计参数h，3个设计参数满足：

参数b的取值范围为b>0，是局部变增益控制器的输入阈值，局部变增益控制器对输入幅值在[-b，b]区间的小扰动次同步振荡起抑制作用，b值偏大则有利于次同步振荡抑制作用，但对系统其它性能的负面影响偏大，反之b值偏小则不利于次同步振荡抑制作用，但对系统其它性能的负面影响偏小。

参数a的取值范围为0≤a<b，a值偏大则有利于次同步振荡抑制作用，但对系统其它性能的负面影响偏大，反之a值偏小则不利于次同步振荡抑制作用，但对系统其它性能的负面影响偏小。

参数h的取值范围为0≤h<1，h值偏小则有利于次同步振荡抑制作用，但对系统其它性能的负面影响偏大，反之h值偏大则不利于次同步振荡抑制作用，但对系统其它性能的负面影响偏小。

综合分析，参数a、b、h的取值需考虑加入局部变增益控制器后既能抑制系统的次同步振荡又不会给系统其它性能带来较大的负面影响，具体取值根据研究系统结构和需求确定。本实施例中，将b的取值范围限定为0.01≤b≤0.1，a的取值范围限定为0≤a≤0.8b，h的取值范围限定为0.2≤h<1。

在实践中运用时，将设计好的局部变增益控制器接入变流器控制的输入端。应该根据不同的系统结构和局部变增益控制器接入的具体的位置设置a、b、h的值。

步骤S1、将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端，具体包括：

将局部变增益控制器串联接入双馈风机转子侧变流器控制的输入端或直流整流侧变流器控制的输入端。

步骤S2、基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；

基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置，为所述局部变增益控制器的输入阈值从0.01≤b≤0.1之间选择任意一个数值；

为所述第一设计参数从0≤a≤0.8b之间选择任意一个数值；

为所述第二设计参数从0.2≤h<1之间选择任意一个数值。

步骤S3、基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡。

实施例2

如图2所示，为说明采用局部变增益控制器能抑制风电系统次同步振荡的作用原理，本实施例以如图5所示的双馈风电机组经串补线路送出系统为例，其中双馈机组单机容量1.25MW，共100台，双馈风电场总容量125MW，系统等效串补度取6.67％。整套系统包括发电机、变压器、串补线路、无穷大母线。

首先，将局部变增益控制器串联于需要在特定范围内减小增益可缓解次同步振荡的变流器的控制器的输入端，如双馈风机转子侧变流器控制的输入端和高压直流输电HVDC整流侧变流器定电流控制的输入端。

其次，根据局部变增益控制器的作用过程，绘制如图3所示局部变增益控制器的增益特性曲线；

根据局部变增益控制器的增益特性曲线，构建局部变增益控制器的增益表达式。

其中，局部变增益控制器的作用过程满足：

ΔI'＝G(ΔI)*ΔI

式中，ΔI为局部变增益控制器的输入量，ΔI'为局部变增益控制器的输出量。

进一步的，G(ΔI)的具体取值满足：

上式中包含3个设计参数，分别为a、b、h。

然后，根据局部变增益控制器的输入输出关系表达式，给出如图4所示局部变增益控制器的输入输出特性曲线。

其中，局部变增益控制器的输入输出量的关系表达式满足：

最后，为了验证本发明提出的局部变增益控制器对次同步振荡的抑制效果，在PSCAD/EMTDC上对双馈风电场次同步振荡研究系统进行时域仿真。取局部变增益控制器的参数a＝0.015，b＝0.05，h＝0.5，将局部变增益控制器分别加入到双馈风机转子侧变流器内环d、q轴PI控制环节前。如图6所示，设置风速为6m/s，未加局部变增益控制器和加入局部变增益控制器时网侧电流的变化曲线。

由图6可知,在风速为6m/s的风电系统中，在局部变增益控制器的作用下，系统的网侧电流中的振荡现象消失，系统的稳定性增强。局部变增益控制器对系统次同步振荡的抑制效果得到验证。

为了验证局部变增益控制器对系统其它运行性能的影响，分别从两个方面进行验证，一方面设置风速突变；另一方面设置系统故障，具体包括：

1、设置风速突变的算例，包括：

仿真开始时，系统风速为5m/s，系统稳定运行15s后，风速阶跃至6m/s。有无局部变增益控制器加入时，仿真过程中风电场出口处的有功功率的变化曲线如图7所示。

从图7可以看出，加入局部变增益控制器后的风电场出口处有功功率变化曲线与未加局部变增益控制器时的曲线基本重合，对应的各动态响应指标基本一致。

2、设置系统故障的算例，包括：

系统风速为6m/s，系统稳定运行10s后，在风电场出口处设置了三相短路故障，故障持续时间为0.05s。有无局部变增益控制器加入时，仿真过程中风电场出口处的无功功率的变化曲线如图8所示。

从图8可以看出，加入局部变增益控制器后的风电场出口处的无功功率变化曲线与未加局部变增益控制器时的曲线基本重合，对应的各动态响应指标基本一致。

本实施例的附图6、图7和图8中用LGVC指代局部变增益控制器。

综上所述，加入局部变增益控制器在抑制系统的次同步振荡问题的同时不会给系统的其它性能带来负面影响，达到了设计目的。

实施例3

基于同一发明构思，本实施例还提供了一种抑制风电系统次同步振荡的系统，包括：

接入模块，用于将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；

确定模块，用于基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；

抑制模块，用于基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；

其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的。

实施例中，所述系统还包括，设计模块，用于设计局部变增益控制器；

所述设计模块，包括：

第一表达式设计单元，用于基于局部变增益控制器的原理，设置局部变增益控制器的接入位置，并设置局部变增益控制器的增益表达式；

第二表达式设计单元，用于基于局部变增益控制器的增益表达式，确定输入输出关系表达式；

结构设计单元，用于基于增益表达式和输入输出关系表达式确定局部变增益控制器的结构；

参数设计单元，用于基于所述局部变增益控制器的结构设计局部变增益控制器的参数。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，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，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种抑制风电系统次同步振荡的方法，其特征在于，包括：

将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；

基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；

基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；

其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述局部变增益控制器的设计，包括：

基于局部变增益控制器的原理，设置局部变增益控制器的接入位置，并设置局部变增益控制器的增益表达式；

基于局部变增益控制器的增益表达式，确定输入输出关系表达式；

基于增益表达式和输入输出关系表达式确定局部变增益控制器的结构；

基于所述局部变增益控制器的结构设计局部变增益控制器的参数。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设置局部变增益控制器的增益表达式，包括：

基于局部变增益控制器的输入量与增益之间的关系，绘制局部变增益控制器的增益特性曲线；

基于所述增益特性曲线确定各输入量的取值范围对应的增益表达式。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述增益表达式，如下式所示：

式中：G(ΔI)：局部变增益控制器的增益；ΔI：局部变增益控制器的输入量；a：第一设计参数；b：局部变增益控制器的输入阈值；h：第二设计参数。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于局部变增益控制器的增益表达式，确定输入输出关系表达式，包括：

基于各局部变增益控制器的增益表达式和局部变增益控制器的输入输出关系，获得对应的局部变增益控制器的输入输出关系表达式。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述输入输出关系表达式，如下式所示：

式中，ΔI'：局部变增益控制器的输出量；ΔI：局部变增益控制器的输入量；b：局部变增益控制器的输入阈值；a：第一设计参数；h：第二设计参数。

7.如权利要求4或6任一项所述的方法，其特征在于，所述局部变增益控制器的参数，包括：

局部变增益控制器的输入阈值b、第一设计参数a和第二设计参数h。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述局部变增益控制器的参数值，包括：

所述局部变增益控制器的输入阈值为0.01≤b≤0.1之间的任意一个数值；

所述第一设计参数为0≤a≤0.8b之间的任意一个数值；

所述第二设计参数为0.2≤h<1之间的任意一个数值。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述变流器控制的输入端，包括：

双馈风机转子侧变流器控制的输入端或HVDC整流侧变流器控制的输入端。

10.一种抑制风电系统次同步振荡的系统，其特征在于，包括：

接入模块，用于将预先设计好的局部变增益控制器串联接入变流器控制的输入端；

确定模块，用于基于风电系统的拓扑结构和局部变增益控制器接入的位置确定所述局部变增益控制器的参数值；

抑制模块，用于基于所述局部变增益控制器减小变流器控制输入端的增益从而抑制系统次同步振荡；

其中，所述局部变增益控制器是根据接入位置、结构和参数进行设计的。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括，设计模块，用于设计局部变增益控制器；

所述设计模块，包括：

第一表达式设计单元，用于基于局部变增益控制器的原理，设置局部变增益控制器的接入位置，并设置局部变增益控制器的增益表达式；

第二表达式设计单元，用于基于局部变增益控制器的增益表达式，确定输入输出关系表达式；

结构设计单元，用于基于增益表达式和输入输出关系表达式确定局部变增益控制器的结构；

参数设计单元，用于基于所述局部变增益控制器的结构设计局部变增益控制器的参数。