CN110266047A - 一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器及控制方法 - Google Patents

一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器及控制方法，包括：根据扰动时的时间响应速度，将风力发电机的控制模块划分为不同的时间尺度控制模块；将风力发电机的端口三相电压信号通过多频带自适应滤波器，输出与所述不同时间尺度控制模块对应的频段振荡信号的频率与频率微分；将所述不同的频段振荡信号的频率与频率微分转换为对应时间尺度控制模块的控制信号；将所述控制信号注入到对应时间尺度控制模块，抑制频段振荡。本发明不仅对风力发电系统可能出现的宽频振荡、不同单一尺度振荡形式具有抑制效果，且可在系统频率动态过程中为系统提供惯量。

Description

一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器及控制方法
技术领域
本发明属于新能源发电领域，更具体地，涉及一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器及控制方法。
背景技术
随着可再生能源大规模接入电力系统，引入的稳定性问题已受到工业界与学术界的普遍关注。国内外频繁出现由电力电子装置参与或引发的振荡现象覆盖了从次同步一直到高频带宽泛的范围，涉及到的电力电子装置覆盖了风电、光伏等不同类型的发电装置，直流、FACTS等输电装置以及电力机车等负荷装置。
除了传统的固定频率振荡形式外，受天气、系统运行等因素的影响，风力发电等电力电子装置并入电力系统后发生振荡的特征可能呈现出宽频振荡和振荡频率漂移的特征。目前，以新能源通过电力电子装置接入系统的情况最为明显，实际系统中，风能条件不确定性导致装置控制结构和参数、系统运行方式、潮流多变，可能会导致电力电子装置工作模式切换乃至频繁并/脱网操作，进而使得系统振荡模式、振荡频率、阻尼特性随之改变。目前，大部分方案是针对单一固定频率振荡模式进行独立优化和抑制，而且优化和抑制方案难免会影响到多样化装置其他频段的特性，造成其他频段阻尼削弱甚至诱发相应的振荡问题，因此，难以适应于宽频带振荡以及振荡频率漂移等复杂振荡问题。此外，优化和抑制方案主要集中在单一类型装置内部控制器参数优化，对于多样化电力电子装置，其控制器参数协调优化的复杂程度将大幅增加。
综上，装置自身的稳定性是系统稳定的基础，随着电力系统电力发电的规模不断扩大，风力发电并网装置内部各控制环路及并网机制对并网后的系统动态行为将起到至关重要的作用。值得注意的是，随着风力发电并网的规模越来越大，系统出现的振荡问题将更为复杂，且电力电子化电力系统可能出现的宽频振荡及振荡频率漂移等现象将日益显著，以往针对单一固定振荡模式的抑制方案将不再适用，需应采用新的控制方法以抑制系统可能出现的宽频带振荡与振荡频率漂移等问题，维持电力电子化电力系统的正常稳定运行，
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器及控制方法，旨在解决大规模风力发电并网可能发生的系统宽频振荡和振荡频率漂移的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器的控制方法，包括：
S1：根据扰动时时间响应速度，将风力发电机的控制模块划分为不同的时间尺度控制模块；
S2：将风力发电机的端口三相电压信号通过多频带自适应滤波器，输出与不同的时间尺度控制模块对应的频段振荡信号的频率与频率微分；
S3：将不同的频段振荡信号的频率与频率微分信息转换为对应时间尺度控制模块的控制信号；
S4：将控制信号注入到对应时间尺度控制模块，抑制频段振荡。
优选地，按扰动时的时间响应速度，风力发电机的时间尺度控制模块包括：机械转速控制尺度、直流电压控制尺度和交流电流控制尺度；
其中，机械转速控制尺度的时间响应速度为秒级；直流电压控制尺度的时间响应速度为毫秒级；交流电流控制尺度的时间响应速度为微秒级。
优选地，频段分为低频频段、次同步频段和超同步频段；
其中，机械转速控制尺度对应低频频段，低频频段的带宽小于十赫兹；直流电压控制尺度对应次同步频段，次同步频段的带宽为十赫兹；交流电流控制尺度对应超同步频段，超同步频段的宽带为百赫兹。
优选地，机械转速控制尺度的机侧逆变器的控制包括桨距角控制、最大风速跟踪控制、惯量控制和转速控制；机械转速控制尺度的网侧逆变器的控制包括无功功率控制；
直流电压控制尺度的机侧逆变器的控制包括直接转矩控制；直流电压控制尺度的网侧逆变器的控制包括直流电压控制、端电压控制、端电压稳态控制；
交流电流控制尺度的机侧逆变器的控制包括：电流环控制；交流电流控制尺度的网侧逆变器的控制包括：电流环控制。
另一方面，本发明提供了一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器，包括：多频带自适应滤波器和信号转换模块；
多频带自适应滤波器的输出端连接信号转换模块；
信号转换模块与风力发电机的时间尺度控制模块一一对应；信号转换模块的输出端连接时间尺度控制模块；
多频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与时间尺度控制模块对应的频段振荡频率与频率微分信息；
信号转换模块用于将不同频段振荡频率与频率微分信息转换为与时间尺度控制模块对应的控制信号；
风力发电机的控制模块按照扰动时的时间响应速度，划分成不同的时间尺度控制模块。
优选地，风力发电机的时间尺度控制模块包括：机械转速控制尺度、直流电压控制尺度和交流电流控制尺度；
其中，机械转速控制尺度的时间响应速度为秒级；直流电压控制尺度的时间响应速度为毫秒级；交流电流控制尺度的时间响应速度为微秒级。
优选地，信号转换模块为PID控制器或PI控制器；
优选地，信号转换模块包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和第三信号转换模块；
第一信号转换模块用于将机械转速控制尺度对应的振荡信号的频率转化为端电压控制指令，且将机械转速控制尺度对应的频率微分转化为转矩控制指令；
第二信号转换模块用于将直流电压控制尺度对应的振荡信号的频率转换为q轴电流指令，且将直流电压控制尺度对应的频率微分转化为d轴电流指令；
第三信号转换模块用于将交流电流控制尺度对应的振荡信号的频率转换为q轴内电势指令，且将交流电流控制尺度对应的频率微分转化为d轴内电势指令。
优选地，多频带自适应滤波器包括低频带自适应滤波器、中频带自适应滤波器和高频带自适应滤波器；
低频带自适应滤波器的输出端连接第一信号转换模块的输入端；中频带自适应滤波器的输出端连接第二信号转换模块的输入端；高频带自适应滤波器的输出端连接第三信号转换模块的输入端；
低频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与机械转速控制尺度对应的振荡信号的频率及频率微分；
中频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与直流电压控制尺度对应的振荡信号的频率及频率微分；
高频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与交流电流控制尺度对应的振荡信号的频率及频率微分。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下
有益效果：
本发明利用风力发电系统的灵活控制特性以及控制器响应具有的多时间尺度特性，基于多频带自适应滤波器提取振荡信号频率及频率微分，通过不同的信号转换模块输出与时间尺度控制模块对应的控制信号，对风力发电机不同时间尺度控制模块进行辅助控制，针对现有系统振荡的抑制方法无法应对大规模风力发电机并网可能出现的宽频带振荡及振荡频率漂移问题，本发明适用范围广，不仅对风力发电系统可能出现的宽频振荡、不同单一尺度振荡形式具有抑制效果，且可在系统频率动态过程中为系统提供惯量。
附图说明
图1是本发明提供的基风力发电装置的稳定器的控制方法示意图；
图2是本发明提供的直驱电机的完整控制框图及其时间尺度划分；
图3是本发明提供的稳定器的直驱风机控制实例分析图；
图4是本发明提供的多频带自适应滤波器的结构图；
图5是本发明提供的多频带自适应滤波器的原理图；
图6是本发明提供的信号转换模块的结构图；
图7是本发明提供的PID控制结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器的控制方法，包括：
S1：根据扰动时时间响应速度，将风力发电机划分为不同的时间尺度控制模块；
S2：将风力发电机的端口三相电压信号通过多频带自适应滤波器，输出与不同的时间尺度控制模块对应的频段振荡信号的频率与频率微分；
S3：将不同的频段振荡信号的频率与频率微分信息转换为对应时间尺度控制模块的控制信号；
S4：将控制信号注入到对应时间尺度控制模块，抑制频段振荡。
实施例
将风力发电机控制模块按照不同响应快慢进行划分，如图2所示，本实施例帮助理解并简要说明划分依据。
如图2所示为直驱风力发电机的完整控制框图及时间尺度划分，直驱风力发电机发生扰动时，控制模块的线路首先产生电磁暂态过程，电磁暂态过程对应于电流环控制的响应，电流环控制的带宽一般是百赫兹(微秒级)；其次是直流电容电压产生波动，风力发电机的直流电压控制、端电压控制、直接转矩控制会响应并维持直驱电机的端电压稳定与直流电容的电压稳定，直流电压控制、端电压控制、直接转矩控制的宽带一般是十赫兹(毫秒级)；最后是风力发电机的机械部分的控制器及功率控制器开始动作响应，风力发电机的机械部分的控制器及功率控制器带宽一般是几赫兹(秒级)；因此，按照各控制模块的响应速度进行划分，时间尺度包含：机械转速控制尺度(秒级)、直流电压控制尺度(毫秒级)、交流电流控制尺度(微秒级)，分别对应于低频频段、次同步频段、超同步频段；
机械转速控制尺度的机侧逆变器的控制包括桨距角控制、最大风速跟踪控制、惯量控制和转速控制；机械转速控制尺度的网侧逆变器的控制包括无功功率控制；
直流电压控制尺度的机侧逆变器的控制包括直接转矩控制；直流电压控制尺度的网测逆变器的控制包括直流电压控制、端电压控制、端电压稳态控制；
交流电流控制尺度的机侧逆变器的控制包括：电流环控制；交流电流控制尺度的网侧逆变器的控制包括：电流环控制。
本实施例以直驱风机为例说明控制模块如何按时间尺度进行划分，对于实际风力发电系统的内部控制结构有多种，对于控制模块的划分仍可按控制模块相应快慢以时间尺度进行划分。
如图3所示，本发明还提供了一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器，包括：多频带自适应滤波器4和信号转换模块5；
多频带自适应滤波器4的输出端连接信号转换模块5；
信号转换模块5与风力发电机的时间尺度控制模块一一对应；信号转换模块5的输出端连接时间尺度控制模块；
多频带自适应滤波器4用于接收风力发电机的端电压，并输出与时间尺度控制模块对应的频段振荡频率与频率微分信息；
信号转换模块5用于将不同频段振荡频率与频率微分信息转换为与时间尺度控制模块对应的控制信号；
风力发电机的控制模块按照扰动时的时间响应速度，划分成不同的时间尺度控制模块。
优选地，如图3所示，直驱电机的时间尺度控制模块包括：机械转速控制尺度1、直流电压控制尺度2和交流电流控制尺度3；
机械转速控制尺度1的时间响应速度为秒级；直流电压控制尺度2的时间响应速度为毫秒级；交流电流控制尺度3的时间响应速度为微秒级。
信号转换模块5包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和第三信号转换模块；
第一信号转换模块用于将机械转速控制尺度对应的振荡信号的频率ω1转化为端电压控制指令且将机械转速控制尺度对应的频率微分转化为转矩控制指令
第二信号转换模块用于将直流电压控制尺度对应的振荡信号的频率ω2转换为q轴电流指令且将直流电压控制尺度对应的频率微分转化为d轴电流指令
第三信号转换模块用于将交流电流控制尺度对应的振荡信号的频率ω3转换为q轴内电势指令且将交流电流控制尺度对应的频率微分转化为d轴内电势指令
优选地，如图4所示，多频带自适应滤波器4包括低频带自适应滤波器41、中频带自适应滤波器42和高频带自适应滤波器43；
低频带自适应滤波器41的输出端连接第一信号转换模块的输入端；中频带自适应滤波器42的输出端连接第二信号转换模块的输入端；高频带自适应滤波器43的输出端连接第三信号转换模块的输入端；
低频带自适应滤波器41用于接收风力发电机的端电压，并输出与机械转速控制尺度对应的振荡信号的频率ω1及频率微分
中频带自适应滤波器42用于接收风力发电机的端电压，并输出与直流电压控制尺度对应的振荡信号的频率ω2及频率微分
高频带自适应滤波器43用于接收风力发电机的端电压，并输出与交流电流控制尺度对应的振荡信号的频率ω3及频率微分
低频带自适应滤波器41、中频带自适应滤波器42和高频带自适应滤波器43的原理结构相同，实现方案有多种，本实施例仅阐述一般的实现原理，如图5所示，以低频带自适应滤波器41为例，低频带自适应滤波器41包括：可编程滤波器411、自适应单元412、加法器413、信号筛选单元414；三相电压信号通过可编程滤波器411输出滤波信号与参考信号，滤波信号与参考信号通过加法器413做比较获取误差输出；自适应单元412通过接收误差输出信号与三相电压信号，计算得到修正滤波器参数传递到可编程滤波器411，从而修正可编程滤波器411中的参数；可编程滤波器411选择IIR型滤波器、FIR型滤波器等数字滤波器等，自适应单元可选择最小二乘法进行编程计算，同时可编程滤波器411的输出信号，通过信号筛选单元414除去风力发电机开关器件的谐波，信号筛选单元414除去风力发电机开关器件的谐波的实现方式有多种，例如信号筛选单元414上设计的谐波信号幅度一般比较小，而风力发电系统发生振荡时振荡信号一般幅度比较大，从而设置信号筛选单元阈值使可编程滤波器输出411输出信号大于信号筛选单元的阈值时触发输出。
本实施例以图5所示的自适应滤波器4为例说明自适应滤波器4工作原理，而实际自适应滤波器结构有多种，但是基本原理是相同的，主要用于采集风力发电系统端口三相电压信号，并输出不同频段振荡信号的频率与频率微分信息。
进一步地，信号转换模块5通常为PID控制器或PI控制器，可供选择的控制方案有多种，本实施例以图6所示的结构为例说明信号转换模块5的实现方式，频率与频率微分信息分别通过两个PID控制器输出，PID控制器如图7所示，包括比例控制器511、积分控制器512、微分控制器513和加法器514；比例控制器511可快速跟踪；积分控制器512可消除稳态误差，但可能增加超调；微分控制器513可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势，通过加法器514将比例控制器511、积分控制器512和微分控制器513输出的信号进行加和得到输出信号。
本实施例中只对直驱风力发电机的机械转速控制尺度对应转速控制器和无功功率控制器；直流电压控制尺度对应直流电压控制器、端电压控制器；交流电流控制尺度的电流环控制器输出控制；在实际应用场景中，控制信号也可施加与控制器的输入端，同时用于输入到风力发电系统中的同一时间尺度的辅助控制信号可以有多组以辅助控制同一时间尺度下的其余控制器；应理解的是其基本原理是相同的，均为对三个不同时间尺度振荡信号的频率与频率微分特征予以提取进而对其控制。
本发明提出的基于风力发电装置的稳定器及控制方法，除了可以应用于风力发电机之外，同样可应用于基于电压源变流器控制的其他能源发电能源，如太阳能光伏发电，以及其他包含电压源型并网变流器的系统或装置，包括带储能的并网变流器装置、柔性直流输电逆变端等于传统高燕直流整流端直联的情况。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器的控制方法，其特征在于，包括：
S1：根据扰动时的时间响应速度，将风力发电机的控制模块划分为不同的时间尺度控制模块；
S2：将风力发电机的端口三相电压信号通过多频带自适应滤波器，输出与所述不同时间尺度控制模块对应的频段振荡信号的频率与频率微分；
S3：将所述不同的频段振荡信号的频率与频率微分转换为对应时间尺度控制模块的控制信号；
S4：将所述控制信号注入到对应时间尺度控制模块，抑制频段振荡。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，按照扰动时的时间响应速度，将所述风力发电机的控制模块划分为：机械转速控制尺度、直流电压控制尺度和交流电流控制尺度；
其中，机械转速控制尺度的时间响应速度为秒级；直流电压控制尺度的时间响应速度为毫秒级；交流电流控制尺度的时间响应速度为微秒级。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述频段分为低频频段、次同步频段和超同步频段；
其中，机械转速控制尺度对应低频频段，低频频段的带宽小于十赫兹；直流电压控制尺度对应次同步频段，次同步频段的带宽为十赫兹；交流电流控制尺度对应超同步频段，超同步频段的宽带为百赫兹。
4.如权利要求2或3所述的控制方法，其特征在于，所述机械转速控制尺度的的机侧逆变器的控制包括桨距角控制、最大风速跟踪控制、惯量控制和转速控制；机械转速控制尺度的网侧逆变器的控制包括无功功率控制；
所述直流电压控制尺度的机侧逆变器的控制包括直接转矩控制；直流电压控制尺度的网测逆变器的控制包括直流电压控制、端电压控制、端电压稳态控制；
所述交流电流控制尺度的机侧逆变器的控制包括：电流环控制；交流电流控制尺度的网侧逆变器的控制包括：电流环控制。
5.一种基于自适应滤波器的风力发电装置稳定器，其特征在于，包括：多频带自适应滤波器和信号转换模块；
所述多频带自适应滤波器的输出端连接信号转换模块；
所述信号转换模块与风力发电机的时间尺度控制模块一一对应；信号转换模块的输出端连接时间尺度控制模块；
所述多频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与时间尺度对应频段的振荡频率与频率微分信息；
所述信号转换模块用于将不同频段振荡频率与频率微分信息转换为与时间尺度控制模块对应的控制信号；
所述风力发电机的控制模块按照扰动时的时间响应速度，划分成不同的时间尺度控制模块。
6.如权利要求5所述的稳定器，其特征在于，所述风力发电机的时间尺度控制模块包括：机械转速控制尺度、直流电压控制尺度和交流电流控制尺度；
其中，机械转速控制尺度的时间响应速度为秒级；直流电压控制尺度的时间响应速度为毫秒级；交流电流控制尺度的时间响应速度为微秒级。
7.如权利要求5或6所述的稳定器，其特征在于，所述信号转换模块为PID控制器或PI控制器。
8.如权利要求7所述的稳定器，其特征在于，所述信号转换模块包括第一信号转换模块、第二信号转换模块和第三信号转换模块；
所述第一信号转换模块用于将机械转速控制尺度对应的振荡信号的频率转化为端电压控制指令，且将机械转速控制尺度对应的频率微分转化为转矩控制指令；
所述第二信号转换模块用于将直流电压控制尺度对应的振荡信号的频率转换为q轴电流指令，且将直流电压控制尺度对应的频率微分转化为d轴电流指令；
所述第三信号转换模块用于将交流电流控制尺度对应的振荡信号的频率转换为q轴内电势指令，且将交流电流控制尺度对应的频率微分转化为d轴内电势指令。
9.如权利要求5至8任一所述的稳定器，其特征在于，所述多频带自适应滤波器包括低频带自适应滤波器、中频带自适应滤波器和高频带自适应滤波器；
低频带自适应滤波器的输出端连接第一信号转换模块的输入端；中频带自适应滤波器的输出端连接第二信号转换模块的输入端；高频带自适应滤波器的输出端连接第三信号转换模块的输入端；
低频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与机械转速控制尺度对应的振荡信号的频率及频率微分；
中频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与直流电压控制尺度对应的振荡信号的频率及频率微分；
高频带自适应滤波器用于接收风力发电机的端电压，并输出与交流电流控制尺度对应的振荡信号的频率及频率微分。
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