CN110518601A - 基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法，属于电力系统稳定与控制领域，该方法包括以下内容：建立了风机并网和含直驱风电场的等值两区域系统模型，获得风电机械功率波动引起区域间联络线功率波动的传递函数，且考虑了风剪切和塔影效应使直驱式风电机组成为强迫功率振荡扰动源的影响，获得能够激发含直驱风电场的等值两区域之间低频振荡的频段；根据该频段设计自抗扰控制器ADRC的扰动估计模块，并用ADRC代替传统的风机侧q轴电流内环控制器，从而实时补偿风机功率低频扰动量，实现该宽频段低频振荡的抑制。本发明的方法成本低、抑制效果好，且能够适应运行工况的改变。

Description

基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定与控制领域，特别是一种基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法。

背景技术

近年来，大区电网互联使现代电力系统的规模越来越大，大电网区域间和区域内的弱阻尼或负阻尼问题在实际工程中变得十分突出，低频振荡成为影响电力系统动态稳定性以及远距离传送容量的重要因素。风电作为最具有开发潜力的可再生能源发展迅速，并在各国能源战略中得到了相当的重视。当大规模风电接入电网时，风电场输出功率的实际录波中含有低频周期性波动分量，其波动主要因叶片获取风速的空间特性造成，将会导致系统的联络线功率发生大幅低频振荡。因此，研究由该现象引起的大规模风电并网系统的共振型低频振荡成为一个亟待研究的重要课题。

目前对于共振型低频振荡的抑制，有对扰动源定位和扰动源切除、安装传统电力系统稳定器等方法。论文“电力系统强迫振荡抑制方法研究”提出了一种基于有功功率波动及电压频率波动相位的强迫扰动源定位和切除方法；但是风电场输出功率中的低频周期分量是由风机叶片本身特质决定的，无法进行切除；论文“基于机网协调的共振机理低频振荡影响因素分析及对策研究”提出利用调速侧电力系统稳定器(governor power systemstabilizer，GPSS)提高系统阻尼降低共振振荡幅值，但仅依靠增加阻尼降低共振幅值，并不能针对扰动源做出反应，抑制效果有限；论文“大规模风电并网系统的低频振荡研究”使用储能装置对共振型低频振荡进行了抑制，但是储能的安装需要大量的人力和物力成本；论文“双馈风机定子侧变流器的附加阻尼抑制次同步振荡方法”分别在定子侧和转子侧换流器控制策略中引入附加阻尼控制，通过产生附加转矩来实现振荡抑制；但风电场运行工况的变化使得振荡频率具有时变特性，一旦系统运行工况改变，需要对控制器中的参数重新设定，以适应振荡频率变化。总的来说，现有抑制方法均针对负阻尼引起的低频振荡且风速具有随机性的问题，还没有针对宽频段的强迫振荡的相关研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对宽频段强迫振荡的抑制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立风机并网模型；

步骤2、建立含直驱风电场的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型，并结合所述风机并网模型获取风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数，之后根据传递函数获取低频振荡的频段；

步骤3、针对低频振荡，建立基于宽频带的自抗扰控制器ADRC的直驱风机附加阻尼控制策略，利用该控制策略即可实现抑制风电并网低频振荡。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)将自抗扰控制器应用到强迫振荡抑制中，且只需要修改控制策略，不仅填补了目前对于直驱风机并网强迫振荡研究和抑制手段的空白，而且突破了目前直驱风机并网产生的强迫振荡需要加装装置的现状，极大的节省了成本；2)将风机低频扰动量加入到扩张状态观测器，得到需要补偿的低频值，不需要切除扰动源，就可实现对风机共振型低频振荡的准确抑制，且能适应风速的随机波动；3)通过进行风机并网引起低频振荡的机理分析，获得能够激发低频振荡的频段，因此，本发明能够适应运行工况的改变。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法结构框图。

图2为本发明中直驱风电机组并网电路图。

具体实施方式

结合图1，本发明基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立风机并网模型；

步骤2、建立含直驱风电场的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型，并结合所述风机并网模型获取风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数，之后根据传递函数获取低频振荡的频段；

步骤3、针对低频振荡，建立基于宽频带的自抗扰控制器ADRC的直驱风机附加阻尼控制策略，利用该控制策略即可实现抑制风电并网低频振荡。

进一步地，结合图2，步骤1建立风机并网模型，具体为：

步骤1-1、分析直驱风机形成强迫功率振荡扰动源的机理，其中考虑风力发电机轴系的柔性，忽略轴系和风轮机、发电机自身的阻尼，将风机的轴系双质块模型线性化：

式中，ΔT_e为电磁转矩波动量；Δω₁、Δω₂为风轮机和发电机的转子角速度波动量；Δθ为风轮机和发电机的扭转角；K₁₂为轴系刚度；D₁₂为轴系阻尼；J_w、J_G分别为风轮机和发电机的转动惯量；

步骤1-2、为分析风电机组输出的电磁转矩波动与机械转矩波动的关系，利用拉普拉斯变换将式(1)变换到复频域：

步骤1-3、风电机组在速度控制下，Δω₂(s)＝0，则由式(2)获得机械转矩增量ΔT_m(s)和电磁转矩增量ΔT_e(s)的传递函数即风机并网模型：

进一步地，步骤2建立含直驱风电场的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型，并根据该模型获取风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数，具体为：

步骤2-1、建立同步发电机1和发电机2的线性化转子运动方程为：

式中，H₁、H₂分别为发电机1、发电机2的惯性常数，Δδ₁、Δδ₂分别为发电机1、发电机2的发电机功角，K_D1、K_D2分别为发电机1、发电机2的阻尼系数；ω₀为额定角速度；ΔP_m1、ΔP_m2分别为发电机1、发电机2的机械功率波动量，ΔP_e1、ΔP_e2分别为发电机1、发电机2的电磁功率波动量；

步骤2-2、由功率守恒获得线路传输功率与发电机输出功率的关系：

式中，ΔP_WF为风机输出功率，ΔP_WF＝ΔT_e·ω₂，ω₂为风机中发电机的转子角速度；ΔP_line为联络线功率波动量，其中，U₁、U₂分别为母线1、母线2的电压，x₁₂为联络线电抗，δ₁₂₀、Δδ₁₂分别为发电机1与发电机2的初始相角差、转子角度差；ΔP_L为负荷波动；

步骤2-3、假设忽略同步发电机的机械功率波动，则ΔP_m1＝ΔP_m2＝0；忽略负荷波动ΔP_L＝0，联立式(4)和式(5)，令获得风电场输出功率波动与联络线功率波动的关系为：

式中，k_s为等值机组的同步转矩系数，K_D为系统阻尼，

步骤2-4、利用拉普拉斯变换将式(6)变换到复频域，获得含直驱风电场的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型：

s²ΔP_line(s)+K_DsΔP_line(s)+K_sΔP_line(s)＝α₂ΔP_WF(s) (7)

式中，α₂为风电场功率波动对联络线功率波动的影响因子，

步骤2-5、由式(7)获得联络线功率波动增量ΔP_line(s)和风机输出功率增量ΔP_WF(s)的传递函数为：

步骤2-6、由风力机的塔影效应引起联络线功率波动的扰动传播过程可分为两个阶段。首先，塔影效应引起风轮机机械功率的周期性波动，该扰动作为激励信号通过风机系统导致风电场输出功率波动；其次，风电场输出功率波动作为电力系统的激励信号引起联络线功率波动。因此，结合步骤2-5的传递函数与步骤1的风机并网模型获取风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数为：

分析式(9)可得，当系统的自然振荡频率与风机系统造成的新谐振频率相近时，联络线波动的谐振放大倍数非常大，可能造成对系统的危害；联络线功率波动由风电机组的机械功率波动经过两次叠加放大组成：第一次放大主要因为风力机轴系柔性导致，第二次放大是风电机组输出功率波动与系统自然振荡发生谐振；

步骤2-7、根据式(9)绘制幅频特性曲线，幅值大于0的频段即为低频振荡的频段，三次脉动频率f_3p落在该频段内会激发大幅度功率振荡，当三次脉动频率f_3p靠近该频段的极大值点所对应频率时，振荡幅值最大。

进一步地，步骤3针对低频振荡，建立基于宽频带的ADRC的直驱风机附加阻尼控制策略，利用该控制策略即可实现抑制风电并网低频振荡，具体为：

步骤3-1、建立永磁同步电机电流方程：

式中，i_sd、i_sq分别为同步电机定子的d轴和q轴电流；u_sd、u_sq分别为电机端d轴和q轴电压；L_sd、L_sq分别为d轴和q轴同步电感；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ω_f为转子永磁体磁链；

步骤3-2、提取步骤2-7所得到的扰动功率：

P_REF＝P_EXP-P_WF (11)

式中，P_WF为风电场输出的实际功率，P_EXP为风电场的期望输出，是将风电场输出功率利用低通滤波器滤除步骤2-7所得频段后得到的期望功率值；P_REF为扰动功率；

步骤3-3、利用自抗扰控制器ADRC替换机侧有功内环PI控制器，由式(10)将影响被控输出的耦合项和不确定因素用f表示，获得：

式中，f视为控制系统的总和扰动，包括不确定性因素、低频振荡分量、模型误差以及电流跟踪误差；b＝1/L为控制量的放大系数，L为电感，L＝L_sd＝L_sq；

步骤3-3、由式(12)一阶状态方程，构建扰动二阶系统：

式中，y＝i_qs设为ADRC输入，控制使其快速跟踪给定参考值；u_qs设为ADRC最终的输出控制量；a(t)为未知外界扰动；

由式(13)建立自抗扰控制器ADRC中的扩张状态观测器：

式中，h为采样步长；β₀₁和β₀₂为增益系数；b₀为补偿因子；z₁为状态估计量；z₂为ESO对机械功率三次脉动扰动和外界扰动构成总和扰动的估计值；fal(e,α,δ)为原点附近具有线性段的连续幂次函数，P_REF为扰动功率；

步骤3-4、利用状态误差信息与最速控制综合函数构建自抗扰控制器中的非线性状态误差反馈：

式中，c为阻尼因子；r为速度因子；h₁为滤波因子；v₀为定子q轴电流的给定参考值i_{qs_ref}，最速控制综合函数f_han(x₁,x₂,r,h)的算法公式为：

式中，x₁和x₂为状态量，d、d₀为控制f_han函数线性段长度；y、a、a₀为内部变量；sign(x)表示符号函数；

步骤3-5、由步骤3-3扩张状态观测器估计得到的总扰动，对反馈控制量u₀进行补偿，使低频扰动量被动态补偿，抑制低频振荡，并形成最终的输出控制量：

u_qs＝u₀-z₂/b₀。 (17)

本发明建立了风机并网和含直驱风电场的等值两区域系统模型，获得风电机械功率波动引起区域间联络线功率波动的传递函数，且考虑了风剪切和塔影效应使直驱式风电机组成为强迫功率振荡扰动源的影响，获得能够激发含直驱风电场的等值两区域之间低频振荡的频段；根据该频段设计ADRC的扰动估计模块，并用ADRC代替传统的风机侧q轴电流内环控制器，从而实时补偿风机功率低频扰动量，实现该宽频段低频振荡的抑制。本发明的方法成本低、抑制效果好，且能够适应运行工况的改变。

Claims (4)

1.一种基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立风机并网模型；

步骤2、建立含直驱风电场的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型，并结合所述风机并网模型获取风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数，之后根据传递函数获取低频振荡的频段；

步骤3、针对低频振荡，建立基于宽频带的自抗扰控制器ADRC的直驱风机附加阻尼控制策略，利用该控制策略即可实现抑制风电并网低频振荡。

2.根据权利要求1所述的基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法，其特征在于，步骤1所述建立风机并网模型，具体为：

步骤1-1、将风机的轴系双质块模型线性化：

式中，ΔT_e为电磁转矩波动量；Δω₁、Δω₂为风轮机和发电机的转子角速度波动量；Δθ为风轮机和发电机的扭转角；K₁₂为轴系刚度；D₁₂为轴系阻尼；J_w、J_G分别为风轮机和发电机的转动惯量；

步骤1-2、利用拉普拉斯变换将式(1)变换到复频域：

步骤1-3、风电机组在速度控制下，Δω₂(s)＝0，则由式(2)获得机械转矩增量ΔT_m(s)和电磁转矩增量ΔT_e(s)的传递函数即风机并网模型：

3.根据权利要求1所述的基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法，其特征在于，步骤2所述建立含直驱风电场的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型，并根据该模型获取风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数，具体为：

步骤2-1、建立同步发电机1和发电机2的线性化转子运动方程为：

式中，H₁、H₂分别为发电机1、发电机2的惯性常数，Δδ₁、Δδ₂分别为发电机1、发电机2的发电机功角，K_D1、K_D2分别为发电机1、发电机2的阻尼系数；ω₀为额定角速度；ΔP_m1、ΔP_m2分别为发电机1、发电机2的机械功率波动量，ΔP_e1、ΔP_e2分别为发电机1、发电机2的电磁功率波动量；

步骤2-2、由功率守恒获得线路传输功率与发电机输出功率的关系：

式中，ΔP_WF为风机输出功率，ΔP_WF＝ΔT_e·ω₂，ω₂为风机中发电机的转子角速度；ΔP_line为联络线功率波动量，其中，U₁、U₂分别为母线1、母线2的电压，x₁₂为联络线电抗，δ₁₂₀、Δδ₁₂分别为发电机1与发电机2的初始相角差、转子角度差；ΔP_L为负荷波动；

步骤2-3、假设忽略同步发电机的机械功率波动，则ΔP_m1＝ΔP_m2＝0；忽略负荷波动ΔP_L＝0，联立式(4)和式(5)，令获得风电场输出功率波动与联络线功率波动的关系为：

式中，k_s为等值机组的同步转矩系数，K_D为系统阻尼，

步骤2-4、利用拉普拉斯变换将式(6)变换到复频域，获得含直驱风电场的等值两区域系统联络线功率波动的复频域模型：

s²ΔP_line(s)+K_DsΔP_line(s)+K_sΔP_line(s)＝α₂ΔP_WF(s) (7)

式中，α₂为风电场功率波动对联络线功率波动的影响因子，

步骤2-5、由式(7)获得联络线功率波动增量ΔP_line(s)和风机输出功率增量ΔP_WF(s)的传递函数为：

步骤2-6、结合步骤2-5的传递函数与步骤1的风机并网模型获取风电机械功率波动引起联络线功率波动的传递函数为：

步骤2-7、根据式(9)绘制幅频特性曲线，幅值大于0的频段即为低频振荡的频段，三次脉动频率f_3p落在该频段内会激发大幅度功率振荡，当三次脉动频率f_3p靠近该频段的极大值点所对应频率时，振荡幅值最大。

4.根据权利要求1所述的基于宽频带和改进自抗扰控制的风电并网低频振荡抑制方法，其特征在于，步骤3所述针对低频振荡，建立基于宽频带的ADRC的直驱风机附加阻尼控制策略，利用该控制策略即可实现抑制风电并网低频振荡，具体为：

步骤3-1、建立永磁同步电机电流方程：

式中，i_sd、i_sq分别为同步电机定子的d轴和q轴电流；u_sd、u_sq分别为电机端d轴和q轴电压；L_sd、L_sq分别为d轴和q轴同步电感；R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ω_f为转子永磁体磁链；

步骤3-2、提取步骤2-7所得到的扰动功率：

P_REF＝P_EXP-P_WF (11)

式中，P_WF为风电场输出的实际功率，P_EXP为风电场的期望输出，是将风电场输出功率利用低通滤波器滤除步骤2-7所得频段后得到的期望功率值；P_REF为扰动功率；

步骤3-3、利用自抗扰控制器ADRC替换机侧有功内环PI控制器，由式(10)将影响被控输出的耦合项和不确定因素用f表示，获得：

式中，f视为控制系统的总和扰动，包括不确定性因素、低频振荡分量、模型误差以及电流跟踪误差；b＝1/L为控制量的放大系数，L为电感，L＝L_sd＝L_sq；

步骤3-3、由式(12)一阶状态方程，构建扰动二阶系统：

式中，y＝i_qs设为ADRC输入，控制使其快速跟踪给定参考值；u_qs设为ADRC最终的输出控制量；a(t)为未知外界扰动；

由式(13)建立自抗扰控制器ADRC中的扩张状态观测器：

式中，h为采样步长；β₀₁和β₀₂为增益系数；b₀为补偿因子；z₁为状态估计量；z₂为ESO对机械功率三次脉动扰动和外界扰动构成总和扰动的估计值；fal(e,α,δ)为原点附近具有线性段的连续幂次函数，P_REF为扰动功率；

步骤3-4、利用状态误差信息与最速控制综合函数构建自抗扰控制器中的非线性状态误差反馈：

式中，c为阻尼因子；r为速度因子；h₁为滤波因子；v₀为定子q轴电流的给定参考值i_{qs_ref}，最速控制综合函数f_han(x₁,x₂,r,h)的算法公式为：

式中，x₁和x₂为状态量，d、d₀为控制f_han函数线性段长度；y、a、a₀为内部变量；sign(x)表示符号函数；

步骤3-5、由步骤3-3扩张状态观测器估计得到的总扰动，对反馈控制量u₀进行补偿，使低频扰动量被动态补偿，抑制低频振荡，并形成最终的输出控制量：

u_qs＝u₀-z₂/b₀。 (17)。