CN111130142B - 一种双馈风力发电并网系统虚拟电容控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双馈风力发电并网系统虚拟电容控制方法，双馈风力发电并网系统采用电动机惯例，故障期间采集并网点三相电压信号V_PCC，按照下式计算双馈风力发电并网系统锁相环的输入电压V’_PCC：

其中

将得到的电压V’_PCC在电网发生对称短路故障时输入到双馈风力发电并网系统的锁相环，双馈风力发电并网系统的定子侧输出阻抗和网侧逆变器输出阻抗满足设定要求。即可对双馈风力发电并网系统锁相环模块输入电压的控制来提高系统在故障期间的动态稳定性。本方法可减弱双馈风力发电并网系统在电网对称短路故障期间由于高线路阻抗带来的控制器相互作用，等效减小风电系统和故障点的电气距离，提高系统小信号稳定裕度。

Description

一种双馈风力发电并网系统虚拟电容控制方法

技术领域

本发明涉及一种改进的双馈风力发电并网系统虚拟电容控制方法，适用对象为交流电网对称短路故障下双馈风力发电并网系统，该方法可显著提高交流电网对称短路故障期间双馈风力发电并网系统的动态稳定性，解决电网故障期间双馈风力发电并网系统的小干扰失稳问题。

背景技术

随着新能源发电在电力系统渗透率的持续增加，电网呈现出弱同步电网特性。锁相环和转子电流环通过高电网线路阻抗相互作用加强，尤其是在电网发生短路故障期间，双馈风力发电并网系统在短路故障期间可能发生动态失稳，严重影响了双馈风力发电并网系统的安全稳定运行能力。因此，提高双馈风力发电并网系统的动态稳定性是目前可再生能源发展关键问题。目前国内外学者已展开了相关研究，如已公开的下列文献：

[1]J.Hu,B.Wang,“Small Signal Dynamics of DFIG-Based Wind TurbinesDuring Riding Through Symmetrical Faults in Weak AC Grid，”IEEE Trans.EnergyConversion,vol.32,no.2,pp.720–730,Jun.2017.

[2]H.Nian,and B.Pang,“Stability and Power Quality EnhancementStrategy for DFIG System Connected to Harmonic Grid with ParallelCompensation,”IEEE Trans.Energy Conversion,vol.34,no.2,pp.1010-1022,Jun.2019.

文献[1]研究了锁相环和电流环之间的相互作用，通过修改锁相环和电流环参数来重塑系统的输出阻抗，提高系统的稳定性。虽然系统保持稳定，但是随着锁相环带宽的减小，系统的动态响应速度会下降，从而影响系统的整体性能，同时电流环参数通常受PWM开关频率等限制。文献[2]利用阻抗法从电气谐振角度分析了双馈风力发电并网系统的小信号失稳产生原因，通过引入一个负的二阶变频电阻抑制系统高频谐振。但是该文献并没有涉及由于控制器通过高线路阻抗相互作用产生的振荡问题，该文献所提阻抗重塑控制策略在解决控制器相互作用产生的振荡问题具有局限性。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种改进的双馈风力发电并网系统虚拟电容控制方法，该方法在不增加设备硬件，不改变内部控制器参数的基础上，能够显著提高双馈风力发电并网系统在低电压穿越期间的动态稳定性。本方法可减弱双馈风力发电并网系统在电网对称短路故障期间由于高线路阻抗带来的控制器相互作用，等效减小风电系统和故障点的电气距离，提高系统小信号稳定裕度。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种双馈风力发电并网系统虚拟电容控制方法，用于提高双馈风力发电并网系统在电网对称短路故障期间的动态稳定性；本方法涉及对双馈风力发电并网系统锁相环输入的三相电压信号进行控制，具体步骤如下；

A1)双馈风力发电并网系统采用电动机惯例，故障期间采集并网点三相电压信号V_PCC，按照下式计算双馈风力发电并网系统锁相环的输入电压V’_PCC：

式中，I_G是故障期间双馈风力发电并网系统向电网输入的电流，s为拉普拉斯算子，C_V为虚拟电容值。G_reso(s)为带阻滤波器传递函数，其中带通滤波器的谐振频率选择为故障期间发生振荡失稳的频率。

A2)步骤A1)中虚拟电容值对应的容抗应等于外部电网阻抗值，外部电网阻抗可以通过在线阻抗测量得到。按照下式计算双馈风力发电并网系统虚拟电容C_V的取值：

式中，ω₀是双馈风力发电并网系统的振荡频率，L_L为外部电网阻抗电感值。

A3)将步骤A1)和A2)得到的电压V’_PCC在电网发生对称短路故障时输入到双馈风力发电并网系统的锁相环，双馈风力发电并网系统的定子侧输出阻抗Z_{rsc_re}和网侧逆变器输出阻抗Z_{gsc_re}满足以下公式：

即可对双馈风力发电并网系统锁相环模块输入电压的控制来提高系统在故障期间的动态稳定性；其中，R_s、R_r分别为双馈电机定子电阻和转子电阻；L_ls、L_lr、L_ms、L_mr、L分别为定子漏感、转子漏感、定子自感、转子自感和网侧滤波器电感；I₁、I_r1、V₁分别为基频定子侧电流、转子侧电流和电压的幅值；D₀、Q₀、D_r0、Q_r0为与稳态工作点有关的直流量；K_dq、K_e分别为交叉耦合系数和电机匝比；f₁、s分别为基频频率和拉普拉斯算子；ρ(s)＝(s-jω_r)/s，ω_r为转子转速；G(s)＝±jH_PLL(s)/(1+V₁H_PLL(s))，H_PLL(s)＝(k_pp+k_pi/s)/s，k_pp、k_pi分别为锁相环的比例系数和积分系数；H_i(s)＝(k_ip+k_ii/s)，k_ip、k_ii分别为电流环比例系数和积分系数。

故障期间双馈风力发电并网系统可能由于锁相环和电流环之间通过高线路阻抗发生强相互作用，从而导致系统在故障持续期间发生振荡失稳。本发明从抑制锁相环输出角度偏差出发，通过补偿谐波电流分量在高线路阻抗上产生的电压降，达到消除因锁相环输出偏差带来的控制器耦合作用，等效于减小高线路阻抗带来的影响。通过这样的改进，可减弱双馈风力发电并网系统在电网对称短路故障期间由于高线路阻抗带来的控制器相互作用，等效减小风电系统和故障点的电气距离，提高系统小信号稳定裕度，能够显著提高双馈风力发电并网系统在低电压穿越期间的动态稳定性。

附图说明

图1为双馈风力发电并网系统的结构和控制示意图。

图2为双馈感应发电系统阻抗重塑前后波特图。

图3为电网电压跌落到30％，双馈风力发电并网系统采用本发明所提控制方法前后仿真波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

图1为2MW双馈风力发电并网系统的结构和控制示意图。

本发明的具体实施步骤如下：

A1)双馈风力发电并网系统采用电动机惯例，故障期间采集并网点三相电压信号V_PCC，按照下式计算双馈风力发电并网系统锁相环的输入电压V’_PCC：

式中，I_G是故障期间双馈风力发电并网系统向电网输入的电流，s为拉普拉斯算子，C_V为虚拟电容值。G_reso(s)为带阻滤波器传递函数，其中带通滤波器的谐振频率选择为故障期间发生振荡失稳的频率。

A2)步骤A1)中虚拟电容值对应的容抗应等于外部电网阻抗值，外部电网阻抗可以通过在线阻抗测量得到。按照下式计算双馈风力发电并网系统虚拟电容C_V的取值：

式中，ω₀是双馈风力发电并网系统的振荡频率，L_L为外部电网阻抗电感值。

A3)将步骤A1)和A2)得到的电压V’_PCC在电网发生对称短路故障时输入到双馈风力发电并网系统的锁相环，双馈风力发电并网系统的定子侧输出阻抗Z_{rsc_re}和网侧逆变器输出阻抗Z_{gsc_re}满足以下公式：

即可对双馈风力发电并网系统锁相环模块输入电压的控制来提高系统在故障期间的动态稳定性；其中，R_s、R_r分别为双馈电机定子电阻和转子电阻；L_ls、L_lr、L_ms、L_mr、L分别为定子漏感、转子漏感、定子自感、转子自感和网侧滤波器电感；I₁、I_r1、V₁分别为基频定子侧电流、转子侧电流和电压的幅值；D₀、Q₀、D_r0、Q_r0为与稳态工作点有关的直流量；K_dq、K_e分别为交叉耦合系数和电机匝比；f₁、s分别为基频频率和拉普拉斯算子；ρ(s)＝(s-jω_r)/s，ω_r为转子转速；G(s)＝±jH_PLL(s)/(1+V₁H_PLL(s))，H_PLL(s)＝(k_pp+k_pi/s)/s，k_pp、k_pi分别为锁相环的比例系数和积分系数；H_i(s)＝(k_ip+k_ii/s)，k_ip、k_ii分别为电流环比例系数和积分系数。

本发明效果说明：

图2给出了采用本发明所提控制策略前后双馈风电系统输出阻抗波特图对比，其中Z_DFIG和Z_{DFIG_re}分别为采用虚拟电容控制策略前后的双馈风电系统输出阻抗，Z_G为电网阻抗。在交越频率处的相位裕度显著提高，表明本发明所提控制策略可以有效提高双馈风力发电并网系统在故障穿越期间的小信号稳定性。图3给出了电网电压跌落到30％，采用本发明所提虚拟电容控制策略前后的仿真波形图。其中3s时刻电网发生三相对称短路故障，3.0～3.1s双馈感应发电系统投入crowbar电路。3.1～3.4s双馈感应发电系统未采用所提虚拟电容控制策略向电网提供满足电网导则的无功电流，可以看出此时系统发生振荡失稳。3.4～3.7s双馈感应发电系统采用本发明所提虚拟电容控制策略，系统振荡得到明显抑制。

由此可见，本发明提出的双馈风力发电并网系统虚拟电容控制方法可以保证双馈风力发电系统安全稳定地实现低电压穿越，提高了电网安全稳定运行能力。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种适用于双馈风力发电并网系统在低电压穿越期间的虚拟电容控制方法，用于提高双馈风力发电并网系统在电网对称短路故障期间的动态稳定性；其特征在于：本方法涉及对双馈风力发电并网系统锁相环输入的三相电压信号进行控制，具体步骤如下；

A1)双馈风力发电并网系统采用电动机惯例，故障期间采集并网点三相电压信号V_PCC，按照下式计算双馈风力发电并网系统锁相环的输入电压V’_PCC：

式中，I_G是故障期间双馈风力发电并网系统向电网输入的电流，s为拉普拉斯算子，C_V为双馈风力发电并网系统虚拟电容值；G_reso(s)为带阻滤波器传递函数，其中带通滤波器的谐振频率选择故障期间发生振荡失稳的频率；

A2)步骤A1)中双馈风力发电并网系统虚拟电容值C_V对应的容抗等于外部电网阻抗，外部电网阻抗通过在线阻抗测量得到，按照下式计算双馈风力发电并网系统虚拟电容值C_V：

式中，ω₀是双馈风力发电并网系统的振荡频率，L_L为外部电网阻抗电感值；

A3)将步骤A1)和A2)得到的电压V’_PCC在电网发生对称短路故障时输入到双馈风力发电并网系统的锁相环，双馈风力发电并网系统的定子侧输出阻抗Z_{rsc_re}和网侧逆变器输出阻抗Z_{gsc_re}满足以下公式：

即可对双馈风力发电并网系统锁相环模块输入电压的控制来提高系统在故障期间的动态稳定性；其中，R_s、R_r分别为双馈电机定子电阻和转子电阻；L_ls、L_lr、L_ms、L_mr、L分别为定子漏感、转子漏感、定子自感、转子自感和网侧滤波器电感；I₁、I_r1、V₁分别为基频定子侧电流、转子侧电流和电压的幅值；D₀、Q₀、D_r0、Q_r0为与稳态工作点有关的直流量；K_dq、K_e分别为交叉耦合系数和电机匝比；f₁、s分别为基频频率和拉普拉斯算子；ρ(s)＝(s-jω_r)/s，ω_r为转子转速；G(s)＝±jH_PLL(s)/(1+V₁H_PLL(s))，H_PLL(s)＝(k_pp+k_pi/s)/s，k_pp、k_pi分别为锁相环的比例系数和积分系数；H_i(s)＝(k_ip+k_ii/s)，k_ip、k_ii分别为电流环比例系数和积分系数。

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