CN111725838A - 一种全功率风电机组的稳定控制系统及其参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风电机组控制技术领域，具体涉及一种全功率风电机组的稳定控制系统及其参数设计方法。包括电压源型控制的全功率风电机组，所述风电机组的惯量传递控制环路中设置机侧稳定控制器；所述机侧稳定控制器，用于调节风电机组中机侧变流器输出有功功率的相位，提高稳定控制系统的稳定性；所述风电机组的网侧变流器连接网侧稳定控制器；所述网侧稳定控制器，用于增大网侧阻尼功率系数，提高稳定控制系统的稳定性。本发明能够减少电压源型控制的风电机组因增大惯量传递控制引起的振荡失稳，提高风电机组的稳定性。

Description

一种全功率风电机组的稳定控制系统及其参数设计方法
技术领域
本发明涉及风电机组控制技术领域，具体涉及一种全功率风电机组的稳定控制系统及其参数设计方法。
背景技术
现有技术中，公开号为CN109217366A、申请号为CN201811124760.8的中国发明专利，公开了一种电压源型控制的全功率风电机组，其并网系统结构如图1所示，其中机侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制，网侧变流器采用“惯性同步”控制。在网侧变流器控制环路中，直流侧电压的标幺值
Figure BDA0002557601740000011
输入到积分控制器，该控制器的输出作为网侧变流器输出电压ug的相位θ用于脉冲宽度调制(PWM)。可以通过调节调制电压幅值
Figure BDA0002557601740000012
来控制网侧变流器输出的无功功率
Figure BDA0002557601740000013
PWM模块基于θ，
Figure BDA0002557601740000014
和
Figure BDA0002557601740000015
生成三相开关信号sabc。机侧变流器采用功率外环、电流内环的双环控制结构，根据风轮转速产生最优功率参考值
Figure BDA0002557601740000016
实现最优功率控制。
在图1所示的控制方式下，风电机组直流侧电压能够自主感知电网频率变化。惯量传递控制器通过检测直流电压的变化率，并将变化率乘以惯量传递系数KC，该结果乘以-1即为惯量传递控制器的输出值
Figure BDA0002557601740000017
Figure BDA0002557601740000018
加上最大功率控制器的输出值
Figure BDA0002557601740000019
作为有功功率参考值
Figure BDA00025576017400000110
图1中的惯量传递控制环路能够将风轮惯量传递到电网侧，实现风电机组对电网的惯量响应功能。然而，随着惯量传递控制系数KC的增大，风电机组在弱电网中的运行稳定性下降，容易引发风电机组振荡失稳。因此，有必要研究这种电压源型控制风电机组的稳定控制方法。
发明内容
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种全功率风电机组的稳定控制系统，包括电压源型控制的全功率风电机组，所述风电机组的惯量传递控制环路中设置机侧稳定控制器；所述机侧稳定控制器，用于调节风电机组中机侧变流器输出有功功率的相位，提高稳定控制系统的稳定性；所述风电机组的网侧变流器连接网侧稳定控制器；所述网侧稳定控制器，用于增大网侧阻尼功率系数，提高稳定控制系统的稳定性。
作为本发明的优选技术方案：所述机侧稳定控制器为惯量传递控制环路中串联三级低通滤波器；所述低通滤波器采用时间常数为T2的一阶低通滤波器。
作为本发明的优选技术方案：所述时间常数为T2时，电力系统频率变化过程的调节时间为Ts，对应的惯量时间常数Tiner为Ts/4，为使低通滤波器能够较完整地传递电网频率变化信号，需满足时间常数T2小于Tiner/10。
作为本发明的优选技术方案：所述风电机组的潜在谐振频率为ωres时，为使低通滤波器能够有效调节风电机组中机侧变流器输出有功功率的相位，需满足时间常数T2大于10/ωres。
作为本发明的优选技术方案：所述网侧稳定控制器测量出直流电压，该直流电压经过时间常数为Tdc的高通滤波器，再经过增益为KPSS的放大环节作为附加的调制电压，叠加到原有的电压幅值上用于正弦脉冲宽度调制。
作为本发明的优选技术方案：所述网侧稳定控制器中需要整定的参数是高通滤波时间常数Tdc、致稳控制系数KPSS。
作为本发明的优选技术方案：风电机组的潜在谐振频率为ωres时，为使所述高通滤波器能通过角频率为ωres的谐振信号，所述高通滤波时间常数Tdc大于1/ωres。
作为本发明的优选技术方案：所述致稳控制系数KPSS的最大值KPSSmax受网侧变流器的最大调制比限制，最大值KPSSmax公式为：
Figure BDA0002557601740000021
公式(1)中，mmax为网侧变流器调制比的最大值，采用SPWM调制时其值为0.5；
Figure BDA0002557601740000022
为网侧变流器交流侧输出电压的标幺值；UBase为交流电压的基值；UdcB为直流侧电压的基值。
作为本发明的优选技术方案：整定稳定控制系数时KPSS时，KPSS小于KPSSmax。
一种全功率风电机组的稳定控制系统的参数设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立电压源控制的风电机组并弱网系统的状态空间模型或者搭建仿真模型，判断风电机组弱电网运行的稳定性，得到风电机组潜在谐振频率ωres；步骤二、根据风电机组潜在谐振频率ωres，整定机侧致稳控制的低通滤波时间常数T2；步骤三、根据风电机组潜在谐振频率ωres，整定网侧致稳控制的高通滤波时间常数Tdc；根据风电机组实际运行工况确定KPSS可取的最大值；步骤四、给出一个网侧致稳控制系数KPSS值，代入状态空间模型验证所设计参数T2、Tdc、KPSS的有效性；
步骤五、搭建电气仿真模型进一步验证所整定的机侧、网侧稳定控制参数的有效性；当电气振荡得到抑制，那么机侧、网侧致稳控制参数设计完毕；当电气振荡没有被抑制，重新设计一个网侧稳定控制系数KPSS，并返回步骤三继续进行理论验证与仿真验证，直到所设计参数使系统稳定为止。
本发明所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统及其参数设计方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明能够减少电压源型控制的风电机组因增大惯量传递控制引起的振荡失稳，提高风电机组的稳定性。
附图说明
图1是电压源型控制的全功率风电机组系统结构；
图2是本发明的机侧稳定控制框图；
图3是本发明的网侧稳定控制框图；
图4是本发明的机侧、网侧稳定控制器参数设计流程图；
图5是本发明的仿真实施例中未加入本发明稳定控制系统的风电机组在惯量传递控制系数增大时的波形图；
图6是本发明的仿真实施例中加入稳定控制系统的风电机组在惯量传递控制系数增大时的波形图。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
如图1至图3所示，一种全功率风电机组的稳定控制系统，包括电压源型控制的全功率风电机组，所述风电机组的惯量传递控制环路中设置机侧稳定控制器；所述机侧稳定控制器，用于调节风电机组中机侧变流器输出有功功率的相位，提高稳定控制系统的稳定性；所述风电机组的网侧变流器连接网侧稳定控制器；所述网侧稳定控制器，用于增大网侧阻尼功率系数，提高稳定控制系统的稳定性。
如图2所示，机侧稳定控制器为惯量传递控制环路中串联三级低通滤波器，低通滤波器采用时间常数为T2的一阶低通滤波器。时间常数为T2时，电力系统频率变化过程的调节时间为Ts，对应的惯量时间常数Tiner为Ts/4，为使低通滤波器能够较完整地传递电网频率变化信号，需满足时间常数T2小于Tiner/10。机侧稳定控制器需要实现两个功能，分别为：在较小时间尺度上可以调节机侧功率的相位，提高系统稳定性；另一方面，在较大时间尺度上，可以较好地通过电网频率变化信号，实现风电机组对电网的惯量响应功能。为使所加的机侧稳定控制器实现上述多时间尺度功能，需要合理地整定滤波时间常数T2的值。通常情况下，电力系统频率变化过程可用一阶惯性环节来等效，其调节时间为6s–20s，对应的惯量时间常数Tiner为1.5s–5s。为使机侧所加的低通滤波器能够较完整地传递电网频率变化信号，需满足时间常数T2小于Tiner/10。为使一阶低通滤波器在谐振频率处的相位滞后接近90度，从而实现相位校正的功能，T2的取值不能过小。此处T2值取0.1s。
如图3所示，网侧稳定控制器测量出直流电压，该直流电压经过时间常数为Tdc的高通滤波器，再经过增益为KPSS的放大环节作为附加的调制电压，叠加到原有的电压幅值上用于正弦脉冲宽度调制。网侧稳定控制器中需要整定的参数是高通滤波时间常数Tdc、致稳控制系数KPSS。网侧稳定控制器测量直流电压，经过放大器和高通滤波器后，其输出叠加到网侧变流器的调制电压上。由于高通滤波器的存在，图3所示的致稳控制只在动态过程起作用，不影响系统的稳态运行。对于高通滤波器，其能通过频率大于1/Tdcrad/s的信号，为使角频率为ωres的谐振信号能通过高通滤波器，高通滤波时间常数Tdc大于1/ωres，此处Tdc值取0.1s。对于致稳控制系数KPSS，增大该值能够增强网侧变流器的阻尼系数，提高风电机组的运行稳定性。
致稳控制系数KPSS的最大值KPSSmax受网侧变流器的最大调制比限制，最大值KPSSmax公式为：
Figure BDA0002557601740000041
公式(1)中，mmax为网侧变流器调制比的最大值，采用SPWM调制时其值为0.5；
Figure BDA0002557601740000042
为网侧变流器交流侧输出电压的标幺值；UBase为交流电压的基值，此处为0.563kV；UdcB为直流侧电压的基值，此处为1.2kV。
整定稳定控制系数时KPSS时，KPSS小于KPSSmax。
如图4所示，一种全功率风电机组的稳定控制系统的参数设计方法，包括以下步骤：步骤一、建立电压源控制的风电机组并弱网系统的状态空间模型或者搭建仿真模型，判断风电机组弱电网运行的稳定性，得到风电机组潜在谐振频率ωres为300rad/s；步骤二、根据风电机组潜在谐振频率ωres，整定机侧致稳控制的低通滤波时间常数T2，低通滤波时间常数T2值为0.1s；步骤三、根据风电机组潜在谐振频率ωres，整定网侧致稳控制的高通滤波时间常数Tdc，高通滤波时间常数Tdc值为0.1s；根据风电机组实际运行工况确定KPSS可取的最大值；步骤四、给出一个网侧致稳控制系数KPSS值，代入状态空间模型验证所设计参数T2、Tdc、KPSS的有效性；步骤五、搭建电气仿真模型进一步验证所整定的机侧、网侧稳定控制参数的有效性；当电气振荡得到抑制，那么机侧、网侧致稳控制参数设计完毕；当电气振荡没有被抑制，重新设计一个网侧稳定控制系数KPSS，并返回步骤三继续进行理论验证与仿真验证，直到所设计参数使系统稳定为止。此处整定的KPSS值为1.57。
如图5所示，未加入本发明稳定控制系统的风电机组在惯量传递控制系数KC增大时的波形，其中电网短路比为2。图5中，当惯量传递控制系数KC由0.38增大到0.4时，直流侧电压udc、网侧变流器输出功率Pg振荡发散，振荡频率为47.8Hz(300rad/s)。
如图6所示，加入本发明稳定控制系统的风电机组在惯量传递控制系数KC增大时的波形，其中电网短路比为2，低通滤波时间常数T2值为0.1s，高通滤波时间常数Tdc值为0.1s，网侧稳定控制系数KPSS为1.57。图6中，当惯量传递控制系数KC由60增大到60.02时，直流侧电压udc、网侧变流器输出功率Pg先减小后恢复，未发生振荡失稳。对比图5，图6中仿真结果说明了本发明能够减少电压源型控制的风电机组因增大惯量传递控制引起的振荡失稳，提高风电机组的稳定性。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种全功率风电机组的稳定控制系统，包括电压源型控制的全功率风电机组，其特征在于，所述风电机组的惯量传递控制环路中设置机侧稳定控制器；所述机侧稳定控制器，用于调节风电机组中机侧变流器输出有功功率的相位，提高稳定控制系统的稳定性；所述风电机组的网侧变流器连接网侧稳定控制器；所述网侧稳定控制器，用于增大网侧阻尼功率系数，提高稳定控制系统的稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，所述机侧稳定控制器为惯量传递控制环路中串联三级低通滤波器；所述低通滤波器采用时间常数为T2的一阶低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，所述时间常数为T2时，电力系统频率变化过程的调节时间为Ts，对应的惯量时间常数Tiner为Ts/4，为使低通滤波器能够较完整地传递电网频率变化信号，需满足时间常数T2小于Tiner/10。
4.根据权利要求2所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，风电机组的潜在谐振频率为ωres时，为使低通滤波器能够有效调节风电机组中机侧变流器输出有功功率的相位，需满足时间常数T2大于10/ωres。
5.根据权利要求1所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，所述网侧稳定控制器测量出直流电压，该直流电压经过时间常数为Tdc的高通滤波器，再经过增益为KPSS的放大环节作为附加的调制电压，叠加到原有的电压幅值上用于正弦脉冲宽度调制。
6.根据权利要求5所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，所述网侧稳定控制器中需要整定的参数是高通滤波时间常数Tdc、致稳控制系数KPSS。
7.根据权利要求6所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，风电机组的潜在谐振频率为ωres时，为使所述高通滤波器能通过角频率为ωres的谐振信号，所述高通滤波时间常数Tdc大于1/ωres。
8.根据权利要求6所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，所述致稳控制系数KPSS的最大值KPSSmax受网侧变流器的最大调制比限制，最大值KPSSmax公式为：
Figure FDA0002557601730000011
公式(1)中，mmax为网侧变流器调制比的最大值，采用SPWM调制时其值为0.5；
Figure FDA0002557601730000012
为网侧变流器交流侧输出电压的标幺值；UBase为交流电压的基值；UdcB为直流侧电压的基值。
9.根据权利要求8所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统，其特征在于，整定稳定控制系数时KPSS时，KPSS小于KPSSmax。
10.基于权利要求1所述的一种全功率风电机组的稳定控制系统的参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立电压源控制的风电机组并弱网系统的状态空间模型或者搭建仿真模型，判断风电机组弱电网运行的稳定性，得到风电机组潜在谐振频率ωres；
步骤二、根据风电机组潜在谐振频率ωres，整定机侧致稳控制的低通滤波时间常数T2；
步骤三、根据风电机组潜在谐振频率ωres，整定网侧致稳控制的高通滤波时间常数Tdc；根据风电机组实际运行工况确定KPSS可取的最大值；
步骤四、给出一个网侧致稳控制系数KPSS值，代入状态空间模型验证所设计参数T2、Tdc、KPSS的有效性；
步骤五、搭建电气仿真模型进一步验证所整定的机侧、网侧稳定控制参数的有效性；当电气振荡得到抑制，那么机侧、网侧致稳控制参数设计完毕；当电气振荡没有被抑制，重新设计一个网侧稳定控制系数KPSS，并返回步骤三继续进行理论验证与仿真验证，直到所设计参数使系统稳定为止。
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