CN111769574B - 基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法及装置，属于风机技术领域，解决了现有技术中无法实现从整个风场层面全局分析抑制措施、同时无法实现次/超频的实时抑制的问题。方法步骤为：采集直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，以及直驱风场中并网支路的电流和并网点处的电压；基于各直驱风机支路及SVG支路的电流、并网支路的电流以及并网点处的电压，得到直驱风场的耗散能量；若直驱风场的耗散能量小于0，则基于采集的信息得到各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量；建立目标函数约束条件，获取各能量耗散支路的参数，并启用参数确定后的各附加能量耗散支路。

Description

基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及风机技术领域，尤其涉及一种基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法及装置。

背景技术

随着风机发电装机容量的增加，风电场次/超同步频率振荡时常发生，对电网的安全稳定运行影响显著。近年来，国内外学者提出了多种振荡抑制措施，主要措施有无源滤波、改变电网运行方式、控制器参数优化以及增设振荡抑制装置等。其中，通过优化控制器参数能够有效提高并网逆变器的稳定性；例如，基于系统阻抗模型，通过并网逆变器电流控制引入虚拟阻抗，该方法能够有效抑制风机次/超频振荡；基于风机系统导纳模型，采用广义奈奎斯特稳定判据分析系统运行稳定性，通过增加风机虚拟感抗有效抑制次/超频振荡，提高系统的稳定性。

基于阻抗/导纳模型实现次/超频抑制的方法，多采取风场单机等效模型，即上述方法针对单台直驱风机研究其振荡抑制措施，且需要离线计算；因此无法实现从整个风场层面全局分析抑制措施、同时无法实现次/ 超频的实时抑制。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于能量耗散的直驱风场次/ 超频振荡抑制方法及装置，用以解决现有方法无法实现从整个风场层面全局分析抑制措施、同时无法实现次/超频的实时抑制的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，提供了一种基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，所述方法包括：

步骤S1：采集直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，还采集直驱风场中并网支路的电流以及并网点处的电压；

步骤S2：基于所述直驱风场中所述各直驱风机支路及所述SVG支路的电流、所述并网支路的电流以及并网点处的电压，得到所述直驱风场的耗散能量；

步骤S3：若所述直驱风场的耗散能量小于0，则基于所述直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，以及并网点处的电压，得到各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量；

步骤S4：以所述各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量均大于0、且所述直驱风场的耗散能量取最小正值为目标函数约束条件，获取各能量耗散支路的参数，并启用参数确定后的各附加能量耗散支路。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，在所述步骤S2中，根据以下公式得到所述直驱风场的耗散能量：

式中，I_i-、I_i+分别表示第i个支路上的次、超频电流的幅值；

分别表示第i个支路上的次、超频电流的初相角；U_p-、U_p+分别表示并网点处的次、超频电压的幅值；

分别表示并网点处的次、超频电压的初相角；ω_-、ω₊分别表示次、超频电压的角频率；n+2为直驱风场的支路总个数，其中包含n个直驱风机支路、1个SVG支路和一个并网支路。

进一步，步骤S3中所述的附加耗散能量支路包括：

以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路：以当前直驱风机支路中直驱风机输出端口d轴电压、q轴电压、分别作为输入，构建系数为K_{1_m}的比例环节作用到当前直驱风机网侧变流器的输出电压上；以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路：以当前直驱风机支路中锁相环q轴电压的输入误差作为输入，构建系数为K_{2_m}的比例环节作用到当前直驱风机支路中锁相环的输出角频率上；以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路：以SVG支路输出端口d轴电压、q轴电压分别作为输入，构建系数为K₃的比例环节作用到SVG支路网侧变流器输出电压上；以SVG 外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路：以SVG电压外环直流电压的输入误差作为输入，构建系数为K₄的比例环节作用到SVG网侧变流器输出电压上。

进一步，附加以所述直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路后，该直驱风机支路的耗散能量表示为：

式中，L_m表示第m个直驱风机支路中的直驱风机到并网点的线路电抗值，U_m-、U_m+分别表示第m个直驱风机支路中直驱风机端口的次、超频电压幅值；

分别表示第m个直驱风机支路中直驱风机端口的次、超频电压初始相角；K_{1_m}表示在第m个直驱风机上附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路的比例系数；U_{0_m}、

分别表示第m个直驱风机输出端口的基频电压幅值和初始相角；I_{0_m}、

分别表示第m个直驱风机支路的基频电流幅值和初始相角；L_{2_m}表示第m个直驱风机支路中直驱风机的出线电感；A_{PLL_m}、

分别表示第m个直驱风机支路中锁相环的动态角幅值、初始相角；k_{pv_m}、k_{iv_m}分别表示第m个直驱风机支路中网侧变流器电流环的比例系数、积分系数。

进一步，附加以所述直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路后，该直驱风机支路的耗散能量表示为：

式中，K_{2_m}表示第m个直驱风机上附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路的比例系数；ω_s分别表示次、超频角频率与基频角频率之差，ω_s＝ω₀-ω_-＝ω₊-ω₀，ω₀＝2π*50。

进一步，附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路后，SVG 支路的耗散能量表示为：

式中，K₃表示在SVG支路上附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路的比例系数；X_S表示SVG并网电抗；U_s-、U_s+分别表示SVG 输出端口的次、超频电压的幅值；

分别表示SVG输出端口的次、超频电压的初始相角；k_ps1、k_is1分别表示SVG控制环节中的外环电压比例系数、积分系数；k_ps2、k_is2分别表示SVG控制环节中电流环比例系数、积分系数；A_S、

分别表示SVG控制环节中锁相环动态角的幅值和初始相角；U_dcs、

分别表示SVG控制环节中直流环节的谐波电压幅值和初始相角；I_s0、

分别表示SVG支路基频电流幅值和初始相角；

表示 SVG支路并网点基频电压初始相角；

表示SVG支路基频电压幅值和初始相角；I_s-、I_s+、

分别表示SVG支路次、超频电流幅值和初始相角；

附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路后， SVG支路的耗散能量表示为：

式中，K₄表示SVG支路上附加以外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路的比例系数。

进一步，所述步骤S4中的目标函数约束条件表示为：

进一步，

另一方面，公开了一种基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制装置，所述装置包括：

数据采集模块，用于采集直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，还采集直驱风场中并网支路的电流以及并网点处的电压；

直驱风场的耗散能量获取模块，基于所述直驱风场中所述各直驱风机支路及所述SVG支路的电流、所述并网支路的电流以及并网点处的电压，得到所述直驱风场的耗散能量；

次/超频振荡抑制判断及处理模块，若所述直驱风场的耗散能量小于 0，则基于所述直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，以及并网点处的电压，得到各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量；还以所述各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量均大于0、且所述直驱风场的耗散能量取最小正值为目标函数约束条件，获取各能量耗散支路的参数，并启用参数确定后的各附加能量耗散支路。

进一步，在所述直驱风场的耗散能量获取模块中，根据以下公式得到所述直驱风场的耗散能量：

式中，I_i-、I_i+分别表示第i个支路上的次、超频电流的幅值；

分别表示第i个支路上的次、超频电流的初相角；U_p-、U_p+分别表示并网点处的次、超频电压的幅值；

分别表示并网点处的次、超频电压的初相角；ω_{_}、ω₊分别表示次、超频电压的角频率；n+2为直驱风场的支路总个数，其中包含n个直驱风机支路、1个SVG支路和一个并网支路。

本发明有益效果如下：

本发明提供的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法及装置，通过采集直驱风场中的电流、电压，根据直驱风场的耗散能量公式计算得到当前的耗散能量，当直驱风场的耗散能量小于0时，表示直驱风场中存在次/超频振荡，需要对其进行抑制。本发明通过分析直驱风场次/超频振荡的主导因素，并通过附加相应的能量耗散支路，实现了直驱风场的次/超频振荡主动抑制，有效提高振荡的抑制速度。本方案无需确定次/超频振荡的具体位置，能够从整个风场层面全局分析抑制措施，实现次/超频的实时抑制。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1中基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法流程图；

图2为本发明实施例1中附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路时的控制框图；

图3为本发明实施例1中附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路时的控制框图；

图4为本发明实施例1中附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路时的控制框图；

图5为本发明实施例1中附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路时的控制框图；

图6为本发明实施例2中基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制装置结构示意图；

图7为本发明实施例3中的直驱风电场并网系统示意图；

图8为本发明实施例3中的以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路时的时域仿真对比图；

图9为本发明实施例3中的附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路时的耗散能量对比图；

图10为本发明实施例3中的附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路时的时域仿真对比图；

图11为本发明实施例3中的附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路时的耗散能量对比图；

图12为本发明实施例3中的附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路时的时域仿真对比图；

图13为本发明实施例3中的以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路时的耗散能量对比图；

图14为本发明实施例3中的附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路时的时域仿真对比图；

图15为本发明实施例3中的附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路时的耗散能量对比图；

图16为本发明实施例3中的附加支路参数优化前后时域仿真对比图；

图17为本发明实施例3中的附加支路参数优化前后耗散能量对比图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于能量耗散的直驱风场次/ 超频振荡抑制方法，流程图如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：采集直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流、锁相环输出的锁相角，还采集直驱风场中并网支路的电流以及并网点处的电压；

步骤S2：基于所述直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的电流、直驱风场中并网支路的电流以及并网点处的电压，得到所述直驱风场的耗散能量；

在本实施例中，所述直驱风场中的支路包括：n个直驱风机支路、一个SVG(StaticVar Generator,静止无功发生器)支路和一个并网支路；

直驱风场的耗散能量的计算公式W_hs为：

式中，I_i-、I_i+分别表示第i个支路上的次、超频电流的幅值；

分别表示第i个支路上的次、超频电流的初相角；U_p-、U_p+分别表示并网点处的次、超频电压的幅值；

分别表示并网点处的次、超频电压的初相角；ω_-、ω₊分别表示次、超频电压(或电流)的角频率(与并网点处电压的次、超频角频率相同，同时也与的各支路电流的次、超频角频率相同)；n+2为直驱风场的支路总个数，其中包含n个直驱风机支路、 1个SVG支路和一个并网支路。

若所述直驱风场的耗散能量小于0，则表示直驱风场中存在次/超频振荡，可通过本实施例中附加的能量耗散支路对次/超频振荡进行抑制：

步骤S3：若所述直驱风场的耗散能量小于0，则基于所述直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，以及并网点处的电压，得到各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量；

具体地，影响直驱风场耗散能量的主导因素包括以下几种：

(1)直驱风机位置；

第m个直驱风机支路受本支路中直驱风机位置影响时的耗散能量可表示为：

针对直驱风机位置对直驱风场耗散能量造成的影响，在各直驱风机支路中附加了以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路，如图2所示 (灰色部分为附加的能量耗散支路)，在该附加的能量耗散支路中，以当前直驱风机支路中直驱风机输出端口d轴电压(u_ds)、q轴电压(u_qs)分别作为输入，构建系数为K_{1_m}的比例环节作用到直驱风机网侧变流器的输出电压上；

附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路后，该直驱风机支路的耗散能量表示为：

式中，L_m表示第m个直驱风机支路中的直驱风机到并网点的线路电抗值，U_m-、U_m+分别表示第m个直驱风机支路中直驱风机端口的次、超频电压幅值；

分别表示第m个直驱风机支路中直驱风机端口的次、超频电压初始相角；K_{1_m}表示在第m个直驱风机上附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路的比例系数；U_{0_m}、

分别表示第m个直驱风机输出端口的基频电压幅值和初始相角；I_{0_m}、

分别表示第m个直驱风机支路的基频电流幅值和初始相角；L_{2_m}表示第m个直驱风机支路中直驱风机的出线电感；A_{PLL_m}、

分别表示第m个直驱风机支路中锁相环的动态角幅值、初始相角；k_{pv_m}、k_{iv_m}分别表示第m个直驱风机支路中网侧变流器电流环的比例系数、积分系数；

(2)直驱风机风速；

第m个直驱风机支路受本支路中直驱风机风速影响时的耗散能量可表示为：

式中，k为风能系数；v为风机风速。

针对直驱风机风速对直驱风场耗散能量造成的影响，在各直驱风机支路中附加了以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路，如图3所示 (灰色部分为附加的能量耗散支路)，在该附加的能量耗散支路中，以当前直驱风机锁相环q轴电压的输入误差作为输入，构建系数为K_{2_m}的比例环节作用到锁相环输出角频率上；

附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路后，该直驱风机支路的耗散能量表示为：

式中，K_{2_m}表示第m个直驱风机上附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路的比例系数；ω_s分别表示次、超频角频率与基频角频率之差，ω_s＝ω₀-ω_{_}＝ω₊-ω₀，ω₀＝2π*50。

(3)SVG并网电抗；

SVG并网电抗为主导因素的耗散能量可表示为：

针对SVG并网电抗对直驱风场耗散能量造成的影响，在SVG支路中附加了以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路，如图4所示(灰色部分为附加的能量耗散支路)，在该附加能量耗散支路中，以SVG输出端口d轴电压、q轴电压分别作为输入，构建系数为K₃的比例环节作用到SVG网侧变流器输出电压上；

附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路后，SVG支路的耗散能量表示为：

式中，K₃表示在SVG支路上附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路的比例系数；X_S表示SVG并网电抗；U_s-、U_s+分别表示SVG 输出端口的次、超频电压的幅值；

分别表示SVG输出端口的次、超频电压的初始相角；k_ps1、k_is1分别表示SVG控制环节中的外环电压比例系数、积分系数；k_ps2、k_is2分别表示SVG控制环节中电流环比例系数、积分系数；A_S、

分别表示SVG控制环节中锁相环动态角的幅值和初始相角；U_dcs、

分别表示SVG控制环节中直流环节的谐波电压幅值和初始相角；I_s0、

分别表示SVG支路基频电流幅值和初始相角；

表示 SVG支路并网点基频电压初始相角；

表示SVG支路基频电压幅值和初始相角；I_s-、I_s+、

分别表示SVG支路次、超频电流幅值和初始相角。

(4)SVG外环恒直流电压控制；

SVG外环恒直流电压控制为主导因素的耗散能量可表示为：

针对SVG外环恒直流电压控制对直驱风场耗散能量造成的影响，在SVG支路中附加了以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路，如图5所示(灰色部分为附加的能量耗散支路)，在该附加的能量耗散支路中，以SVG电压外环直流电压输入误差作为输入，构建系数为K₄的比例环节作用到SVG网侧变流器输出电压上；

附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的附加能量耗散支路后，SVG耗散能量表示为：

式中，K₄表示SVG支路上附加以外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路的比例系数；

步骤S4：以所述各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量均为大于0、且所述直驱风场的耗散能量取最小正值为目标函数约束条件，获取各能量耗散支路的参数，并启用参数确定后的各附加能量耗散支路。

具体地，目标函数约束条件可以表示为：

此时，直驱风场的耗散能量为：

在上述约束条件确定的情况下，可采用现有方法计算得到各参数的取值，例如，可通过差分进化算法获取上述各参数的取值。

综上可知，利用本实施例中的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，能够实现直驱风场的次/超频振荡主动抑制，有效提高振荡的抑制速度。

需要说明的是，公式(1)和公式(11)是等价的，因此在步骤S4 中，可以利用公式(11)计算附加能量耗散支路后的直驱风场的耗散能量，证明过程说明如下：

详细考虑直驱风机和SVG的网侧控制环节推导直驱风场的耗散能量。

直驱风机锁相环控制环节如图3未附加能量耗散支路部分所示，在风场发生次、超同步振荡的过程中，直驱风机的锁相环受次/超同步频率电流的影响，锁相环输出的电压参考相角不能完全跟踪基频电压相角，因此控制系统中的dq坐标轴与电网dq坐标轴不重合，其夹角为次/超同步频率下“锁相环动态角”。由其控制方程得到锁相环输出的相角为：

θ_pll＝ω₀t+Δθ_pll (12)

其中，次/超同步频率下“锁相环动态角”Δθ_pll可表示为：

式中：

直驱风机网侧变流器控环节如图2未附加能量耗散支路部分所示，其控制方程为：

式中：下标s表示控制系统；u_ds、u_qs为控制系统输出的d、q轴电压；i_ds、i_qs为控制系统输入的d、q轴电流；

为控制系统的d、q轴电流参考值。

由于变流器PWM时间尺度远小于次/超同步频率振荡时间尺度，可认为网侧变流器输出的电压值等于控制系统输出的电压参考值。

受次/超同步频率下锁相环动态角的影响，控制系统dq坐标系(表示为dqs)下的电压、电流与电网dq坐标系下的电压、电流变换关系为：

式中：变换矩阵

式(14)两边同时左乘F^-1，整理可得第m台直驱风输出电压为：

如图7所示，直驱风电场由n台直驱风机并联入网，以第m个直驱风机为参考机，则并网点电压为：

式中：ω为第m个直驱风机支路的电流频率；L_{2_m}为风机m的进线电抗器的电抗值；L_m为风机m到并网点P的线路电抗值。

联立式(16)与式(17)，风场并网点的电压为：

将式(18)进行派克逆变换并整理可得：

第m个风机支路流向并网点的电流可表示为：

将式(19)和式(20)代入式(1)，可得到风场内第m个风机支路的耗散能量为：

SVG网侧变流器控环节如图4未附加能量耗散支路部分所示，SVG 直流环节为无源电容器，其能量消耗之后需要通过电网补充，受次/超同步频率振荡的影响，直流环节电容电压和电流不再为直流恒定量，产生了一个与次/超频电压频率互补的正弦电压扰动，可表示为：

式中：U_dc为电容电压基准值，为定值；U_dcs为直流环节的谐波电压幅值；

为谐波电压初相角。

直流环节的电压谐波可由电容动态响应来求解，电容的动态功率平衡可表示为：

当SVG采用恒直流电压控制模式时，d轴电压外环的参考电压为电容电压基准值，即

SVG锁相环控制环节与风机网侧变流器锁相环控制环节相同，故而SVG的变流器控制系统坐标系和电网dq坐标系间的关系，与风机网侧变流器控制系统坐标系和电网dq坐标系间的关系相同，考虑SVG控制器的外环控制，可得SVG输出的电压为：

式中：k_ps1和k_is1分别为SVG控制电流内环比例系数和积分系数；

为 SVG锁相环动态角；k_ps2和k_is2分别为SVG控制系统电压外环比例系数和积分系数；e_d、e_q、i_d、i_q分别为SVG控制系统测量点的电网电压电流 dq轴分量。

如图7所示，直驱风场中SVG并联入网，以SVG为参考机，则并网点电压为：

SVG流向并网点的电流可表示为：

联立式(1)、式(23)、式(24)、式(25)和式(26)，得到SVG支路提供的耗散能量表达式为：

考虑主导因素的附加能量耗散支路的比例系数，联立式(26)和式 (27)可得直驱风场的耗散能量，如式(11)所示。

实施例2

本发明的实施例2，公开了一种基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制装置，结构示意图如图6所示，该装置包括：

数据采集模块，用于采集直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，还采集直驱风场中并网支路的电流以及并网点处的电压；

直驱风场的耗散能量获取模块，基于所述直驱风场中所述各直驱风机支路及所述SVG支路的电流、所述并网支路的电流以及并网点处的电压，得到所述直驱风场的耗散能量；

次/超频振荡抑制判断及处理模块，若所述直驱风场的耗散能量小于 0，则基于所述直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，以及并网点处的电压，得到各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量；还以所述各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量均大于0、且所述直驱风场的耗散能量取最小正值为目标函数约束条件，获取各能量耗散支路的参数，并启用参数确定后的各附加能量耗散支路。

上述方法实施例和装置实施例，基于相同的原理，其相关之处可相互借鉴，且能达到相同的技术效果。

实施例3

为验证实施例1、实施例2中方案的有效性，实施例3在MATLAB Simulink中搭建如图7所示的直驱风电场并网系统。风机的额定容量为5MW，经过0.69/20kV场内变压器，再经过20/230kV变压器连接到并网点P点，无功补偿装置接入P点。直驱风机、SVG以及线路的主要参数如表1所示。

表1直驱风电场主要参数

为验证本方法提出的主动抑制措施的有效性和正确性。首先在直驱风机和SVG中依次分别附加前述能量消耗支路，验证所提附加支路的有效性；然后对比实验验证附加能量消耗支路优化方案的有效性。

1)附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路

系统振荡在2.5s时附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路。仿真结果与未施加抑制措施作对比，时域仿真对比图如图8所示，耗散能量对比图如图9所示。图8和图9中，实线为未施加抑制措施时风场振荡情况，虚线为2.5s添加附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路时直驱风电场振荡情况。由图8和图9可知，附加上述能量耗散支路后，系统由振荡发散转变为振荡收敛，此时的耗散能量曲线为凹曲线，小于未施加抑制措施时系统的耗散能量。因此，附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路能够增加系统振荡下的稳定性。

2)附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路系统振荡在2.5s时附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路。仿真结果与未施加抑制措施作对比，时域仿真对比图如图10所示，耗散能量对比图如图11所示。图10和图11中，实线为未施加抑制措施时风场振荡情况，虚线为2.5s添加附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路时直驱风电场振荡情况。由图10和图11可知，附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路后，系统由振荡发散转变为振荡收敛，此时的耗散能量曲线为凹曲线，小于未施加抑制措施时系统的耗散能量。因此，附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路能够增加系统振荡下的稳定性。

3)附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路

系统振荡后，在2.5s时附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路。仿真结果与未施加抑制措施作对比，时域仿真对比图如图12所示，耗散能量对比图如图13所示。图12和图13中，实线为未施加抑制措施时风场振荡情况，虚线为2.5s添加附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路时直驱风电场振荡情况。由图12和图13可知，附加以SVG 并网电抗为主导因素的能量耗散支路后，系统由振荡发散转变为振荡收敛，此时耗散能量曲线为凹曲线，小于未施加抑制措施时系统的耗散能量，因此，附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路能够增加系统振荡下的稳定性。

4)附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路

系统振荡时，在2.5s时附加SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路。仿真结果与未施加抑制措施作对比，时域仿真对比图如图14所示，耗散能量对比图如图15所示。图14和图15中，实线为未施加抑制措施时风场振荡情况，虚线为2.5s添加附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路时直驱风电场振荡情况。由图14和图15可知，附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路后，此时的耗散能量曲线为凹曲线，小于未施加抑制措施时系统的耗散能量，系统由振荡发散转变为振荡收敛，因此，附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路。

5)优化附加能量耗散支路

在仿真系统中同时附加1)-4)中的能量耗散支路。可采用差分进化算法确定各参数的取值。首先，任意选定一组符合约束条件的参数，进行仿真实验一；然后，采用差分进化算法对前一实验选定的该组参数进行优化计算，得到优化后的参数进行仿真实验二；最后，将实验一与实验二进行对比。两个实验的时域仿真对比图如图16所示，风电场耗散能量对比图如图17所示。图16和图17中，实线为一组参数未经过优化的附加支路，而虚线为优化后的附加支路。由图16和图17可知，参数优化后的附加支路使振荡收敛更快，耗散能量更小。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：采集直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，还采集直驱风场中并网支路的电流以及并网点处的电压；

步骤S2：基于所述直驱风场中所述各直驱风机支路及所述SVG支路的电流、所述并网支路的电流以及并网点处的电压，得到所述直驱风场的耗散能量；

步骤S3：若所述直驱风场的耗散能量小于0，则基于所述直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，以及并网点处的电压，得到各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量；

步骤S4：以所述各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量均大于0、且所述直驱风场的耗散能量取最小正值为目标函数约束条件，获取各能量耗散支路的参数，并启用参数确定后的各附加能量耗散支路。

2.根据权利要求1所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据以下公式得到所述直驱风场的耗散能量：

式中，I_i-、I_i+分别表示第i个支路上的次、超频电流的幅值；

分别表示第i个支路上的次、超频电流的初相角；

分别表示并网点处的次、超频电压的幅值；

分别表示并网点处的次、超频电压的初相角；ω_-、ω₊分别表示次、超频电压的角频率；n+2为直驱风场的支路总个数，其中包含n个直驱风机支路、1个SVG支路和一个并网支路。

3.根据权利要求2所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，步骤S3中所述的附加能量耗散支路包括：

以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路：以当前直驱风机支路中直驱风机输出端口d轴电压、q轴电压、分别作为输入，构建系数为K_{1_m}的比例环节作用到当前直驱风机网侧变流器的输出电压上；

以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路：以当前直驱风机支路中锁相环q轴电压的输入误差作为输入，构建系数为K_{2_m}的比例环节作用到当前直驱风机支路中锁相环的输出角频率上；

以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路：以SVG支路输出端口d轴电压、q轴电压分别作为输入，构建系数为K₃的比例环节作用到SVG支路网侧变流器输出电压上；

以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路：以SVG电压外环直流电压的输入误差作为输入，构建系数为K₄的比例环节作用到SVG网侧变流器输出电压上。

4.根据权利要求3所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，

附加以所述直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路后，该直驱风机支路的耗散能量表示为：

式中，L_m表示第m个直驱风机支路中的直驱风机到并网点的线路电抗值，U_m-、U_m+分别表示第m个直驱风机支路中直驱风机端口的次、超频电压幅值；

分别表示第m个直驱风机支路中直驱风机端口的次、超频电压初始相角；K_{1_m}表示在第m个直驱风机上附加以直驱风机位置为主导因素的能量耗散支路的比例系数；U_{0_m}、

分别表示第m个直驱风机输出端口的基频电压幅值和初始相角；I_{0_m}、

分别表示第m个直驱风机支路的基频电流幅值和初始相角；L_{2_m}表示第m个直驱风机支路中直驱风机的出线电感；A_{PLL_m}、

分别表示第m个直驱风机支路中锁相环的动态角幅值、初始相角；k_{pv_m}、k_{iv_m}分别表示第m个直驱风机支路中网侧变流器电流环的比例系数、积分系数；ω_s表示次、超频电压的角频率与基频角频率之差，ω_s＝ω₀-ω_-＝ω₊-ω₀，ω₀＝2π*50。

5.根据权利要求4所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，

附加以所述直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路后，该直驱风机支路的耗散能量表示为：

式中，K_{2_m}表示第m个直驱风机上附加以直驱风机风速为主导因素的能量耗散支路的比例系数。

6.根据权利要求5所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，

附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路后，SVG支路的耗散能量表示为：

式中，K₃表示在SVG支路上附加以SVG并网电抗为主导因素的能量耗散支路的比例系数；X_S表示SVG并网电抗；U_s-、U_s+分别表示SVG输出端口的次、超频电压的幅值；

分别表示SVG输出端口的次、超频电压的初始相角；k_ps1、k_is1分别表示SVG控制环节中的外环电压比例系数、积分系数；k_ps2、k_is2分别表示SVG控制环节中电流环比例系数、积分系数；A_S、

分别表示SVG控制环节中锁相环动态角的幅值和初始相角；U_dcs、

分别表示SVG控制环节中直流环节的谐波电压幅值和初始相角；I_s0、

分别表示SVG支路基频电流幅值和初始相角；

表示SVG支路并网点基频电压初始相角；

表示SVG支路基频电压初始相角；I_s-、I_s+、

分别表示SVG支路次、超频电流幅值和初始相角；

附加以SVG外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路后，SVG支路的耗散能量表示为：

式中，K₄表示SVG支路上附加以外环恒直流电压控制为主导因素的能量耗散支路的比例系数。

7.根据权利要求6所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤S4中的目标函数约束条件表示为：

8.根据权利要求7所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制方法，其特征在于，

9.一种基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制装置，其特征在于，所述装置包括：

数据采集模块，用于采集直驱风场中各直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，还采集直驱风场中并网支路的电流以及并网点处的电压；

直驱风场的耗散能量获取模块，基于所述直驱风场中所述各直驱风机支路及所述SVG支路的电流、所述并网支路的电流以及并网点处的电压，得到所述直驱风场的耗散能量；

次/超频振荡抑制判断及处理模块，若所述直驱风场的耗散能量小于0，则基于所述直驱风机支路及SVG支路的端口电压、电流和锁相环输出的锁相角，以及并网点处的电压，得到各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量；还以所述各附加能量耗散支路中包含相应能量耗散支路参数的耗散能量均大于0、且所述直驱风场的耗散能量取最小正值为目标函数约束条件，获取各能量耗散支路的参数，并启用参数确定后的各附加能量耗散支路。

10.根据权利要求9所述的基于能量耗散的直驱风场次/超频振荡抑制装置，其特征在于，在所述直驱风场的耗散能量获取模块中，根据以下公式得到所述直驱风场的耗散能量：

式中，I_i-、I_i+分别表示第i个支路上的次、超频电流的幅值；

分别表示第i个支路上的次、超频电流的初相角；

分别表示并网点处的次、超频电压的幅值；

分别表示并网点处的次、超频电压的初相角；ω_-、ω₊分别表示次、超频电压的角频率；n+2为直驱风场的支路总个数，其中包含n个直驱风机支路、1个SVG支路和一个并网支路。

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