CN111786405A - 抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统、方法 - Google Patents

抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统、方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统、方法，本发明的控制方法为基于电流补偿的次同步振荡抑制方法。本发明可以很好的抑制由于基于虚拟同步发电机的新能源发电厂与串补电网发生串联谐振而引发的次同步振荡，为基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网引发的次同步振荡问题提供了解决方案。

Description

抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统、方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，特别是一种抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统、方法。
背景技术
随着新能源发电技术的发展，基于电力电子装置的新能源发电厂越来越多。与传统的基于同步发电机的发电厂相比，基于电力电子逆变器的新能源发电厂不能为弱电网提供电压和频率支撑，新能源发电厂在弱电网并网情况下常常会发生振荡失稳。为了使得新能源发电厂更加类似于传统的基于同步发电机的发电厂，虚拟同步发电机的控制方法被提出，采用虚拟同步发电机控制方法的并网逆变器可以为弱电网提供电压和频率支撑，因此，虚拟同步发电机控制策略在新能源发电中的研究越来越多，当前基于虚拟同步发电机控制策略的新能源发电厂也逐步开始投入使用。由于串补传输线路可以减少电能输送过程中的损耗，串补线路也是现代电力系统输电常用方式之一。因此，伴随着虚拟同步发电机技术在新能源发电领域的应用，基于虚拟同步发电机的新能源发电厂经串补并网的情况一定会出现。另外，根据已有的研究，虚拟同步发电机和传统的同步发电机具有类似的阻抗特性，两者均为感性阻抗。由于串补电容的影响，串补传输线路在低频段呈现容性阻抗，且线路串补度越高，线路阻抗的容性范围越大。考虑到基于同步发电机的传统发电厂串补并网在线路串补度较高的情况下会发生次同步振荡问题，基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网在串补度较高的情况下也会发生类似的次同步振荡。新能源发电次同步振荡会导致严重的功率损耗和设备损害，故基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网次同步振荡问题需要广泛的关注和研究。
为了抑制新能源发电系统的次同步振荡，一般采用新能源发电装备控制参数优化和阻抗重构的控制方法，无论是控制器参数优化还是阻抗重构控制均需要修改原有发电装备控制器，考虑到新能源发电装备众多且控制器不对外开放，控制器参数优化和阻抗重构控制法均难以实施，因此，研究附加振荡抑制装置来抑制新能源发电次同步振荡十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统、方法，有效抑制新能源发电系统的次同步振荡。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网系统，包括多个虚拟同步发电机；所述多个虚拟同步发电机通过交流总线接变压器；所述变压器经串补输电线路连接电网；所述多个虚拟同步发电机与变压器之间的交流总线上并接有三相补偿器，且所述三相补偿器的直流侧接有超级电容。
本发明述三相补偿器的直流侧接有超级电容，提高了三相补偿器低频振荡电流的补偿能力。
所述串补输电线路包括串联的电阻、电感和电容。结构简单，易实现。
为便于控制三相补偿器，本发明的三相补偿器与控制器连接。
本发明还提供了一种基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网系统的控制方法，包括以下步骤：
1)根据超级电容电压vdc调整PI控制器或PID控制器的参数；
2)将所述PI控制器或PID控制器的输出值作为新能源发电厂串补并网系统的有功电流幅值I0，同时测出三相补偿器并网点的电压相位θ，根据有功电流幅值I0和电压相位θ计算出新能源发电厂串补并网系统有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}；
3)采集新能源发电厂串补并网系统串补输电线路的电流{iLa，iLb，iLc}，将电流{iLa，iLb，iLc}减去有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}，得到三相补偿器电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}；
4)采集三相补偿器输出电流{ia，ib，ic}，根据电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}和输出电流{ia，ib，ic}，计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}，实现对直流侧为超级电容的三相补偿器的控制。
本发明的方法结合了无功补偿和谐波抑制方法，提高了装备利用率，可以同时补偿系统无功和谐波，有效抑制新能源发电系统的次同步振荡。
步骤1)中，根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数的具体实现过程包括：当abs(Vdcref-vdc)>Eset0时，三相补偿器以新能源发电厂串补并网系统允许的最大电流对超级电容进行充电或放电；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp1和ki1；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp2和ki2；当且仅当abs(Vdcref-vdc)>Eset2时，调整所述PID控制参数；其中，Vdcref为参考电压；Eset0、Eset1均为设定的阈值，且Eset0＞Eset1。通过本发明的PID控制器可以进一步改善次同步振荡抑制性能。
所述三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}的计算公式为：
Figure BDA0002552935010000031
其中，ia_k+1为第k+1次电流采样值，ia_k为第k次电流采样值，va,vb、vc为三相补偿器并网点电压。。计算过程简单，易实现，实用性强。
相应地，本发明还提供了一种基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网系统的控制系统，包括：
采集模块，用于采集超级电容电压vdc、新能源发电厂串补并网系统串补输电线路的电流{iLa，iLb，iLc}和三相补偿器输出电流{ia，ib，ic}；
控制器，用于根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数；将所述PID控制器的输出值作为新能源发电厂串补并网系统的有功电流幅值I0，同时测出三相补偿器并网点的电压相位θ，根据有功电流幅值I0和电压相位θ计算出新能源发电厂串补并网系统有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}；将电流{iLa，iLb，iLc}减去有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}，得到三相补偿器电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}；根据电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}和输出电流{ia，ib，ic}，计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}，实现对直流侧为超级电容的三相补偿器的控制。
本发明的所述控制器包括：
PID参数调节单元，用于根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数；
有功电流计算单元，用于将所述PID控制器的输出值作为新能源发电厂串补并网系统的有功电流幅值I0，同时测出三相补偿器并网点的电压相位θ，根据有功电流幅值I0和电压相位θ计算出新能源发电厂串补并网系统有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}；
电流内环参考信号计算单元，用于将电流{iLa，iLb，iLc}减去有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}，得到三相补偿器电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}；
调制信号计算单元，用于根据电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}和输出电流{ia，ib，ic}，计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}，实现对直流侧为超级电容的三相补偿器的控制。
所述PID调节单元被配置为执行以下操作：根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数的具体实现过程包括：当abs(Vdcref-vdc)>Eset0时，三相补偿器以新能源发电厂串补并网系统允许的最大电流对超级电容进行充电或放电；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp1和ki1；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp2和ki2；当且仅当abs(Vdcref-vdc)>Eset2时，调整所述PID控制参数；其中，Vdcref为参考电压；Eset0、Eset1均为设定的阈值，且Eset0＞Eset1。
所述调制信号计算单元根据以下计算式计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}：
Figure BDA0002552935010000041
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1、本发明通过附加装置(三相补偿器)抑制新能源发电串补并网系统的次同步振荡，不用修改新能源发电系统内部控制器参数，方法简便，可行性高，克服了传统方法修改新能源发电系统内部参数难的问题。
2、本发明的控制器不需要做次同步振荡电流检测，避免了次同步振荡电流检测难的问题。
3、本发明的控制方法将次同步振荡电流、传统谐波电流和无功电流作为一个整体进行测量和补偿，使得次同步振荡抑制装置(三相补偿器)具有次同步振荡抑制、无功补偿和谐波补偿多个功能，提高了装备的利用率。
附图说明
图1直流侧为超级电容的三相补偿器拓扑及其控制框图；
图2基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网系统简化电路图；
图3电压外环在不同控制参数下的输出波形图；
图4控制超级电容电压的专家PID控制器逻辑图；
图5未添加抑制装置的基于虚拟发电机的新能源发电厂串补并网电流波形图；
图6添加抑制装置后的基于虚拟发电机的新能源发电厂串补并网电流波形图；
图7抑制装置直流侧为普通电容情况下的电流波形图；
图8抑制装置直流侧电压为普通PI控制器情况下的电流波形图。
具体实施方式
本发明实施例直流侧为超级电容的三相补偿器拓扑及其控制框图如图2所示。三相补偿器直流侧为超级电容Cdc，控制器包括电压外环控制和电流内环控制。其中超级电容电压外环控制采用专家PID控制器，通过专家PID控制器可以得到新能源发电厂串补并网有功电流幅值I0；三相补偿器并网点电压相位θ可以通过锁相环PLL获得。
本发明实施例基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网系统简化电路如图2所示。基于虚拟同步发电机的新能源发电厂经串补输电线路连接大电网，电感Lline、电阻Rline和电容Cseries构成输电网的串补线路。其中，所提的直流侧为超级电容的三相补偿器并联在发电厂交流总线上。
图3显示了在不同PI控制参数下电压外环控制器输出波形图，从图4可以看出，电压外环PI参数较大时，控制器输出波形振荡较大，由于电压外环控制器输出作为电流内环的幅值，在稳态情况下，电压外环控制器参数应选择较小的值。同时，考虑到当超级电容电压与参考电压相差较大时控制器控制速度较慢的问题，在超级电容电压与参考电压相差较大时电压外环控制器应选择较大的控制参数。因此超级电容电压控制器应采用专家PID控制器。
专家PID控制器控制逻辑如图4所示，在超级电容电压vdc与参考电压Vdcref相差很大时(abs(Vdcref-vdc)>Eset0)，三相补偿器以系统允许的最大电流对超级电容进行充电或放电；在超级电容电压vdc与参考电压Vdcref相差较大时(Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1)，三相补偿器中专家PID控制器参数为kp1和ki1；在超级电容电压vdc与参考电压Vdcref相差较小时(Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1)，三相补偿器中专家PID控制器参数为kp2和ki2；当专家PID控制器参数为kp2和ki2时，控制器参数不再轻易的改变，当且仅当超级电容电压超级电容电压vdc与参考电压Vdcref相差较大时(abs(Vdcref-vdc)>Eset2)，其参数才进行调整。
本发明实施例中，kp1＝3,ki1＝6，kp2＝0.5,ki2＝0.1，Eset0＝15，Eset1＝5。
在获得新能源发电厂串补并网有功电流幅值I0后，根据三相补偿器锁相环PLL得到的并网点电压相位θ，可以计算得到基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网有功电流{isa，isb，isc}：
Figure BDA0002552935010000061
采集输电线路电流{iLa，iLb，iLc}，然后减去公式(1)计算出的系统有功电流{isa，isb，isc}，得到电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}，表达式如下：
Figure BDA0002552935010000062
在计算出电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}后，控制系统进入电流内环控制。采集直流侧为超级电容的三相逆变器输出电流{ia，ib，ic}，根据无差拍控制，计算出三相逆变器的调制信号{sa，sb，sc}，表达式如下：
Figure BDA0002552935010000063
其中ia_k+1为第k+1次电流采样值，ia_k为第k次电流采样值。
根据公式(3)，可以得到三相逆变器的调制信号{sa，sb，sc}，实现直流侧为超级电容的三相逆变器的控制，从而实现基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网情况下的次同步振荡。
搭建基于虚拟同步发电机的新能源发电厂串补并网系统进行研究，实验结果如图5-8所示。
从图5可以看出，在未添加本发明的次同步振荡抑制装备时，当输电线路串补度SCL从0切换到55％时，电网电流igabc发生明显的次同步振荡；从图6可以看出，在添加本发明的次同步振荡抑制装备后，当输电线路串补度SCL从0切换到55％时，电网电流igabc有一个次同步振荡过渡过程，而后电流恢复稳定。
为了分析本发明系统直流侧超级电容的必要性，图7显示了直流侧为普通电容情况下的电流波形图，从图7可以看出，当直流侧为普通电容时，由于普通电容不能够提供足够的能力来补偿低频振荡电流，直流侧电容电压vdc波动很大，同时电网电流igabc的次同步振荡依然存在，因此本发明三相补偿器直流侧必须配备超级电容。
图8显示了直流侧电压为普通PI控制器情况下的电流波形图，对比图6和图8可以得到，采用普通PI控制器时电网电流igabc的次同步振荡过度过程比较长，通过本发明的专家PID控制器可以改善次同步振荡抑制性能。

Claims (10)

1.一种抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统，包括多个虚拟同步发电机；所述多个虚拟同步发电机通过交流总线接变压器；所述变压器经串补输电线路连接电网；其特征在于，所述多个虚拟同步发电机与变压器之间的交流总线上并接有三相补偿器，且所述三相补偿器的直流侧接有超级电容。
2.根据权利要求1所述的抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统，其特征在于，所述串补输电线路包括串联的电阻、电感和电容。
3.根据权利要求1所述的抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统，其特征在于，所述三相补偿器与控制器连接。
4.一种权利要求1～3之一所述的抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据超级电容电压vdc调整PI控制器的参数或PID控制器的参数；
2)将所述PI控制器或PID控制器的输出值作为新能源发电厂串补并网系统的有功电流幅值I0，同时测出三相补偿器并网点的电压相位θ，根据有功电流幅值I0和电压相位θ计算出新能源发电厂串补并网系统有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}；
3)采集新能源发电厂串补并网系统串补输电线路的电流{iLa，iLb，iLc}，将电流{iLa，iLb，iLc}减去有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}，得到三相补偿器电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}；
4)采集三相补偿器输出电流{ia，ib，ic}，根据电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}和输出电流{ia，ib，ic}，计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}，实现对三相补偿器的控制。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中，根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数的具体实现过程包括：当abs(Vdcref-vdc)>Eset0时，三相补偿器以新能源发电厂串补并网系统允许的最大电流对超级电容进行充电或放电；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp1和ki1；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp2和ki2；当且仅当abs(Vdcref-vdc)>Eset2时，调整所述PID控制参数；其中，Vdcref为参考电压；Eset0、Eset1均为设定的阈值，且Eset0＞Eset1。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}的计算公式为：
Figure FDA0002552934000000021
其中，ia_k+1为第k+1次电流采样值，ia_k为第k次电流采样值，va,vb、vc为三相补偿器并网点电压。
7.一种权利要求1～3之一所述的抑制次同步振荡的新能源发电厂串补并网系统的控制系统，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集超级电容电压vdc、新能源发电厂串补并网系统串补输电线路的电流{iLa，iLb，iLc}和三相补偿器输出电流{ia，ib，ic}；
控制器，用于根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数；将所述PID控制器的输出值作为新能源发电厂串补并网系统的有功电流幅值I0，同时测出三相补偿器并网点的电压相位θ，根据有功电流幅值I0和电压相位θ计算出新能源发电厂串补并网系统有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}；将电流{iLa，iLb，iLc}减去有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}，得到三相补偿器电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}；根据电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}和输出电流{ia，ib，ic}，计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}，实现对直流侧为超级电容的三相补偿器的控制。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述控制器包括：
PID参数调节单元，用于根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数；
有功电流计算单元，用于将所述PID控制器的输出值作为新能源发电厂串补并网系统的有功电流幅值I0，同时测出三相补偿器并网点的电压相位θ，根据有功电流幅值I0和电压相位θ计算出新能源发电厂串补并网系统有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}；
电流内环参考信号计算单元，用于将电流{iLa，iLb，iLc}减去有功电流{I0*cosθ，I0*cos(θ-2*π/3)，I0*cos(θ+2*π/3)}，得到三相补偿器电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}；
调制信号计算单元，用于根据电流内环参考信号{iaref，ibref，icref}和输出电流{ia，ib，ic}，计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}，实现对直流侧为超级电容的三相补偿器的控制。
9.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述PID调节单元被配置为执行以下操作：根据超级电容电压vdc调整PID控制器的参数的具体实现过程包括：当abs(Vdcref-vdc)>Eset0时，三相补偿器以新能源发电厂串补并网系统允许的最大电流对超级电容进行充电或放电；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp1和ki1；当Eset0>abs(Vdcref-vdc)>Eset1时，PID控制器参数为kp2和ki2；当且仅当abs(Vdcref-vdc)>Eset2时，调整所述PID控制参数；其中，Vdcref为参考电压；Eset0、Eset1均为设定的阈值，且Eset0＞Eset1。
10.根据权利要求7～9之一所述的控制系统，其特征在于，所述调制信号计算单元根据以下计算式计算三相补偿器调制信号{sa，sb，sc}：
Figure FDA0002552934000000031
其中，ia_k+1为第k+1次电流采样值，ia_k为第k次电流采样值，va,vb、vc为三相补偿器并网点电压。
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