CN112165106A - 基于双二阶广义积分器的dfig次同步振荡抑制方法 - Google Patents
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Abstract
基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，属于双馈风力发电机次同步振荡抑制领域。解决了现有在远距离输电线路中加入串补电容提升电能质量，会诱发风电场的DFIG机组发生次同步振荡，影响电网的稳定性问题。本发明在对转子变流器控制过程中，采用二阶广义积分器实现的锁相环实现对利用锁相环获得相位θ1过程中定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量的滤除；还采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，利用其生成DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，抵消DFIG转子侧转子输入电压指令中的谐波分量。主要用于对DFIG实现的风力发电系统的次同步振荡进行抑制。
Description
技术领域
本发明属于双馈风力发电机(DFIG)次同步振荡抑制领域。
背景技术
新能源发电并网渗透率逐步提高，风电并网容量不断扩大。如何提高风电场并网稳定性以及提升电网稳定性是未来智能电网的主要问题。
通常风电场都建设在偏远地区，因此将风能通过机电转换后，需要较远距离的电能输送，才能将新能源电力输出至负荷。现代电网中常在线路中采用串补电容的方式降低电感效应的影响，从而提高输电线路的功率因数。串补电容的方法往往会使得电网产生低于电网频率的低频振荡或次同步振荡。
通常次同步振荡是由两个或以上的机械或电气耦合的系统，在频率低于50Hz下进行能量转换形成的。根据能量转换的输入与输出形式不同分为三类：其一为次同步谐振(SSR)，SSR为通常发生在火力发电中；其二为次同步扭矩相互作用(SSTI)，SSTI为风电机组轴系与控制参数不匹配的电力电子装置引发的次同步振荡；其三为次同步控制相互作用(SSCI)是由新能源发电系统的变流器与线路中的串补电容耦合振荡引起的。如图1所示，这是随着风电渗透率逐步提高引起的电力系统中一种次同步振荡现象。SSCI与前两者SSTI和SSR不同，它的产生和传递与机械轴系没有关联，因此在输电线路中的发散速度更快，对于电网系统的危害更大。
当线路发生次同步振荡时，非理想电压分量通过DFIG的定子绕组产生谐振电流，再通过电磁耦合在转子绕组上感应出次同步电流分量。该谐振电流分量使得转子电流发生畸变。转子侧变流器(RSC)的控制器检测到电流畸变后，会调节电流环改变转子绕组电压，使得转子电压有次同步振荡分量，转子电压的次同步振荡分量进一步产生转子次同步电流分量，如此若形成一个正反馈便会振荡发散，进而引起整个DFIG风力发电系统振荡，从而影响电网的稳定性。
而随着国内特高压线路的不断建设，在双馈风力发电机(DFIG)机电能量变换过程中，远距离输电成为了主要的发电形式。通过需要在线路中加入串补电容提升电能质量，但也会诱发风电场的DFIG机组发生次同步振荡，影响电网的稳定性。因此，对于DFIG机组发生次同步振荡，影响电网的稳定性的问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决现有在远距离输电线路中加入串补电容提升电能质量，会诱发风电场的DFIG机组发生次同步振荡，影响电网的稳定性问题，本发明提供了基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法。
基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，该抑制方法包括如下过程：
首先、在对转子变流器控制过程中，采用二阶广义积分器实现的锁相环提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量，并进行锁相，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1，实现对利用锁相环获得相位θ1过程中定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量的滤除；
同时，还在对转子变流器控制过程中，采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，对DFIG电网侧定子输出电流进行采样及处理，获得DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，利用该DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，抵消DFIG转子侧转子输入电压指令中的谐波分量，从而实现对采用DFIG实现的风力发电系统的次同步振荡的抑制。
优选的是，采用二阶广义积分器实现的锁相环提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量，并进行锁相，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1的具体过程包括：
S11、通过3s/2s坐标转换器对Vabc进行Clack变换，获得定子电压分量Vα和Vβ；
其中，Vα为两相静止αβ坐标系下的α轴的定子电压分量；
Vβ为两相静止αβ坐标系下的β轴的定子电压分量；
S12、采用第一个二阶广义积分器对Vα和上一时刻ω1进行处理，获得电压信号v'α和v″α；采用第二个二阶广义积分器对Vβ和上一时刻ω1进行处理，获得电压信号v'β和v″β；ω1的初始值为0；
其中，v'α为与Vα同相、且其幅值为Vα幅值一半的电压信号；
v″α为滞后Vα相位90°、且其幅值为Vα幅值一半的电压信号；
v'β为与同Vβ同相、且其幅值为Vβ幅值一半的电压信号；
vβ为滞后Vβ相位90°、且其幅值为Vβ幅值一半的电压信号；
ω1为补偿后的电网电压基波正序分量的频率；
S13、利用v'α减去v″β后，获得
同时，利用v″α加上v'β后，获得
其中，
为两相静止αβ坐标系下α轴的定子电压基波正序分量；
S14、通过2s/2r坐标转换器对
和
进行Pack变换，获得
其中，
为同步旋转dq坐标系的q轴上电网电压基波正序分量；
S15、通过PI调节器对
进行PI调节，获得当前时刻ω1′；
其中，ω1′为电网电压基波正序分量的频率；
S16、利用前馈补偿频率ωff对当前时刻ω1′进行补偿，获得当前时刻ω1；
S17、利用积分器
对当前时刻ω1进行积分，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1。
优选的是，采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，对DFIG电网侧定子输出电流进行采样及处理，获得DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值的实现方式为：
S21、采集DFIG电网侧定子输出电流isd和isq；
其中，isd为定子电流d轴分量；
isq为定子电流q轴分量；
S22、利用isd减去
并将获得差值送入第一个准谐振控制器，第一个准谐振控制器对接收的差值进行处理获得
同时，利用isq减去
并将获得差值送入第二个准谐振控制器，第二个准谐振控制器对接收的差值进行处理获得
其中，
为设定的定子电流d轴中次同步振荡谐波分量参考值；
优选的是，所述的第一个准谐振控制器的数学模型为：
第二个准谐振控制器的数学模型为：
其中，KR为谐振比例系数；
ωc为截止频率；
s为中间变量；
ωsub为次同步振荡频率。
优选的是，
和
的取值均为0。
本发明带来的有益效果是：本发明所述的基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，一方面针对次同步振荡环境下对传统产生的影响进行剖析，进而提出了基于双二阶广义积分器的实现的锁相控制技术，通过提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量获得锁相相位θ1，避免将定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量引入到锁相环节相位θ1的计算中，主动避免了定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量对锁相环的影响；
另一方面定子电流中含谐波分量有的次同步谐波分量对生成转子侧转子输入电压指令的影响，本发明通过引入定子电流次同步分量抑制环，利用其生成DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，抵消DFIG转子侧转子输入电压指令中的谐波分量；通过以上两个方面的抑制，从而实现对采用DFIG实现的风力发电系统的次同步振荡的抑制。
附图说明
图1是现有技术中采用串补电容的DFIG风力发电系统的结构示意图；其中，US为电机端电压；XL为始末两端之间线路电抗等效值；XC为串补电容产生的电抗等效值；Uo为电网电压；
图2是传统锁相环PLL的原理框图；其中，Vabc为DFIG电网侧定子输出电压，Vα为两相静止αβ坐标系下的α轴的定子电压分量；Vβ为两相静止αβ坐标系下的β轴的定子电压分量；vq为定子电压在同步旋转dq坐标系下q轴分量；ω1′为定子侧频率，ωff为前馈补偿频率，θ1为定子输出电压Vabc的相位；
图3是传统转子侧变流器控制框图；其中，P* sref +为定子输出有功功率的指令值，Q* sref +为定子输出无功功率的指令值，
为转子电流指令值在同步旋转dq坐标系下的d轴分量，
为转子电流指令值在同步旋转dq坐标系下的q轴分量，ird为实际转子电流在同步旋转dq坐标系下的d轴分量，irq为实际转子电流在同步旋转dq坐标系下的q轴分量，ωs为转子旋转磁场相对于转子的电角速度，ωr为转子旋转磁场电角速度，Lm为定转子绕组在dq坐标系下的互感最值，Ls为定子绕组在dq坐标系下的自感，σ为电机的漏磁系数，Lr为转子绕组在dq坐标系下的自感，
为转子电压指令值在dq坐标系下的d轴分量，
为转子电压指令值在dq坐标系下的q轴分量，θr为转子空间角位移，
为转子电压指令值在αβ坐标系下的α轴分量，
为转子电压指令值在αβ坐标系下的β轴分量，iabc为abc坐标系下电机转子三相电流，Ps为定子侧实际输出有功功率值，Qs为定子侧实际输出无功功率值，Usdq为同步旋转dq坐标系下定子侧电压空间矢量，Usαβ为αβ坐标系下定子侧电压空间矢量，Usabc为abc坐标系下电机定子三相电压，isdq为同步旋转dq坐标系下定子侧电流空间矢量，isαβ为αβ坐标系下定子侧电流空间矢量，isabc为abc坐标系下电机定子三相电流；
图4是采用本发明所述的基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法对转子侧变流器进行控制的原理框图。
图5是本发明锁相环的原理框图；
图6是定子电流次同步分量抑制环的原理框图；
图7为定子a相电流的仿真波形图；其中，横坐标t为时间，纵坐标为定子a相电流幅值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图3说明本实施方式，本实施方式所述的基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，该抑制方法包括如下过程：
首先、在对转子变流器控制过程中，采用二阶广义积分器实现的锁相环提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量，并进行锁相，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1，实现对利用锁相环获得相位θ1过程中定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量的滤除；
同时，还在对转子变流器控制过程中，采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，对DFIG电网侧定子输出电流进行采样及处理，获得DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，利用该DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，抵消DFIG转子侧转子输入电压指令中的谐波分量，从而实现对采用DFIG实现的风力发电系统的次同步振荡的抑制。
本实施方式中，一方面，通过引入采用二阶广义积分器实现的锁相环，提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量获得锁相相位θ1，避免将定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量引入到锁相环节相位θ1的计算中，主动避免了定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量对锁相环的影响；保证锁相环生成准确的相位θ1；另一方面通过引入采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，作用到传统转子侧变流器控制过程中，生成DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，来消除由于定子电流中含谐波分量有的次同步谐波分量对生成转子侧转子输入电压指令的影响；通过以上两个方面的抑制，从而实现对采用DFIG实现的风力发电系统的次同步振荡的抑制。
本发明具体应用时，具体参见图3和图4，图3为传统转子侧变流器控制框图，而图4中将采用二阶广义积分器实现的锁相环替换现有技术中的传统锁相环PLL对定子输出电压Vabc的相位θ1进行锁相，保证了锁相的准确性，以及通过引入定子电流次同步分量抑制环作用到图3的传统转子侧变流器控制系统中，来抵消由于定子电流中含谐波分量有的次同步谐波分量对生成转子侧转子输入电压指令的影响。
而图3中的PLL为传统锁相环，其传统锁相环PLL的具体结构参见图2。
进一步的，具体参见图5，采用二阶广义积分器实现的锁相环提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量，并进行锁相，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1的具体过程包括：
S11、通过3s/2s坐标转换器对Vabc进行Clack变换，获得定子电压分量Vα和Vβ；
其中，Vα为两相静止αβ坐标系下的α轴的定子电压分量；
Vβ为两相静止αβ坐标系下的β轴的定子电压分量；
S12、采用第一个二阶广义积分器对Vα和上一时刻ω1进行处理，获得电压信号v'α和v″α；采用第二个二阶广义积分器对Vβ和上一时刻ω1进行处理，获得电压信号v'β和v″β；ω1的初始值为0；
其中，v'α为与Vα同相、且其幅值为Vα幅值一半的电压信号；
v″α为滞后Vα相位90°、且其幅值为Vα幅值一半的电压信号；
v'β为与同Vβ同相、且其幅值为Vβ幅值一半的电压信号；
v″β为滞后Vβ相位90°、且其幅值为Vβ幅值一半的电压信号；
ω1为补偿后的电网电压基波正序分量的频率；
S13、利用v'α减去v″β后，获得
同时，利用v″α加上v'β后，获得
其中，
为两相静止αβ坐标系下α轴的定子电压基波正序分量；
S14、通过2s/2r坐标转换器对
和
进行Pack变换，获得
其中，
为同步旋转dq坐标系的q轴上电网电压基波正序分量；
S15、通过PI调节器对
进行PI调节，获得当前时刻ω1′；
其中，ω1′为电网电压基波正序分量的频率；
S16、利用前馈补偿频率ωff对当前时刻ω1′进行补偿，获得当前时刻ω1；
S17、利用积分器
对当前时刻ω1进行积分，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1。
本优选实施方式中，给出了采用二阶广义积分器实现的锁相环进行锁相的具体过程，实现过程中通过提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量获得锁相相位θ1，避免将定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量引入到锁相环节相位θ1的计算中，主动避免了定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量对锁相环的影响，实现过程简单，便于实现。
更进一步的，具体参见图6，采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，对DFIG电网侧定子输出电流进行采样及处理，获得DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值的实现方式为：
S21、采集DFIG电网侧定子输出电流isd和isq；
其中，isd为定子电流d轴分量；
isq为定子电流q轴分量；
S22、利用isd减去
并将获得差值送入第一个准谐振控制器，第一个准谐振控制器对接收的差值进行处理获得
同时，利用isq减去
并将获得差值送入第二个准谐振控制器，第二个准谐振控制器对接收的差值进行处理获得
其中，
为设定的定子电流d轴中次同步振荡谐波分量参考值；
本优选实施方式中，给出了采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环获得DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值的具体过程，本发明通过引入定子电流次同步分量抑制环利用其生成DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，抵消DFIG转子侧转子输入电压指令中的谐波分量；通过以上两个方面的抑制，从而实现对采用DFIG实现的风力发电系统的次同步振荡的抑制，实现过程简单，便于实现，能有效抑制电流中含谐波分量有的次同步谐波分量对生成转子侧转子输入电压指令的影响。更进一步的，具体参见图6，所述的第一个准谐振控制器的数学模型为：
第二个准谐振控制器的数学模型为：
其中，KR为谐振比例系数；
ωc为截止频率；
s为中间变量；
ωsub为次同步振荡频率。
更进一步的，具体参见图6，
和
的取值均为0。
验证试验：
对转子变流器谐振控制进行仿真分析，仿真条件为：基于对含有双二阶广义积分器的锁相环的DFIG系统进行分析，图7中在0.4秒对定子a相电流加入次同步振荡环节，在0.6秒加入本发明定子电流次同步分量抑制环以抑制次同步振荡。仿真结果如图7所示，在0.6至0.7秒定子a相电流的次同步震荡明显抑制，电流波形趋于平稳。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (5)
1.基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，其特征在于，该抑制方法包括如下过程：
首先、在对转子变流器控制过程中，采用二阶广义积分器实现的锁相环提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量，并进行锁相，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1，实现对利用锁相环获得相位θ1过程中定子输出电压Vabc中的次同步谐波分量的滤除；
同时，还在对转子变流器控制过程中，采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，对DFIG电网侧定子输出电流进行采样及处理，获得DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，利用该DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值，抵消DFIG转子侧转子输入电压指令中的谐波分量，从而实现对采用DFIG实现的风力发电系统的次同步振荡的抑制。
2.根据权利要求1所述的基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，其特征在于，采用二阶广义积分器实现的锁相环提取DFIG电网侧定子输出电压Vabc中的基波正序分量，并进行锁相，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1的具体过程包括：
S11、通过3s/2s坐标转换器对Vabc进行Clack变换，获得定子电压分量Vα和Vβ；
其中，Vα为两相静止αβ坐标系下的α轴的定子电压分量；
Vβ为两相静止αβ坐标系下的β轴的定子电压分量；
S12、采用第一个二阶广义积分器对Vα和上一时刻ω1进行处理，获得电压信号v'α和v″α；采用第二个二阶广义积分器对Vβ和上一时刻ω1进行处理，获得电压信号v'β和v″β；ω1的初始值为0；
其中，v'α为与Vα同相、且其幅值为Vα幅值一半的电压信号；
v″α为滞后Vα相位90°、且其幅值为Vα幅值一半的电压信号；
v'β为与同Vβ同相、且其幅值为Vβ幅值一半的电压信号；
v″β为滞后Vβ相位90°、且其幅值为Vβ幅值一半的电压信号；
ω1为补偿后的电网电压基波正序分量的频率；
S13、利用v'α减去v″β后，获得
同时，利用v″α加上v'β后，获得
其中，
为两相静止αβ坐标系下α轴的定子电压基波正序分量；
S14、通过2s/2r坐标转换器对
和
进行Pack变换，获得
其中，
为同步旋转dq坐标系的q轴上电网电压基波正序分量；
S15、通过PI调节器对
进行PI调节，获得当前时刻ω1′；
其中，ω1′为电网电压基波正序分量的频率；
S16、利用前馈补偿频率ωff对当前时刻ω1′进行补偿，获得当前时刻ω1；
S17、利用积分器
对当前时刻ω1进行积分，获得当前时刻定子输出电压Vabc的相位θ1。
3.根据权利要求1所述的基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，其特征在于，采用准谐振控制器实现的定子电流次同步分量抑制环，对DFIG电网侧定子输出电流进行采样及处理，获得DFIG转子侧转子输入电压中次同步谐波分量的估计值的实现方式为：
S21、采集DFIG电网侧定子输出电流isd和isq；
其中，isd为定子电流d轴分量；
isq为定子电流q轴分量；
S22、利用isd减去
并将获得差值送入第一个准谐振控制器，第一个准谐振控制器对接收的差值进行处理获得
同时，利用isq减去
并将获得差值送入第二个准谐振控制器，第二个准谐振控制器对接收的差值进行处理获得
其中，
为设定的定子电流d轴中次同步振荡谐波分量参考值；
4.根据权利要求3所述的基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述的第一个准谐振控制器的数学模型为：
第二个准谐振控制器的数学模型为：
其中，KR为谐振比例系数；
ωc为截止频率；
s为中间变量；
ωsub为次同步振荡频率。
5.根据权利要求4所述的基于双二阶广义积分器的DFIG次同步振荡抑制方法，其特征在于，
和
的取值均为0。
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