CN112186758A - 一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法，首先，设计次同步振荡附加控制回路；然后，在风机并网处采用实时FFT分析跟踪振荡频点；并基于跟踪频点进行附加控制回路的自适应调整；最后，运用设计的自适应捕捉频点的附加控制回路对直驱风电机组锁相环控制策略进行改进，与诸如电流内环附加阻尼或其同类型次同步振荡抑制方案相比，本发明能够精确有效的抑制直驱风电机组的次同步振荡，避免了已有方法因振荡频点偏移可能出现的抑制效果减弱及过调，对直驱式风电机组接入系统安全稳定运行有重要的现实意义。

Description

一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，涉及直驱风机并网系统稳定性控制技术，具体涉及一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法。

背景技术

新能源电能接入系统的比例逐渐提高，给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战，其中就包括次同步振荡等稳定性问题。目前直驱式风力发电机在新能源发电领域中获得了十分广泛的应用。在背靠背双PWM变流器将机网侧隔离前提下，直驱式风电机组接入系统后仍出现了次同步振荡现象，无论在产生机理还是表现形式上，直驱风机接入弱交流电网所诱发的次、超同步振荡都是一种新型的次同步振荡；与双馈式风电机组的次同步振荡也有着明显的不同：直驱式风场即便在送出线路没有串补的情况下依然发生振荡。直驱式风电机组次同步振荡不但会使风电机组反复出现大规模脱网，还会导致风电接入系统电能质量恶化，甚至引发系统中火电机组振荡跳闸，严重威胁电力系统安全运行。随着中国大规模风电基地的建设，由直驱式风电并网诱发的次同步振荡的抑制措施成为亟待解决的问题。

现有的直驱风电机组电流内环附加次同步振荡控制方案通过提取相关电气量以获取振荡信息，对提取量进行处理后得到网侧变流器控制电压参考输出的附加分量，从而达到对次同步振荡的抑制。然而，该方案并没有对直驱风机次同步振荡的根本原因，即锁相环测量偏差进行改进，故其次同步振荡抑制效果相当有限。此外，由于次同步振荡频率会随着风速、网络参数等的变化发生改变，此时，传统的次同步振荡控制方案因难以获取动态的振荡信息而减弱次同步振荡抑制能力，甚至会因为频点偏移而发生过调状态，继发新的振荡问题。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法，在直驱风机锁相环附加次同步控制回路，基于实时FFT分析，以追踪振荡频点并对附加控制回路进行自适应调整，并直接针对锁相环施加附加阻尼控制，从而避免了直驱式风场并网次同步振荡问题，提高了抑制措施的有效性和适应性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：附加控制回路设计

附加控制回路设计包括了带通滤波器、相位补偿环节、放大系数和限幅器的设计；

(a)带通滤波器设计

带通滤波器的作用是提取出次同步振荡时的次同步分量信号，在进行带通滤波器设计时，根据对带通滤波器的性能要求，对带通滤波器的幅频特性和相频特性进行限制，如不等式(1)所示。

上式中，L、

分别表示带通滤波器的幅频和相频特性，n是带通滤波器的阶数，ω_n是带通滤波器的中心频率；D、M代表限制常数。

选择通用的二阶带通滤波器提取次同步分量，其传递函数为：

上式中，ζ代表带通滤波器的阻尼系数，s是拉普拉斯变换中的复频率；

(b)相位补偿环节设计

用带通滤波器提取出的次同步分量信号如果存在相位改变，则进行相位补偿以还原次同步分量，根据次同步频率的电流分量经过二阶带通滤波器造成了相位改变，相位改变的计算公式为：

运用补偿环节

对其进行相应的相位补偿，单个补偿环节的相位补偿为：

Phi_com＝arctan(ωT₁)-arctan(ωT₂) (4)

上式中，T是超前滞后控制的时间常数；

(c)放大系数设计

对补偿后的次同步分量信号进行放大处理可形成阻尼信号，设置放大系数时，放大系数不大于与之并列的PI环节的比例参数，否则会发生过调。

(d)限幅环节设计

对阻尼信号进行限幅处理，以引入分量不影响系统稳定性为前提进行控制回路输出幅度限制，限幅环节也可根据FFT输出的次同步频率分量的幅度进行阶梯式调节；

步骤2：实时FFT分析跟踪频点

在直驱风机并网处，运用FFT对线路电流进行实时分析，得到系统次同步振荡频段内的振荡信息，包括振荡频点和振荡幅值；

步骤3：附加控制回路的自适应调整

根据步骤2获取的振荡信息，进行附加控制回路参数的实时调整，调整原则为：

1)以实时振荡频点代替初始频点作为带通滤波器的中心频率；

2)根据振荡幅值确定放大系数，当振荡幅值较大时，适当增大放大系数，但应该限制在调整范围内，不大于与之并列的PI环节的比例参数；

步骤4：锁相环控制策略改进

将步骤1至步骤3设计好的附加控制回路叠加至直驱风机锁相环积分环节前，取q轴电压为原始信号进行附加阻尼处理，输出叠加至电网电压角速度跟踪参考值，进而对直驱风机锁相环跟踪的电网角速度进行调整。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明公开发明了一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法，首先，设计次同步振荡附加控制回路；然后，在风场并网处，运用实时FFT分析跟踪振荡频点；同时，基于跟踪频点进行附加控制回路的自适应调整；最后，运用设计的自适应捕捉频点的附加控制回路对直驱风电机组的锁相环控制策略进行改进。本发明方法能够实时锁定振荡频点精确有效的抑制直驱风电机组的次同步振荡，避免了同类方法因振荡频点偏移可能出现的抑制效果减弱和过调等问题。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的附加控制回路拓扑结构。

图3是本发明的抑制策略框图。

图4是直驱风机并网模型。

图5中的(1)-(4)是系统次同步振荡的风机功率、电压及电流波形。

图6中的(1)-(4)是采用电流内环附加阻尼抑制方案的风机功率、电压及电流波形。

图7中的(1)-(4)是运用本发明方法后的风机功率、电压及电流波形。

图8是运用本发明方法后的跟踪振荡频率。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明是一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法，在确定的直驱风电机组并网系统中，包括如下步骤：

步骤1：附加控制回路设计

本发明设计的附加控制回路由带通滤波器、相位补偿环节、信号放大环节、限幅器构成。其结构如图2所示。

(a)带通滤波器设计

带通滤波器的作用是提取出次同步振荡时的次同步分量信号，输入信号经过带通滤波器形成次同步分量1。在进行带通滤波器设计时，依据对次同步信号的提取要求，对带通滤波器的幅频特性和相频特性进行限制，如不等式(1)所示。

上式中，L、

分别表示带通滤波器的幅频和相频特性，n是带通滤波器的阶数，ω_n是带通滤波器的中心频率；D、M代表限制常数，分别取3dB和30°。

本发明中，选择通用的二阶带通滤波器提取次同步分量，其传递函数为：

上式中，ζ代表带通滤波器的阻尼系数，取0.3，s是拉普拉斯变换中的复频率；

(b)相位补偿环节设计

用带通滤波器提取出的次同步分量信号如果存在相位改变，则进行相位补偿以还原次同步分量，经过相位补偿，次同步分量1被还原为系统中的原始次同步分量2。进行相位补偿时，根据次同步频率的电流分量经过二阶带通滤波器造成的相位改变，相位改变的计算公式为：

运用补偿环节

对其进行相应的相位补偿，单个补偿环节的相位补偿为：

Phi_com＝arctan(ωT₁)-arctan(ωT₂) (4)

上式中，T是超前滞后控制的时间常数；

进行相位补偿时，根据所需提出的次同步频率的电流分量经过二阶带通滤波器造成的时间延迟，运用补偿环节

对其进行相位补偿，T₁取0.01。根据式(4)确定T₂和n的大小。

特别说明，当应用本发明的实时频点追踪方法时，由(3)式可知此时次同步分量经过滤波器没有相位改变，因此不需要相位补偿，此时设置T₂＝T₁即可。

(c)放大系数

对补偿后的次同步分量信号进行放大处理可形成阻尼信号，即对次同步分量2进行放大处理以形成阻尼信号；设置放大系数时，放大系数不大于与之并列的PI环的比例参数，如果放大系数过大，则会产生过调现象。

(d)限幅环节

对阻尼信号进行限幅，可以进一步确保系统的稳定性。以引入分量不影响系统稳定性为前提进行控制回路输出幅度限制；限幅环节也可根据FFT输出的次同步频率分量的幅度进行阶梯式调节。

步骤2：运用实时FFT分析跟踪频点

在直驱风机并网处，运用FFT对线路电流(也可以是功率分量)进行实时分析，得到系统次同步振荡频段内的振荡信息，包括振荡频点和振荡幅值。由于在风速或网络结构改变时振荡频点可能发生偏移，即与初始计算频点不一致，运用实时FFT分析能够及时准确获取振荡信息。

步骤3：进行附加控制回路的自适应调整

根据步骤2获取的振荡信息(振荡频点和振荡幅值)，进行附加控制回路参数的实时调整，调整原则为：

1)以实时振荡频点代替初始频点作为带通滤波器的中心频率；

2)根据振荡幅值确定放大系数，当振荡幅值较大时，可适当增大放大系数，但应该限制在调整范围内，不大于与之并列的PI环节的比例参数；

步骤4：进行锁相环控制策略改进

如图3所示，将步骤1至步骤3设计好的附加控制回路叠加至直驱风机的锁相环的积分环节前，取q轴电压为原始信号进行附加阻尼处理，得到电网电压角速度跟踪偏差的参考值，进而对直驱风机锁相环积分环节前跟踪的电网角速度进行调整。

将本发明的方法针对于解决实际直驱风场并网系统的次同步振荡问题。

为验证以上分析的正确性，在仿真平台上搭建如图4所示的直驱风机并网模型，按照如下参数进行了仿真验证：

50Hz基波电压幅值：V₁＝669.5V；电流内环PI参数：K_p＝0.25，K_i＝355；锁相环控制参数：K_pp＝0.085，K_pi＝32；电流内环d轴参考值：I_dref＝1847A；q轴参考值0A，线路电感为0.62mH。发生次同步振荡时电网电压、电流、风机功率如图5所示。

采用同类附加阻尼的次同步振荡抑制方案，在直驱风机网侧变流器电流中通过提取次同步分量进行相位补偿后叠加至电流内环上，风机的功率、电网电压、电流系统如图6所示，表明电流内环附加阻尼的抑制策略无法对次同步振荡进行抑制。

采用本发明所提出的次同步振荡抑制方法，在风机出口处加装实时FFT分析器件，在5～28Hz频段内捕捉振荡频点，根据实时振荡频点设定带通滤波器的中心频率f_p；设计其阻尼系数为0.65/f_p；放大系数取0.8K_pp；限制幅度为0.2rad，以实现控制回路的自适应调整。将设计好的附加控制回路叠加至直驱风机锁相环中，重新运行系统，风机功率、电压、电流波形如图7所示，捕捉的实时频点如图8所示。由图可知与同类方法相比，本发明所提方法能够有效抑制直驱风机并网次同步振荡。说明本发明方法对于实际直驱并网风机的次同步振荡抑制同样有效。

Claims (2)

1.一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：附加控制回路设计

附加控制回路设计包括了带通滤波器、相位补偿环节、放大系数和限幅器的设计；

(a)带通滤波器设计

带通滤波器的作用是提取出次同步振荡时的次同步分量信号，在进行带通滤波器设计时，根据对带通滤波器的性能要求，对带通滤波器的幅频特性和相频特性进行限制，如不等式(1)所示；

上式中，L、

分别表示带通滤波器的幅频和相频特性，n是带通滤波器的阶数，ω_n是带通滤波器的中心频率；D、M代表限制常数；

选择通用的二阶带通滤波器提取次同步分量，其传递函数为：

上式中，ζ代表带通滤波器的阻尼系数，s是拉普拉斯变换中的复频率；

(b)相位补偿环节设计

用带通滤波器提取出的次同步分量信号如果存在相位改变，则进行相位补偿以还原次同步分量，根据次同步频率的电流分量经过二阶带通滤波器造成了相位改变，相位改变的计算公式为：

运用补偿环节

对其进行相应的相位补偿，单个补偿环节的相位补偿为：

Phi_com＝arctan(ωT₁)-arctan(ωT₂) (4)

上式中，T是超前滞后控制的时间常数；

(c)放大系数设计

对补偿后的次同步分量信号进行放大处理可形成阻尼信号，设置放大系数时，放大系数不大于与之并列的PI环节的比例参数，否则会发生过调；

(d)限幅环节设计

对阻尼信号进行限幅处理，以引入分量不影响系统稳定性为前提进行控制回路输出幅度限制，限幅环节也可根据FFT输出的次同步频率分量的幅度进行阶梯式调节；

步骤2：实时FFT分析跟踪频点

在直驱风机并网处，运用FFT对线路电流进行实时分析，得到系统次同步振荡频段内的振荡信息，包括振荡频点和振荡幅值；

步骤3：附加控制回路的自适应调整

根据步骤2获取的振荡信息，进行附加控制回路参数的实时调整；

步骤4：锁相环控制策略改进

将步骤1至步骤3设计好的附加控制回路叠加至直驱风机锁相环积分环节前，取q轴电压为原始信号进行附加阻尼处理，输出叠加至电网电压角速度跟踪参考值，进而对直驱风机锁相环跟踪的电网角速度进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种自适应捕捉频点的直驱风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，步骤3的实时调整，其调整原则为：

1)以实时振荡频点代替初始频点作为带通滤波器的中心频率；

2)根据振荡幅值确定放大系数，当振荡幅值较大时，适当增大放大系数，但应该限制在调整范围内，不大于与之并列的PI环节的比例参数。

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