CN112186759A - 自适应捕捉频点的双馈风电场次同步振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

自适应捕捉频点的双馈风电场次同步振荡抑制方法，首先，设计次同步振荡附加阻尼环；然后，在目标风场并网处采用实时快速傅里叶变换FFT分析跟踪振荡频点；并基于跟踪频点进行附加阻尼环的自适应调整；最后，运用设计好的自适应捕捉频点的附加阻尼环对双馈风电机组的转子侧变流器控制策略进行改进；与同类型双馈风电场次同步振荡抑制方法相比，本发明方法能够精确有效的抑制双馈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及过调，对双馈风电机组接入系统安全稳定运行有重要的现实意义。

Description

自适应捕捉频点的双馈风电场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，涉及双馈风机并网系统稳定性控制领域，特别涉及一种自适应捕捉频点的双馈风电场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。目前双馈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，双馈风电场并网外送电能已成为实现风能大规模开发与利用的主要方式。双馈风电场并网外送电能往往采用输电线路串联补偿技术，用以缩短电气距离，提高电能输送能力，提高电力系统稳定性。然而，因为双馈风机控制和结构的特殊性，这种大规模、远距离、点对网经串联补偿线路外送电能的方式却可能带来另一种稳定性问题——次同步振荡。随着中国大规模风电基地的建设，由双馈式风电并网诱发的次同步振荡的建模、分析与抑制措施成为亟待解决的问题。研究双馈式风电机组并网的次同步振荡问题对于明确和完善风机次同步振荡机理，具有重要的意义。

在双馈式风力发电机转子侧变流器附加次同步振荡阻尼环通过提取相关电气量以获取振荡信息，通过对提取量进行处理得到输出信号的附加分量，该分量对于原信号中的振荡分量具有一定的抑制作用，从而达到对次同步振荡的有效抑制。然而，由于风机的运行状态会随着风速、网络参数等的变化发生改变，此时，传统的附加阻尼方法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

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种自适应捕捉频点的双馈风电场次同步振荡抑制方法，在双馈风机转子侧变流器控制内环附加次同步阻尼环，基于实时快速傅里叶变换FFT分析，以追踪振荡频点并对附加阻尼环进行自适应调整，从而避免了双馈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双馈风电场次同步振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计附加阻尼环

附加阻尼环由滤波器、相位补偿环节、放大系数、限幅器构成，将其叠加至双馈风机转子侧变流器的电流内环中；

(a)设计滤波器

在进行滤波器设计时，根据对滤波器的性能要求，对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、

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

选择二阶带通滤波器提取次同步分量，其传递函数为：

上式中，ζ代表滤波器的阻尼系数，s为频域变量；

(b)设计相位补偿环节

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)

(c)设计放大系数

对提取出的次同步分量信号进行放大处理，即可形成阻尼信号；

(d)设计限幅器

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阻尼环输出幅度限制；

步骤2：运用实时FFT分析跟踪频点

在双馈风机并网处，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频点和振荡幅值，即获得了振荡信息；

步骤3：进行附加阻尼环的自适应调整

根据步骤2获取的振荡信息，进行附加阻尼环参数的实时调整，实时调整的原则为：

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，增大放大系数，但应该限制在调整范围内，即不大于与之并列的PI环的比例参数；

步骤4：进行风机转子侧变流器控制策略改进

将步骤1-步骤3设计好的附加阻尼环叠加至双馈风机转子侧变流器的电流内环中，取转子电流偏差为原始信号进行附加阻尼处理，输出叠加至转子电压参考值，进而对双馈风机转子电压进行调整。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：首先，采用次同步振荡附加阻尼环；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阻尼环的自适应调整；最后，运用设计好的自适应捕捉频点的附加阻尼环对双馈风电机组的转子侧变流器控制策略进行改进。本发明方法能够实时锁定振荡频点精确有效的抑制双馈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是附加阻尼环的拓扑结构。

图3是抑制策略框图。

图4是双馈风机并网模型。

图5是系统次同步振荡的电流和功率波形。

图6是运用同类附加阻尼方法抑制次同步振荡的电流和功率波形。

图7是运用本发明方法后系统的电流和功率波形。

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双馈风电场次同步振荡抑制方法，在确定的双馈风电场并网系统中，包括如下步骤：

步骤1：设计附加阻尼环

本发明设计的附加阻尼环由带通滤波器、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。

1)设计滤波器

滤波器的作用是提取出次同步振荡时的次同步分量。输入信号经过带通滤波器形成次同步分量1。在进行滤波器设计时，依据对次同步信号的提取要求，对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、

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

本发明中，选择简单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，s为频域变量，ζ代表滤波器的阻尼系数，取0.3。

2)设计相位补偿环节

用上述带通滤波器提取出的次同步分量可能存在相位改变，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)

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，由式(3)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。

3)设计放大系数

对次同步分量2进行放大处理以形成阻尼信号。

4)设计限幅环节

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，进行阻尼环输出幅度限制，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

在双馈风机并网处，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频点。由于在风速或网络结构等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：进行附加阻尼环的自适应调整

根据步骤2获取的振荡信息(振荡频点和振荡幅值)，按照给定方案进行附加阻尼环参数的实时调整，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环的比例参数)，如果放大系数过大，则会产生过调现象。

步骤4：进行风机转子侧变流器控制策略改进

如图3所示，将步骤1至步骤3设计好的附加阻尼环叠加至双馈风机转子侧变流器的电流内环中，取转子电流偏差为原始信号进行附加阻尼处理，输出叠加至转子电压参考值，进而对双馈风机转子电压进行调整。

实施例一：

本实施例的方法用于解决实际双馈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所示的双馈风机并网模型，按照如下参数进行了仿真验证：

50Hz基波电压幅值：V₁＝690V；电流内环PI参数：K_p＝0.6，K_i＝10；锁相环控制参数：K_pp＝500，K_pi＝100；转子电流参考值:I_r,ref＝7.635e^j(1.3183)，转子电压参考值：U_r,ref＝3.575e^j(-2.281)；转轴转速(标幺值)：0.8；箱式变压器电抗：0.065p.u.，输电系统电感(折算后)：0.63948H，输电线路串补度为40％。

初始状态下输电线路串联电容不投入，在系统正常运行的第3秒投入串联补偿电容，系统发生次同步振荡。风机出口处的电流和功率系统如图5所示。

采用同类附加阻尼的次同步振荡抑制方案，在双馈风机转子侧变流器电流控制内环中通过提取次同步分量进行相位补偿后叠加至转子侧参考电压上。在系统正常运行的第3秒投入串联补偿电容，对于频点捕捉存在偏差(3Hz)的情况进行仿真分析，风机出口处的电流和功率系统如图6所示，表明在存在频点偏差的情况下，抑制策略无法对次同步振荡进行有效抑制。

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5-15Hz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；设计其阻尼系数为0.3；放大系数取0.8K_p；限制幅度为0.5U_r,ref，以实现阻尼环的自适应调整。将设计好的附加阻尼环叠加至双馈风机转子侧变流器的电流内环中，重新运行系统，并在3s时加入串联补偿电容，风机出口处的电流和功率波形如图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双馈风机并网次同步振荡现象。

本发明方法对于实际双馈并网系统的次同步振荡抑制同样有效。

Claims (2)

1.自适应捕捉频点的双馈风电场次同步振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计附加阻尼环

附加阻尼环由滤波器、相位补偿环节、放大系数、限幅器构成，将其叠加至双馈风机转子侧变流器的电流内环中；

(a)设计滤波器

在进行滤波器设计时，根据对滤波器的性能要求，对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、

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

选择二阶带通滤波器提取次同步分量，其传递函数为：

上式中，ζ代表滤波器的阻尼系数，s为频域变量；

(b)设计相位补偿环节

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)

(c)设计放大系数

对提取出的次同步分量信号进行放大处理，即可形成阻尼信号；

(d)设计限幅器

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阻尼环输出幅度限制；

步骤2：运用实时FFT分析跟踪频点

在双馈风机并网处，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频点和振荡幅值，即获得了振荡信息；

步骤3：进行附加阻尼环的自适应调整

根据步骤2获取的振荡信息，进行附加阻尼环参数的实时调整；

步骤4：进行风机转子侧变流器控制策略改进

将步骤1-步骤3设计好的附加阻尼环叠加至双馈风机转子侧变流器的电流内环中，取转子电流偏差为原始信号进行附加阻尼处理，输出叠加至转子电压参考值，进而对双馈风机转子电压进行调整。

2.根据权利要求1所述的自适应捕捉频点的双馈风电场次同步振荡抑制方法，其特征在于，步骤3所述的实时调整的原则为：

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，增大放大系数，但应该限制在调整范围内，即不大于与之并列的PI环的比例参数。

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