CN112671009B - 附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法，应用于双馈风机转子侧变流器控制中，需先配置参数随后将所述的附加阻尼控制器引入双馈风机转子侧换流器控制器，所述附加阻尼控制器由带通滤波器、第一级增益放大器和第二级增益放大器级联组成；两级放大器参数根据转子侧换流器控制系统电流内环比例系数确定。转子侧电流内环电流误差信号为阻尼控制器的输入，输出叠加至原内环输出信号，最终实现抑制次同步振荡效果。本发明无需增加额外采样和测量环节，仅利用电流内环现有控制结构并稍加改进即可实现抑制双馈风机串联补偿系统中发生的次同步振荡的目的。

Description

附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法

技术领域

本发明涉及双馈风机技术领域，具体是一种附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法。

背景技术

我国风能资源与负荷中心整体呈逆向分布，远距离限制了风电的大规模送出。串联补偿输电是解决电力远距离送出的经济有效的措施之一，一方面可显著提高线路输送能力、提高暂态稳定性以及运行经济性，但另一方面同时存在着诱发次同步振荡的风险。美国德克萨斯州南部电网、中国沽源风电场先后发生数起双馈风机次同步振荡事故，造成设备损坏，主变异响，风机解列等后果。

大量研究表明双馈风机的次同步振荡主要是由于双馈风电机组、电力电子变流器控制系统与输电线路的相互作用造成。现有的振荡抑制方案包括利用柔性直流输电装置和改进控制器设计。采用柔性直流输电装置抑制次同步振荡需要在现有输电结构中加入串联型、并联型或串并联型的硬件设备，这些硬件设备需接入电网，具有较好的运行灵活性，但是会增加占地、设备以及后期运维投资。改进控制器设计需对现有控制器进行改进以增加次同步振荡的阻尼，在现有研究中，安装在双馈风机控制器中的附加阻尼器往往需要采样和处理附加控制信号且参数配置过于繁琐，整体设计较为不便。如CN111181174A公开了一种附加阻尼控制的双馈风机并网次超同步振荡抑制方法，所述方法在双馈风机转子侧变换器控制环节加入二阶低阻滤波器用于抑制其产生；但是该方法参数配置过于繁琐。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法，该方法通过在双馈风机转子侧换流器控制器内环中设计基于带通滤波器的附加阻尼控制器，以抑制双馈风电场经串联补偿输电线路外送系统中的次同步振荡问题；仅通过利用现有的内环控制输入信号即可实现抑制双馈风机串联补偿系统中发生的次同步振荡的目的。

本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法，应用于双馈风机转子侧变流器控制中，包括以下步骤：

步骤1：当含双馈风机的风电场和串联补偿电容的电力系统发生次同步振荡时，根据风电场历史运行数据或风电场预设的串联补偿等值串补度的大小确定三相电力系统的次同步振荡频率；

步骤2：根据得到的次同步振荡频率设计附加阻尼控制器，所述附加阻尼控制器由带通滤波器、第一级增益放大器和第二级增益放大器级联组成；具体实施步骤如下：

根据所述次同步谐振频率确定所述带通滤波器的传递函数特征角频率，以通过所述带通滤波器通带范围内的次同步信号；

根据所述的带通滤波器传递函数在中心频率处幅度为0dB的幅频特性确定第一级增益放大器幅值增益；

所述第二级增益系数根据转子侧换流器控制器的电流内环PI参数确定；

步骤3：利用测量装置采样转子电流，通过park变换得到dq轴下的转子侧内环电流测量值；通过转子侧外环控制器输出得到dq轴下的电流内环参考值；然后将所述电流内环电流参考值与实际采样的转子侧内环电流测量值之间的误差信号通过所述附加阻尼控制器得到附加控制信号；

其中，所述误差信号包括d轴和q轴电流误差信号；所述d轴和q轴电流误差信号分别通过附加阻尼控制器得到d轴和q轴附加控制信号；

步骤4：将所述附加控制信号注入转子侧换流器，所述d轴和q轴附加控制信号与转子侧换流器原输出信号叠加，生成抑制次同步谐振的附加阻尼；具体包括如下步骤：

将得到的d轴和q轴附加控制信号分别与d轴和q轴原输出信号叠加，得到转子侧变流器d轴和q轴输出电压变化量，通过电力电子化调制方式生成抑制次同步谐振附加阻尼。

进一步的，所述带通滤波器为二阶次同步带通滤波器，其传递函数为：

其中，ω_n是自然频率，Q是品质因数，s为拉普拉斯算子；所述无阻尼自然频率和品质因数分别由下式确定：

其中，ω_L和ω_H分别为带通滤波器的上下限截止频率，由下式分别决定：

其中，ω₀为交流系统工频，ω_c为三相电力系统谐振频率，B为带宽。

进一步的，所述第一级增益放大器的增益系数取值范围为0.7-0.9。

进一步的，所述第二级增益放大器的增益系数取值为转子侧换流器控制器电流内环PI比例系数的相反数。

与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：

本发明通过在双馈风机转子侧换流器控制器内环中设计基于带通滤波器的附加阻尼控制器，有效解决了现有次同步振荡抑制控制策略中需要采用额外附加信号带来的参数整定复杂性问题。仅通过利用现有的内环控制输入信号即可实现抑制双馈风机串联补偿系统中发生的次同步振荡的目的。

附图说明

图1是现有的双馈风机串联补偿系统示意图；

图2是现有的基于带通滤波器的转子侧换流器双馈风机次同步振荡抑制方法流程图；

图3是本发明实施例中双馈风机转子侧换流器控制图；

图4是本发明实施例中含基于带通滤波器的附加阻尼控制器的双馈风机转子侧换流器次同步抑制时域仿真图；

图5示出本发明实施例中所述二阶带通滤波器的相频特性曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，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做出创造性劳动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，以下的具体实施例可以相互结合，对于其中相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。

图1所示为传统双馈风机串联补偿系统，包括双馈风机的风电场和串联补偿电容的输电系统，其中，双馈风场由50台2MW的风机构成，总输出功率为100MW；转子侧和定子侧换流器由内外环两级PI调节器组成，其中转子侧换流器双馈风机次同步振荡抑制流程如图2所示；双馈风机及其控制系统将风能转换为电能并通过升压变压器和串联电容补偿输电线路连接至交流电网。

如图2所示的传统控制器结构由内环和外环两级PI控制器构成；其中外环采用定无功功率和定转矩控制，K_pQ和K_iQ分别为无功功率控制外环PI的比例系数和积分系数；K_pTe和K_iTe分别为定转矩控制外环PI的比例系数和积分系数；内环为电流控制，K_prd和K_ird分别为电流内环PI控制器的比例系数和积分系数。控制器采样并网点三相电压电流，经过park变化和计算得到系统实际测量信号转子d轴电流i_rd，q轴电流i_rq，定子输出无功功率和电磁转矩T_e；测量无功Q和参考信号Q_sref求差，所得信号通过无功PI控制器得到d轴电流内环参考值信号

使测量电磁转矩T_e和参考信号T_eref求差，所得信号通过转矩PI控制器得到q轴电流内环参考信号/>

内环dq轴电流测量信号i_rd和i_rq分别与电流参考信号/>

和/>

求差，将得到的误差信号分别通过d轴和q轴PI控制器得到电压调制信号/>

和/>

电压参考信号/>

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经过park反变换得到三相电压参考信号/>

和/>

三相电压参考信号经PWM调制后最终生成双馈风机的控制信号。

图3示出本发明所述的附加阻尼控制器的双馈风机转子侧换流器控制框图。在将所述的附加阻尼控制器引入双馈风机转子侧换流器控制器之前，需对参数进行配置。本发明是在传统控制的基础上设计了附加阻尼控制器，传统控制器的各类参数和控制过程结合图2已在上文详细描述，以下仅结合图3描述与传统控制的区别。本实施例中，K_c＝0.5pu，ω₀＝50Hz，取带宽B＝2Hz。

一种附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法，应用于双馈风机转子侧变流器控制中，包括以下步骤：

步骤1：当含双馈风机的风电场和串联补偿电容的电力系统发生次同步振荡时，根据风电场历史运行数据或风电场预设的串联补偿等值输电串补度K_c的大小确定三相电力系统的次同步振荡频率ω_C；

步骤2：根据得到的次同步振荡频率ω_C设计附加阻尼控制器，所述附加阻尼控制器由带通滤波器、第一级增益放大器和第二级增益放大器级联组成；具体实施步骤如下：

步骤201：根据得到的所述次同步振荡频率设计所述附加阻尼控制器中的带通滤波器的上下限截止频率：

其中：ω_L和ω_H分别是带通滤波器的上下限截止频率；ω_C是三相电力系统谐振频率；ω₀是三相交流系统工频；B是带宽；

步骤202：根据得到的上下限截止频率计算出所述带通滤波器的无阻尼自然频率和品质因数：

其中ω_n是无阻尼自然频率；Q是品质因数；

步骤203：选择两级增益放大器的增益系数；如图5所示，其中第一级增益系数K₁根据所述的带通滤波器传递函数在中心频率处幅度为0dB的幅频特性选取K₁＝0.8；第二级增益系数根据转子侧换流器控制器的电流内环PI参数确定，其大小为电流内环PI参数的相反数：

K₂＝-k_p

其中，K₂是第二级增益系数，k_p是双馈风机转子侧换流器控制系统电流内环PI控制器比例系数；

由步骤201和步骤202可得所述带通滤波器参数ω_n＝91.72rad/s，Q＝7.32；转子内环电流误差信号，即

和i_rd相减，/>

和i_rq相减，之后将取值分别通过d轴和q轴带通滤波器，所得信号经过第一级增益系数K₁和第二级增益系数K₂放大后得到附加阻尼调制信号u_dd和u_dq；u_dd和u_dq分别与内环PI控制器输出/>

和/>

相加得到电压调制信号/>

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该电压参考信号/>

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经过park反变换得到三相电压参考信号/>

和/>

三相电压参考信号经PWM调制后最终生成双馈风机的控制信号。

其中第一级放大系数K₁＝0.8，第二级放大系数为电流内环PI控制器比例系数的相反数，即K₂＝-K_prd。

步骤3：附加阻尼控制器按照带通滤波器、第一级增益放大器和第二级增益放大器的方式级联，形成附加阻尼控制器。

利用测量装置采样转子电流，通过park变换得到dq轴下的转子侧内环电流测量值i_rd和i_rq；通过转子侧外环控制器输出得到dq轴下的电流内环参考值

和/>

然后将所述电流内环电流参考值与实际采样的转子侧内环电流测量值之间的误差信号通过所述附加阻尼控制器得到附加控制信号；

步骤4：将所述附加控制信号注入转子侧换流器，所述d轴和q轴附加控制信号与转子侧换流器原输出信号叠加，生成抑制次同步谐振的附加阻尼；具体包括如下步骤：

将得到的d轴和q轴附加控制信号分别与d轴和q轴原输出信号叠加，得到转子侧变流器d轴和q轴输出电压变化量，通过电力电子化调制方式生成抑制次同步谐振附加阻尼。

基于MATLAB/SIMULINK的仿真分析：系统初始运行风速为11m/s,串补度为0.25pu，在0.1s时串补度K_c上升至0.5pu，以模拟交流电网线路故障，线路退出运行导致的串补度上升。转子侧换流器控制器电流内环分别采用如图2所示的传统控制结构和如图3所示的附加阻尼控制器控制结构抑制次同步振荡，系统电磁转矩仿真结果如图4所示。由图4可知，采用了本发明所述的附加阻尼控制器能够有效抑制次同步振荡，所述三相电力系统电磁转矩在0.9s后次同步振荡分量逐渐消失，趋于新的稳定状态。

该方法无需引入额外控制信号和增加额外采样和测量环节，仅利用转子侧换流器控制系统电流内环控制信号并对控制结构稍加改进，即可实现次同步振荡抑制策略，控制成本低。

以上各实施例和具体案例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种附加阻尼控制器的双馈风机次同步振荡抑制方法，应用于双馈风机转子侧变流器控制中，其特征在于，所述抑制方法包括以下步骤：

步骤1：当含双馈风机的风电场和串联补偿电容的电力系统发生次同步振荡时，根据风电场历史运行数据或风电场预设的串联补偿等值串补度的大小确定三相电力系统的次同步振荡频率；

步骤2：根据得到的次同步振荡频率设计附加阻尼控制器，所述附加阻尼控制器由带通滤波器、第一级增益放大器和第二级增益放大器级联组成；具体实施步骤如下：

根据所述次同步振荡频率确定所述带通滤波器的传递函数特征角频率，以通过所述带通滤波器通带范围内的次同步信号；

根据所述的带通滤波器传递函数在中心频率处幅度为0dB的幅频特性确定第一级增益放大器幅值增益；

所述第二级增益系数根据转子侧换流器控制器的电流内环PI参数确定；

步骤3：利用测量装置采样转子电流，通过park变换得到dq轴下的转子侧内环电流测量值；通过转子侧外环控制器输出得到dq轴下的电流内环参考值；然后将所述电流内环电流参考值与实际采样的转子侧内环电流测量值之间的误差信号通过所述附加阻尼控制器得到附加控制信号；

其中，所述误差信号包括d轴和q轴电流误差信号；所述d轴和q轴电流误差信号分别通过附加阻尼控制器得到d轴和q轴附加控制信号；

步骤4：将所述附加控制信号注入转子侧换流器，所述d轴和q轴附加控制信号与转子侧换流器原输出信号叠加，生成抑制次同步谐振的附加阻尼；具体包括如下步骤：

将得到的d轴和q轴附加控制信号分别与d轴和q轴原输出信号叠加，得到转子侧变流器d轴和q轴输出电压变化量，通过电力电子化调制方式生成抑制次同步谐振附加阻尼；

其中，所述d轴和q轴原输出信号的获取包括：控制器采样并网点三相电压电流，经过park变化和计算得到系统实际测量信号转子d轴电流i_rd，q轴电流i_rq，定子输出无功功率和电磁转矩T_e；测量无功Q和参考信号Q_sref求差，所得信号通过无功PI控制器得到d轴电流内环参考值信号

使测量电磁转矩T_e和参考信号T_eref求差，所得信号通过转矩PI控制器得到q轴电流内环参考信号/>

内环dq轴电流测量信号i_rd和i_rq分别与电流参考信号/>

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求差，将得到的误差信号分别通过d轴和q轴PI控制器得到电压调制信号/>

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2.如权利要求1所述的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述带通滤波器为二阶次同步带通滤波器，其传递函数为：

其中，ω_n是无阻尼自然频率，Q是品质因数，s为拉普拉斯算子；所述无阻尼自然频率和品质因数分别由下式确定：

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其中，ω_L和ω_H分别为带通滤波器的上下限截止频率，由下式分别决定：

其中，ω₀为交流系统工频，ω_c为三相电力系统谐振频率，B为带宽。

3.如权利要求1所述的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述第一级增益放大器的增益系数取值范围为0.7-0.9。

4.如权利要求1所述的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述第二级增益放大器的增益系数取值为转子侧换流器控制器电流内环PI比例系数的相反数。

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