CN112671010A - 基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法。针对在复杂电网背景情况下风机并网可能引起的次同步振荡问题，采用阻抗分析法进行建模或测量得到风机变流器阻抗模型和电网阻抗模型，通过在不同的频率段设计了不同的虚拟阻抗环节，并加入到风机的控制系统中，从而实现对次同步振荡抑制和高次谐波进行抑制的效果，并提高了风机的并网稳定性。本发明提出的风机并网次同步振荡和高频谐波抑制方法，其步骤在于：根据风机的硬件结构和控制系统结构，对风机进行阻抗建模得到风机阻抗Zinv；采用设备对风机接入的电网进行阻抗测量，得到电网阻抗Zg；将并网电压中的次同步频率和高次谐波电压分量分离出来，通过设计的虚拟阻抗加入到变流器控制系统内；根据国家风电并网稳定性要求和并网谐波标准针对次同步频率和高次谐波求解出虚拟阻抗的参数。由此可以使得系统在次同步频率及各次高频谐波下表现出满足稳定裕度的阻抗，以此提高系统的并网稳定性、抑制次同步振荡能力和高频谐波抑制能力。

Description

基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制 方法

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，特别是涉及一种基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法。

背景技术

电力电子变流器因其控制灵活和高效的特点被广泛应用于风机并网接口装置，随着风机装机容量不断增加，风机中的电力电子设备与交直流电网的相互作用却可能导致次同步振荡的问题，影响电力系统的稳定运行，严重时还会导致风机脱网。

针对复杂电网背景下风机并网带来的次同步振荡问题，目前业界主要的分析方法主要有时域分析法和频域分析法。时域分析法以特征值分析法为例，基于小信号状态空间模型，通过建立状态空间方程研究小干扰稳定，但需要具体系统结构和参数，且在运行点发生变化时需要重新建立状态空间方程进行分析。频域分析法以阻抗分析法为例，通过理论推导和外特性辨识来分别建立控制参数及结构已知和未知设备的阻抗模型，求得系统的阻抗比矩阵，再结合奈奎斯特稳定判据来判断系统的稳定性。

基于以上两类分析方法，目前有下列次同步振荡抑制技术：优化控制参数，通过研究各参数对特征值的影响并重新设计控制参数来提高系统稳定性，但可能对动态性能造成较大影响，同时其抑制效果也具有局限性；安装静态同步补偿器等无功补偿装置，通过改变系统阻尼、增大短路容量来降低次同步振荡风险，但当风电并网系统运行特性改变时不能充分发挥装置的抑制潜力，且增加了并网成本；控制回路增加附加阻尼控制器，通过抵消控制回路中的次同步频率分量来达到抑制效果，但附加阻尼控制器的参数设计复杂且可能引发新的高频谐波振荡，威胁系统安全稳定运行。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，在提高系统稳定性的基础上，解决了优化控制参数带来的控制器动态性能影响较大的问题，也解决了附加阻尼控制抑制次同步振荡的过程中可能带来的抑制效果局限性和高次谐波振荡问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，获取变流器阻抗和电网阻抗，然后根据风电并网的稳定性及国标电力设备并网谐波的要求，针对次同步频率和高频谐波设计符合风电并网条件(风电场所接入公共连接点的谐波注入电流应满足GB/T14549要求)的虚拟阻抗，以电压前馈的形式将虚拟阻抗加入到风机变流器的控制系统中。

进一步的，本发明的方法具体包括以下几个步骤：

步骤1：根据风机的控制系统结构，推导变流器的阻抗模型Z_inv；

步骤2：用设备对风机接入的电网进行阻抗测量，得到电网阻抗Z_g；

步骤3：将并网点电压中的次同步频率及5、7、11、13次谐波分量分离出来；

步骤4：构造虚拟阻抗前馈环节G_v并加入到变流器中；

步骤5：根据并网要求求解次同步频率和5、7、11、13次谐波虚拟阻抗。

进一步的，所述步骤1中具体包括以下步骤：

步骤1.1：建立风机变流器的控制器模型；采用定电流的控制方式，采用dq轴电流解耦的控制方法，采用矢量描述方法，控制器表达式为：

V_r＝-G_ciI+G_cpI

步骤1.2：将风机的直流侧电压视为恒定值，风机逆变器采用L型滤波器，得到滤波器的矢量表达式：

V_r-V_g＝Z₀I

步骤1.3：结合控制器的矢量表达式和滤波器的矢量表达式得到风机的阻抗模型：

Z_inv＝Z₀+G_ci-G_cp。

进一步的，所述步骤3中具体包括以下步骤：

步骤3.1：将并网点三相电压经过CLARKE变换和次同步频率下的PARK变换然后经低通滤波器得到基频电压分量；

步骤3.2：在CLARKE变换后的并网点电压中减去次同步频率下反PARK变换后的基频电压分量，然后分别经过5、7、11、13次谐波下的PARK变换和低通滤波器得到各次谐波电压分量；

步骤3.3：考虑各低通滤波器的影响，因为参考信号带宽比参考频率小，可得分频部分的传递函数为

其中，w_c为低通滤波器的截止角频率，一般设为2πrad/s；w₀为基波角频率；hw₀为次同步频率及高频谐波频率，h＝5、7、11、13。

进一步的，所述步骤4中具体包括以下步骤：

步骤4.1：设次同步频率和各高频谐波的阻抗为Z_vh＝R_vh+jhw₀L_vh(h＝5，7，11，13)；

步骤4.2：可得前馈环节的传递函数为

G_vh(s)＝H(s)Z_vh

步骤4.3：则加入前馈环节后风机变流器阻抗为

进一步的，所述步骤5中具体包括以下步骤：

步骤5.1：为了保证风机并网的稳定性，在获知了电网阻抗的情况下，要求风机阻抗与电网阻抗交点处相位裕度大于45°，同时风机的基波阻抗为电网基波阻抗的10倍以上：

其中：w_x为风机阻抗和电网阻抗交点的频率，当该频率落在次同步频段时，若相位裕度不够将导致次同步谐振，由此可得到虚拟次同步频率阻抗R_v1和L_v1；

步骤5.2：根据并网电压谐波最大允许值和谐波电流最大允许值，推导出风机的谐波阻抗幅值允许值：

其中，H_RUh为第h次谐波电压含有率，I_hlim为第h次谐波电流允许值；

步骤5.3：根据稳定裕度的要求，提出谐波阻抗相位的要求：

180°-|∠Z_g(jhω₀)-∠Z_new(jhω₀)|≥45°

结合幅值要求可得出虚拟谐波阻抗R_vh和L_vh。

与现有技术相比，本发明的有益效果是采用了更加简单的前馈环节表达式，通过对于次同步振荡频率和高频谐波精准设计虚拟阻抗，相对独立地对于次同步振荡频率和高次谐波进行抑制，从而在抑制次同步振荡的同时不会引起高频谐波振荡。同时，以虚拟阻抗的形式抑制次同步振荡是对控制回路进行设计，不增加物理设备，不会带来额外的成本问题。此外，将虚拟阻抗以电压前馈的方式设置在电流环PI调节器之后，可以消除虚拟阻抗对于电流环控制动态性能的影响，从而不影响电流环控制参数的设计。

附图说明

图1为加入虚拟阻抗的系统控制结构图，图1中，(b)为(a)中前馈环节Gv的具体实现方法。

图2为风机原始阻抗和加入了设计的虚拟阻抗后的阻抗特性图。

具体实施方法

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法包括以下步骤：

步骤1：根据风机的控制系统结构，推导变流器的阻抗模型Z_inv。

步骤1.1：建立风机变流器的控制器模型。采用定电流的控制方式，采用dq轴电流解耦的控制方法，采用矢量描述方法，控制器表达式为：

V_r＝-G_ciI+G_cpI

步骤1.2：将风机的直流侧电压视为恒定值，风机逆变器采用L型滤波器，得到滤波器的矢量表达式：

V_r-V_g＝Z₀I

步骤1.3：结合上述两式得到风机的阻抗模型：

Z_inv＝Z₀+G_ci-G_cp

步骤2：用设备对风机接入的电网进行阻抗测量，得到电网阻抗Z_g。

测量得到电网阻抗为Z_g。

步骤3：将并网点电压中的次同步频率及5、7、11、13次谐波分量分离出来。

步骤3.1：将并网点三相电压经过CLARKE变换和次同步频率下的PARK变换然后经低通滤波器得到基频电压分量；

步骤3.2：在CLARKE变换后的并网点电压中减去次同步频率下反PARK变换后的基频电压分量，然后分别经过5、7、11、13次谐波下的PARK变换和低通滤波器得到各次谐波电压分量；

步骤3.3：考虑各低通滤波器的影响，因为参考信号带宽比参考频率小，可得分频部分的传递函数为

其中，w_c为低通滤波器的截止角频率，一般设为2πrad/s；w₀为基波角频率；hw₀为次同步频率及高频谐波频率，h＝5、7、11、13。

步骤4：构造虚拟阻抗前馈环节G_v并加入到变流器中。

步骤4.1：设次同步频率和各高频谐波的阻抗为Z_vh＝R_vh+jhw₀L_vh(h＝5，7，11，13)；

步骤4.2：可得前馈环节的传递函数为

G_vh(s)＝H(s)Z_vh

步骤4.3：则加入前馈环节后风机变流器阻抗为

步骤5：根据并网要求求解次同步频率和5、7、11、13次谐波虚拟阻抗。

步骤5.1：为了保证风机并网的稳定性，在获知了电网阻抗的情况下，要求风机阻抗与电网阻抗交点处相位裕度大于45°，同时风机的基波阻抗为电网基波阻抗的10倍以上：

其中：w_x为风机阻抗和电网阻抗交点的频率，当该频率落在次同步频段时，若相位裕度不够将导致次同步谐振。

由此可得到虚拟次同步频率阻抗R_v1和L_v1。

步骤5.2：国家标准GB/T14549提出了对电力设备并网谐波的要求，根据并网电压谐波最大允许值和谐波电流最大允许值，推导出风机的谐波阻抗幅值允许值：

其中，H_RUh为第h次谐波电压含有率，I_hlim为第h次谐波电流允许值。

步骤5.3：根据稳定裕度的要求，提出谐波阻抗相位的要求：

180°-|∠Z_g(jhω₀)-∠Z_new(jhω₀)|≥45°

结合幅值要求可得出虚拟谐波阻抗R_vh和L_vh。

在本发明的某一具体实施例中，针对次同步振荡频率及高频谐波频率设计虚拟阻抗后以图1所示的前馈环节加入到变流器的控制系统中，最后可得到如图2所示的风机原始阻抗和加入了设计的虚拟阻抗后的阻抗特性图。从图2中可以看出，在加入虚拟阻抗后，风机阻抗与电网阻抗幅值交点频率及5、7、11、13次谐波频率处的阻抗幅值加大，且与电网阻抗的相位裕度增大，有效提高了风机并网的稳定性，对风机次同步振荡及高频谐波有明显的抑制效果。

Claims (6)

1.基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，其特征在于：获取变流器阻抗和电网阻抗，然后根据风电并网的稳定性及国标电力设备并网谐波的要求，针对次同步频率和高频谐波设计符合风电并网条件的虚拟阻抗，以电压前馈的形式将虚拟阻抗加入到风机变流器的控制系统中。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据风机的控制系统结构，推导变流器的阻抗模型Z_inv；

步骤2：用设备对风机接入的电网进行阻抗测量，得到电网阻抗Z_g；

步骤3：将并网点电压中的次同步频率及5、7、11、13次谐波分量分离出来；

步骤4：构造虚拟阻抗前馈环节G_v并加入到变流器中；

步骤5：根据并网要求求解次同步频率和5、7、11、13次谐波虚拟阻抗。

3.根据权利要求2所述的基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤1中具体包括以下步骤：

步骤1.1：建立风机变流器的控制器模型；采用定电流的控制方式，采用dq轴电流解耦的控制方法，采用矢量描述方法，控制器表达式为：

V_r＝-G_ciI+G_cpI

步骤1.2：将风机的直流侧电压视为恒定值，风机逆变器采用L型滤波器，得到滤波器的矢量表达式：

V_r-V_g＝Z₀I

步骤1.3：结合控制器的矢量表达式和滤波器的矢量表达式得到风机的阻抗模型：Z_inv＝Z₀+G_ci-G_cp。

4.根据权利要求2所述的基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤3中具体包括以下步骤：

步骤3.1：将并网点三相电压经过CLARKE变换和次同步频率下的PARK变换然后经低通滤波器得到基频电压分量；

步骤3.2：在CLARKE变换后的并网点电压中减去次同步频率下反PARK变换后的基频电压分量，然后分别经过5、7、11、13次谐波下的PARK变换和低通滤波器得到各次谐波电压分量；

步骤3.3：考虑各低通滤波器的影响，因为参考信号带宽比参考频率小，可得分频部分的传递函数为

其中，w_c为低通滤波器的截止角频率，一般设为2πrad/s；w₀为基波角频率；hw₀为次同步频率及高频谐波频率，h＝5、7、11、13。

5.根据权利要求2所述的基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤4中具体包括以下步骤：

步骤4.1：设次同步频率和各高频谐波的阻抗为Z_vh＝R_vh+jhw₀L_vh(h＝5，7，11，13)；

步骤4.2：可得前馈环节的传递函数为

G_vh(s)＝H(S)Z_vh

步骤4.3：则加入前馈环节后风机变流器阻抗为

6.根据权利要求2所述的基于虚拟阻抗的风机并网次同步振荡抑制及高频谐波抑制方法，其特征在于，所述步骤5中具体包括以下步骤：

步骤5.1：为了保证风机并网的稳定性，在获知了电网阻抗的情况下，要求风机阻抗与电网阻抗交点处相位裕度大于45°，同时风机的基波阻抗为电网基波阻抗的10倍以上：

其中：w_x为风机阻抗和电网阻抗交点的频率，当该频率落在次同步频段时，若相位裕度不够将导致次同步谐振，由此可得到虚拟次同步频率阻抗R_v1和L_v1；

步骤5.2：根据并网电压谐波最大允许值和谐波电流最大允许值，推导出风机的谐波阻抗幅值允许值：

其中，H_RUh为第h次谐波电压含有率，I_hlim为第h次谐波电流允许值；

步骤5.3：根据稳定裕度的要求，提出谐波阻抗相位的要求：

180°-|∠Z_g(jhω₀)-∠Z_new(jhω₀)|≥45°

结合幅值要求可得出虚拟谐波阻抗R_vh和L_vh。

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