CN112736981A - 一种考虑并网稳定性的阻抗分频塑形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑并网稳定性的阻抗分频塑形方法，针对风电场发生次同步振荡的现象，采用阻抗分析法可以通过建模或者测量装置得到风机的阻抗模型，通过对风机的阻抗曲线进行塑形，从而解决次同步振荡问题，保证风机并网的稳定性，本发明提出了一种新的阻抗塑形方法，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Z_inv，并提取阻抗中的电阻、电感、电容分量，采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；由此在变流器中加入如上设计的前馈环节Gv，便能够在电网阻抗背景Zg情况下实现并网的稳定。

Description

一种考虑并网稳定性的阻抗分频塑形方法

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，特别是涉及一种考虑并网稳定性的阻抗分频塑形方法。

背景技术

针对风电场发生次同步振荡的现象，分析方法主要有状态空间方程方法和阻抗分析法。状态空间方程方法，通过建立风机并网系统的所有状态方程，通过特征根来分析潜在的不稳定频率。但是该方法依赖于了解系统全部环节的结构和参数，而电网的参数往往难以获得或随潮流发生变化。采用阻抗分析法可以通过建模或者测量装置得到风机的阻抗模型，通过对风机的阻抗曲线进行塑形，从而解决次同步振荡问题，保证风机并网的稳定性。常规的阻抗塑形方法，着眼点在于采用常见的环节比如加入虚拟阻抗、电容电流乘一定系数前馈、电容电压乘一定系数前馈，来实现阻抗塑形。这些环节的调节效果受系数影响较大、能够调节的阻抗频段局限，因此只适用于一些特定的电网阻抗条件。而通过改变风机控制参数实现阻抗特性改变的方法，对风机的控制特性造成影响，也影响了基于控制性能考虑而设计的控制器参数整定方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法。解决了采用改变控制参数的塑形方法导致的对控制性能的影响，也解决了采用常规前馈、反馈环节存在的阻抗塑形效果有限的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法，对风机的阻抗进行特征分量提取，分成电感分量、电阻分量和电容分量；采用分频系数结合三个分量来描述一个新的阻抗曲线，进而根据并网稳定性的要求，求得分频系数值；再结合电压前馈对阻抗特性的影响，反推设计电压前馈环节的表达式，在风机的控制中加入所述电压前馈环节实现阻抗塑形。

进一步的，本发明的考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法具体包括以下步骤：

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：提取步骤1得到的阻抗模型中的电阻、电感、电容分量；

步骤3：对风机接入的电网进行阻抗测量，得到电网阻抗Z_g；

步骤4：定量刻画变流器阻抗Z_new，并根据稳定性判据来确定分频系数k₁、k₂、k₃的值：

步骤5：构造一个电压前馈环节G_v，来实现阻抗塑形；

步骤6：在变流器中加入步骤5构造的前馈环节G_v，进行变流器的控制。

进一步的，所述步骤1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：结合步骤1.1中的控制器表达式和步骤1.2中的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2中所述的提取阻抗中的电阻、电感、电容分量，即

其中，

R＝K_p+R_f，L＝L_f。

进一步的，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：采用分频系数法结合变流器的电阻、电感、电容分量，定量刻画一个变流器阻抗：

步骤4.2：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°，同时风机的基频阻抗为电网基波阻抗的10倍以上；

由此可以求得分频系数k₁、k₂、k₃的值；

步骤4.3：由此构造出一个新的变流器阻抗，并且在该阻抗情况下，风机并网处于稳定状态；新的风机阻抗表达式为

进一步的，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：采用电压前馈的方式进行阻抗塑形时，风机阻抗与未加入前馈的风机阻抗关系为：

Z_new＝(1-G_v)^-1Z_inv

步骤5.2：为了让电压前馈环节加入后，实现的新的风机阻抗，需要设计的电压前馈环节表达式为：

由此根据变流器阻抗的不同分量和分频系数，设计了电压前馈环节的表达式，在风机的控制中加入该前馈环节实现阻抗塑形。

本发明对风机的阻抗进行特征分量提取，分成电感分量、电阻分量和电容分量；采用分频系数结合三个分量来描述一个新的阻抗曲线，进而根据并网稳定性的要求，求得分频系数值；再结合电压前馈对阻抗特性的影响，反推设计了电压前馈环节的表达式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是设计的前馈环节表达式更加复杂，从而能够实现的阻抗塑形效果更加全面。通过分频系数描述阻抗的方法，使得风机的阻抗进行频段分离，因而可以按照并网稳定性的要求，相互独立地对不同频段进行改变。结合了电压前馈的方法，设计的电压前馈环节进行阻抗塑形。在实际工程上即无需改变原有的控制器参数，也不会影响电流环PI调节器的动态性能和参数设计方法，只需要额外增加一条前馈通路即可。

附图说明

图1为分频系数设计图。包括三条曲线，分别为风机的原始阻抗Z_org、电网阻抗Z_g、新的风机阻抗Z_new。

图2为分频塑形后的阻抗特性实际测量图。包括两条曲线，分别为风机原始阻抗和加入了设计的前馈环节后的阻抗。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法具体包括以下步骤：

步骤1：首先建立风机的阻抗模型

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：所描述的提取阻抗中的电阻、电感、电容分量

风机的阻抗模型写作

其中，

R＝K_p+R_f，L＝L_f。

步骤3：采用设备对风机接入的电网进行阻抗测量

测量得到电网阻抗为Z_g

步骤4：采用分频系数法来定量刻画变流器阻抗

步骤4.1：采用分频系数法结合变流器的电阻、电感、电容分量，定量刻画一个变流器阻抗：

步骤4.2：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°，同时风机的基频阻抗为电网基波阻抗的10倍以上。

由此可以求得分频系数k₁、k₂、k₃的值。

步骤4.3：由此构造出一个新的变流器阻抗，并且在该阻抗情况下，风机并网处于稳定状态。新的风机阻抗表达式为

步骤5：构造一个电压前馈环节G_v，来实现阻抗塑形。

步骤5.1：采用电压前馈的方式进行阻抗塑形时，风机阻抗与未加入前馈的风机阻抗关系为：

Z_new＝(1-G_v)^-1Z_inv

步骤5.2：为了让电压前馈环节加入后，实现的新的风机阻抗，需要设计的电压前馈环节表达式为：

由此根据变流器阻抗的不同分量和分频系数，设计了电压前馈环节的表达式，在风机的控制中加入该前馈环节，便可以实现阻抗塑形以满足并网稳定性。

步骤6：在变流器中加入如上设计的前馈环节G_v，进行变流器的控制。

在本发明的某一具体实施例中，图1为分频系数设计图，包括三条曲线，分别为风机的原始阻抗Zorg、电网阻抗Zg、新的风机阻抗Znew。其中，电网阻抗Zg由测量得到，风机的原始阻抗，新的风机阻抗Znew是满足风机并网稳定性要求(风机阻抗与电网阻抗交点处相位裕度大于45°，同时风机的基频阻抗为电网基波阻抗的10倍以上)的设计阻抗。由图1可知，Δθ1、Δθ2分别为变流器原始阻抗、设计阻抗与电网阻抗在幅值相等时的相位差值。可以发现，原始阻抗与电网阻抗交点频率下的相位裕度仅为12.54度，而设计阻抗相位裕度为50.08度，提高了相位裕度。同时，设计阻抗在中低频段的幅值也高于原始阻抗，从而极大地提高了稳定性。针对图1中设计阻抗，利用步骤5.2中的电压前馈环节对风机原始阻抗进行塑形，图2即为分频塑形后的阻抗特性实际测量图，包括两条曲线，分别为风机原始阻抗和加入了设计的前馈环节后的阻抗。可以看到，利用上述阻抗分频塑形方法可以如实地再现图1中的设计阻抗曲线，达到提高风机并网稳定性的目的，验证了本发明的正确性。

Claims (6)

1.一种考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法，其特征在于：对风机的阻抗进行特征分量提取，分成电感分量、电阻分量和电容分量；采用分频系数结合三个分量来描述一个新的阻抗曲线，进而根据并网稳定性的要求，求得分频系数值；再结合电压前馈对阻抗特性的影响，反推设计电压前馈环节的表达式，在风机的控制中加入所述电压前馈环节实现阻抗塑形。

2.根据权利要求1所述的一种考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法，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：提取步骤1得到的阻抗模型中的电阻、电感、电容分量；

步骤3：对风机接入的电网进行阻抗测量，得到电网阻抗Z_g；

步骤4：定量刻画变流器阻抗Z_new，并根据稳定性判据来确定分频系数k₁、k₂、k₃的值：

步骤5：构造一个电压前馈环节G_v，来实现阻抗塑形；

步骤6：在变流器中加入步骤5构造的前馈环节G_v，进行变流器的控制。

3.根据权利要求1所述的考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法，其特征在于，所述步骤1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：结合步骤1.1中的控制器表达式和步骤1.2中的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1所述的考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法，其特征在于：

所述步骤2中所述的提取阻抗中的电阻、电感、电容分量，即

其中，

R＝K_p+R_f，L＝L_f。

5.根据权利要求1所述的考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法，其特征在于：

所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1：采用分频系数法结合变流器的电阻、电感、电容分量，定量刻画一个变流器阻抗：

步骤4.2：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°，同时风机的基频阻抗为电网基波阻抗的10倍以上；

由此可以求得分频系数k₁、k₂、k₃的值；

步骤4.3：由此构造出一个新的变流器阻抗，并且在该阻抗情况下，风机并网处于稳定状态；新的风机阻抗表达式为

6.根据权利要求1所述的考虑并网稳定性的分频阻抗塑形方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5.1：采用电压前馈的方式进行阻抗塑形时，风机阻抗与未加入前馈的风机阻抗关系为：

Z_new＝(1-G_v)^-1Z_inv

步骤5.2：为了让电压前馈环节加入后，实现的新的风机阻抗，需要设计的电压前馈环节表达式为：

由此根据变流器阻抗的不同分量和分频系数，设计了电压前馈环节的表达式，在风机的控制中加入该前馈环节实现阻抗塑形。

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