CN112769141A - 一种采用svg补偿的风电并网运行电压控制方法 - Google Patents

一种采用svg补偿的风电并网运行电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，包括以下步骤：S1：分别构建网侧变流器的电网电压定向矢量控制策略和转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制策略，完成DFIG控制策略的构建；S2：构建SVG电压定向矢量控制策略；S3：检测风电并网点电压uc是否越限，若是利用DFIG控制策略和SVG电压定向矢量控制策略进行控制，否则DFIG工作在单位频率因数状态，SVG工作在恒电压模式。本发明采用电压矢量定向控制技术能够实现对DFIG网侧的有功功率和无功功率进行解耦控制，以及对SVG输出无功功率的控制；采用定子磁链定向矢量控制可以对DFIG转子侧有功功率和无功功率进行解耦控制。

Description

一种采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法
技术领域
本发明属于电网电压控制技术领域，具体涉及一种采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法。
背景技术
当前，为应对能源危机与环境危机，风电等清洁电力能源的大规模并网问题日益瞩目。风力发电机组的输出功率受风速和风向的主要影响，具有间歇性、随机性和波动性等特点，风电对电网的支撑性相较于传统发电技术较弱。大规模风电并网会影响传统电网的安全稳定运行和对电网电能质量的控制，在某些情况下甚至会导致电网频率、电压失稳等大型事故。因此，针对风电场中电压的波动、闪变、谐波等问题，需对风电场采取一定的无功补偿措施。
双馈风力发电机(Doubly-Fed Induction Generator，DFIG)可实现变速恒频发电和有功无功解耦控制，自身在一定限度内可通过输出无功来调节电网电压。在DFIG采用的两种控制方式中，恒功率因数控制方式可以更充分地利用风能，恒电压控制方式可以更充分地利用DFIG的无功调压能力。基于本发明主要研究风电并网电压控制策略，故DFIG选择采用恒电压控制方式。
风电场无功补偿装置较多采用并联电容器，其精度低、速度慢，且无功补偿容量与电压的平方成正比，欠压条件下将失效，而较为先进的SVC本质依然是电容器串并联，对无功补偿装置的低电压穿越能力改善不大。静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)主要由电力电子器件组成，其通过调整变流器交流侧电压的幅值和相位来改变输出电流，不受电抗器或电容器的阻抗特性限制，所以在欠压条件下的补偿能力非常强，且具有更快的响应速度，有着难以替代的优点。
发明内容
本发明的目的是为了解决风电并网运行电压控制的问题，提出了一种采用 SVG补偿的风电并网运行电压控制方法。
本发明的技术方案是：一种采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法包括以下步骤：
S1：分别构建网侧变流器的电网电压定向矢量控制策略和转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制策略，完成DFIG控制策略的构建；
S2：构建SVG电压定向矢量控制策略；
S3：检测风电并网点电压uc是否越限，若是则利用DFIG控制策略和SVG 电压定向矢量控制策略进行控制，否则DFIG工作在单位频率因数状态，SVG 工作在恒电压模式，完成风电并网运行电压控制。
本发明的有益效果是：
(1)采用电压矢量定向控制技术能够实现对DFIG网侧的有功功率和无功功率进行解耦控制，以及对SVG输出无功功率的控制；采用定子磁链定向矢量控制可以对DFIG转子侧有功功率和无功功率进行解耦控制。
(2)在电网正常运行、负荷突变、风速扰动和电网故障的条件下，SVG 均可有效补偿无功和支撑电压，从而防止DFIG转速过快或输出有功过低，弥补了恒电压控制下DFIG所具有的无功调压能力不足的缺陷。正常情况下能够减少因风速变化带来的并网点电压波动，使得电压提升。
(3)负荷突变的情况下能够稳定风电并网点电压、风机输出有功和无功，减小振荡幅度。故障情况下能够减缓故障瞬间和恢复瞬间电压的突变及显著提高故障期间风电场并网点电压，加快风电并网点电压的恢复速度。
进一步地，步骤S1中，构建网侧变流器的电网电压定向矢量控制策略包括以下子步骤：
A11：根据网侧变流器参数，构建网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型；
A12：利用电网电压定向矢量控制法，将网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型转换为网侧变流器的电流控制方程；
A13：采用PI调节对网侧变流器的电流控制方程进行电流控制，得到网侧变流器的电压控制方程，完成电网电压定向矢量控制；
A14：利用网侧变流器向电网注入瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成电网电压定向矢量控制策略的构建。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，网侧变流器的主要功能是控制直流母线电压及无功功率。其控制方式主要有以下这4种：基于电网电压定向的矢量控制、直接功率控制及基于虚拟磁链定向的矢量控制、直接功率控制等。常用基于电网电压定向的矢量控制，即电网电压uc与dq坐标系以ω1旋转且与同步坐标系的d轴重合。在理想的电网电压条件下，网侧变换器与电网之间进行交换的有功功率和无功功率分别是与ifd和ifq成正比的；所以，如果电网电压保持不变，通ifd和ifq的控制就可以分别控制网侧变流器的有功和无功。
进一步地，步骤A11中，网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000031
其中，ufd表示网侧变流器输出电压的d轴分量，ufq表示网侧变流器输出电压的q轴分量，udc表示网侧变流器直流侧电压，Rf表示变换器与电网的等效连接电阻，Lf表示变换器与电网的等效连接电感，ifd表示网侧变流器输出电流的d轴分量，ifq表示网侧变流器输出电流的q轴分量，ucd表示电网侧电压uc在同步坐标系d轴上的分量，ucq表示电网侧电压uc在同步坐标系q轴上的分量，ω1表示电网角频率，Cf表示直流侧电容，idc表示电容电流，t表示积分时间；
步骤A12中，电网电压定向矢量控制法的表达式为：
Figure RE-GDA0002984519420000041
其中，Uc表示电网电压幅值；
网侧变流器的电流控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000042
步骤A13中，网侧变流器的电压控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000043
其中，ifq_ref表示网侧变流器q轴电流参考值，ifd_ref表示网侧变流器d轴电流参考值，Kp1表示网侧变流器电流PI控制器的比例调节增益，Kp2表示直流电压PI控制器的比例调节增益，Ki1表示网侧变流器电流PI控制器的积分调节增益，Ki2表示直流电压PI控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，udc_ref表示网侧变流器直流侧电压参考值；
步骤A14中，向电网注入瞬时有功功率pgc和瞬时无功功率qgc的计算公式分别为：
Figure RE-GDA0002984519420000051
其中，ucdq表示dq坐标下电网电压的空间矢量，
Figure RE-GDA0002984519420000052
表示dq坐标下网侧变流器电流的空间矢量的共轭复数，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部。
进一步地，步骤S1中，构建转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制策略包括以下子步骤：
B11：根据转子侧变流器参数，构建同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程；
B12：利用漏磁系数，将同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程转换为转子侧变流器的电流控制方程；
B13：采用PI调节对转子侧变流器的电流控制方程进行电流控制，得到转子侧变流器的电压控制方程，完成定子磁链定向矢量控制；
B14：利用转子侧变流器向电网注入双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成定子磁链定向矢量控制策略的构建。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，采用PI调节作为转子侧变流器电流控制方式，稳态时定子励磁电流恒定。实现双馈风机的变速恒频运行是转子侧变流器的主要功能，即要控制定子输出的有功和无功功率。其控制策略主要有磁链定向矢量控制技术和电压定向矢量控制技术等两类。本方面采用磁链定向矢量控制技术，将双馈风机的定子磁链定向在同步旋转dq坐标系的d 轴之上。定子磁链定向矢量控制方式下，忽略定子电阻可得到双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率和无功功率。定子磁链幅值恒定的情况下，通过控制双馈风机转子侧ird和irq的大小就可控制双馈风机定子输出的有功功率和无功功率。
进一步地，步骤B11中，同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000061
其中，urd表示转子电压的d轴有功分量，urq表示转子电压的q轴无功分量，isd表示定子电流的d轴有功分量，isq表示定子定流的q轴无功分量，Rr表示等效转子电阻，Lr表示等效转子电感，Lm表示等效的双馈风机励磁电感；Ls表示定子侧等效电感，ω2表示转子角频率，ird表示转子电流的d轴有功分量， irq表示转子电流的q轴无功分量，ims表示定子励磁电流，t表示积分时间；
步骤B12中，漏磁系数σ的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000062
转子侧变流器的电流控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000063
步骤B13中，转子侧变流器的电压控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000064
其中，Kp3表示转子电流PI控制器的比例调节增益，Ki3表示转子电流PI 控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，ird_ref表示转子侧变流器d轴有功电流参考值，irq_ref表示转子侧变流器q轴无功电流参考值，
步骤B14中，向电网注入双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率ps和瞬时无功功率qs的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000071
其中，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部，usdq表示同步旋转的 dq坐标下定子电压的空间矢量，
Figure RE-GDA0002984519420000072
表示同步旋转的dq坐标下定子电流空间矢量的共轭复数，Us表示定子电压幅值。
进一步地，步骤S2包括以下子步骤：
S21：根据SVG参数，构建SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型；
S22：采用PI调节对SVG进行电流控制，将SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型转换为SVG的电压控制方程，完成SVG电压定向矢量控制；
S23：利用SVG向电网注入瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成SVG电压定向矢量控制策略的构建。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，已有的SVG控制策略常用的主要由2种：直接电流控制和间接电流控制。相比于电流间接控制，电流直接控制采用PWM跟踪技术，可以抑制谐波，控制稳定性高，但是电流直接控制开关频率要求高，很适合小容量的SVG装置，所以本发明选择直接电流控制。理论上，SVG只进行无功补偿，SVG与电网之间不存在有功功率的往返。实际中，由于开关损耗以及为了维持直流侧电容电压稳定，SVG仍然需要从电网吸收一部分无功。由于这部分有功功率与无功相比较小，在进行理论分析时忽略这部分有功，近似认为SVG与电网之间只有无功功率的交换，也即SVG 输出的电压与电网电压相位相同。在PI调节前，采用电压矢量定向技术，使电网电压uc与dq坐标系以ω1旋转且同步坐标系的d轴与电网电压uc重合。通过控制SVG输出的无功电流igq和有功电流igd便可控制SVG输出的无功和有功功率，实现对SVG与补偿点交换功率的解耦控制。SVG的控制方式有恒无功控制方式和恒电压控制方式2种。为了实现对电网中无功功率的动态补偿以及稳定风电场并网点电压，本发明选用了恒电压的控制方式。
进一步地，步骤S21中，SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000081
其中，Lg表示SVG的等值电感，Rg表示SVG的等值电阻，igd表示SVG 输出电流的d轴有功分量，igq表示SVG输出电流的q轴无功分量，ud表示直流侧电压，ω1表示电网角频率，ugd表示SVG输出电压的d轴有功分量，ugq表示SVG输出电压的q轴无功分量，ucd表示电网侧电压uc在同步坐标系d轴上的分量，ucq表示电网侧电压uc在同步坐标系q轴上的分量，Cg表示直流侧电容， t表示积分时间；
步骤S22中，SVG的电压控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000082
其中，igq_ref表示SVG输出电流的q轴无功分量参考值，igd_ref表示SVG输出电流的d轴有功分量参考值，Kp4表示SVG电流PI控制器的比例调节增益， Kp5表示直流电压PI控制器的比例调节增益，Ki4表示SVG电流PI控制器的积分调节增益，Ki5表示直流电压PI控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，ud_ref表示直流侧电压的参考值；
步骤S23中，向电网注入的瞬时有功功率pg和瞬时无功功率qg的计算公式分别为：
Figure RE-GDA0002984519420000091
其中，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部，ucdq表示dq坐标下网侧变流器电网电压的空间矢量，
Figure RE-GDA0002984519420000092
表示SVG输出电流空间矢量的共轭复数， Us表示定子电压幅值。
进一步地，步骤S3中，若|1-uc|>5％，则风电并网点电压uc越限，否则风电并网点电压uc没有越限。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，对风电并网点电压uc进行检测，如果uc没有越限，即|1-uc|≤5％，那么DFIG工作在单位功率因数状态，SVG 工作在恒电压模式；如果uc发生越限，即|1-uc|>5％，则优先通过SVG进行无功调压，SVG快速响应且工作在恒电压模式，其次发挥DFIG自身调压能力，二者协调，实现风电并网点电压的稳定。
附图说明
图1为风电并网运行电压控制方法的流程图；
图2为DFIG网侧变流器控制框图；
图3为DFIG转子侧变流器控制框图；
图4为SVG控制框图；
图5为风电并网系统接线图；
图6为负荷突变下的仿真结果图；
图7为风速突变下的仿真结果图；
图8为电网故障下的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，包括以下步骤：
S1：分别构建网侧变流器的电网电压定向矢量控制策略和转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制策略，完成DFIG控制策略的构建；
S2：构建SVG电压定向矢量控制策略；
S3：检测风电并网点电压uc是否越限，若是则利用DFIG控制策略和SVG 电压定向矢量控制策略进行控制，否则DFIG工作在单位频率因数状态，SVG 工作在恒电压模式，完成风电并网运行电压控制。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S1中，构建网侧变流器的电网电压定向矢量控制策略包括以下子步骤：
A11：根据网侧变流器参数，构建网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型；
A12：利用电网电压定向矢量控制法，将网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型转换为网侧变流器的电流控制方程；
A13：采用PI调节对网侧变流器的电流控制方程进行电流控制，得到网侧变流器的电压控制方程，完成电网电压定向矢量控制；
A14：利用网侧变流器向电网注入瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成电网电压定向矢量控制策略的构建。
在本发明中，网侧变流器的主要功能是控制直流母线电压及无功功率。其控制方式主要有以下这4种：基于电网电压定向的矢量控制、直接功率控制及基于虚拟磁链定向的矢量控制、直接功率控制等。常用基于电网电压定向的矢量控制，即电网电压uc与dq坐标系以ω1旋转且与同步坐标系的d轴重合。在理想的电网电压条件下，网侧变换器与电网之间进行交换的有功功率和无功功率分别是与ifd和ifq成正比的；所以，如果电网电压保持不变，通ifd和ifq的控制就可以分别控制网侧变流器的有功和无功。
如图2所示，由上述分析得到基于电网电压空间矢量定向的DFIG网侧变流器的控制框图。控制方式为双闭环控制，即外环为直流电压PI控制，实现变流器直流侧电压的稳定；内环为电流的前馈解耦控制，实现网侧变流器有功、无功功率之间的解耦控制。为了减少损耗，保证网侧变流器工作在单位功率因数状态，通常将无功电流参考值设置为0。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤A11中，网侧变流器在同步旋转的 dq坐标系下的数学模型的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000111
其中，ufd表示网侧变流器输出电压的d轴有功分量，ufq表示网侧变流器输出电压的q轴无功分量，udc表示网侧变流器直流侧电压，Rf表示变换器与电网的等效连接电阻，Lf表示变换器与电网的等效连接电感，ifd表示网侧变流器输出电流的d轴分量，ifq表示网侧变流器输出电流的dq无功分量，ucd表示电网侧电压uc在同步坐标系d轴上的分量，ucq表示电网侧电压uc在同步坐标系q 轴上的分量，ω1表示电网角频率，Cf表示直流侧电容，idc表示电容电流，t表示积分时间；
步骤A12中，电网电压定向矢量控制法的表达式为：
Figure RE-GDA0002984519420000112
其中，Uc表示电网电压幅值；
网侧变流器的电流控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000121
其中，ω1Lfifq和-ω1Lfifd为实现网侧变流器dq轴电流分量间的解耦控制和消除电网电压扰动引入的电压补偿；
步骤A13中，网侧变流器的电压控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000122
其中，ifq_ref表示网侧变流器q轴有功电流参考值，ifd_ref表示网侧变流器d 轴无功电流参考值，Kp1表示网侧变流器电流PI控制器的比例调节增益，Kp2表示直流电压PI控制器的比例调节增益，Ki1表示网侧变流器电流PI控制器的积分调节增益，Ki2表示直流电压PI控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，udc_ref表示网侧变流器直流侧电压参考值；
步骤A14中，向电网注入瞬时有功功率pgc和瞬时无功功率qgc的计算公式分别为：
Figure RE-GDA0002984519420000123
其中，ucdq表示dq坐标下网侧变流器电网电压的空间矢量，
Figure RE-GDA0002984519420000124
表示dq坐标下网侧变流器电流的空间矢量的共轭复数，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S1中，构建转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制策略包括以下子步骤：
B11：根据转子侧变流器参数，构建同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程；
B12：利用漏磁系数，将同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程转换为转子侧变流器的电流控制方程；
B13：采用PI调节对转子侧变流器的电流控制方程进行电流控制，得到转子侧变流器的电压控制方程，完成定子磁链定向矢量控制；
B14：利用转子侧变流器向电网注入双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成定子磁链定向矢量控制策略的构建。
在本发明中，采用PI调节作为转子侧变流器电流控制方式，稳态时定子励磁电流恒定。实现双馈风机的变速恒频运行是转子侧变流器的主要功能，即要控制定子输出的有功和无功功率。其控制策略主要有磁链定向矢量控制技术和电压定向矢量控制技术等两类。本方面采用磁链定向矢量控制技术，将双馈风机的定子磁链定向在同步旋转dq坐标系的d轴之上。定子磁链定向矢量控制方式下，忽略定子电阻可得到双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率和无功功率。定子磁链幅值恒定的情况下，通过控制双馈风机转子侧ird和irq的大小就可控制双馈风机定子输出的有功功率和无功功率。
如图3所示，由上述分析得到基于定子磁链定向矢量控制的框图。该控制方式下DFIG实现的功能有：1、MPPT运行。调节有功功率的控制部分采用的双闭环控制：功率外环采用最佳功率给定法，以当前风速下风机能够实现的最大风能捕获作为有功功率参考值，通过功率调节器产生参考电流irq_ref，以此来调节DFIG的ird，从而达到最大风功率跟踪，实现DFIG的变速运行；电流内环采用电流前馈控制，以实现有功和无功的解耦。2、电压与无功功率控制。DFIG 一般可采用恒电压控制和恒无功功率控制两种方式。针对本发明的研究重点，风功率是随机波动的，恒电压控制下DFIG能够输出和吸收一定量的无功功率来稳定风机并网点的电压，而给定无功功率的恒功率因数控制不能根据当前并网点电压的波动来动态地发出或吸收无功功率，其电压的稳定效果没有恒电压控制好。故本发明中研究的DFIG采用恒电压控制。恒电压控制结构为双闭环控制：电压外环实现DFIG定子电压的控制；电流内环采用电流前馈实现有功和无功的解耦控制。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤B11中，同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000141
其中，urd表示转子电压的d轴有功分量，urq表示转子电压的q轴无功分量，isd表示定子电流的d轴有功分量，isq表示定子定流的q轴无功分量，Rr表示等效转子电阻，Lr表示等效转子电感，Lm表示等效的双馈风机励磁电感；Ls表示定子侧等效电感，ω2表示转子角频率，ird表示转子电流的d轴有功分量， irq表示转子电流的q轴无功分量，ims表示定子励磁电流，t表示积分时间；
步骤B12中，漏磁系数σ的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000142
转子侧变流器的电流控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000151
步骤B13中，转子侧变流器的电压控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000152
其中，Kp3表示转子电流PI控制器的比例调节增益，Ki3表示转子电流PI 控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，ird_ref表示转子侧变流器d轴有功电流参考值，irq_ref表示网侧变流器q轴无功电流参考值，
σω2Lrirq和
Figure RE-GDA0002984519420000153
是为实现转子dq轴电流分量之间的解耦控制的电压前馈补偿；
步骤B14中，向电网注入双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率ps和瞬时无功功率qs的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000154
其中，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部，usdq表示同步旋转的dq 坐标下定子电压的空间矢量，
Figure RE-GDA0002984519420000155
表示dq坐标下定子电流的空间矢量的共轭复数，Us表示定子电压幅值。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S2包括以下子步骤：
S21：根据SVG参数，构建SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型；
S22：采用PI调节对SVG进行电流控制，将SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型转换为SVG的电压控制方程，完成SVG电压定向矢量控制；
S23：利用SVG向电网注入瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成SVG电压定向矢量控制策略的构建。
在本发明中，已有的SVG控制策略常用的主要由2种：直接电流控制和间接电流控制。相比于电流间接控制，电流直接控制采用PWM跟踪技术，可以抑制谐波，控制稳定性高，但是电流直接控制开关频率要求高，很适合小容量的SVG装置，所以本发明选择直接电流控制。理论上，SVG只进行无功补偿，SVG与电网之间不存在有功功率的往返。实际中，由于开关损耗以及为了维持直流侧电容电压稳定，SVG仍然需要从电网吸收一部分无功。由于这部分有功功率与无功相比较小，在进行理论分析时忽略这部分有功，近似认为SVG 与电网之间只有无功功率的交换，也即SVG输出的电压与电网电压相位相同。在PI调节前，采用电压矢量定向技术，使电网电压uc与dq坐标系以ω1旋转且同步坐标系的d轴与电网电压uc重合。通过控制SVG输出的无功电流igq和有功电流igd便可控制SVG输出的无功和有功功率，实现对SVG与补偿点交换功率的解耦控制。SVG的控制方式有恒无功控制方式和恒电压控制方式2种。为了实现对电网中无功功率的动态补偿以及稳定风电场并网点电压，本发明选用了恒电压的控制方式。
如图4所示，为基于电网电压空间矢量定向的SVG的恒电压控制框图。该控制结构为包含2个双环控制：1、直流侧电压控制。外环采用的是直流电压PI 控制，来稳定SVG直流侧的电压；内环采用了电流前馈解耦控制，从而能够实现有功和无功间的解耦。2、并网点恒电压控制。外环为并网点电压控制，并网点实际电压与参考值uc_ref＝1的差值通过PI控制器产生igq_ref，以此调节无功电流 igq的大小来控制SVG的无功输出，从而控制并网点电压；内环为电流前馈控制，实现有功和无功的解耦控制。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S21中，SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000171
其中，Lg表示SVG的等值电感，Rg表示SVG的等值电阻，igd表示SVG 输出电流的d轴有功分量，igq表示SVG输出电流的q轴无功分量，ud表示直流侧电压，ω1表示电网角频率，ugd表示SVG输出电压的d轴有功分量，ugq表示SVG输出电压的q轴无功分量，ucd表示电网侧电压uc在同步坐标系d轴上的分量，ucq表示电网侧电压uc在同步坐标系q轴上的分量，Cg表示直流侧电容， t表示积分时间；
步骤S22中，SVG的电压控制方程的计算公式为：
Figure RE-GDA0002984519420000172
其中，igq_ref表示SVG输出电流的q轴无功分量参考值，igd_ref表示SVG输出电流的d轴有功分量参考值，Kp4表示SVG电流PI控制器的比例调节增益， Kp5表示直流电压PI控制器的比例调节增益，Ki4表示SVG电流PI控制器的积分调节增益，Ki5表示直流电压PI控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，ud_ref表示直流侧电压参考值；
ω1Lgigd和-ω1Lgigd为实现SVG电流dq分量间的解耦控制和消除电网电压扰动引入的电压补偿；
步骤S23中，向电网注入的瞬时有功功率pg和瞬时无功功率qg的计算公式分别为：
Figure RE-GDA0002984519420000181
其中，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部，ucdq表示dq坐标下网侧变流器电网电压的空间矢量，
Figure RE-GDA0002984519420000182
表示dq坐标下SVG输出电流的空间矢量的共轭复数，Us表示定子电压幅值。
在本发明实施例中，如图1所示，步骤S3中，若|1-uc|>5％，则风电并网点电压uc越限，否则风电并网点电压uc没有越限。
在本发明中，对风电并网点电压uc进行检测，如果uc没有越限，即|1-uc|≤5％，那么DFIG工作在单位功率因数状态，SVG工作在恒电压模式；如果uc发生越限，即|1-uc|>5％，则优先通过SVG进行无功调压，SVG快速响应且工作在恒电压模式，其次发挥DFIG自身调压能力，二者协调，实现风电并网点电压的稳定。
在本发明实施例中，所采用的研究模型为云南丽江电网中的某地区电网，其等效的3机9节点电路图如图5所示。系统基准容量为100MVA，基准电压为230kV。风电场接入系统后向电网提供电能，由于SVG主要由电力电子器件构成且造价高昂，若接入变压器的高压侧易造成设备损坏，故SVG的接入点母线B1为变压器低压侧。针对该系统，用1台等值120MVA双馈风机接仿真时间为80s，分别在有无SVG加入的两种场景下进行仿真，每种场景下又分别加入负荷扰动、风速扰动、电网故障等3种工况，研究SVG对风电并网运行电压支撑效果以及前文所提的控制策略的有效性。基于如图5所示的3机9 节点的风电并网系统，在风电场输出低压侧母线B1处加入SVG和电压检测装置，在母线B6处加入负荷变化装置和短路故障装置。仿真结果如下：
(1)负荷扰动情况
保持风速为10m/s，在风电并网系统的母线B6处设置故障点，在30s时将负荷由100+j30MVA切换至150+j45MVA，即负荷突然增大50％。有无SVG 加入的风机并网点电压、风机输出无功功率、风机输出有功功率以及SVG输出无功功率的动态响应曲线如图6所示。
由仿真结果图6(a)可以看出，在无SVG参与调压的情况下，负荷突然增大后，风电场并网点电压发生波动，并且振幅逐渐增大；在加入40MVA的 SVG作用后，风机并网点电压除了负荷投切时的短暂波动外，快速恢复原始状态，并且保持平稳。如图6(b)所示，无SVG进行无功补偿的风机输出无功功率在发生负荷突增后出现震荡，且振幅逐渐增大；而有SVG进行无功补偿的风机输出无功功率在发生负荷突增后也突然增大，但是很快趋于平缓，并且比原先输出更多地无功功率。如图6(c)所示，无SVG进行补偿的风机输出有功功率在发生负荷突增后出现震荡；而在加入SVG后，风机输出有功功率除了负荷投切时的短暂波动外，快速恢复原始状态，并且保持平稳。如图6(d) 所示，为SVG输出无功功率图。
(2)风速突增情况
如图7(a)所示，设定风电场中的初始风速为10m/s，从30s开始风速突增至36s风速达到16m/s保持不变，在37s风机输出功率达到最大值后桨距角动作。仿真结果如图7所示。从图7(b)可知，风机出口电压在30s后开始发生变化，有SVG的风电场并网点电压较无SVG有所提高，低风速时从0.997pu 到0.998pu提升了0.11％，高风速时从0.998pu到0.999pu提升了0.07％。从图 7(c)和图7(e)可以看出，风速增加直至风机输出功率到达最大时，DFIG 从输出无功功率变为吸收无功功率；DFIG输出的有功功率达到最大值后，为使风机送出更多的有功功率，风机出口电压升高，此时SVG吸收无功功率来抑制风机出口电压的升高。为了防止DFIG的转子转速过快，DFIG此时也吸收无功功率抑制出口电压的升高。此外，从图7(d)可以看出在风电场装设 SVG来稳定风电场并网电压后，风机送出的有功功率增加了20％。DFIG和SVG 通过这一过程进行了协调控制。
因此，风电场并网点电压在SVG加入后，正常运行时的电压有所提升；而当风速突然增大后，DFIG转子转速加快，逐渐上升的风电并网点电压被一定程度地抑制住了，使得电网电压在扰动发生时的整体变化曲线趋向平缓，可见SVG对风电并网点电压的稳定作用显著，且DFIG和SVG通过这一过程进行了协调控制。
(3)电网故障情况
仿真风速为10m/s，在30s时母线B6处发生A相接地故障，持续0.2s后故障清除，风电场出口电压、风电场输出无功功率、风电场输出有功功率、SVG 输出无功功率如图8所示。
由图8(a)可知，故障期间风电场并网点电压降低，因此需要更多的无功功率来维持风电场出口电压的稳定。仿真表明，采用容量为40MVA的SVG后，风电场升压站的出口电压从0.893pu上升至0.930pu，电压提高了4.1％，故障以及故障恢复瞬间采用SVG电压变化更为平缓。由图8(b)可知，采用容量为20MVA的SVG后，风电场输出的无功功率减小了9.7％。由图8(c)可知，在电网发生单相接地故障时，采用SVG补偿对于风机输出有功功率影响不明显。由图8(d)可知，故障期间，SVG快速响应，输出无功快速增加，共输出了37.43MVar无功功率，提高了风电场并网点电压。
从本发明的实施例中，可以得到以下结论：
(1)采用电压矢量定向控制技术能够实现对DFIG网侧的有功功率、无功功率进行解耦控制，以及对SVG输出无功功率的控制；采用定子磁链定向矢量控制可以对DFIG转子侧有功功率、无功功率进行解耦控制；
(2)恒电压控制方式下的DFIG相较于恒功率控制方式，可以更加充分地利用其输出和吸收无功的能力来支撑风电场出口电压，但仍然存在自身调压能力不足的问题；
(3)在电网正常运行、负荷突变、风速扰动和电网故障的条件下，SVG 均可有效补偿无功和支撑电压，从而防止DFIG转速过快或输出有功过低，弥补了恒电压控制下DFIG所具有的无功调压能力不足的缺陷。正常情况下能够减少因风速变化带来的并网点电压波动，使得电压提升0.07％～0.11％；
(4)负荷突变的情况下能够稳定风电并网点电压、风机输出有功和无功，减小振荡幅度。故障情况下能够减缓故障瞬间和恢复瞬间电压的突变及显著提高故障期间风电场并网点电压，电压提升4.1％，加快风电并网点电压的恢复速度。
本发明的工作原理及过程为：双馈风力发电机(DFIG)可实现变速恒频发电，但发出和吸收无功的能力有限，不能满足大规模风电并网的电压要求。而静止无功发生器(SVG)在欠压条件下的补偿能力非常强，且具有更快的响应速度。
本发明首先分析大规模风电并网引起的并网点电压波动，基于DFIG变流器的数学模型和恒电压控制方式，充分发挥机组无功调压能力，其网侧变流器采用电压定向矢量控制技术，转子侧变流器采用磁链定向矢量控制技术得到恒电压控制下的DFIG控制模型，实现DFIG的解耦控制；再装设SVG对其并网进行无功补偿，控制并网点电压，采用电压定向矢量控制技术得到恒电压控制下SVG的控制模型，并将SVG接入DFIG输出端母线，以实现对风电并网的无功补偿，从而一定程度上维持风电场并网点电压的稳定，即在出现扰动时减弱其波动程度，提高其恢复速度。
最后，分析DFIG和SVG的数学模型，采用空间矢量定向控制技术实现DFIG 的解耦控制和SVG的无功输出控制，得到二者输出模型，分别获得在负荷扰动、风速扰动和电网故障的工况下引起风电并网点电压波动时，DFIG和SVG的动态响应曲线，并将有无SVG补偿的曲线进行对比。通过仿真验证采用恒电压控制的DFIG能够在正常工况下吸收或发出一定的无功功率稳定风电场并网点电压，并且在风电并网点装设SVG后，DFIG与SVG共同参与电网调压，使得风电并网点电压在正常及出现扰动的情况下均有了显著改善。
本发明的有益效果为：
(1)采用电压矢量定向控制技术能够实现对DFIG网侧的有功功率和无功功率进行解耦控制，以及对SVG输出无功功率的控制；采用定子磁链定向矢量控制可以对DFIG转子侧有功功率和无功功率进行解耦控制。
(2)在电网正常运行、负荷突变、风速扰动和电网故障的条件下，SVG 均可有效补偿无功和支撑电压，从而防止DFIG转速过快或输出有功过低，弥补了恒电压控制下DFIG所具有的无功调压能力不足的缺陷。正常情况下能够减少因风速变化带来的并网点电压波动，使得电压提升。
(3)负荷突变的情况下能够稳定风电并网点电压、风机输出有功和无功，减小振荡幅度。故障情况下能够减缓故障瞬间和恢复瞬间电压的突变及显著提高故障期间风电场并网点电压，加快风电并网点电压的恢复速度。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：分别构建网侧变流器的电网电压定向矢量控制策略和转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制策略，完成DFIG控制策略的构建；
S2：构建SVG电压定向矢量控制策略；
S3：检测风电并网点电压uc是否越限，若是则利用DFIG控制策略和SVG电压定向矢量控制策略进行控制，否则DFIG工作在单位频率因数状态，SVG工作在恒电压模式，完成风电并网运行电压控制。
2.根据权利要求1所述的采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建网侧变流器的电网电压定向矢量控制策略包括以下子步骤：
A11：根据网侧变流器参数，构建网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型；
A12：利用电网电压定向矢量控制法，将网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型转换为网侧变流器的电流控制方程；
A13：采用PI调节对网侧变流器的电流控制方程进行电流控制，得到网侧变流器的电压控制方程，完成电网电压定向矢量控制；
A14：利用网侧变流器向电网注入瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成电网电压定向矢量控制策略的构建。
3.根据权利要求2所述的采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，所述步骤A11中，网侧变流器在同步旋转的dq坐标系下的数学模型的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000021
其中，ufd表示网侧变流器输出电压的d轴分量，ufq表示网侧变流器输出电压的q轴分量，udc表示网侧变流器直流侧电压，Rf表示变换器与电网的等效连接电阻，Lf表示变换器与电网的等效连接电感，ifd表示网侧变流器输出电流的d轴分量，ifq表示网侧变流器输出电流的q轴分量，ucd表示电网侧电压uc在同步坐标系d轴上的分量，ucq表示电网侧电压uc在同步坐标系q轴上的分量，ω1表示电网角频率，Cf表示直流侧电容，idc表示电容电流，t表示积分时间；
所述步骤A12中，电网电压定向矢量控制法的表达式为：
Figure FDA0002872169380000022
其中，Uc表示电网电压幅值；
网侧变流器的电流控制方程的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000023
所述步骤A13中，网侧变流器的电压控制方程的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000024
其中，ifq_ref表示网侧变流器q轴电流参考值，ifd_ref表示网侧变流器d轴电流参考值，Kp1表示网侧变流器电流PI控制器的比例调节增益，Kp2表示直流电压PI控制器的比例调节增益，Ki1表示网侧变流器电流PI控制器的积分调节增益，Ki2表示直流电压PI控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，udc_ref表示网侧变流器直流侧电压参考值；
所述步骤A14中，向电网注入瞬时有功功率pgc和瞬时无功功率qgc的计算公式分别为：
Figure FDA0002872169380000031
其中，ucdq表示dq坐标下电网电压的空间矢量，
Figure FDA0002872169380000032
表示dq坐标下网侧变流器电流的空间矢量的共轭复数，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部。
4.根据权利要求1所述的采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建转子侧变流器的定子磁链定向矢量控制策略包括以下子步骤：
B11：根据转子侧变流器参数，构建同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程；
B12：利用漏磁系数，将同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程转换为转子侧变流器的电流控制方程；
B13：采用PI调节对转子侧变流器的电流控制方程进行电流控制，得到转子侧变流器的电压控制方程，完成定子磁链定向矢量控制；
B14：利用转子侧变流器向电网注入双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成定子磁链定向矢量控制策略的构建。
5.根据权利要求4所述的采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，所述步骤B11中，同步旋转坐标下DFIG的转子电压电流方程的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000041
其中，urd表示转子电压的d轴有功分量，urq表示转子电压的q轴无功分量，isd表示定子电流的d轴有功分量，isq表示定子定流的q轴无功分量，Rr表示等效转子电阻，Lr表示等效转子电感，Lm表示等效的双馈风机励磁电感；Ls表示定子侧等效电感，ω2表示转子角频率，ird表示转子电流的d轴有功分量，irq表示转子电流的q轴无功分量，ims表示定子励磁电流，t表示积分时间；
所述步骤B12中，漏磁系数σ的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000042
转子侧变流器的电流控制方程的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000043
所述步骤B13中，转子侧变流器的电压控制方程的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000044
其中，Kp3表示转子电流PI控制器的比例调节增益，Ki3表示转子电流PI控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，ird_ref表示转子侧变流器d轴有功电流参考值，irq_ref表示转子侧变流器q轴无功电流参考值；
所述步骤B14中，向电网注入双馈感应电机定子侧的瞬时有功功率ps和瞬时无功功率qs的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000051
其中，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部，usdq表示同步旋转的dq坐标下定子电压的空间矢量，
Figure FDA0002872169380000052
表示同步旋转的dq坐标下定子电流空间矢量的共轭复数，Us表示定子电压幅值。
6.根据权利要求1所述的采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：
S21：根据SVG参数，构建SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型；
S22：采用PI调节对SVG进行电流控制，将SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型转换为SVG的电压控制方程，完成SVG电压定向矢量控制；
S23：利用SVG向电网注入瞬时有功功率和瞬时无功功率，完成SVG电压定向矢量控制策略的构建。
7.根据权利要求6所述的采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，所述步骤S21中，SVG在同步旋转的dq坐标系下的数学模型的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000053
其中，Lg表示SVG的等值电感，Rg表示SVG的等值电阻，igd表示SVG输出电流的d轴有功分量，igq表示SVG输出电流的q轴无功分量，ud表示直流侧电压，ω1表示电网角频率，ugd表示SVG输出电压的d轴有功分量，ugq表示SVG输出电压的q轴无功分量，ucd表示电网侧电压uc在同步坐标系d轴上的分量，ucq表示电网侧电压uc在同步坐标系q轴上的分量，Cg表示直流侧电容，t表示积分时间；
所述步骤S22中，SVG的电压控制方程的计算公式为：
Figure FDA0002872169380000061
其中，igq_ref表示SVG输出电流的q轴无功分量参考值，igd_ref表示SVG输出电流的d轴有功分量参考值，Kp4表示SVG电流PI控制器的比例调节增益，Kp5表示直流电压PI控制器的比例调节增益，Ki4表示SVG电流PI控制器的积分调节增益，Ki5表示直流电压PI控制器的积分调节增益，s表示拉普拉斯算子，ud_ref表示直流侧电压的参考值；
所述步骤S23中，向电网注入的瞬时有功功率pg和瞬时无功功率qg的计算公式分别为：
Figure FDA0002872169380000062
其中，Re(·)表示复数的实部，Im(·)表示复数的虚部，ucdq表示dq坐标下网侧变流器电网电压的空间矢量，
Figure FDA0002872169380000063
表示SVG输出电流空间矢量的共轭复数，Us表示定子电压幅值。
8.根据权利要求1所述的采用SVG补偿的风电并网运行电压控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，若|1-uc|>5％，则风电并网点电压uc越限，否则风电并网点电压uc没有越限。
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