CN112838589A - 串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法 - Google Patents

串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法 Download PDF

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Abstract

供串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，涉及双馈风电机组并网控制技术领域。本发明是为了抑制双馈风电串补系统引发的次同步振荡，在电压源型双馈风电机组出现次同步振荡的条件下，在双馈风电机组串补系统中采集转子侧变流器电流实际值，对转子侧变流器电流实际值进行滤波和增益获得次同步振荡频率的扰动信号，将扰动信号补偿到双馈风电机组串补系统的电流内环输出信号中，更新电流内环的输出信号，实现风电机组次同步振荡的抑制。本发明不改变系统原有基本控制特性，只是通过附加扰动信号来增大系统等效阻尼的大小，从而抑制次同步振荡的发生。

Description

串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法
技术领域
本发明属于双馈风电机组并网控制技术领域。
背景技术
近年来，随着风电装机占比的增加，同步电机在电网中所占比重降低，会造成整个电力系统惯量及阻尼不断降低，严重影响电网的运行安全。为了减小输电线路的损耗，常在线路中串联补偿电容以提高线路的电能传输能力，然而由于双馈风电机组控制器与串补电网之间的相互作用会引发次同步振荡，因此，风电并网次同步振荡问题已成为当前研究的热点。
当控制策略不同时，双馈风电机组的控制特性会有较大差异。根据变流器控制方式的区别，风电机组的惯量控制策略可分为电流源型控制和电压源型控制。风电机组的电流源型控制是以输出电流为控制目标，原有风电变流器中电流内环控制结构不变，通过锁相环不仅得到电网电压相角，而且也得到电网的频率及其变化率，将虚拟惯量和下垂控制引入到功率外环控制器中来改变机组有功输出。电流源型控制并没有改变传统矢量控制的结构，该运行方式下的风电机组仍不具备传统同步发电机的电网主动支撑能力。另外电流源运行方式下风机控制系统和电网之间会通过锁相环和线路阻抗相互影响，如果参数整定不合理，系统会出现不稳定的现象，在弱电网下还可能会出现振荡的风险。对电压源控制方式下的风电机组，它的控制目标是输出电压的幅值和相位，具体实现方法是改变风电机组的控制策略从而使其对外表现为电压源特性，风电机组的功率可以随着负荷的波形而做出调整，从而使风电机组具有和传统同步发电机类似的惯量支撑特点，目前的主要实现方式是采用虚拟同步机控制。
虚拟同步控制技术能够改善系统的惯量和阻尼，在双馈风电机组中常用虚拟同步控制来提高电力系统的惯量，由此也引发了一系列并网稳定性问题。双馈风电机组中的虚拟同步机主流控制策略分为两类，第一类模拟同步发电机的转子运动方程及无功电压调节方程直接产生转子电压的幅值和相位，无交流电压和交流电流内环。第二类方法是模拟同步发电机的转子方程及无功电压调节方程先产生定子电压的幅值和相位信息，然后通过定子电压、转子电流双闭环间接产生转子电压。由于有电流内环的存在，可以更好的模拟同步发电机的动态特性，同时抑制转子电流过大的危险。
目前针对双馈风电串补系统引发的次同步振荡的抑制方法主要有以下几种：一类是改变系统运行状态，如在系统发生次同步振荡时切除串补电容，但是切除串补电容会对系统造成冲击，降低传输线路的输送能力，可能会影响系统的静态稳定性。第二类是增设硬件设备，抑制风电中出现SSO的硬件装备目前主要有串联或并联FACTS装置及阻尼装置等，这种方法会增加投资成本，并且设备利用率不高。第三类是附加阻尼补偿控制，其能有效改善双馈风电机组阻抗特性，不需要额外增加设备，是一种经济有效的方式。
发明内容
本发明为了抑制双馈风电串补系统引发的次同步振荡，现提供串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法。
串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，该方法是在电压源型双馈风电机组出现次同步振荡的条件下进行的，具体为：
在双馈风电机组串补系统中采集转子侧变流器电流实际值，
对转子侧变流器电流实际值进行滤波和增益获得次同步振荡频率的扰动信号，
将扰动信号补偿到双馈风电机组串补系统的电流内环输出信号中，更新电流内环的输出信号，实现风电机组次同步振荡的抑制。
进一步的，转子侧变流器电流实际值包括同步旋转坐标系下转子侧变流器电流实际值的d轴分量ird和q轴分量irq。
进一步的，次同步振荡频率的扰动信号包括次同步振荡频率扰动信号d轴分量Hd和q轴分量Hq，获得次同步振荡频率的扰动信号的方法具体为：分别对ird和irq进行滤波和增益，获得Hd和Hq。
进一步的，将扰动信号补偿到双馈风电机组串补系统的电流内环输出信号中具体为：
将Hd和Hq分别补偿到电流内环输出信号的d轴分量和q轴分量中。
进一步的，根据下式获得Hd和Hq：
Hd＝KdGHPFird，
Hq＝KdGHPFirq，
其中，Kd为附加阻尼增益系数，GHPF为一阶高通滤波器对应的传递函数。
进一步的，GHPF的表达式为：
Figure BDA0002992598420000021
其中，Th为时间常数，s为拉普拉斯算子。
进一步的，更新后的电流内环输出信号d轴分量urd为：
Figure BDA0002992598420000031
更新后的电流内环输出信号q轴分量urq为：
Figure BDA0002992598420000032
其中，
Figure BDA0002992598420000033
和
Figure BDA0002992598420000034
分别为电流内环PI系数，ird和irq分别为同步旋转坐标系下转子侧变流器电流实际值的d轴分量和q轴分量，s为拉普拉斯算子，
Figure BDA0002992598420000035
和
Figure BDA0002992598420000036
分别为同步旋转坐标系下电流参考值的d轴分量和q轴分量，ω2为转子电流角频率，Lr为转子侧电感，Lm为定转子互感，isq和isd分别为同步旋转坐标系下定子电流的d轴分量和q轴分量，Kd为附加阻尼增益系数，GHPF为一阶高通滤波器对应的传递函数。
进一步的，在电压源型双馈风电机组出现次同步振荡之前，还包括以下步骤：
步骤101：在双馈风电机组串补系统中采集并网点电压信号和电流信号，
步骤201：判断电压源型双馈风电机组是否出现次同步振荡，是则采集转子侧变流器电流实际值，否则返回步骤101。
进一步的，步骤201中，利用FastICA-MP算法判断电压源型双馈风电机组是否出现次同步振荡。
本发明所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，提取转子电流同步旋转坐标系下的d轴和q轴信号，经过相应的滤波环节及增益环节附加到控制系统中，生成d轴和q轴的次同步控制信号，反馈到控制系统中来增大双馈风电机组在次同步频率区间的阻尼，从而有效的抑制次同步振荡。本发明不改变系统原有基本控制特性，只是通过附加扰动信号来增大系统等效阻尼的大小，从而抑制次同步振荡的发生。并且附加阻尼控制策略操作方法简单，不需要额外增加设备，控制成本低，同时也不需要改进双馈风电机组硬件控制回路，便于实现。
附图说明
图1为串补电网下双馈风电机组输电系统的结构示意图；
图2为双馈风电机组转子侧变流器控制原理框图，其中，
Figure BDA0002992598420000041
和Ps分别为双馈风电机组输出有功功率的给定值和实际值，
Figure BDA0002992598420000042
和Qs分别为双馈风电机组输出无功功率的给定值和实际值，Tj和D分别为惯性时间常数和阻尼时间常数，ω为虚拟内电势角频率，ω1为实际测量的电网角频率，ωb为基波角频率，PD为阻尼功率，θs为虚拟定子电压相位，kp0和ki0分别为无功功率控制的PI控制器的比例参数和积分参数，
Figure BDA0002992598420000043
为定子电压的参考值，Us为通过虚拟同步控制产生的定子电压的幅值，ir为转子侧变流器电流实际值，Urabc为转子三相电压；
图3为双馈风电机组转子侧电流内环附加扰动信号的原理框图，其中，
Figure BDA0002992598420000044
和usq分别为定子电压q轴分量的参考值和实际值，
Figure BDA0002992598420000045
和usd分别为定子电压d轴分量的参考值和实际值，
Figure BDA0002992598420000046
和
Figure BDA0002992598420000047
分别为转子电流d、q轴分量的参考值，
Figure BDA0002992598420000048
和
Figure BDA0002992598420000049
分别为电压环PI控制器的比例参数和积分参数；
图4为具体实施方式一所述串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，包括以下步骤：
步骤101：在双馈风电机组串补系统中采集并网点电压信号和电流信号。
步骤102：利用FastICA-MP算法判断电压源型双馈风电机组是否出现次同步振荡，是则执行步骤103，否则返回步骤101。
步骤103：在双馈风电机组串补系统中采集转子侧变流器电流实际值，包括同步旋转坐标系下转子侧变流器电流实际值的d轴分量ird和q轴分量irq。
步骤104：分别对ird和irq进行滤波和增益，获得次同步振荡频率的扰动信号，次同步振荡频率的扰动信号包括次同步振荡频率扰动信号d轴分量Hd和q轴分量Hq。
Hd＝KdGHPFird，
Hq＝KdGHPFirq，
其中，Kd为附加阻尼增益系数，GHPF为一阶高通滤波器对应的传递函数。
GHPF的表达式为：
Figure BDA0002992598420000051
其中，Th为时间常数，取值为0.5s，s为拉普拉斯算子。
上述滤波通过高通滤波器实现，其作用是提取转子侧变流器电流实际值中的次同步分量，同时避免转子侧变流器电流实际值中直流分量对系统稳态工作点的影响。
步骤105：将Hd和Hq分别补偿到电流内环输出信号的d轴分量和q轴分量中，更新电流内环的输出信号，其中包括：q轴分量urq和d轴分量urd。
Figure BDA0002992598420000052
Figure BDA0002992598420000053
其中，
Figure BDA0002992598420000054
和
Figure BDA0002992598420000055
分别为电流内环PI控制器的比例参数和积分参数，ird和irq分别为同步旋转坐标系下转子侧变流器电流实际值的d轴分量和q轴分量，s为拉普拉斯算子，
Figure BDA0002992598420000056
和
Figure BDA0002992598420000057
分别为同步旋转坐标系下电流参考值的d轴分量和q轴分量，ω2为转子电流角频率，Lr为转子侧电感，Lm为定转子互感，isq和isd分别为同步旋转坐标系下定子电流的d轴分量和q轴分量，Kd为附加阻尼增益系数，GHPF为一阶高通滤波器对应的传递函数。
上述更新后的电流内环输出信号反馈到在双馈风电机组串补系统之后能够增大在双馈风电机组在次同步频率区间的阻尼，从而实现风电机组次同步振荡的抑制。
本实施方式通过引入双馈串补并网系统中的转子电流实际值，并经传递函数反馈到控制系统中来增大双馈风电机组输出阻抗在次同步频率区间的阻尼，本实施方式不改变系统原有基本控制特性，只是通过附加扰动信号来增大系统等效阻尼的大小，从而抑制次同步振荡的发生。基于上述技术手段，本实施方式改善了系统的惯量和阻尼以及解决双馈风电机组串补情况下发生的次同步振荡问题，解决了现有抑制次同步振荡技术改进硬件设备，增加施工难度和设备成本问题。

Claims (11)

1.串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，该方法是在电压源型双馈风电机组出现次同步振荡的条件下进行的，具体为：
在双馈风电机组串补系统中采集转子侧变流器电流实际值，
对转子侧变流器电流实际值进行滤波和增益获得次同步振荡频率的扰动信号，
将扰动信号补偿到双馈风电机组串补系统的电流内环输出信号中，更新电流内环的输出信号，实现风电机组次同步振荡的抑制。
2.根据权利要求1所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，转子侧变流器电流实际值包括同步旋转坐标系下转子侧变流器电流实际值的d轴分量ird和q轴分量irq。
3.根据权利要求2所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，次同步振荡频率的扰动信号包括次同步振荡频率扰动信号d轴分量Hd和q轴分量Hq，
获得次同步振荡频率的扰动信号的方法具体为：分别对ird和irq进行滤波和增益，获得Hd和Hq。
4.根据权利要求3所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，将扰动信号补偿到双馈风电机组串补系统的电流内环输出信号中具体为：
将Hd和Hq分别补偿到电流内环输出信号的d轴分量和q轴分量中。
5.根据权利要求3所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，根据下式获得Hd和Hq：
Hd＝KdGHPFird，
Hq＝KdGHPFirq，
其中，Kd为附加阻尼增益系数，GHPF为一阶高通滤波器对应的传递函数。
6.根据权利要求5所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，GHPF的表达式为：
Figure FDA0002992598410000011
其中，Th为时间常数，s为拉普拉斯算子。
7.根据权利要求6所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，Th取值为0.5s。
8.根据权利要求1所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，更新后的电流内环输出信号包括：q轴分量和d轴分量。
9.根据权利要求8所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，更新后的电流内环输出信号d轴分量urd为：
Figure FDA0002992598410000021
更新后的电流内环输出信号q轴分量urq为：
Figure FDA0002992598410000022
其中，
Figure FDA0002992598410000023
和
Figure FDA0002992598410000024
分别为电流内环PI系数，ird和irq分别为同步旋转坐标系下转子侧变流器电流实际值的d轴分量和q轴分量，s为拉普拉斯算子，
Figure FDA0002992598410000025
和
Figure FDA0002992598410000026
分别为同步旋转坐标系下电流参考值的d轴分量和q轴分量，ω2为转子电流角频率，Lr为转子侧电感，Lm为定转子互感，isq和isd分别为同步旋转坐标系下定子电流的d轴分量和q轴分量，Kd为附加阻尼增益系数，GHPF为一阶高通滤波器对应的传递函数。
10.根据权利要求1所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，在电压源型双馈风电机组出现次同步振荡之前，还包括以下步骤：
步骤101：在双馈风电机组串补系统中采集并网点电压信号和电流信号，
步骤201：判断电压源型双馈风电机组是否出现次同步振荡，是则采集转子侧变流器电流实际值，否则返回步骤101。
11.根据权利要求10所述的串补电网下电压源型双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，步骤201中，利用FastICA-MP算法判断电压源型双馈风电机组是否出现次同步振荡。
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