CN112886610A - 一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统及方法，该方法包括：1、根据特征值分析法计算系统状态矩阵的特征值和特征向量；2、提取双馈风电场次同步振荡的主导变量；3、根据主导变量在转子侧变换器控制系统中设置由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成的转子电压补偿模块。本发明能有效减少系统状态矩阵的阶数，加速定子功率次同步振荡的衰减，增强双馈风机提供的电气阻尼，从而有效抑制双馈风电场并网系统的次同步振荡。

Description

一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统及方法，属于风力发电系统稳定技术领域。

背景技术

大规模发展风能已经成为能源战略的重要组成内容。然而，大型风电场通常地处偏远区域，与用电中心距离很远，通过很长的输电线路与电网连接。双馈风电场通常需要通过串联电容补偿线路进行输电。但是，使用串联电容补偿线路可能导致双馈风电场并网系统的次同步振荡。如果没有抑制措施，次同步振荡可能会对双馈风电场并网系统的稳定性造成严重威胁。

2009年10月，美国德州地区由于电网发生故障造成双馈风电场通过75％串联电容补偿的输电线路与电网连接，造成电网发生20Hz的次同步振荡，系统电压振荡的幅值大于2.0pu，使风电机组最终脱网。自2012年，我国华北部分地区通过串联电容补偿线路与电网连接的双馈风电场发生多次次同步频率范围内的功率振荡现象，严重影响双馈风电场并网系统的安全运行。

大型风电场中有大量规格不同、控制参数不同的风电机组，并且运行方式也不一致，与不同特征电网连接后发生次同步振荡现象的机理都不相同，采用的分析方法各有区别。特征值分析法理论严谨，概念明确，可用来发明抑制次同步振荡的控制器。然而现代电网的规模越来越大，导致整个系统的状态矩阵维数很高，利用特征值分析法时会出现非常严重的“维数灾”现象。目前已公开的专利中，对简化双馈风机模型的特征值分析研究较少，不利于形成大规模风电场的状态矩阵，对简化的双馈风机模型进行特征值分析尚需进一步完善。现有的抑制双馈风电场次同步振荡技术中，尚没有从次同步振荡的主导变量功率、电流进行综合考虑，影响次同步振荡的抑制速度，抑制双馈风电场次同步振荡的控制策略尚需进一步完善。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统及方法，以期能够有效减少系统状态矩阵的阶数，加速定子功率次同步振荡的衰减，增强双馈风机提供的电气阻尼，从而有效抑制双馈风电场并网系统的次同步振荡。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统，所述双馈风电场中的风力发电机组包括：风力机、轴系、双馈感应发电机、转子侧变换器、电网侧变换器、电网；所述控制系统包括：有功功率外环控制模块，无功功率外环控制模块，有功电流内环控制模块、无功电流内环控制模块、转子侧坐标变换模块、转子侧坐标逆变换模块、功率计算模块和SVPWM模块，其特点是：在所述控制系统中设置有转子电压补偿模块；

所述转子电压补偿模块是由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成；

所述有功功率稳定控制模块是由有功功率比例调节器和有功功率积分调节器组成；

所述无功功率稳定控制模块是由无功功率比例调节器和无功功率积分调节器组成；

所述有功电流比例微分模块是由有功电流比例调节器、有功电流微分调节器、有功电流微分增益运算器和有功电流低通滤波器组成；

所述无功电流比例微分模块是由无功电流比例调节器、无功电流微分调节器、无功电流微分增益运算器和无功电流低通滤波器组成；

所述功率计算模块根据定子d轴电压u_sd、定子q轴电压u_sq、定子d轴电流i_sd和定子q轴电流i_sq计算有功功率P_s和无功功率Q_s，并将所述有功功率P_s与有功功率参考值P_s ^*之间的差值传输给有功功率稳定控制模块的有功功率比例调节器进行运算，所述有功功率比例调节器将运算结果传输给所述有功功率积分调节器进行运算后获得有功功率补偿指令Δu_rd1；所述功率计算模块将所述无功功率Q_s与无功功率参考值Q_s ^*之间的差值传输给无功功率稳定控制模块的无功功率比例调节器进行运算，所述无功功率比例调节器将运算结果传输给所述无功功率积分调节器进行运算后获得无功功率补偿指令Δu_rq1；

所述转子侧坐标变换模块对所获取的双馈风力发电机的三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc进行Park变换后获得转子有功电流i_rd和转子无功电流i_rq；并将所述转子有功电流i_rd传输给所述有功电流比例微分模块的有功电流比例调节器进行运算，同时，将所述转子有功电流i_rd传输给所述有功电流比例微分模块的有功电流微分调节器进行运算；所述有功电流微分调节器将运算结果传输给所述有功电流微分增益运算器进行运算，所述有功电流微分增益运算器将运算的结果与有功电流比例调节器运算后的结果相加后传输给所述有功电流低通滤波器，由所述有功电流低通滤波器进行运算后获得有功电流补偿指令Δu_rd2；

所述转子侧坐标变换模块将所述转子无功电流i_rq分别传输给所述无功电流比例微分模块的无功电流比例调节器以及所述无功电流比例微分模块的无功电流微分调节器进行运算，所述无功电流微分调节器将运算结果传输给所述无功电流微分增益运算器进行运算，所述无功电流微分增益运算器将运算后的结果与无功电流比例调节器运算后的结果相加后传输给所述无功电流低通滤波器，由所述无功电流低通滤波器进行运算后获得无功电流补偿指令Δu_rq2；

所述有功电流内环控制模块将其输出值u_rd、所述有功功率补偿指令Δu_rd1以及所述有功电流补偿指令Δu_rd2进行求和获得转子d轴电压指令u_rd ^*；所述无功电流内环控制模块将其输出值u_rq、所述无功功率补偿指令Δu_rq1以及所述无功电流补偿指令Δu_rq2进行求和获得转子q轴电压指令u_rq ^*；

所述转子侧坐标逆变换模块对所述转子d轴电压指令u_rd ^*与所述转子q轴电压指令u_rq ^*通过坐标逆变换后获得转子电压指令u_rα和u_rβ；所述转子电压指令u_rα和u_rβ输入SVPWM模块后获得SVPWM模块输出的PWM控制信号，用于控制所述转子侧变换器，以完成抑制双馈风电场的次同步振荡控制。

本发明一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制方法，是应用于由有功功率外环控制模块，无功功率外环控制模块，有功电流内环控制模块、无功电流内环控制模块、转子侧坐标变换模块、转子侧坐标逆变换模块、功率计算模块和SVPWM模块组成的双馈风电场的控制系统中，所述双馈风电场中的风力发电机组包括：风力机、轴系、双馈感应发电机、转子侧变换器、电网侧变换器、电网；其特点是，所述双馈风电场控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、在所述控制系统中设置有转子电压补偿模块；

所述转子电压补偿模块是由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成；

所述有功功率稳定控制模块是由有功功率比例调节器和有功功率积分调节器组成；

所述无功功率稳定控制模块是由无功功率比例调节器和无功功率积分调节器组成；

所述有功电流比例微分模块是由有功电流比例调节器、有功电流微分调节器、有功电流微分增益运算器和有功电流低通滤波器组成；

所述无功电流比例微分模块是由无功电流比例调节器、无功电流微分调节器、无功电流微分增益运算器和无功电流低通滤波器组成；

步骤2、通过锁相环检测定子电压的角位置θ₁，通过光码盘检测所述双馈感应发电机的转子角位置θ_r，将所述定子电压的角位置θ₁与所述转子的角位置θ_r进行作差计算，获得所述双馈感应发电机的转差角位置θ_s；

步骤3、通过传感器从双馈风力发电机的定子获取三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc和三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，并进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，获得定子d轴电压u_sd，定子q轴电压u_sq，定子d轴电流i_sd和定子q轴电流i_sq；

步骤4、通过传感器从双馈风力发电机的转子获取三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc，并进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，获得转子有功电流i_rd和转子无功电流i_rq；

步骤5、利用式(1)获得有功功率补偿指令Δu_rd1和无功功率补偿指令Δu_rq1：

式(1)中，k_p5表示有功功率比例调节器比例系数；k_p6表示无功功率比例调节器比例系数；k_i5表示有功功率积分调节器积分系数；k_i6表示无功功率积分调节器积分系数；P_s ^*表示有功功率指令，Q_s ^*表示无功功率指令，s表示微分，P_s表示有功功率，Q_s表示无功功率；

步骤6、利用式(2)获得有功电流补偿指令Δu_rd2和无功电流补偿指令Δu_rq2：

式(2)中，k_g1表示有功电流比例调节器比例系数；k_t1表示有功电流微分增益运算器比例系数；T₁表示有功电流低通滤波器时间常数；k_g2表示无功电流比例调节器比例系数；k_t2表示无功电流微分增益运算器比例系数；T₂表示无功电流低通滤波器时间常数；

步骤7、利用式(3)获得转子d轴电压指令u_rd ^*和转子q轴电压指令u_rq ^*：

式(4)中，k_p3表示有功电流内环比例系数；k_p4表示无功电流内环比例系数；k_i3表示有功电流内环积分系数；k_i4表示无功电流内环积分系数；L_s表示定子绕组自感；L_r表示转子绕组自感；L_m表示定转子绕组的互感；s₁表示转差率；U_s表示定子电压的幅值；

步骤8、利用式(4)获得转子电压指令u_rα和u_rβ：

步骤9、所述转子电压指令u_rα和u_rβ输入SVPWM模块从而获得PWM信号：以所述PWM信号控制转子侧变换器，以完成抑制双馈风电场的次同步振荡控制。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明省略了轴系的机械振荡过程，相比于轴系的低频振荡，双馈风电场的次同步振荡频率是非常高的，因此可以忽略轴系的机械振荡过程，有效地减少了系统状态矩阵的阶数，有利于分析大规模风电场并网系统的稳定性。

2、本发明根据特征值分析法提取次同步振荡模式的主导变量，增加了由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成的转子电压补偿模块，加速了定子功率的次同步振荡衰减，增强了双馈风机提供的电气阻尼，有效抑制了双馈风机并网系统的次同步振荡，所提出的控制系统及其方法设计简单，无需借助额外的硬件设备，减小了系统成本。

附图说明

图1为本发明抑制双馈风电场次同步振荡控制框图；

图2为本发明特征值实部随串补度变化图；

图3为本发明状态变量的参与因子图；

图4为本发明有功功率波形图；

图5为本发明有功功率FFT分析图。

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，双馈风电场中的风力发电机组包括：风力机、轴系、双馈感应发电机、转子侧变换器、电网侧变换器、电网；该双馈风机的控制包括：有功功率外环控制模块，无功功率外环控制模块，有功电流内环控制模块、无功电流内环控制模块、转子侧坐标变换模块、转子侧坐标逆变换模块、功率计算模块和SVPWM模块，一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统是在原有的控制系统中增加有转子电压补偿模块；

本实施例中，电网电压额定值为575V，线路电感为0.152H，线路电阻为4.2欧姆，同步转速为1000r/min，双馈风力发电机运行在超同步转速n＝1200r/min，直流母线电压为1150V，转子侧变流器采用基于定子电压定向矢量控制的转子电流闭环控制，网侧变流器采用基于电网电压定向的电压、电流双闭环控制。在0.5s时投入串联补偿电容，电容值为1.658×10^-4F，在1s时投入转子电压补偿模块。

转子电压补偿模块是由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成；

有功功率稳定控制模块是由有功功率比例调节器和有功功率积分调节器组成；其中，有功功率比例调节器的比例系数k_p5可取为0.512，有功功率积分调节器的积分系数k_i5可取为12.8；

无功功率稳定控制模块是由无功功率比例调节器和无功功率积分调节器组成；其中，无功功率比例调节器的比例系数k_p6可取为0.512，无功功率积分调节器的积分系数k_i6可取为12.8；

有功电流比例微分模块是由有功电流比例调节器、有功电流微分调节器、有功电流微分增益运算器和有功电流低通滤波器组成；其中，有功电流比例调节器的比例系数k_g1可取为0.81，有功电流微分增益运算器的比例系数k_t1可取为0.02，有功电流低通滤波器的时间常数T₁可取为0.00796；

无功电流比例微分模块是由无功电流比例调节器、无功电流微分调节器、无功电流微分增益运算器和无功电流低通滤波器组成；其中，无功电流比例调节器的比例系数k_g2可取为0.81，无功电流微分增益运算器的比例系数k_t2可取为0.02，无功电流低通滤波器的时间常数T₂可取为0.00796；

功率计算模块根据定子d轴电压u_sd、定子q轴电压u_sq、定子d轴电流i_sd和定子q轴电流i_sq计算有功功率P_s和无功功率Q_s，并将有功功率P_s与有功功率参考值P_s ^*之间的差值传输给有功功率稳定控制模块的有功功率比例调节器进行运算；

有功功率比例调节器将运算结果传输给有功功率积分调节器进行运算后获得有功功率补偿指令Δu_rd1；

功率计算模块将无功功率Q_s与无功功率参考值Q_s ^*之间的差值传输给无功功率稳定控制模块的无功功率比例调节器进行运算；

无功功率比例调节器将运算结果传输给无功功率积分调节器进行运算后获得无功功率补偿指令Δu_rq1；

转子侧坐标变换模块对所获取的双馈风力发电机的三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc进行Park变换后获得转子有功电流i_rd和转子无功电流i_rq；并将转子有功电流i_rd传输给有功电流比例微分模块的有功电流比例调节器进行运算，将转子有功电流i_rd传输给有功电流比例微分模块的有功电流微分调节器进行运算；

有功电流微分调节器将运算结果传输给有功电流微分增益运算器进行运算，由有功电流微分增益运算器将运算后的结果与有功电流比例调节器运算后的结果相加后传输给有功电流低通滤波器，并经过有功电流低通滤波器的运算后获得有功电流补偿指令Δu_rd2；

转子侧坐标变换模块将转子无功电流i_rq传输给无功电流比例微分模块的无功电流比例调节器进行运算，并将转子无功电流i_rq传输给无功电流比例微分模块的无功电流微分调节器进行运算；

无功电流微分调节器将运算结果传输给无功电流微分增益运算器进行运算，由无功电流微分增益运算器将运算后的结果与无功电流比例调节器运算后的结果相加后传输给无功电流低通滤波器，经过无功电流低通滤波器的运算后获得无功电流补偿指令Δu_rq2；

有功电流内环控制模块将其输出值u_rd、有功功率补偿指令Δu_rd1以及有功电流补偿指令Δu_rd2进行求和获得转子d轴电压指令u_rd ^*；

无功电流内环控制模块将其输出值u_rq、无功功率补偿指令Δu_rq1以及无功电流补偿指令Δu_rq2进行求和获得转子q轴电压指令u_rq ^*；

转子侧坐标逆变换模块对转子d轴电压指令u_rd ^*与转子q轴电压指令u_rq ^*进行坐标逆变换后获得转子电压指令u_rα和u_rβ；转子电压指令u_rα和u_rβ输入SVPWM模块后获得SVPWM模块的PWM控制信号，用于控制转子侧变换器以完成抑制双馈风电场的次同步振荡控制。

本实施例中，如图1所示，一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制方法是应用于由有功功率外环控制模块，无功功率外环控制模块，有功电流内环控制模块、无功电流内环控制模块、转子侧坐标变换模块、转子侧坐标逆变换模块、功率计算模块和SVPWM模块组成的双馈风电场的控制系统中，双馈风电场中的风力发电机组包括：风力机、轴系、双馈感应发电机、转子侧变换器、电网侧变换器、电网；该双馈风电场控制方法是先建立简化的双馈风电场并网系统小信号模型，获得双馈风电场次同步振荡的主导变量，再根据主导变量设计抑制双馈风电场次同步振荡方法；具体过程如下：

步骤1、建立简化的双馈风电场并网系统小信号模型，获得次同步振荡的主导变量；

步骤1.1、根据式(1)得到发电机转子转速的小信号模型：

式(1)中p表示微分算子；H表示等效轴系的惯性时间常数，可将H值设为2.5；D表示等效轴系的阻尼系数，可将D值设为0.75。ΔT_e表示电磁转矩的变化量；

步骤1.2、根据式(2)得到感应发电机的小信号模型：

其中：

式(2)中，L_m表示定转子绕组的互感，可将L_m值设为3.9507；L_s表示定子绕组自感，可将L_s值设为4.1031；L_r表示转子绕组自感，可将L_r值设为4.1097；R_s为定子电阻，可将R_s值设为0.0046；R_r为转子电阻，可将R_r值设为0.0055；w_b表示额定转速；w_s表示同步转速；s₀表示初始转差率；i_sd0表示初始定子d轴电流；i_sq0表示初始定子q轴电流；i_rd0表示初始转子有功电流；i_rq0表示初始转子无功电流；

步骤1.3、忽略网侧变换器，根据式(3)—式(6)得到转子侧变换器的小信号模型：

pΔz₁＝ΔP_s ^*-P_s (3)

pΔz₂＝k_p1(ΔP_s ^*-ΔP_s)+k_i1Δz₁-Δi_dr (4)

式(4)中，k_p1表示有功功率外环比例系数，可将k_p1值设为0.6；k_i1表示有功功率外环积分系数，可将k_i1值设为30；

pΔz₃＝ΔQ_s ^*-ΔQ_s (5)

pΔz₄＝k_p2(ΔQ_s ^*-ΔQ_s)+k_i2Δz₃-Δi_qr (6)

式(6)中，k_p2表示无功功率外环比例系数，可将k_p2值设为0.6；k_i2表示无功功率外环积分系数，可将k_i2值设为30；

步骤1.4、根据式(7)和式(8)对串联电容状态方程进行线性化得到串联电容的小信号方程：

式(7)中，C表示串联补偿电容，可将C值设为1.658×10^-4F，Δu_cd表示串联补偿电容两端的d轴电压变化量；Δu_cq表示串联补偿电容两端的q轴电压变化量；Δi_ld表示输电线路d轴电流的变化量；

式(8)中，Δi_lq表示输电线路q轴电流的变化量；

步骤1.5、通过消去中间代数变量可以得如式(9)的全系统线性化小信号状态方程。

pΔx＝AΔx (9)

式(9)中，由11个状态量组成的状态向量为：

Δx＝[Δw_r,Δi_ds,Δi_qs,Δi_dr,Δi_qr,Δz₁,Δz₂,Δz₃,Δz₄,Δu_cd,Δu_cq]^T

该系统系数矩阵为11阶矩阵，阶数较低，有利于减小系统内存，加快计算速度。

步骤1.6、计算状态矩阵A的特征值和参与因子等参数可以得到系统的稳定性及影响稳定的主导因素。当输电线路串补度为40％时，计算得到A的特征值如表1所示，得到两对共轭的特征值和7个纯实数的特征值，由于纯实数特征值与系统的振荡模态无关，故不作分析。λ_4,5对应的振荡频率不属于次同步振荡，λ_6,7对应的模式振荡频率为45Hz，属于次同步振荡模式。

表1

符号	特征值
		λ<sub>1</sub>	-1.1677e+05
λ<sub>2</sub>	-3.8322e+04
		λ<sub>3</sub>	-8.6504e+02
λ<sub>4,5</sub>	-1.2308e+01±3.1422e+02i
		λ<sub>6,7</sub>	2.8265e+00±2.8301e+02i
λ<sub>8</sub>	-1.5805e+02
		λ<sub>9</sub>	-0.7731
λ<sub>10</sub>	-11.9975
		λ<sub>11</sub>	-12.0195

步骤1.7、改变串补度后，λ_6,7的实部逐渐由负变为正，系统由稳定状态变为不稳定状态，如图2所示。

步骤1.8、根据式(10)计算参与因子，确定次同步振荡的主导变量，如图3所示。

P_ki＝U_kiV_ki (10)

式(10)中，U为左特征向量，V为右特征向量。

由参与因子可知，次同步振荡模态与双馈风机的定转子电流、定子有功无功以及串补度强相关，可以通过控制主导变量转子电流、定子功率来抑制双馈风电场次同步振荡。

步骤2、在控制系统中设置有转子电压补偿模块；

转子电压补偿模块是由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成；

有功功率稳定控制模块是由有功功率比例调节器和有功功率积分调节器组成；

无功功率稳定控制模块是由无功功率比例调节器和无功功率积分调节器组成；

有功电流比例微分模块是由有功电流比例调节器、有功电流微分调节器、有功电流微分增益运算器和有功电流低通滤波器组成；

无功电流比例微分模块是由无功电流比例调节器、无功电流微分调节器、无功电流微分增益运算器和无功电流低通滤波器组成；

步骤3、通过锁相环检测定子电压的角位置θ₁，通过光码盘检测双馈风力发电机的转子角位置θ_r，将定子电压的角位置θ₁与转子角位置θ_r进行求差计算，获得双馈风力发电机的转差角位置θ_s；

步骤4、通过传感器从双馈感应发电机的定子获取三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc和三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，并进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，获得定子d轴电压u_sd，定子q轴电压u_sq，定子d轴电流i_sd和定子q轴电流i_sq，从而利用式(11)获得定子有功功率和定子无功功率；

步骤5、通过传感器从双馈感应发电机的转子获取三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc，并利用式(12)完成三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换，获得转子有功电流i_rd和转子无功电流i_rq；

步骤6、利用式(13)获得有功功率补偿指令Δu_rd1和无功功率补偿指令Δu_rq1：

式(13)中，k_p5表示有功功率比例调节器比例系数，可将k_p5值设为0.512；k_p6表示无功功率比例调节器比例系数，可将k_p6值设为0.512；k_i5表示有功功率积分调节器积分系数，可将k_i5值设为12.8；k_i6表示无功功率积分调节器积分系数，可将k_i6值设为12.8；P_s ^*表示有功功率指令，Q_s ^*表示无功功率指令，s表示微分，P_s表示有功功率，Q_s表示无功功率；

步骤7、利用式(14)获得有功电流补偿指令Δu_rd2和无功电流补偿指令Δu_rq2：

式(14)中，k_g1表示有功电流比例调节器比例系数，可将k_g1值设为0.81；k_t1表示有功电流微分增益运算器比例系数，可将k_t1值设为0.02；T₁表示有功电流低通滤波器时间常数，可将T₁值设为0.00796；k_g2表示无功电流比例调节器比例系数，可将k_g2值设为0.81；k_t2表示无功电流微分增益运算器比例系数，可将k_t2值设为0.02；T₂表示无功电流低通滤波器时间常数，可将T₂值设为0.00796；

步骤8、将有功功率指令P_s ^*与有功功率P_s进行求差后输入有功功率外环控制模块G_p(s)获得有功电流指令i_rd ^*；将无功功率指令Q_s ^*与无功功率Q_s进行求差后输入无功功率外环控制模块G_q(s)获得无功电流指令i_rq ^*；G_p(s)和G_q(s)可表示为式(15)：

式(15)中，k_p1表示有功功率外环比例系数，可将k_p1值设为0.6；k_i1表示有功功率外环积分系数，可将k_i1值设为30；k_p2表示无功功率外环比例系数，可将k_p2值设为0.6；k_i2表示无功功率外环积分系数，可将k_i2值设为30；

利用式(16)获得转子d轴电压指令u_rd ^*和转子q轴电压指令u_rq ^*：

式(16)中，k_p3表示有功电流内环比例系数，可将k_p3值设为2；k_p4表示无功电流内环比例系数，可将k_p4值设为0.9；k_i3表示有功电流内环积分系数，可将k_i3值设为8；k_i4表示无功电流内环积分系数，可将k_i4值设为8；s₁表示转差率；U_s表示定子电压的幅值；

步骤9、利用式(17)获得转子电压指令u_rα和u_rβ：

步骤10、将转子电压指令u_rα和u_rβ输入SVPWM模块从而获得PWM信号：以PWM信号控制转子侧变换器，从而完成对双馈风电场的次同步振荡抑制控制。如图4所示，在0.5s时投入串联补偿电容，有功功率开始出现次同步振荡，振荡频率为44Hz，如图5所示，与特征值分析法计算得到的次同步振荡频率相同，在1s时投入转子电压补偿模块，次同步振荡很快得到抑制。

Claims (2)

1.一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制系统，所述双馈风电场中的风力发电机组包括：风力机、轴系、双馈感应发电机、转子侧变换器、电网侧变换器、电网；所述控制系统包括：有功功率外环控制模块，无功功率外环控制模块，有功电流内环控制模块、无功电流内环控制模块、转子侧坐标变换模块、转子侧坐标逆变换模块、功率计算模块和SVPWM模块，其特征是：在所述控制系统中设置有转子电压补偿模块；

所述转子电压补偿模块是由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成；

所述有功功率稳定控制模块是由有功功率比例调节器和有功功率积分调节器组成；

所述无功功率稳定控制模块是由无功功率比例调节器和无功功率积分调节器组成；

所述有功电流比例微分模块是由有功电流比例调节器、有功电流微分调节器、有功电流微分增益运算器和有功电流低通滤波器组成；

所述无功电流比例微分模块是由无功电流比例调节器、无功电流微分调节器、无功电流微分增益运算器和无功电流低通滤波器组成；

所述功率计算模块根据定子d轴电压u_sd、定子q轴电压u_sq、定子d轴电流i_sd和定子q轴电流i_sq计算有功功率P_s和无功功率Q_s，并将所述有功功率P_s与有功功率参考值P_s ^*之间的差值传输给有功功率稳定控制模块的有功功率比例调节器进行运算，所述有功功率比例调节器将运算结果传输给所述有功功率积分调节器进行运算后获得有功功率补偿指令Δu_rd1；所述功率计算模块将所述无功功率Q_s与无功功率参考值Q_s ^*之间的差值传输给无功功率稳定控制模块的无功功率比例调节器进行运算，所述无功功率比例调节器将运算结果传输给所述无功功率积分调节器进行运算后获得无功功率补偿指令Δu_rq1；

所述转子侧坐标变换模块对所获取的双馈风力发电机的三相转子电流i_ra，i_rb和i_rc进行Park变换后获得转子有功电流i_rd和转子无功电流i_rq；并将所述转子有功电流i_rd传输给所述有功电流比例微分模块的有功电流比例调节器进行运算，同时，将所述转子有功电流i_rd传输给所述有功电流比例微分模块的有功电流微分调节器进行运算；所述有功电流微分调节器将运算结果传输给所述有功电流微分增益运算器进行运算，所述有功电流微分增益运算器将运算的结果与有功电流比例调节器运算后的结果相加后传输给所述有功电流低通滤波器，由所述有功电流低通滤波器进行运算后获得有功电流补偿指令Δu_rd2；

所述转子侧坐标变换模块将所述转子无功电流i_rq分别传输给所述无功电流比例微分模块的无功电流比例调节器以及所述无功电流比例微分模块的无功电流微分调节器进行运算，所述无功电流微分调节器将运算结果传输给所述无功电流微分增益运算器进行运算，所述无功电流微分增益运算器将运算后的结果与无功电流比例调节器运算后的结果相加后传输给所述无功电流低通滤波器，由所述无功电流低通滤波器进行运算后获得无功电流补偿指令Δu_rq2；

所述有功电流内环控制模块将其输出值u_rd、所述有功功率补偿指令Δu_rd1以及所述有功电流补偿指令Δu_rd2进行求和获得转子d轴电压指令u_rd ^*；所述无功电流内环控制模块将其输出值u_rq、所述无功功率补偿指令Δu_rq1以及所述无功电流补偿指令Δu_rq2进行求和获得转子q轴电压指令u_rq ^*；

所述转子侧坐标逆变换模块对所述转子d轴电压指令u_rd ^*与所述转子q轴电压指令u_rq ^*通过坐标逆变换后获得转子电压指令u_rα和u_rβ；所述转子电压指令u_rα和u_rβ输入SVPWM模块后获得SVPWM模块输出的PWM控制信号，用于控制所述转子侧变换器，以完成抑制双馈风电场的次同步振荡控制。

2.一种实现次同步振荡抑制的双馈风电场控制方法，是应用于由有功功率外环控制模块，无功功率外环控制模块，有功电流内环控制模块、无功电流内环控制模块、转子侧坐标变换模块、转子侧坐标逆变换模块、功率计算模块和SVPWM模块组成的双馈风电场的控制系统中，所述双馈风电场中的风力发电机组包括：风力机、轴系、双馈感应发电机、转子侧变换器、电网侧变换器、电网；其特征是，所述双馈风电场控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、在所述控制系统中设置有转子电压补偿模块；

所述转子电压补偿模块是由有功功率稳定控制模块、无功功率稳定控制模块、有功电流比例微分模块、无功电流比例微分模块组成；

所述有功功率稳定控制模块是由有功功率比例调节器和有功功率积分调节器组成；

所述无功功率稳定控制模块是由无功功率比例调节器和无功功率积分调节器组成；

所述有功电流比例微分模块是由有功电流比例调节器、有功电流微分调节器、有功电流微分增益运算器和有功电流低通滤波器组成；

所述无功电流比例微分模块是由无功电流比例调节器、无功电流微分调节器、无功电流微分增益运算器和无功电流低通滤波器组成；

步骤2、通过锁相环检测定子电压的角位置θ₁，通过光码盘检测所述双馈感应发电机的转子角位置θ_r，将所述定子电压的角位置θ₁与所述转子的角位置θ_r进行作差计算，获得所述双馈感应发电机的转差角位置θ_s；

步骤3、通过传感器从双馈风力发电机的定子获取三相定子电压u_sa、u_sb、u_sc和三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，并进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，获得定子d轴电压u_sd，定子q轴电压u_sq，定子d轴电流i_sd和定子q轴电流i_sq；

步骤4、通过传感器从双馈风力发电机的转子获取三相转子电流i_ra、i_rb、i_rc，并进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换，获得转子有功电流i_rd和转子无功电流i_rq；

步骤5、利用式(1)获得有功功率补偿指令Δu_rd1和无功功率补偿指令Δu_rq1：

式(1)中，k_p5表示有功功率比例调节器比例系数；k_p6表示无功功率比例调节器比例系数；k_i5表示有功功率积分调节器积分系数；k_i6表示无功功率积分调节器积分系数；P_s ^*表示有功功率指令，Q_s ^*表示无功功率指令，s表示微分，P_s表示有功功率，Q_s表示无功功率；

步骤6、利用式(2)获得有功电流补偿指令Δu_rd2和无功电流补偿指令Δu_rq2：

式(2)中，k_g1表示有功电流比例调节器比例系数；k_t1表示有功电流微分增益运算器比例系数；T₁表示有功电流低通滤波器时间常数；k_g2表示无功电流比例调节器比例系数；k_t2表示无功电流微分增益运算器比例系数；T₂表示无功电流低通滤波器时间常数；

步骤7、利用式(3)获得转子d轴电压指令u_rd ^*和转子q轴电压指令u_rq ^*：

式(4)中，k_p3表示有功电流内环比例系数；k_p4表示无功电流内环比例系数；k_i3表示有功电流内环积分系数；k_i4表示无功电流内环积分系数；L_s表示定子绕组自感；L_r表示转子绕组自感；L_m表示定转子绕组的互感；s₁表示转差率；U_s表示定子电压的幅值；

步骤8、利用式(4)获得转子电压指令u_rα和u_rβ：

步骤9、所述转子电压指令u_rα和u_rβ输入SVPWM模块从而获得PWM信号：以所述PWM信号控制转子侧变换器，以完成抑制双馈风电场的次同步振荡控制。

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