CN112886611A - 一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法，其步骤包括：1、建立直驱风机发电系统并入弱交流电网的全系统数学模型，经线性化后，建立小信号模型；2、基于小信号模型进行特征根计算，判断出次同步振荡模态，计算次同步振荡模态的参与因子，得出各状态变量对该次同步振荡模态的参与程度，确定影响次同步振荡的元器件；3、基于Matlab/Simulink仿真软件搭建了直驱风机并网系统仿真模型，并在PCC点附加移相变压器。本发明能从源头上隔绝网侧换流器与弱交流电网的交互，从而抑制次同步振荡。

Description

一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法

技术领域

本发明属于直驱风机技术领域，具体涉及一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法。

背景技术

随着我国对新能源发电的推广，风力发电装机容量逐年增加，其中，直驱风机因其无齿轮箱和励磁控制系统，具有便于维护、可靠性好、效率高等优点，在风力发电中得到了广泛应用。

然而，随着多种新能源发电并网、电力电子元器件覆盖电力系统的各个环节，电网稳定性逐渐被削弱，增大了直驱风机不经串联补偿装置并网引起次同步振荡的风险。2015年，我国新疆某直驱风电场向附近无串补交流电网供电时，引发了持续的次同步振荡现象，导致沿线数百公里外的汽轮机组因保护动作而发生严重的切机事故，影响了区域电网稳定性。尽管由大型汽轮机组导致的次同步扭振和双馈感应风机接入高串补度电网导致的次同步控制交互现象已得到了大量的研究，然而2015年由直驱风机引发的次同步振荡现象首次被观察到，并且学术界对此次工程事故的机理一直没有明确的阐述。

针对风电并网次同步振荡抑制问题，常用的有两种措施，包括：一、根据换流器控制系数对次同步振荡的影响趋势，调节换流器控制系数，然而这将导致风机换流器无法达到最优控制目标；二、通过引入阻尼控制环节或者引入虚拟电阻环节，但是在工程实际中会受到控制器硬件的限制，在已建成投运的风电场中难以增设额外的控制回路。同时这两种措施都是针对单个次同步振荡模式设计的，事实上，2015年新疆直驱风机次同步振荡事故被监测到有多个次同步振荡模式，因此目前的抑制措施工程适用性较差。

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，提出一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法，以期能从源头上隔绝网侧换流器与弱交流电网的交互，从而抑制次同步振荡。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法的特点包括如下步骤：

步骤1、建立直驱风机并网系统中各元器件的动态数学模型，所述直驱风机并网系统是由直驱风机发电系统并入弱交流电网组成，所述直驱风机发电系统是由风力机、轴系、永磁同步发电机、机侧换流器、网侧换流器、PLL和直流电容器组成；

步骤2、根据各元器件的动态数学模型，得到直驱风机发电系统并入弱交流电网的全系统数学模型，并对所述全系统数学模型进行线性化处理，从而建立所述直驱风机并网系统的小信号模型；

步骤3、对所述小信号模型的状态矩阵进行特征根计算，得到左、右特征向量以及特征值；再从所述特征值中选取直驱风机并网系统的次同步振荡模态，并判断所述次同步振荡模态的稳定性；

步骤4、利用左、右特征向量，对所述次同步振荡模态进行归一化参与因子计算，得出状态矩阵中各状态变量对所述次同步振荡模态的参与程度，从而判断出所述直驱风机并网系统的次同步振荡是由网侧换流器与弱交流电网的交互作用所产生的；

步骤5、在Matlab/Simulink仿真软件中搭建直驱风机并网系统仿真模型，用于复现次同步振荡现象，并得到网侧A相电压随时间变化的响应曲线及其具体的次同步振荡频率分布；

步骤5.1、所述直驱风机并网系统仿真模型包括：桨距角控制系统、风轮机、永磁同步发电机、crowbar保护电路、机侧换流器及其控制系统、网侧换流器及其控制系统、直流电容、滤波器、PLL、升压变压器、输电线路、三相无穷大电源；

步骤5.2、通过增大输电线路的长度来增大所述直驱风机并网系统仿真模型的等效电抗，从而构建一个弱交流电网环境；

步骤5.3、向所述直驱风机并网系统模型中输入电压U_z、风速v_w、输电线路总阻抗R+jX、基准频率f_N并运行仿真，得到网侧A相电压随时间变化的响应曲线，并对所述响应曲线进行FFT分析，从而获得频率f的分布，若2.5＜f＜50且网侧A相电压波形振荡发散，则表示发生次同步振荡现象；

步骤6、在PCC点附加移相变压器代替原有的升压变压器，以抑制次同步振荡。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明利用小信号分析法获得次同步振荡模态的影响因素，内部机理明确，便于从物理层面直接找出引发弱电网中直驱风机次同步振荡的关键元器件。

2、本发明利用小信号模型判断出直驱风机次同步振荡现象是由网侧换流器与弱交流电网的交互作用产生的；从而在PCC点附加移相变压器，使得能从源头上阻断网侧变换器与弱交流电网的交互作用，以抑制次同步振荡的发生，而不需要对网侧换流器的控制结构或控制参数有任何改动，保证了其实现最优的控制目标。

3、目前的抑制措施一般针对单台风电机者或者单机等值的风场所发生的单个次同步振荡模式设计的，然而实际上，大规模风电场内机组间差异较大，机组之间存在复杂的交互作用，次同步振荡现象发生时一般存在多个次同步振荡模式，本发明在PCC点附加移相变压器，能够应对大规模直驱风场并入弱交流电网下多个次同步振荡模式的发生，工程上适用性更高。

4、本发明的移相变压器还可以用于控制电力系统的潮流分布，提高电网运行的稳定性，保障了大规模风电场经高压直流远距离输出工程的可靠性，经济性更好。

附图说明

图1为本发明中机侧换流器控制系统框图；

图2为本发明中网侧换流器控制系统框图；

图3为本发明中直驱风机并网系统拓扑结构图；

图4为本发明实例中次同步振荡模态的归一化参与因子计算结果图；

图5a为本发明实例中短路比变化时的A相电压仿真图；

图5b为本发明实例中短路比变化时的A相电压FFT分析图；

图6为本发明实例中附加移相变压器时的A相电压仿真图。

具体实施方式

下面将结合具体实施方式和附图对本发明技术方案作进一步具体说明

本实施例中，一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法是按如下步骤进行：

步骤1、建立直驱风机并网系统中各元器件动态模型；

直驱风机并网系统由直驱风机发电系统并入弱交流电网组成；其中，直驱风机发电系统是主要由风力机、轴系、永磁同步发电机、背靠背换流器、PLL、直流电容器构成；

步骤1.1、利用式(1)建立风力机模型：

式(1)中，R为风力机叶片半径；C_p风能利用系数；ρ为空气密度；v_w为风速；ω_t为风力机转速；T_M为风力机的机械转矩。

步骤1.2、利用式(2)建立单质量块轴系模型：

式(2)中，J为永磁同步发电机的转动惯量。

步骤1.3、利用式(3)建立永磁同步发电机模型：

T_e＝1.5N_pi_sqψ_f (3)

式(3)中，T_e为永磁同步发电机电磁转矩；ψ_f为磁通；N_p为发电机极对数。

步骤1.4、利用式(4)建立机侧换流器模型，电流流向采用电动机惯例，机侧换流器控制系统框图如图1所示；

式(4)中，i_sd、i_sq分别为定子电流的d、q轴分量；u_sd、u_sq分别为定子电压的d、q轴分量；R_s、L_s分别为定子电阻和电感；ω_r为发电机转速；K_p1、K_i1分别为d轴电流比例、积分增益；K_p2、K_i2分别为q轴电流比例、积分增益；K_p3、K_i3分别为转速外环比例、积分增益。

步骤1.5、利用式(5)建立PLL模型：

式(5)中，u_gq为PCC点电压的q轴分量；ω_PLL为锁相环测得的电网角速度；ω_g为基准角速度；K_{p_PLL}、K_{i_PLL}分布为PLL比例、积分增益。

步骤1.6、利用式(6)建立网侧换流器模型，网侧换流器控制系统框图如图2所示；

式(6)中，i_gd、i_gq分别为网侧换流器出口电流的d、q轴分量；u_id、u_iq分别为网侧换流器出口电压的d、q轴分量；u_dc为网侧换流器直流侧电容电压；L_g为滤波电感；u_gd为PCC点电压的d轴分量；K_p4、K_i4分别为直流电压比例、积分增益；K_p5、K_i5分别为d轴电流比例、积分增益；K_p6、K_i6分别为q轴电流比例、积分增益。

步骤1.7、利用式(7)建立直流电容器模型：

式(7)中，C_dc为网侧换流器直流侧电容。

步骤1.8、利用式(8)建立输电线路模型：

式中(8)，i_ld、i_lq分别为输电线路电流的d、q轴分量；u_zd、u_zq分别为电网电压的d、q轴分量；L₁、R₁、C₁分别输电线路的电感、电阻和电容；K为升压变压器变比。

步骤2、根据步骤1各元件的模型，联立推导出直驱风机并入弱交流电网的全系统数学模型，经线性化，建立系统的小信号模型。

步骤2.1、利用式(9)建立全系统数学模型，由18个微分方程和7个代数方程组成；

步骤2.2、选取平衡点v_w＝11m/s，计算出各变量的初始值，将其代入式(9)，可将其线性化，从而建立系统的小信号模型，如式(10)所示：

式(10)中，Δx、Δu分别为线性化后的状态变量和输入变量；矩阵H、F分别为小信号模型的状态矩阵和代数矩阵；小信号模型中状态变量有18个，输入变量有10个，其中，状态变量x＝[ω_t,x₁,x₂,x₃,i_sd,i_sq,x_PLL,θ_PLL,x₄,x₅,x₆,i_gd,i_gq,u_dc,u_gd,u_gq,i_ld,i_lq]。

步骤3、根据步骤2所建立的小信号模型，对状态矩阵H进行特征根计算，得到直驱风机并入弱交流电网的振荡模态，如式(11)所示：

λ_1,2＝σ±j2πf (11)

步骤3.1、若2.5＜f＜50，则该振荡模态为次同步振荡模态；

步骤3.2、若σ＜0，则该频率下不发生振荡或者振荡收敛；

步骤3.3、若σ＞0，则该频率下的振荡模态不稳定；

根据上述步骤可以选取系统的次同步振荡模态，并且判断出该次同步振荡模态的稳定性。

步骤4、对次同步振荡模态进行归一化参与因子计算，得出各状态变量对该次同步振荡模态的参与程度，从物理层面判断出全系统中影响该次同步振荡模态的元器件，即网侧换流器与弱交流电网的交互作用。

步骤5、如图3所示，在Matlab/Simulink仿真软件中搭建直驱风机并网系统模型。

步骤5.1、建立直驱风机发电系统模型，主要包括桨距角控制系统、风轮机、永磁同步发电机、crowbar保护电路、机侧换流器及其控制系统、网侧换流器及其控制系统、直流耦合电容、滤波器、PLL、升压变压器；

步骤5.2、建立弱交流电网模型，通常电网的强弱用短路比(SCR)表示，利用式(12)表示SCR，当2＜SCR＜10时，为弱电网；当SCR＜2时，为极弱电网。

式(12)中，P_SC为系统的短路容量；P_N为接入电网设备的额定容量；x_pu为系统等效电抗标幺值。

根据式(12)，通过增大输电线路总电抗，即可降低SCR以构建一个弱交流电网环境。

步骤5.3、运行仿真，对网侧A相电压U_a开展FFT分析，获得具体的次同步振荡频率分布。

步骤6、在PCC点附加移相变压器(PST)代替原有的升压变压器，即将图3中的移相变压器投入，把原有升压变压器切出，一方面，实现一次侧、二次侧电压的相位偏移，消除直驱风机网侧换流器输出电压中的次同步频率分量的谐波，另一方面，将网侧换流器与弱交流电网电气隔离，阻断网侧换流器与弱交流电网之间的交互作用，达到抑制次同步振荡的目的。

实施例：

以单台风机接入30kv电压等级的大电网为例：

表1直驱风机并网系统参数

1、按照表1参数开展小信号建模及分析，设置SCR为2，得到1组不稳定的次同步振荡模态λ_1,2＝0.825±j222.739，该次同步振荡模态表现为负阻尼，对应的次同步振荡频率为35.45Hz，归一化参与因子计算结果如图4所示。从图4可以看出次同步振荡模态受参数i_gd、i_gq、u_gd、u_gq的影响程度大，因此可以确定直驱风机次同步振荡的产生是因为网侧换流器与弱交流电网的交互作用。

2、按照表1参数在Simulink仿真软件建立直驱风机并网模型，设置系统短路比为2.8，仿真总时间为6s，运行到第2s时，将短路比降为2。如图5a所示，2s后网侧A相电压波形振荡发散；同时对所述波形作FFT分析，如图5b所示，含有次同步分量15Hz、超同步分量85Hz，则2s后直驱风机并网系统发生次同步振荡。

3、仿真总时间为6s，运行到第2s时，在PCC点附加移相变压器，设置移相变压器的移相角度为+5度。如图6所示，系统在2s前发生不稳定的次同步振荡，A相电压波形振荡发散，2s后系统恢复稳定，达到抑制次同步振荡的目标。

Claims (1)

1.一种直驱风机并网系统的次同步振荡抑制方法，其特征包括如下步骤：

步骤1、建立直驱风机并网系统中各元器件的动态数学模型，所述直驱风机并网系统是由直驱风机发电系统并入弱交流电网组成，所述直驱风机发电系统是由风力机、轴系、永磁同步发电机、机侧换流器、网侧换流器、PLL和直流电容器组成；

步骤2、根据各元器件的动态数学模型，得到直驱风机发电系统并入弱交流电网的全系统数学模型，并对所述全系统数学模型进行线性化处理，从而建立所述直驱风机并网系统的小信号模型；

步骤3、对所述小信号模型的状态矩阵进行特征根计算，得到左、右特征向量以及特征值；再从所述特征值中选取直驱风机并网系统的次同步振荡模态，并判断所述次同步振荡模态的稳定性；

步骤4、利用左、右特征向量，对所述次同步振荡模态进行归一化参与因子计算，得出状态矩阵中各状态变量对所述次同步振荡模态的参与程度，从而判断出所述直驱风机并网系统的次同步振荡是由网侧换流器与弱交流电网的交互作用所产生的；

步骤5、在Matlab/Simulink仿真软件中搭建直驱风机并网系统仿真模型，用于复现次同步振荡现象，并得到网侧A相电压随时间变化的响应曲线及其具体的次同步振荡频率分布；

步骤5.1、所述直驱风机并网系统仿真模型包括：桨距角控制系统、风轮机、永磁同步发电机、crowbar保护电路、机侧换流器及其控制系统、网侧换流器及其控制系统、直流电容、滤波器、PLL、升压变压器、输电线路、三相无穷大电源；

步骤5.2、通过增大输电线路的长度来增大所述直驱风机并网系统仿真模型的等效电抗，从而构建一个弱交流电网环境；

步骤5.3、向所述直驱风机并网系统模型中输入电压U_z、风速v_w、输电线路总阻抗R+jX、基准频率f_N并运行仿真，得到网侧A相电压随时间变化的响应曲线，并对所述响应曲线进行FFT分析，从而获得频率f的分布，若2.5＜f＜50且网侧A相电压波形振荡发散，则表示发生次同步振荡现象；

步骤6、在PCC点附加移相变压器代替原有的升压变压器，以抑制次同步振荡。

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