CN113162120B - 一种基于自动虚拟电阻补偿的风电并网系统暂态稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自动虚拟电阻补偿的风电并网系统暂态稳定控制方法，将并网点三相交流电压信号U_t从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，得到两相直流量U_td、U_tq，将U_tq作为锁相环的输入信号；根据U_t的有效值，判断并网逆变器是否进入低电压穿越模式；进入低电压穿越模式后，基于计算得到的虚拟电阻值计算附加q轴虚拟阻抗压降ΔU_tq并将其反馈到锁相环的输入U_tq上，风电并网系统即可根据故障期间ω_PLL与ω_g的偏差量自适应地改善阻抗电势在锁相环坐标系q轴投影的电压分量，以提高风电并网系统故障期间的暂态同步稳定运行能力。本发明可显著改善风电并网系统在故障期间的暂态同步稳定性。

Description

一种基于自动虚拟电阻补偿的风电并网系统暂态稳定控制 方法

技术领域

本发明涉及一种风电并网系统自动虚拟电阻补偿控制方法，适用对象为交流电网短路故障下的风电并网系统，该方法可显著提高交流电网故障期间风电并网系统的暂态稳定性。

背景技术

随着风力发电技术的快速发展，风电装机容量不断增加。受风能资源与用电负荷呈逆向分布的影响，风电并网系统普遍存在大规模远距离输送的特点，导致电网呈现出弱同步电网特性。尤其是当电网发生短路故障时，风电并网系统在低电压穿越期间极有可能发生暂态失稳现象，严重威胁电力系统的安全稳定运行。因此，提高风电并网系统在电网故障期间的暂态稳定性是目前风电发展的关键问题。目前国内外学者已展开了相关研究，如已公开的下列文献：

[1]Peng Sun,JunYao,Ruikuo Liu,et al.Virtual capacitance control forimproving dynamic stability ofthe DFIG-basedwind turbines during asymmetrical fault in a weakAC grid[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2021,68(01):333-346。

[2]Xiuqiang He,Hua Geng,Ruiqi Li,et al.Transient StabilityAnalysisand Enhancement of Renewable Energy Conversion System During LVRT[J].IEEETransactions on Sustainable Energy,2020,11(03):1612-1623。

文献[1]从等效减小线路阻抗的角度，提出了一种基于虚拟电容的改进低电压穿越控制策略。通过在锁相环的控制环路中设置虚拟电容以等效抵消线路的电感效应，从而等效减弱风电并网系统与线路阻抗之间交互特性，达到等效增强电网强度和提高系统小信号同步稳定性的目的，但是该文献并没有考虑风电并网系统的暂态稳定性。文献[2]从改变系统运行点的角度，提出一种将锁相环输出角频率偏差作为有功功率指令补偿项的控制策略，自适应地调节系统的平衡点以避免系统在低电压穿越期间发生暂态失稳现象，但是该策略的控制效果受变流器容量限制，在解决故障期间风电并网系统的暂态稳定问题上具有局限性。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种基于自动虚拟电阻补偿的风电并网系统暂态稳定控制方法，该方法不增加设备硬件，仅改变风电并网系统锁相环的控制结构，就可显著改善风电并网系统在故障期间的暂态同步稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于自动虚拟电阻补偿的风电并网系统暂态稳定控制方法，用于提高风电并网系统在电网短路故障期间的暂态稳定性；具体步骤如下；

A1)风电并网系统采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将并网点三相交流电压信号U_t从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，得到两相直流量U_td、U_tq，并将U_tq作为锁相环的输入信号以实现对电网电压的准确跟踪；

A2)风电并网系统故障期间检测并网点三相交流电压信号U_t的有效值，记为|U_t|，按照下式判断并网逆变器是否进入低电压穿越模式：

其中U_th为电网导则所规定的低电压穿越电压阈值；

A3)风电并网系统进入低电压穿越模式后，按照下式计算虚拟电阻值R_v：

R_v＝k_pR(ω_PLL-ω_g)+k_iR∫(ω_PLL-ω_g)dt

式中，ω_PLL是锁相环输出角频率，ω_g是电网额定角频率，k_pR和k_iR分别为计算虚拟电阻值R_v所用的比例系数和积分系数；

A4)按照下式计算附加q轴虚拟阻抗压降ΔU_tq：

式中，I*q是风电并网系统在低电压穿越期间的无功电流指令；

A5)将步骤A4)计算得到的附加q轴虚拟阻抗压降ΔU_tq反馈到锁相环的输入U_tq上，风电并网系统即可根据故障期间ω_PLL与ω_g的偏差量自适应地改善阻抗电势在锁相环坐标系q轴投影的电压分量，以提高风电并网系统故障期间的暂态同步稳定运行能力。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明引入基于自动虚拟电阻补偿的暂态自适应同步稳定控制策略，可使风电并网系统在故障期间自主地配置合适的虚拟电阻，从而自适应地抵消线路电阻所产生的阻抗压降效应，使风电并网系统可以自主寻找平衡点，显著增强了风电并网系统的暂态同步稳定性。

附图说明

图1为全功率型风电并网系统接入电网的结构示意图。

图2为双馈型风电并网系统接入电网的结构示意图。

图3为本发明所提自动虚拟电阻补偿系统控制结构示意图。

图4为全功率型风电并网系统在低电压穿越期间分别采用传统控制策略和本发明所提自动虚拟电阻补偿控制策略后的仿真波形图。

图5为双馈型风电并网系统在低电压穿越期间分别采用传统控制策略和本发明所提自动虚拟电阻补偿控制策略后的仿真波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

本发明用于增强风电并网系统在电网故障期间的暂态稳定性。图1为全功率型风电并网系统接入电网的结构示意图。图2为双馈型风电并网系统接入电网的结构示意图。图3为本发明所提自动虚拟电阻补偿系统控制结构示意图。在电网短路故障期间，通过采用图3所示的自动虚拟电阻补偿控制策略，可实现风电并网系统自适应地抵消线路电阻所产生的阻抗压降，进而提高风电并网系统的暂态同步稳定性。

本发明的具体实施步骤如下：

A1)风电并网系统采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将并网点三相交流电压信号U_t从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，得到两相直流量U_td、U_tq，并将U_tq作为锁相环的输入信号以实现对电网电压的准确跟踪；

A2)风电并网系统故障期间检测并网点三相交流电压信号U_t的有效值，记为|U_t|，按照下式判断并网逆变器是否进入低电压穿越模式：

其中U_th为电网导则所规定的低电压穿越电压阈值；

A3)风电并网系统进入低电压穿越模式后，按照下式计算虚拟电阻值R_v：

R_v＝k_pR(ω_PLL-ω_g)+k_iR∫(ω_PLL-ω_g)dt

式中，ω_PLL是锁相环输出角频率，ω_g是电网额定角频率，k_pR和k_iR分别为计算虚拟电阻值R_v所用的比例系数和积分系数；

A4)按照下式计算附加q轴虚拟阻抗压降ΔU_tq：

式中，I*q是风电并网系统在低电压穿越期间的无功电流指令；

A5)将步骤A4)计算得到的附加q轴虚拟阻抗压降ΔU_tq反馈到锁相环的输入U_tq上，风电并网系统即可根据故障期间ω_PLL与ω_g的偏差量自适应地改善阻抗电势在锁相环坐标系q轴投影的电压分量，以提高风电并网系统故障期间的暂态同步稳定运行能力。

本发明效果说明：

图4给出了在电网电压跌落至0.2p.u.时，全功率型风电并网系统分别采用传统控制策略与本发明所提自动虚拟电阻补偿控制策略后的仿真波形图。0.1s时刻电网发生三相短路故障，由图4(1)可知，当全功率型风电并网系统采用传统控制策略时，全功率型风电并网系统与电网失去同步，发生了暂态失稳现象。由图4(2)可知，当全功率型风电并网系统采用自动虚拟电阻补偿控制策略后，从仿真结果可以看出，在自动虚拟电阻补偿系统的作用下，全功率型风电并网系统在故障期间存在并可顺利过渡到新的平衡点，显著增强了全功率型风电并网系统的暂态同步稳定性。

图5给出了在电网电压跌落至0.2p.u.时，双馈型风电并网系统分别采用传统控制策略与本发明所提自动虚拟电阻补偿控制策略后的仿真波形图。图中0.2s时刻电网发生三相短路故障，由图5(1)可知，当双馈型风电并网系统采用传统控制策略时，双馈型风电并网系统出现了暂态失稳现象。由图5(2)可知，当双馈型风电并网系统采用自动虚拟电阻补偿控制策略后，在自动虚拟电阻补偿系统的作用下，双馈型风电并网系统在故障期间避免了系统发生暂态失稳，双馈型风电并网系统的暂态同步稳定性显著提高。

由此可见，本发明提出的自动虚拟电阻补偿控制策略可以有效提高风电系统在故障期间的低电压穿越能力，增强了电网的安全稳定运行能力。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种基于自动虚拟电阻补偿的风电并网系统暂态稳定控制方法，用于提高风电并网系统在电网短路故障期间的暂态稳定性；其特征在于：具体步骤如下；

A1)风电并网系统采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将并网点三相交流电压信号U_t从三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系，得到两相直流量U_td、U_tq，并将U_tq作为锁相环的输入信号以实现对电网电压的准确跟踪；

A2)风电并网系统故障期间检测并网点三相交流电压信号U_t的有效值，记为|U_t|，按照下式判断并网逆变器是否进入低电压穿越模式：

其中U_th为电网导则所规定的低电压穿越电压阈值；

A3)风电并网系统进入低电压穿越模式后，按照下式计算虚拟电阻值R_v：

R_v＝k_pR(ω_PLL-ω_g)+k_iR∫(ω_PLL-ω_g)dt

式中，ω_PLL是锁相环输出角频率，ω_g是电网额定角频率，k_pR和k_iR分别为计算虚拟电阻值R_v所用的比例系数和积分系数；

A4)按照下式计算附加q轴虚拟阻抗压降ΔU_tq：

式中，I^* _q是风电并网系统在低电压穿越期间的无功电流指令；

A5)将步骤A4)计算得到的附加q轴虚拟阻抗压降ΔU_tq反馈到锁相环的输入U_tq上，风电并网系统即可根据故障期间ω_PLL与ω_g的偏差量自适应地改善阻抗电势在锁相环坐标系q轴投影的电压分量，以提高风电并网系统故障期间的暂态同步稳定运行能力。

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