CN113169692A - 亚同步振荡和相互作用阻尼的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种基于具有两个旋转向量的自适应状态反馈控制器（132）以及卡尔曼滤波器（131）的集成在转子变流器（100）中的亚同步振荡和相互作用阻尼的方法和系统，通过针对多个可感知场景、在正阻尼的约束下使最大灵敏度最小化来优化卡尔曼滤波器（131）和自适应状态反馈控制器（132）的参数。由所述阻尼模块（130）生成的阻尼信号（210）被应用于功率比例整数控制器（110）或电流比例整数控制器（120）。

Description

亚同步振荡和相互作用阻尼的方法和系统

技术领域

本发明在能源领域内具有其应用，并且尤其是在从事减轻风力涡轮机中的亚同步谐振和相互作用的工业领域中具有其应用。

背景技术

基于风力涡轮机的能量生成系统会受到若干个类型的亚同步相互作用（SSI）的影响。取决于相互作用的系统元件，可以将SSI分类成亚同步谐振（SSR）、亚同步控制相互作用（SSCI）和亚同步扭振（torsional）相互作用（SSTI）。SSR涉及整体发电机-涡轮机系统与串联补偿电网之间的相互作用，SSCI涉及电网与控制器之间的相互作用，并且SSTI涉及机械系统与控制器之间的相互作用。

此外，亚同步谐振（SSR）可能由感应发电机效应（IGE）、扭矩放大（TA）和扭矩相互作用（TI）而引起：

- 感应发电机效应：这种现象是纯电气的，并且出现在具有显著串联补偿的系统中。针对亚同步频率，转子电阻为负。如果其值高于电网电阻，则会感应出亚同步电流。该效应很少发生在同步机器中，并且因此在文献中很少讨论。

- 扭振相互作用：这种现象是纯机械的，并且在发电机中所引发的亚同步扭矩在电气上接近传动系统的固有频率时发生。因此，电力系统与发电机轴之间存在能量交换。通常，当涡轮机惯性与发电机惯性处于同一数量级时，这种现象会在热电厂（thermal plant）中发生。由于它可能导致发电机轴损坏，因此这是关键效应。

- 扭矩放大：这种现象源于系统扰动。每一次扰动会导致突然的电流变化，该电流变化将趋向于振荡。如果这些振荡的频率与发电机轴固有频率中的一个一致，则将产生大的扭矩。

必须注意的是，不仅由于扭振相互作用（TI）、而且还由于机械系统与控制器之间的相互作用（SSTI），扭振模式可能是不稳定的。因此，在这种情况下，电网不起任何作用。相反地，由于电网与控制器之间的相互作用（SSCI），可能会影响电气模式。

尽管在同步发电机中透彻了研究了亚同步事件，但是最初认为，由于电网与传动系统之间的解耦，因此风力发电机不受影响（immune）。然而，后来证明，不同类型的风力涡轮机也可能受到亚同步事件的影响：

- 感应机器可能受到SSR和SSTI的影响，而SSCI是不可能的。感应发电效应在这种情况下具有重要作用。针对所有亚同步频率，转子电阻为负，从而指示高发生概率。然而，这种现象仅在整个系统（即，机器加电网）的电阻为负或等于零时发生。在感应机器的情况下，该负电阻比在同步机器中的电阻至少高十倍（以绝对值），从而增加了发生概率。相反地，在TI的情况下，由于传动系统的固有频率（2-9Hz）远离电网亚同步频率，因此该概率非常低。

- 双馈感应发电机（DFIG）可能受到SSR和SSCI的影响，而未发现SSTI的任何证据。感应发电机效应已经被标识为亚同步效应的主要原因，这与其中扭振相互作用是主要原因的同步机器相反。

- 全变流器（full converter）不可能受到SSTI的影响，而尚未发现SSR和SSCI的任何证据。机器通过变流器直接连接到电网，因此将传动系统和电网完全地解耦。扭振相互作用非常低，并且在较差调整的情况下，仅SSCI能够引发亚同步事件，尽管不存在这种发生的实际证据。

为了减轻亚同步相互作用，已经开发了若干种方法，可以将这些方法分类成滤波和阻尼、控制器的装备和继电器、电力系统动作和结构发电机修改。在滤波和阻尼策略内，有源和无源方法两者在现有技术中是已知的。

无源滤波和阻尼方法：

- 阻止静态滤波器（block static filter），其被插入在升压变压器的高压侧。它们阻止亚同步频率，但是需要电感和电容的硬件并入。

- 动态滤波器，其与发电机串联连接。它们阻尼（damp）由于转子振荡所致的感应电压，但是需要高频电压源处的硬件并入。

- 转子变流器中的PI设置修改的转子电流回路带宽。这些设置对转子电阻（其在亚同步频率下为负）具有显著影响，但是可能与较慢的控制器相互作用。然而，这是最具成本效益的解决方案。

有源滤波和阻尼方法：

- 发电机中的动态稳定器。控制所吸收的电流，并且获得正阻尼，但是需要通过晶闸管的受控电抗的硬件并入。

- 发电机中的同步机器励磁控制器（excitation controller）或变流器中的辅助控制器。它呈现出低成本和大稳定性裕度，但是如果辅助控制器位于电网变流器中，则其对于高补偿因子而言可能是无效的。

特别地，已经提出了聚焦于转子变流器的若干种解决方案。例如，WO 2011/112571A2公开了一种在变流器中实现的软件解决方案，该解决方案通过调节供应给电网的电压来阻尼振荡。涡轮机可以基于本地或远程电压、电流或功率测量结果来主动地阻尼亚同步谐振（SSR）电压、电流和/或功率振荡，使得涡轮机的SSR阻尼功能仅在本地或远程地检测到SSR振荡时是活动的。涡轮机通过避免使用单独的灵活交流（AC）传输系统控制器以用于阻尼SSR振荡，从而节省了成本。

EP 2 544 358 A1公开了在变流器中实现的另一种软件解决方案，该解决方案构建了新的磁通参考和阻尼信号。将阻尼信号和转子磁通参考相加，以获得经修改的转子磁通参考，该经修改的转子磁通参考进而被馈送到转子侧上的控制器以用于SSR阻尼。

最后，还提出了用于避免SSCI的两级控制器。第一级的目标是亚同步谐振频率估计，而第二级直接阻尼该分量。

这些解决方案假定该网络针对超同步分量呈现出正阻尼。然而，已经观察到的是，在弱电网的情况下，亚同步与超同步模式之间的距离会增加，并且超同步模式也可能是不稳定的。

综上所述，在滤波和阻尼方法内，现有技术中仍然需要有效的解决方案，该解决方案以有效且自适应的方式来防止亚同步和超同步相互作用和振荡。

发明内容

本发明通过公开一种基于具有两个旋转向量（防止来自亚同步和超同步模式的谐振）的状态反馈控制器和卡尔曼滤波器的亚同步振荡和相互作用阻尼技术来解决上述问题，该卡尔曼滤波器和状态反馈控制器被集成在转子变流器中。

在本发明的第一方面，公开了一种SSI阻尼系统，其包括：

- 测量输入的测量部件，该输入优选地在风力涡轮机有功功率（P）与公共耦合电压（Vpcc）之间被选择。

- 集成在转子变流器中的阻尼模块，该阻尼模块通过具有两个旋转向量的状态反馈控制器和卡尔曼滤波器来根据输入功率测量结果生成阻尼信号，这两个旋转向量通常一个用于亚同步振荡，并且一个用于超同步模式。

- 至少一个比例整数（PI）控制器，其并入通过其输入之一的阻尼信号，并且生成输出信号。

- 将输出信号应用于机器转子的控制部件。

在第一优选选项中，阻尼模块的输出在减法模块处的减法之后被应用于功率PI控制器的输入。在这种情况下，从有功功率的设定点值（P_ref）或无功功率的设定点值（Q_ref）中减去阻尼信号。

在第二优选选项中，阻尼模块的输出在减法模块处的减法之后被应用于电流PI控制器的输入。在这种情况下，从设定点d轴转子电流分量（id_ref）中减去阻尼信号。所述设定点d轴转子电流分量（id_ref）可以优选地在功率PI控制器处根据有功功率（P）和设定点无功功率（Q_ref）来计算；或者根据无功功率（Q）和设定点无功功率（Q_ref）来计算。在从设定点d轴转子电流分量（id_ref）中减去阻尼信号之前，在乘法器处将阻尼信号乘以感应发电机（IG）磁化电感（Lm）与IG定子电感（Ls）之间的关系。定子电感（Ls）被计算为磁化电感（Lm）和定子泄漏电感的总和。

在本发明的另一方面，公开了一种亚同步振荡和相互作用阻尼方法，包括以下步骤：

- 测量输入信号，该输入信号优选地在风力涡轮机有功功率（P）与公共耦合电压（Vpcc）之间被选择。

- 通过应用具有两个旋转向量的状态反馈控制器和卡尔曼滤波器来根据输入功率测量结果生成阻尼信号。卡尔曼滤波器优选地作为具有采样时间（Ts）的离散时间状态空间模型而被应用。

优选地，两个旋转向量的变量包括第一频率、第二频率、第一增益、第二增益、第三增益和第四增益。更优选地，通过针对多个风力涡轮机发电设备场景、在正阻尼的约束下使最大灵敏度最小化来优化两个旋转向量的变量。更优选地，该多个场景考虑风速、电网电抗、补偿因子和/或无功功率中的变化。

- 将阻尼信号并入到PI控制器的输入，该PI控制器优选地在功率PI控制器与电流PI控制器之间被选择。

- 将PI控制器的输出应用于机器转子。

最后，在本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序实现本发明的方法，因此控制本发明的系统并且处理所涉及的数据。该计算机程序包括计算机程序代码部件，该计算机程序代码部件被适配成当在计算机、数字信号处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路、微处理器、微控制器、或任何其他形式的可编程硬件上运行时执行本发明的方法的任何实施例。要注意的是，本发明的系统的任何优选实施例或选项可以应用于本发明的方法和计算机程序，并且反之亦然。

利用所公开的系统、方法和计算机程序，提供了能够阻尼亚同步和超同步振荡两者的有效的、自适应的且具有成本效益的解决方案。

附图说明

出于帮助理解本发明的特性的目的，根据本发明的优选实际实施例并且为了补充本描述，以下附图作为本发明的整体部分被附加，其具有说明性和非限制性的特性：

图1示意性地描绘了本发明的SSI阻尼系统的第一实施例，其中阻尼信号被应用于电流PI控制器。

图2示意性地描绘了本发明的SSI阻尼系统的第二实施例，其中阻尼信号被应用于功率PI控制器。

图3进一步详细地示出了根据本发明的优选实施例的阻尼模块的组件。

图4是根据本发明的优选实施例的计算卡尔曼滤波器设置的过程的流程图。

具体实施方式

提供在本详细描述中定义的内容是为了帮助全面理解本发明。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行变化、改变和修改。此外，为了清楚和简明，省略了对众所周知的功能和元件的描述。

要注意的是，在本文中，术语“包括”及其派生词（诸如，“包含”等）不应被理解为排除意义，即，这些术语不应被解释为排除所描述和定义的内容可能包括另外的元素、步骤等的可能性。

图1示出了本发明的系统的第一优选实施例，其中阻尼模块130实现了本发明的方法和计算机程序的第一优选实施例的步骤。阻尼模块130是集成在转子变流器100中的辅助控制器，转子变流器100至少包括功率比例整数（PI）控制器110和电流PI控制器120。要注意的是，在转子变流器100不提供足够的能力来实现阻尼模块130的情况下，所述阻尼模块130可以在任何附加装置中实现，该附加装置诸如外部静态同步补偿器（STATCOM）。

阻尼模块130的输入变量是从风力涡轮机有功功率（P）或公共耦合电压（Vpcc）中选择的功率测量结果200。在阻尼模块130中，仅需要这两个测量结果200中的一个，即风力涡轮机有功功率或公共耦合电压。一旦定义了功率系统配置，就可以通过先前的数学分析来选择最优测量结果200。阻尼模块的输出是阻尼信号210，该阻尼信号210在减法模块140处从无功功率的期望值或设定点值Q_ref中被减去。所得的阻尼信号220与通过发电机定子供应的无功功率Q一起被引入功率PI控制器110中。输出是与定子电压空间向量同步移动的参考系（reference frame）中的设定点q轴转子电流分量iq_ref。参考系d轴与定子电压空间向量对齐，而q轴与定子电压空间向量正交。在采用定子磁通作为参考的情况下，输出是设定点d轴转子电流分量。

d轴和q轴转子电流分量的设定点（id_ref和iq_ref）与所测量的d轴和q轴转子电流分量（id和iq）一起被引入电流PI控制器120中，从而生成输出信号230。输出信号230包括由转子变流器应用于机器转子的电压空间向量的d轴和q轴分量。这两个信号被用于转子变流器的脉宽调制（PWM）发电机中。

要注意的是，本发明可以用单个阻尼模块130来实现，该阻尼模块130可以被应用于设定点有功功率P_ref或通过发电机定子供应的设定点无功功率Q_ref。为了确定这两个选项中的哪一个提供了更优化的SSI阻尼，可以进行先前的数学分析。

图2示出了本发明的系统的第二优选实施例，其中阻尼模块130实现了本发明的方法和计算机程序的第二优选实施例的步骤。在这种情况下，阻尼模块作为设定点d轴转子电流分量id_ref的减法被应用于电流PI控制器120的输入。也就是说，第一功率PI控制器110的输入是根据所测量的转子速度和所估计的电动机扭矩而计算出的有功功率P、以及设定点无功功率Q_ref；第二功率PI控制器110的输入是无功功率Q和设定点无功功率Q_ref；以及电流PI控制器120的输入是阻尼信号220和设定点d轴转子电流分量id_ref。要注意的是，在从设定点d轴转子电流分量id_ref中减去阻尼信号210以生成阻尼信号220之前，在乘法器150处或阻尼模块本身处将阻尼信号210乘以感应发电机（IG）磁化电感（Lm）与IG定子电感（Ls）之间的关系。定子电感（Ls）被计算为磁化电感（Lm）和定子泄漏电感的总和。

如在先前情况中那样，要注意的是，本发明可以用单个阻尼模块130来实现，该阻尼模块130可以被应用于设定点有功功率P_ref或通过发电机定子供应的设定点无功功率Q_ref。为了确定这两个选项中的哪一个提供了更优化的SSI阻尼，可以进行先前的数学分析。

图3更详细地示出了阻尼模块130的优选实施例的组件，即状态反馈控制器132和卡尔曼滤波器131。卡尔曼滤波器131估计由以恒定频率f₁和f₂旋转的两个旋转空间向量以及直流（DC）值组成的状态空间信号模型的状态变量。通常，一个旋转向量顺时针旋转，而另一个旋转向量逆时针旋转，并且因此频率f₁和f₂具有相反的符号。

该模型的状态变量是每个空间向量的实部和虚部、以及DC值。如果y(t)表示所测量的信号，则根据所提出的模型，可以将其估计为：

其中A₀是dc分量，并且A₁和A₂是用于表示信号y(t)的旋转向量的幅度。将状态变量定义为：

并且，状态空间模型是：

其中X(t)是状态向量，A是状态矩阵，并且W(t)是过程噪声向量。

所估计的输出

由旋转向量的实部（x ₁和x ₃）以及dc分量（x ₅）的总和来表示：

其中C是输出矩阵，并且v(t)是测量噪声。

过程噪声和测量噪声的方差是先前通过试错法（trial-and-error）来定义的，以便在示例的测量输出与估计输出之间实现满意的匹配。根据卡尔曼滤波公式，最优状态估计被计算如下：

其中K_e是根据噪声方差和模型矩阵所计算的最优卡尔曼增益。通过对上述微分方程进行积分，获得所估计的状态向量

。

然后，使用模型空间向量的实部和虚部的线性组合作为控制变量u(t)来应用状态反馈控制器132：

。

在该控制变量计算中，不使用DC值来保证具有等于0的DC增益的控制器。被应用于状态变量的增益k_c1、k_c2、k_c3和k_c4以及频率f₁和f₂是阻尼模块130稳定器的六个设计参数。阻尼模块130模块的最终状态空间模型被表达如下：

其中E = A−K _e C，G = K _e 并且H = −K _c 。该模型是单输入单输出（SISO）、线性且时不变的（LTI）。因此，可以计算等效的五阶传递函数来确切地表示该SISO和LTI模型。该传递函数的结构可以写为：

其中ρ₁和w_n1分别是该滤波器传递函数中的低频二阶分量的阻尼因子和固有频率（rad/s）；ρ₂和w_n2分别是该滤波器传递函数中的高频二阶分量的阻尼因子和固有频率（rad/s）；ρ₃和w_n3分别是该滤波器传递函数中的二阶零点的阻尼因子和固有频率（rad/s）；K是该滤波器传递函数的附加增益；T₁是超前-滞后一阶补偿器中的超前时间常数；T₂是超前-滞后一阶补偿器中的滞后时间常数。

要注意的是，阻尼模块130没有作为传递函数而被应用，这是因为这种实现方式的鲁棒性较低。然而，传递函数对于理解阻尼模块130在频域中的效果来说是有用的。F(s)示出了，所得的阻尼模块130是在两个不同频率w_n1和w_n2（以rad/s为单位）处同步的双带通滤波器、连同一阶超前-滞后补偿器，用以实现可接受的稳定性裕度。连接到发电机的电网越弱，w_n1与w_n2之间所需的间隔就越大。当应对弱电网时，将带通滤波器分成两部分（在频率w_n1和w_n2周围）是非常方便的。

通过具有采样时间T_s的离散时间状态空间模型以及以下公式来获得最鲁棒的实时实现方式：

其中M = A_d−K _e C，并且

。

图4呈现了用于鲁棒操作的卡尔曼滤波器和状态反馈控制器设置的离线调整（off-line tuning）的优选实施例。首先定义310可感知操作，然后计算320设备集合（setof plants），进行330优化过程，并且作为结果，定义340卡尔曼滤波器和状态反馈控制器设置。卡尔曼滤波器和状态反馈控制器需要六个调整参数，这六个调整参数对应于两个旋转向量的频率（卡尔曼滤波器）和应用于两个旋转向量的正弦和余弦分量的四个增益（状态反馈控制器）。对这些参数进行调整，以用于获得针对整个操作场景的鲁棒解决方案，该整个操作场景暗示了不同的风速、无功功率水平和短路阻抗。该优化中采用的稳定性标准是最小阻尼和最大灵敏度。目标函数是对所有可能场景的最大灵敏度的最小化，从而保证该系统稳定。这意味着，在所有考虑的场景中，整个系统（即，机器控制器、变流器和电网）的最小阻尼应当为正。

对阻尼模块130进行调整涉及使用可行设备的集合所实施的优化。该设备集合是通过在不同的操作点和关键参数值处对功率系统非线性模型进行线性化来定义的。例如，当为了阻尼模块130调整目的而定义设备集合时，考虑风速、电网电抗、补偿因子或无功功率的不同值。优化参数是阻尼模块130中的增益k_c1、k_c2、k_c3和k_c4以及频率f₁和f₂，而噪声卡尔曼滤波器方差被设置为常数值。优化成本函数是具有所选阻尼模块130的系统的最大灵敏度。只有在功率系统的稳定性被保证的情况下，该优化成本函数才被认为是有效的，即，通过模态分析所计算的最小阻尼必须大于零。该优化成本函数是鲁棒控制理论中的标准选择。

Claims (15)

1.一种亚同步振荡和相互作用阻尼的系统，包括：

- 测量部件，其被适配成测量输入功率测量结果（200）；

- 至少一个阻尼模块（130），其被集成在转子变流器（100）中，其中所述至少一个阻尼模块（130）被适配成根据所述输入功率测量结果（200）来生成输出阻尼信号（210）；

- 至少一个比例整数控制器，其被集成在转子变流器（100）中，其中所述阻尼信号（210）被并入到所述至少一个比例整数控制器的输入；以及

- 控制部件，其被适配成将所述至少一个比例整数控制器的输出应用于机器转子；

其特征在于，所述至少一个阻尼模块（130）进一步包括：具有用于亚同步模式的第一旋转向量和用于超同步模式的第二旋转向量的状态反馈控制器（132）和卡尔曼滤波器（131）。

2.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，在其输入中并入了所述阻尼信号（210）的比例整数控制器是功率比例整数控制器（110）。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括在所述功率比例整数控制器（110）的输入处的减法模块（140），所述减法模块（140）从有功功率的设定点值（P_ref）中减去所述阻尼信号（210）。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括在所述功率比例整数控制器（110）的输入处的减法模块（140），所述减法模块（140）从无功功率的设定点值（Q_ref）中减去所述阻尼信号（210）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，在其输入中并入了所述阻尼信号（210）的比例整数控制器是电流比例整数控制器（120）。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括乘法器模块（150），所述乘法器模块（150）将所述阻尼信号（210）乘以感应发电机磁化电感（Lm）与定子电感（Ls）之间的关系；以及在所述电流比例整数控制器（120）的输入处的减法模块（140），所述减法模块（140）从设定点d轴转子电流分量（id_ref）中减去经相乘的阻尼信号（210）。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在功率比例整数控制器（110）处使用有功功率（P）和设定点有功功率（P_ref）作为输入来计算设定点d轴转子电流分量（id_ref）。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在功率比例整数控制器（110）处使用有功功率（P）和设定点无功功率（Q_ref）作为输入来计算设定点d轴转子电流分量（id_ref）。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述输入功率测量结果（200）在风力涡轮机有功功率（P）与公共耦合电压（Vpcc）之间被选择。

10.一种亚同步振荡和相互作用阻尼的方法，包括：

- 测量输入功率测量结果（200）；

- 根据所述输入功率测量结果（200）来生成输出阻尼信号（210）；以及

- 将所述阻尼信号（210）并入到至少一个比例整数控制器的输入；

- 将所述至少一个比例整数控制器的输出应用于机器转子；

其特征在于，生成所述输出阻尼信号（210）的步骤进一步包括：应用具有用于亚同步模式的第一旋转向量和用于超同步模式的第二旋转向量的状态反馈控制器（132）和卡尔曼滤波器（131）。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，第一旋转向量的变量包括第一频率（f₁）、第一增益（k_c1）和第二增益（k_c2）；并且第二旋转向量的变量包括第二频率（f₂）、第三增益（k_c3）和第四增益（k_c4）。

12.根据权利要求10和11中任一项所述的方法，其特征在于，通过具有采样时间（T_s）的离散时间状态空间模型来应用所述卡尔曼滤波器（131）。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：通过针对多个风力涡轮机发电设备场景、在正阻尼的约束下使最大灵敏度最小化来优化第一旋转向量和第二旋转向量的变量。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述多个风力涡轮机发电设备场景包括从风速、电网电抗、补偿因子和无功功率中选择的至少一个参数的变化。

15.一种包括计算机程序代码部件的计算机程序，所述计算机程序代码部件被适配成：当所述程序在计算机、数字信号处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路、微处理器、微控制器、或任何其他形式的可编程硬件上运行时，执行根据来自权利要求8至13的任何权利要求所述的方法的步骤。

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