CN113517715B - 一种基于自动电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自动电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制方法，若系统进入低电压穿越模式，利用电网电压d轴定向方式将并网点三相电压信号由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到两相直流量U _sd、U _sq，将U _sq作为锁相环的输入信号，再依次计算锁相环输出角频率、输出角频率偏差、附加的自适应q轴电流调节量，最后计算风力发电并网系统在低电压穿越期间的d、q轴输出电流指令值：将得到的低电压穿越期间的有功、无功电流指令值进行后续控制，使风力发电并网系统重新具备平衡点并成功实现低电压穿越。本发明仅自适应改变风力发电并网系统q轴电流指令的控制策略，就可提高风力发电系统的暂态稳定性。

Description

一种基于自动电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制 方法

技术领域

本发明涉及一种基于自动电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制方法，该方法可改善电网低电压穿越期间风力发电并网系统的暂态稳定性，使风力发电并网系统重新具备平衡点并成功实现低电压穿越。

背景技术

随着风电技术的不断发展，风力发电并网系统容量持续增加。由于用电负荷与风能资源的分布呈逆向状态，使得风电场与电网呈弱连接状态，在电网短路故障下风力发电并网系统的暂态稳定性将受到严重威胁，当风力发电并网系统在低电压穿越期间时易发生暂态失稳，给电网的安全稳定运行带来严重威胁。因此，提高风力发电并网系统的暂态稳定性是大规模风电场站接入电力系统的关键性问题。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]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(3):1612-1623。

[2]Jiabing Hu,Bo Wang,Weisheng Wang,et al.Small Signal Dynamics ofDFIG-Based Wind Turbines During Riding Through Symmetrical Faults in Weak ACGrid[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2017,32(2):720-730。

文献[1]具体涉及一种基于自适应改变风电并网系统平衡点的暂态致稳控制方法，通过将锁相环输出角频率与电网角频率额定值之差得到锁相环输出角频率偏差,将其引入到有功功率调整中，形成一种有功功率负反馈调整机制，使风力发电并网系统可根据锁相环输出角频率的变化趋势自动地调整其有功功率指令，该方法可改善电网故障期间风力发电并网系统的暂态稳定性。但该方法在提高故障期间的暂态稳定性受风力发电并网系统变流器的容量限制。文献[2]利用复转矩分析法揭示了在低电压穿越期间双馈风力发电并网系统的小干扰稳定性，得出该系统的电流环及锁相环控制参数对小干扰稳定性的影响。但该文献只分析了双馈风力发电并网系统的小干扰稳定性，并未进一步对暂态进行稳定性评估。

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电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制方法，本发明不增加任何硬件设备，仅自适应改变风力发电并网系统q轴电流指令的控制策略，就可提高风力发电系统的暂态稳定性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于自动电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制方法，用于提高风力发电并网系统在低电压穿越期间的暂态稳定性，按如下步骤进行：

A1)采集风力发电并网系统并网点线电压有效值U_g，并按照下式判断风力发电并网系统是否进入低电压穿越模式：

式中，U_sg是电网导则规定的风力发电并网系统低电压穿越电压阈值；

A2)若风力发电并网系统进入低电压穿越模式，风力发电并网系统采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将采集到的并网点三相电压信号U_s由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到两相直流量U_sd、U_sq，将U_sq作为锁相环的输入信号，按照下式计算锁相环输出角频率ω_PLL：

ω_PLL＝k_pU_sq+k_i∫U_sqdt+ω_g

式中，ω_PLL为锁相环输出角频率，ω_g为电网角频率额定值，k_p和k_i分别为锁相环控制器的比例系数和积分系数；

A3)根据步骤A2)得到的锁相环输出角频率ω_PLL，按照下式计算锁相环输出角频率偏差Δω_PLL：

Δω_PLL＝ω_PLL-ω_g

A4)根据步骤A3)得到的锁相环输出角频率偏差Δω_PLL，按照下式计算附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf；

ΔI_qf＝k_{p_cq}Δω_PLL+k_{i_cq}∫Δω_PLLdt

式中，k_{p_cq}和k_{i_cq}分别为计算附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf所需的比例系数和积分系数；

A5)根据步骤A4)得到的附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf，按照下式计算风力发电并网系统在低电压穿越期间的d、q轴输出电流指令值：

式中，

是风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功电流设定值和无功电流设定值；I_dref、I_qref为风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功、无功电流指令值；

A6)将步骤A5)得到的I_dref、I_qref作为风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功、无功电流指令值进行后续控制，使风力发电并网系统重新具备平衡点并成功实现低电压穿越。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明通过自适应附加q轴电流调节器的设计，在低电压穿越期间，ω_PLL与ω_g的偏差量经PI控制器反馈至风力发电并网系统q轴电流的指令，可形成一种电流负反馈调整机制，使风力发电并网系统可根据ω_PLL的变化趋势自动地调整其q轴电流指令，从而自动改善其电流输出特性，使风力发电并网系统重新具备平衡点并成功实现低电压穿越，进而提高风力发电并网系统的暂态稳定性。

附图说明

图1为全功率型风力发电并网系统接入电网的结构示意图。

图2为双馈型风力发电并网系统接入电网的结构示意图。

图3为本发明自适应附加q轴电流调节器结构示意图。

图4为电网电压跌落到0.2p.u.，全功率型风力发电并网系统分别采用传统控制策略和本发明所提自动电流调整控制策略的仿真波形图。

图5为电网电压跌落到0.2p.u.，双馈型风力发电并网系统分别采用传统控制策略和本发明所提自动电流调整控制策略的仿真波形图。

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。

本发明用于自动改善风力发电并网系统的电流输出特性，并提高该系统在低电压穿越期间的暂态稳定性。图1为全功率型风力发电并网系统接入电网的结构示意图，图2为双馈型风力发电并网系统接入电网的结构示意图，图3为本发明自适应附加q轴电流调节器结构示意图。在电网发生短路故障时，通过采用自适应附加q轴电流调节器控制方法，可自动改善风力发电并网系统的电流输出特性，进而提高该系统的暂态稳定性。

本发明的具体实施步骤如下：

A1)采集风力发电并网系统并网点线电压有效值U_g，并按照下式判断风力发电并网系统是否进入低电压穿越模式：

式中，U_sg是电网导则规定的风力发电并网系统低电压穿越电压阈值；

A2)若风力发电并网系统进入低电压穿越模式，风力发电并网系统采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将采集到的并网点三相电压信号U_s由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到两相直流量U_sd、U_sq，将U_sq作为锁相环的输入信号，按照下式计算锁相环输出角频率ω_PLL：

ω_PLL＝k_pU_sq+k_i∫U_sqdt+ω_g

式中，ω_PLL为锁相环输出角频率，ω_g为电网角频率额定值，k_p和k_i分别为锁相环控制器的比例系数和积分系数；

A3)根据步骤A2)得到的锁相环输出角频率ω_PLL，按照下式计算锁相环输出角频率偏差Δω_PLL：

Δω_PLL＝ω_PLL-ω_g

A4)根据步骤A3)得到的锁相环输出角频率偏差Δω_PLL，按照下式计算附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf；

ΔI_qf＝k_{p_cq}Δω_PLL+k_{i_cq}∫Δω_PLLdt

式中，k_{p_cq}和k_{i_cq}分别为计算附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf所需的比例系数和积分系数；

A5)根据步骤A4)得到的附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf，按照下式计算风力发电并网系统在低电压穿越期间的d、q轴输出电流指令值：

式中，

是风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功电流设定值和无功电流设定值；I_dref、I_qref为风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功、无功电流指令值；

A6)将步骤A5)得到的I_dref、I_qref作为风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功、无功电流指令值进行后续控制，使风力发电并网系统重新具备平衡点并成功实现低电压穿越。

本发明效果说明：

图4为电网电压跌落到0.2p.u.，全功率型风力发电并网系统分别采用传统控制策略和本发明所提自动电流调整控制策略的仿真波形图。电网在0.2s时发生三相对称短路故障，风力发电并网系统在故障持续期间的LVRT设定值

和

分别为-1.0p.u.和0p.u。如图4(1)，当全功率型风力发电并网系统在采用传统控制策略时，全功率型风力发电并网系统发生暂态失稳现象。由图4(2)可知，当采用自动电流调整控制策略后，全功率型风力发电并网系统在自适应电流调整的作用下，自动调节其q轴电流指令，使全功率型风力发电并网系统重新具备了平衡点并成功实现了低电压穿越。

图5为电网电压跌落到0.2p.u.，双馈型风力发电并网系统分别采用传统控制策略和本发明所提自动电流调整控制策略的仿真波形图。电网在0.2s时发生三相对称短路故障，风力发电并网系统在故障持续期间的LVRT设定值

和

分别为-1.0p.u.和0p.u。如图5(1)，当双馈型风力发电并网系统在采用传统控制策略时，双馈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5(2)可知，当双馈型风力发电并网系统采用自动电流调节控制策略后，自动电流调整控制策略会根据ω_PLL与ω_g的偏差量自动调节其励磁控制，实现其q轴电流注入量的自适应调整，同样避免了失步现象，增强了双馈型风力发电并网系统的暂态稳定性。

由此可见，在电网发生短路故障时，本发明提出的自动电流调整控制策略可使风力发电并网系统重新具备了平衡点并成功实现了低电压穿越，进而提高该系统的暂态稳定性。

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)

1.一种基于自动电流调整的风力发电并网系统暂态致稳控制方法，用于提高风力发电并网系统在低电压穿越期间的暂态稳定性，其特征在于：按如下步骤进行：

A1)采集风力发电并网系统并网点线电压有效值U_g，并按照下式判断风力发电并网系统是否进入低电压穿越模式：

式中，U_sg是电网导则规定的风力发电并网系统低电压穿越电压阈值；

A2)若风力发电并网系统进入低电压穿越模式，风力发电并网系统采用发电机惯例，利用电网电压d轴定向方式将采集到的并网点三相电压信号U_s由三相静止坐标系到两相旋转坐标系的转换，得到两相直流量U_sd、U_sq，将U_sq作为锁相环的输入信号，按照下式计算锁相环输出角频率ω_PLL：

ω_PLL＝k_pU_sq+k_i∫U_sqdt+ω_g

式中，ω_PLL为锁相环输出角频率，ω_g为电网角频率额定值，k_p和k_i分别为锁相环控制器的比例系数和积分系数；

A3)根据步骤A2)得到的锁相环输出角频率ω_PLL，按照下式计算锁相环输出角频率偏差Δω_PLL：

Δω_PLL＝ω_PLL-ω_g

A4)根据步骤A3)得到的锁相环输出角频率偏差Δω_PLL，按照下式计算附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf；

ΔI_qf＝k_{p_cq}Δω_PLL+k_{i_cq}∫Δω_PLLdt

式中，k_{p_cq}和k_{i_cq}分别为计算附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf所需的比例系数和积分系数；

A5)根据步骤A4)得到的附加的自适应q轴电流调节量ΔI_qf，按照下式计算风力发电并网系统在低电压穿越期间的d、q轴输出电流指令值：

式中，I_df ^*、I_qf ^*是风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功电流设定值和无功电流设定值；I_dref、I_qref为风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功、无功电流指令值；

A6)将步骤A5)得到的I_dref、I_qref作为风力发电并网系统在低电压穿越期间的有功、无功电流指令值进行后续控制，使风力发电并网系统重新具备平衡点并成功实现低电压穿越。

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