CN113794211B - 基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法 - Google Patents

基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法，属于风力发电技术领域。本发明所述抑制方法在有功功率环中加入超前滞后环节，并根据惯性系数和阻尼系数来确定超前环节系数和滞后环节系数的值，该方法不依赖于对功率环参数的复杂设计，可以实现有功功率振荡的有效抑制。本发明在转子电流指令前使用了交叉结构，即定子电压d轴分量经PI调节器到转子电流指令q轴分量，定子电压q轴分量经PI调节器到转子电流指令d轴分量，削弱了交叉耦合对系统的影响。

Description

基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法
技术领域
本发明涉及风力发电领域，具体的说是基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法。
技术背景
风力发电作为一种清洁的可再生能源，近年来得到快速的发展。随着风电场单机容量的增加，电网的电压和频率支持能力越来越不足，在弱电网条件下，由于锁相环(PLL)的性能恶化，风电场的运行性能变差。电压源型双馈风力发电机(VC-DFIG)由于其自同步控制特性、主动支持电网电压和频率的能力而受到广泛关注。电压源型双馈风力发电机是一个多回路串级控制系统，当有功功率功率指令和电网频率扰动发生时，不适当的电压环带宽参数将导致严重的有功功率振荡和过冲，影响并网工作性能。
针对电压源型双馈风力发电机并网点有功功率振荡的抑制问题，根据已有公开的参考文献，一些研究的主要方法有：
文献1“Li，M.，Zhang，X.，Guo，Z.，Wang，J.，Li，F.：‘The Dual-Mode CombinedControl Strategy for Centralized Photovoltaic Grid-Connected Inverters Basedon Double-Split Transformers’，IEEETrans.Ind.Electron.，2020，Early Access”(基于双分裂变压器的集中式光伏并网逆变器双模组合控制策略)提出了一种双模控制策略，在强电网中采用电流控制模式，而在弱电网中则切换到电压控制模式，从而有效地集成了两种模型的优点，抑制有功振荡的发生。但是频繁的切换会产生干扰。
文献2“J.Alipoor，Y.Miura，and T.Ise.：‘Power system stabilization usingvirtual synchronous generator with alternating moment of inertia’，IEEEJ.Emerg.Sel.Top.Power Electron.，2015，3，(2)，pp.451-458”(基于虚拟交流惯性矩同步发电机的电力系统稳定)提出了一种虚拟惯性bang-bang控制策略，在每个功率振荡周期内，虚拟惯性根据频率变化率的动态变化进行调整。在保持功率控制精度的同时，降低了有功功率的振荡。然而，仅通过功率环的参数优化在设计上没有普遍的适应性。当电网强度变化或硬件电路改变时，以前的参数不再适用。
文献3“L.Harnefors，M.Hinkkanen，U.Riaz，F.M.M.Rahman and L.Zhang.：‘Robust Analytic Design 0f Power-Synchronization Control’，IEEETrans.Ind.Electron.，2019，66，(8)，pp.5810-5819”(功率同步控制的鲁棒分析设计)提出了一种下垂控制的鲁棒性设计方法，该方法是对功率环的参数进行的调整以抑制有功振荡，但是这种方法依赖于参数的设置，对参数的变化较为灵敏。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足之处，提出基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法，在有功功率环中增加超前滞后控制，实现有功功率振荡的抑制。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法，包括以下步骤：
步骤1，数据采样和数据转换
步骤1.1，采样双馈发电机定子三相电压uA，uB，uC，采样双馈发电机定子三相电流iA，iB，iC，采样双馈发电机转子三相电流ia，ib，ic，采样并网点三相电压幅值UPCC，采样并网点角频率ωpcc，利用光电编码器采集所述双馈发电机转子角速度ωr；
步骤1.2，将所述双馈发电机定子三相电压uA，uB，uC进行同步旋转坐标变换，得到定子电压d轴分量usd和定子电压q轴分量usq；将所述双馈发电机定子三相电流iA，iB，iC进行同步旋转坐标变换，得到定子电流d轴分量isd和定子电流q轴分量isq；将所述双馈发电机转子三相电流ia，ib，ic进行同步旋转坐标变换，得到转子电流d轴分量ird和转子电流q轴分量irq；对所述转子角速度ωr进行积分运算，得到转子旋转角度θr；
步骤2，功率计算与滤波
利用式(1)进行功率计算得到定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′：
Figure BDA0003238229010000031
利用式(2)得到经过低通滤波器后的有功功率P和经过低通滤波器后的无功功率Q：
Figure BDA0003238229010000032
在式(2)中，ωf为低通滤波器的截至频率，s为拉普拉斯算子；
步骤3，虚拟同步超前滞后控制
利用式(3)得到角频率指令ω*、d轴电压指令分量
Figure BDA0003238229010000033
和q轴电压指令分量
Figure BDA0003238229010000034
从而实现虚拟同步超前滞后控制：
Figure BDA0003238229010000041
在式(3)中，Pref为有功功率给定值，Qref为无功功率给定值，ωn为并网点的额定角频率，Un为并网点的额定电压，Jd为惯性系数，Dd为阻尼系数，KQ为无功功率下垂系数，Ku为无功电压调节系数，Kd为超前环节系数，Td为滞后环节系数；
利用式(4)得到超前环节系数Kd和滞后环节系数Td的取值：
Figure BDA0003238229010000042
利用式(5)得到定子旋转角度θ1和转差角度θ2：
Figure BDA0003238229010000043
步骤4，电压和电流控制环
利用式(6)得到转子电流指令q轴分量irq *和转子电流指令d轴分量ird *：
Figure BDA0003238229010000044
在式(6)中，KUp为电压环PI调节器PIv的比例控制系数，KUi为电压环PI调节器PIv的积分控制系数；
利用式(7)得到转子电压q轴分量urq和转子电压d轴分量urd：
Figure BDA0003238229010000051
在式(7)中，KIp为电流环PI调节器PIi的比例控制系数，KIi为电流环PI调节器PIi的积分控制系数；
步骤5，开关信号生成
将所述转子电压d轴分量urd和转子电压q轴分量urq经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号Sa，Sb，Sc，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明利用超前滞后控制有效地抑制了有功功率的振荡和超调，降低了有功功率振荡对功率环参数的敏感程度，提升了系统的鲁棒性，避免了在电网条件变化时功率环参数的设计复杂度，提高了电压源型双馈风力发电机系统的动态性能。
2、本发明在采用双馈发电机的虚拟同步控制，内层结构为电压和电流控制环的双闭环控制，避免了电网强度变化时由于PLL导致的稳定性问题，显著增加了双馈发电机的稳定性，并在在转子电流给定前使用了交叉控制，解决了电压与电流dq分量之间的耦合给系统分析带来的不便。
3、本发明仅需在有功功率环路中上添加一个超前滞后控制环节，实现有功功率振荡的抑制，实现方式简便有效。
附图说明
图1为本发明抑制方法的流程图。
图2为本发明抑制方法的控制图。
图3为本发明抑制方法的仿真图。
具体实施方式
在本实施例中，实验平台用变频器驱动一台三相鼠笼式异步电动机拖动双馈发电机。电压源型双馈风力发电机组的组成包括风力机、感应电机、转子侧变流器和直流侧电容。转子侧变流器连接发电机转子，风力机捕捉的风能通过感应电机转换为电能注入电网。
该模拟平台中的双馈发电机为一台绕线式感应电动机，其额定参数为：额定电压690V，定子额定电流1400A，转子额定电流550A，极对数为2对，定子电阻Rs＝0.0043Ω，转子电阻Rr＝0.0041Ω，定子漏抗Ls＝0.0125H，转子漏抗Lr＝0.0126H，励磁电抗Lm＝0.0123H。转子侧变流器额定参数为：额定容量2MW，直流侧电容Cg＝0.161mf，网侧电感Lg＝0.35mH，直流侧额定电压1050V，开关频率为2.5kHz。该平台的功率波形由上位机采集，采样点数为4000/s。
本发明应用在电压源型双馈风力发电机组中，当电网强度发生波动、功率环及电压电流环参数发生偏移，导致有功功率发生振荡，在转子侧变流器有功功率控制环中加入超前滞后控制，从而提出基于电压源型双馈风力发电机组的有功振荡抑制方法。
图1为本发明抑制方法的流程图，图2为本发明抑制方法的控制图，由图1和图2可见，本发明基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法包括以下步骤：
步骤1，数据采样和数据转换
步骤1.1，采样双馈发电机定子三相电压uA，uB，uC，采样双馈发电机定子三相电流iA，iB，iC，采样双馈发电机转子三相电流ia，ib，ic，采样并网点三相电压幅值UPCC，采样并网点角频率ωpcc，利用光电编码器采集所述双馈发电机转子角速度ωr。
步骤1.2，将所述双馈发电机定子三相电压uA，uB，uC进行同步旋转坐标变换，得到定子电压d轴分量usd和定子电压q轴分量usq；将所述双馈发电机定子三相电流iA，iB，iC进行同步旋转坐标变换，得到定子电流d轴分量isd和定子电流q轴分量isq；将所述双馈发电机转子三相电流ia，ib，ic进行同步旋转坐标变换，得到转子电流d轴分量ird和转子电流q轴分量isq；对所述转子角速度ωr进行积分运算，得到转子旋转角度θr。
具体的，所述定子电压d轴分量usd和定子电压q轴分量usq坐标转换公式如下：
Figure BDA0003238229010000071
式中，θ′1为上一周期定子旋转角度；
所述定子电流d轴分量isd和定子电流q轴分量isq usq坐标转换公式如下：
Figure BDA0003238229010000072
所述转子电流d轴分量ird和转子电流q轴分量irq的坐标转换公式如下：
Figure BDA0003238229010000073
式中，θ′2为上一周期转差角度。
步骤2，功率计算与滤波
利用式(1)进行功率计算得到定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′：
Figure BDA0003238229010000081
利用式(2)得到经过低通滤波器后的有功功率P和经过低通滤波器后的无功功率Q：
Figure BDA0003238229010000082
在式(2)中，ωf为低通滤波器的截至频率，s为拉普拉斯算子。
在本实例中，ωf＝20π。
步骤3，虚拟同步超前滞后控制
利用式(3)得到角频率指令ω*、d轴电压指令分量
Figure BDA0003238229010000083
和q轴电压指令分量
Figure BDA0003238229010000084
从而实现虚拟同步超前滞后控制：
Figure BDA0003238229010000085
在式(3)中，Pref为有功功率给定值，Qref为无功功率给定值，ωn为并网点的额定角频率，Un为并网点的额定电压，Jd为惯性系数，Dd为阻尼系数，KQ为无功功率下垂系数，Ku为无功电压调节系数，Kd为超前环节系数，Td为滞后环节系数。
利用式(4)得到超前环节系数Kd和滞后环节系数Td的取值：
Figure BDA0003238229010000091
利用式(5)得到定子旋转角度θ1和转差角度θ2：
Figure BDA0003238229010000092
在本实例中，Pref＝2000000，Qref＝0，ωn＝100π，Un＝690，Jd＝2，Dd＝200，KQ＝0.00001，Ku＝10000。
步骤4，电压和电流控制环
利用式(6)得到转子电流指令q轴分量irq *和转子电流指令d轴分量ird *：
Figure BDA0003238229010000093
在式(6)中，KUp为电压环PI调节器PIv的比例控制系数，KUi为电压环PI调节器PIv的积分控制系数。
利用式(7)得到转子电压q轴分量urq和转子电压d轴分量urd：
Figure BDA0003238229010000094
在式(7)中，KIp为电流环PI调节器PIi的比例控制系数，KIi为电流环PI调节器PIi的积分控制系数。
在本实例中，KUp＝0.2，KUi＝0.05，KIp＝0.2，KIi＝0.05。
步骤5，开关信号生成
将所述转子电压d轴分量urd和转子电压q轴分量urq经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号Sa，Sb，Sc，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。
为了佐证本发明的技术效果，对本发明进行了仿真。图3为本发明抑制方法的仿真图，Pref为有功功率给定值，横坐标为时间，纵坐标为有功功率标幺值。由图3可见，与未采用本发明的状态相比，采用本发明方法后，有功功率的振荡得到了有效的抑制。

Claims (1)

1.一种基于电压源型双馈风电机组有功振荡的抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，数据采样和数据转换
步骤1.1，采样双馈发电机定子三相电压uA，uB，uC，采样双馈发电机定子三相电流iA，iB，iC，采样双馈发电机转子三相电流ia，ib，ic，采样并网点三相电压幅值UPCC，采样并网点角频率ωpcc，利用光电编码器采集所述双馈发电机转子角速度ωr；
步骤1.2，将所述双馈发电机定子三相电压uA，uB，uC进行同步旋转坐标变换，得到定子电压d轴分量usd和定子电压q轴分量usq；将所述双馈发电机定子三相电流iA，iB，iC进行同步旋转坐标变换，得到定子电流d轴分量isd和定子电流q轴分量isq；将所述双馈发电机转子三相电流ia，ib，ic进行同步旋转坐标变换，得到转子电流d轴分量ird和转子电流q轴分量irq；对所述转子角速度ωr进行积分运算，得到转子旋转角度θr；
步骤2，功率计算与滤波
利用式(1)进行功率计算得到定子输出有功功率P′和定子输出无功功率Q′：
Figure FDA0003238227000000011
利用式(2)得到经过低通滤波器后的有功功率P和经过低通滤波器后的无功功率Q：
Figure FDA0003238227000000012
在式(2)中，ωf为低通滤波器的截至频率，s为拉普拉斯算子；
步骤3，虚拟同步超前滞后控制
利用式(3)得到角频率指令ω*、d轴电压指令分量
Figure FDA0003238227000000021
和q轴电压指令分量
Figure FDA0003238227000000022
从而实现虚拟同步超前滞后控制：
Figure FDA0003238227000000023
在式(3)中，Pref为有功功率给定值，Qref为无功功率给定值，ωn为并网点的额定角频率，Un为并网点的额定电压，Jd为惯性系数，Dd为阻尼系数，KQ为无功功率下垂系数，Ku为无功电压调节系数，Kd为超前环节系数，Td为滞后环节系数；
利用式(4)得到超前环节系数Kd和滞后环节系数Td的取值：
Figure FDA0003238227000000024
利用式(5)得到定子旋转角度θ1和转差角度θ2：
Figure FDA0003238227000000025
步骤4，电压和电流控制环
利用式(6)得到转子电流指令q轴分量irq *和转子电流指令d轴分量ird *：
Figure FDA0003238227000000026
在式(6)中，KUp为电压环PI调节器PIv的比例控制系数，KUi为电压环PI调节器PIv的积分控制系数；
利用式(7)得到转子电压q轴分量urq和转子电压d轴分量urd：
Figure FDA0003238227000000031
在式(7)中，KIp为电流环PI调节器PIi的比例控制系数，KIi为电流环PI调节器PIi的积分控制系数；
步骤5，开关信号生成
将所述转子电压d轴分量urd和转子电压q轴分量urq经过SVPWM调制生成逆变器功率器件的开关信号Sa，Sb，Sc，从而控制转子侧逆变器的功率器件的开通和关断。
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