CN114006400A - 考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型及推导方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型及推导方法。当公共耦合点(PCC)出现电压扰动时，功率控制回路不可避免地会将功率波动引入电流控制回路，从而对双馈风机(DFIG)阻抗特性产生影响。本发明同时考虑了转子侧变流器(RSC)的电流控制环和功率控制环对矩阵控制器的影响。本发明解决了目前阻抗模型普遍忽略功率控制外环影响的问题，提高了双馈风机阻抗模型建模精确度，同时提升了含新能源的新型电力系统小扰动稳定分析水平，有力保障了电力系统安全稳定运行。

Description

考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型及推导方法

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别是一种考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型及推导方法。

背景技术

可再生能源发电的大规模并网，给电力系统的动态行为和运行特性带来了新的变化。河北沽源、新疆哈密等地多次发生风电接入引起的电力系统宽频带振荡，严重影响安全和电力系统的稳定性。许多研究人员专注于风电系统并网稳定性的建模和分析。

目前，电网稳定性分析的研究方法主要有特征值分析法和阻抗分析法。特征值分析法通过求解系统在平衡点线性化后的状态矩阵的特征根来判断系统的小扰动稳定性。Mohammadpour等人建立了考虑风速、桨距角控制模型和转换器控制的单双馈感应发电机(DFIG)的状态空间方程。其状态空间方程的阶数为22，在分析更复杂的系统时，可能会出现“维数灾难”。同时，如果系统结构发生变化，则需要重新建立状态空间方程。

与特征值分析法相比，阻抗分析法避免了其在频域上的局限性，容易将电磁暂态模型线性化。而当设备参数不易获得时，也可以通过测量获得阻抗模型，这是特征值分析方法所不具备的。

Middlebrook在直流滤波器的设计中首先提出了阻抗分析方法。最近，它已应用于复杂电力电子设备的频域建模。在DFIG的小信号建模领域，Fan等人提出了一种简化的阻抗模型，它忽略了转换器的控制。并指出风速是影响阻抗模型频域特性的主要因素。此外，Miao等人提出了一个考虑转子侧变流器(RSC)控制的DFIG阻抗模型。并且指出网侧变流器(GSC)对DFIG阻抗模型的影响很小。此外，有研究表明，为了准确分析转子和同步频率带附近的结果和现象，需要考虑励磁互感。阻抗建模方法的难点在于如何处理dq轴控制策略和锁相环引入的非线性。

为了简化系统复杂度，目前的研究在推导DFIG阻抗模型时一般忽略了功率控制回路的影响。当共耦合点(PCC)发生电压扰动时，功率外环不可避免地会将PCC点的有功/无功功率波动引入到电流内控制环中，从而影响DFIG的阻抗特性。尤其是在追求功率控制回路的快速响应时，功率波动的影响会更大。因此，有必要开展考虑功率控制回路的双馈电机阻抗建模研究。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型及推导方法。本发明阻抗模型在建模和分析中同时考虑了转子侧变流器(RSC)的电流控制环和功率控制环对矩阵控制器的影响。解决了目前阻抗模型普遍忽略功率控制外环影响的问题。本发明提出的阻抗模型，提高了双馈风机阻抗模型建模精确度，同时提升了含新能源的新型电力系统小扰动稳定分析水平，有力保障了电力系统安全稳定运行。

本发明的技术解决方案如下：

一种考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型，其特点在于，建模对象包括双馈风力发电机、转子侧变流器及转子侧变流器控制模块；

所述的双馈风力发电机包括风力机、双馈电机、转子侧变流器、网侧变流器、直流侧电容C_dc以及控制环节，所述的双馈电机的转子与转子侧变流器的交流侧出口连接，所述的双馈电机的定子与所述的网侧变流器交流侧出口连接，所述的转子侧变流器和网侧变流器经由所述的直流侧电容C_dc连接；

所述的转子侧变流器为三相两电平变流器，包括开关元件S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆。S₁、S₄一端相连构成a相桥臂，S₃、S₆一端相连构成b相桥臂，S₅、S₂一端相连构成c相桥臂；

转子侧变流器的控制模块包括功率外环、电流内环、abc/dq变换环节，功率外环控制器(PI_P)的输入信号包括风机有功功率给定值P_ref、无功功率给定值Q_ref、有功功率测量值P_real、无功功率测量值Q_real。功率外环控制器PI_P的输出作为电流内环控制器PI_c的输入，电流内环控制器PI_c的输入还包括转子电流d轴分量测量值I_rd和q轴分量测量值I_rq，转子侧变流器控制模块的输出信号m_ra、m_rb、m_rc分别构成作为转子侧变流器a、b、c相桥臂的调制信号。

2、权利要求1所述的考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型的推导方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)根据双馈异步电机的电路参数，按式(1)计算双馈异步电机阻抗模型：定子自阻抗矩阵Z_ss、转子自阻抗矩阵Z_rr、定转子互阻抗矩阵Z_rs和Z_sr：

其中,s表示拉布拉斯算子，ω_s表示转差角频率，ω₁表示系统角频率,R_r表示转子电阻,R_s表示定子电阻,L_r表示转子电感，L_s表示定子电感，L_m表示励磁互感；

2)定义双馈电机导纳矩阵Y按式(2)由定子自导纳矩阵Y_ss，转子自导纳矩阵Y_rr，定转子互导纳矩阵Y_rs和Y_sr四个矩阵组成，并由此列出定子电压扰动量ΔU_s，转子电压扰动量ΔU_r，定子电流扰动量ΔI_s，转子电流扰动量ΔI_r的关系如下所示：

3)计算双馈异步电机阻抗模型表示定子自导纳矩阵Y_ss，表示转子自导纳矩阵Y_rr，定转子互导纳矩阵Y_rs和Y_sr：

其中，Z_ss表示定子自阻抗，Z_rr表示转子自阻抗，Z_rs和Z_sr定转子互阻抗。

4)转子侧变流器控制框图包含功率外环和电流内环，均采用PI控制器，列写功率外环PI控制器的传递函数矩阵G_p：列写电流内环PI控制器的传递函数矩阵G_c如式(4)：

其中,s表示拉布拉斯算子，k_pp表示功率外环PI控制器的比例系数，k_pi表示功率外环PI控制器的积分系数，k_cp表示电流内环PI控制器的比例系数，k_ci表示电流内环PI控制器的积分系数；

5)列写d轴和q轴的分量解耦项G_d1及定子磁通前馈补偿G_d2如式(5)：

其中，σ＝L_r-L_m ²/L_s.,s＝ω_s/ω₁；

6)电压和电流的扰动会引起功率波动，影响电流控制环的输入参考值，用ΔI_{r_ref}表示，考虑功率控制环的转子电压扰动ΔU_r和转子电流扰动ΔI_r之间的关系可以给出如式(6)：

ΔU_r＝G_cΔI_{r_ref}-(G_c+G_d1)ΔI_r+G_d2ΔU_s (14)

其中，

7)把式(6)代入式(2)，整理得到双馈风机阻抗矩阵Y_DFIG如式(7)：

其中：

其中，E表示单位矩阵，U_sd表示双馈电机定子电压d轴分量测量值，U_sq表示双馈电机定子电压q轴分量测量值，I_sd表示双馈电机定子电流d轴分量测量值，I_sq表示双馈电机定子电流q轴分量测量值。

与现有技术相比，本发明的特点如下：

当公共耦合点(PCC)出现电压扰动时，功率控制回路不可避免地会将功率波动引入电流控制回路，从而对双馈风机(DFIG)阻抗特性产生影响。本发明在建模和分析中同时考虑了转子侧变流器(RSC)的电流控制环和功率控制环对阻抗特性的影响，解决了现有阻抗模型在推导中忽略功率控制外环影响的问题。

附图说明

图1是双馈型风力并网发电系统及其转子侧变流器控制模块。

图2是转子侧变流器拓扑结构。

图3是双馈型风机转子侧变流器控制模块控制策略。

图4是采用本发明方法对某型双馈风力发电机推导得到的阻抗模型及对比。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型，如图1所示，双馈风力发电机包括风力机、双馈电机、转子侧变流器、网侧变流器、直流侧电容C_dc以及控制环节(转子侧变流器控制模块如框①所示)。双馈电机的转子与转子侧变流器交流侧出口连接，双馈电机的定子与网侧变流器交流侧出口连接，转子侧变流器和网侧变流器经由直流侧电容C_dc连接。

转子侧变流器为三相两电平变流器，拓扑结构如图2所示。其中，框②表示转子侧变流器，包括开关元件S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆。S₁、S₄一端相连构成a相桥臂，S₃、S₆一端相连构成b相桥臂，S₅、S₂一端相连构成c相桥臂。

转子侧变流器控制模块包括功率外环、电流内环、abc/dq变换环节，具体控制组成如图3所示。功率外环控制器PI_P的输入信号包括风机有功功率给定值P_ref、无功功率给定值Q_ref、有功功率测量值P_real、无功功率测量值Q_real。功率外环控制器PI_P的输出作为电流内环控制器PI_c的输入。电流内环控制器PI_c的输入还包括转子电流d轴分量测量值I_rd和q轴分量测量值I_rq。转子侧变流器控制模块输出信号mr_a、mr_b、mr_c构成分别作为转子侧变流器a、b、c相桥臂的调制信号。

本发明阻考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型由以下步骤推导得出：

1)根据双馈异步电机的电路参数，计算双馈异步电机阻抗模型表示定子自阻抗矩阵Z_ss，表示转子自阻抗矩阵Z_rr，定转子互阻抗矩阵Z_rs和Z_sr：

其中,s表示拉布拉斯算子，ω_s表示转差角频率，ω₁表示系统角频率,R_r表示转子电阻,R_s表示定子电阻,L_r表示转子电感，L_s表示定子电感，L_m表示励磁互感。

2)定义双馈电机导纳矩阵Y，由定子自导纳矩阵Y_ss，表示转子自导纳矩阵Y_rr，定转子互导纳矩阵Y_rs和Y_sr四个矩阵组成。并由此列出定子电压扰动量ΔU_s，转子电压扰动量ΔU_r，定子电流扰动量ΔI_s，转子电流扰动量ΔI_r的关系如下所示：

3)计算双馈异步电机阻抗模型表示定子自导纳矩阵Y_ss，表示转子自导纳矩阵Y_rr，定转子互导纳矩阵Y_rs和Y_sr：

其中，Z_ss表示定子自阻抗，Z_rr表示转子自阻抗，Z_rs和Z_sr定转子互阻抗。

4)由图1所示，转子侧变流器控制框图包含功率外环和电流内环，均采用PI控制器。列写功率外环PI控制器传递函数矩阵G_p：列写电流内环PI控制器传递函数矩阵G_c：

其中,s表示拉布拉斯算子，k_pp表示功率外环PI控制器的比例系数，k_pi表示功率外环PI控制器的积分系数，k_cp表示电流内环PI控制器的比例系数，k_ci表示电流内环PI控制器的积分系数。

5)由图1所示，列写d轴和q轴的分量解耦项G_d1及定子磁通前馈补偿G_d2：

其中，σ＝L_r-L_m ²/L_s.,s＝ω_s/ω₁.

6)电压和电流的扰动会引起功率波动，影响电流控制环的输入参考值，用ΔI_{r_ref}表示。考虑功率控制环的转子电压扰动ΔU_r和转子电流扰动ΔI_r之间的关系可以给出如下：

ΔU_r＝G_cΔI_{r_ref}-(G_c+G_d1)ΔI_r+G_d2ΔU_s (6)

其中，

7)把式(6)代入式(2)，整理得到双馈风机阻抗矩阵Y_DFIG：

其中，

式中，E表示单位矩阵，U_sd表示双馈电机定子电压d轴分量测量值，U_sq表示双馈电机定子电压q轴分量测量值，I_sd表示双馈电机定子电流d轴分量测量值，I_sq表示双馈电机定子电流q轴分量测量值。

实施例：额定功率为1.5MW的某型双馈风力发电机。

步骤1：提取双馈风力发电系统的拓扑参数和控制器参数。

步骤2：计算定子自阻抗矩阵Z_ss，表示转子自阻抗矩阵Z_rr，定转子互阻抗矩阵Z_rs和Z_sr

步骤3：计算双馈异步电机阻抗模型表示定子自导纳矩阵Y_ss，表示转子自导纳矩阵Y_rr，定转子互导纳矩阵Y_rs和Y_sr

步骤4：列写功率外环PI控制器传递函数矩阵G_p，列写电流内环PI控制器传递函数矩阵G_c

步骤5：列写d轴和q轴的分量解耦项G_d1及定子磁通前馈补偿G_d2

步骤6：根据仿真结果，采集U_sd表示双馈电机定子电压d轴分量测量值，U_sq表示双馈电机定子电压q轴分量测量值，I_sd表示双馈电机定子电流d轴分量测量值，I_sq表示双馈电机定子电流q轴分量测量值。

步骤7：将前述步骤2至步骤5整理得到的中间量代入双馈风机阻抗矩阵Y_DFIG：

其中：

步骤8：绘制双馈风机阻抗矩阵Y_DFIG的伯德图(如图4所示)，并进行相关稳定性分析。

如图4所示，考虑功率外环(蓝色)与未考虑功率外环(绿色)的阻抗模型幅频特性和相频特性差异较大，说明控制策略对导纳矩阵的影响很大。Y_dd、Y_dq、Y_qd和Y_qq的幅度均在基频处具有峰值。未考虑功率外环时，Y_DFIG为对称矩阵，Y_dq和Y_qd幅值相同，相位差为180度；但考虑到功率控制环后，Y_dd和Y_qq的幅频特性和Y_dd的相频特性出现了很大的变化，这都将对稳定性分析结果产生较大影响。

因此本发明解决了目前阻抗模型普遍忽略功率控制外环影响的问题，提高了双馈风机阻抗模型建模精确度，同时提升了含新能源的新型电力系统小扰动稳定分析水平，有力保障了电力系统安全稳定运行。

Claims (2)

1.一种考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型，其特征在于，建模对象包括双馈风力发电机、转子侧变流器及转子侧变流器控制模块；

所述的双馈风力发电机包括风力机、双馈电机、转子侧变流器、网侧变流器、直流侧电容C_dc以及控制环节，所述的双馈电机的转子与转子侧变流器的交流侧出口连接，所述的双馈电机的定子与所述的网侧变流器交流侧出口连接，所述的转子侧变流器和网侧变流器经由所述的直流侧电容C_dc连接；

所述的转子侧变流器为三相两电平变流器，包括开关元件S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆。S₁、S₄一端相连构成a相桥臂，S₃、S₆一端相连构成b相桥臂，S₅、S₂一端相连构成c相桥臂；

转子侧变流器的控制模块包括功率外环、电流内环、abc/dq变换环节，功率外环控制器(PI_P)的输入信号包括风机有功功率给定值P_ref、无功功率给定值Q_ref、有功功率测量值P_real、无功功率测量值Q_real。功率外环控制器PI_P的输出作为电流内环控制器PI_c的输入，电流内环控制器PI_c的输入还包括转子电流d轴分量测量值I_rd和q轴分量测量值I_rq，转子侧变流器控制模块的输出信号m_ra、m_rb、m_rc分别构成作为转子侧变流器a、b、c相桥臂的调制信号。

2.权利要求1所述的考虑功率外环控制的双馈风机阻抗模型的推导方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)根据双馈异步电机的电路参数，按式(1)计算双馈异步电机阻抗模型：定子自阻抗矩阵Z_ss、转子自阻抗矩阵Z_rr、定转子互阻抗矩阵Z_rs和Z_sr：

其中,s表示拉布拉斯算子，ω_s表示转差角频率，ω₁表示系统角频率,R_r表示转子电阻,R_s表示定子电阻,L_r表示转子电感，L_s表示定子电感，L_m表示励磁互感；

2)定义双馈电机导纳矩阵Y按式(2)由定子自导纳矩阵Y_ss，转子自导纳矩阵Y_rr，定转子互导纳矩阵Y_rs和Y_sr四个矩阵组成，并由此列出定子电压扰动量ΔU_s，转子电压扰动量ΔU_r，定子电流扰动量ΔI_s，转子电流扰动量ΔI_r的关系如下所示：

3)计算双馈异步电机阻抗模型表示定子自导纳矩阵Y_ss，表示转子自导纳矩阵Y_rr，定转子互导纳矩阵Y_rs和Y_sr：

其中，Z_ss表示定子自阻抗，Z_rr表示转子自阻抗，Z_rs和Z_sr定转子互阻抗。

4)转子侧变流器控制框图包含功率外环和电流内环，均采用PI控制器，列写功率外环PI控制器的传递函数矩阵G_p：列写电流内环PI控制器的传递函数矩阵G_c如式(4)：

其中,s表示拉布拉斯算子，k_pp表示功率外环PI控制器的比例系数，k_pi表示功率外环PI控制器的积分系数，k_cp表示电流内环PI控制器的比例系数，k_ci表示电流内环PI控制器的积分系数；

5)列写d轴和q轴的分量解耦项G_d1及定子磁通前馈补偿G_d2如式(5)：

其中，σ＝L_r-L_m ²/L_s.,s＝ω_s/ω₁；

6)电压和电流的扰动会引起功率波动，影响电流控制环的输入参考值，用ΔI_{r_ref}表示，考虑功率控制环的转子电压扰动ΔU_r和转子电流扰动ΔI_r之间的关系可以给出如式(6)：

ΔU_r＝G_cΔI_{r_ref}-(G_c+G_d1)ΔI_r+G_d2ΔU_s (6)

其中，

7)把式(6)代入式(2)，整理得到双馈风机阻抗矩阵Y_DFIG如式(7)：

其中：

其中，E表示单位矩阵，U_sd表示双馈电机定子电压d轴分量测量值，U_sq表示双馈电机定子电压q轴分量测量值，I_sd表示双馈电机定子电流d轴分量测量值，I_sq表示双馈电机定子电流q轴分量测量值。

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