CN114123232B - 一种基于线性自抗扰控制的双馈风电机组次同步振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了新能源技术领域的一种基于线性自抗扰控制的双馈风电机组次同步振荡抑制方法。针对静止无功补偿器在弱交流系统中诱发的次同步振荡事故，结合线性自抗扰控制和正序电压分量补偿技术，改进双馈风电机组控制策略，增强弱电网的安全稳定特性。设计转子侧电流环线性自抗扰控制器，提高系统的鲁棒性和抗扰动性，同时增加网侧变流器对机端正序电压的控制，补偿网侧无功功率以稳定机端电压。所提策略在削减系统故障对双馈风机影响的同时利用风机线性自抗扰控制器实时补偿系统的总扰动，能够支持电网电压快速恢复并且克服电压响应速度和超调之间的矛盾，有效地抑制系统次同步振荡现象。

Description

一种基于线性自抗扰控制的双馈风电机组次同步振荡抑制 方法

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种基于线性自抗扰控制的双馈风电机组次同步振荡抑制方法。

背景技术

随着世界经济的不断发展，能源短缺和环境污染等问题日益严峻，各国都开始着手优化能源结构，大力开发可再生能源。我国风能资源丰富，风电产业快速发展，风电场建设迅速，逐渐向大规模、远距离输电方式发展，风电外送系统的稳定性问题开始凸显。

针对远距离的双馈风电场并网系统，交流电网对风电场并网点电压的支持作用降低，在该弱电网条件下，容易诱发风电场并网系统次同步振荡事故。另一方面，风电场中广泛采用静止无功补偿器等并联无功补偿装置来提高线路输送容量和增强系统暂态稳定性，在其不合理的运行方式或控制参数下，容易诱发系统次同步振荡事故。故在该弱电网下，针对双馈风电系统中由静止无功补偿器诱发的次同步振荡事故，设计合理的风机控制方法来提高风电并网系统的稳定性，对风电场安全稳定运行具有重要的现实意义。

传统DFIG有功和无功功率的控制多在矢量变换的基础上进行PI控制，然而一组固定的PI参数在不同工况下调节效果有差异，无法满足如今大规模风电场轻载到满载各种工况下对高精度控制的要求，通常具有超调量大、调节时间长、参数适应能力差的缺陷。当系统出现扰动、发生振荡时，PI环节的控制效果较差，甚至助增振荡。线性自抗扰控制是高志强教授在自抗扰控制的基础上将参数线性化后提出的，继承并改进了传统PID控制技术，独立于被控对象，不依赖于其精确模型，能够应对被控对象外扰不明确和系统参数不确定的情况，可对次同步扰动和其他外界扰动构成的总扰动进行估计和补偿，结构简单，具有较强的鲁棒性，能够有效抑制次同步振荡现象。

考虑到电压是电磁设备建立磁场的主要物理量，电压不稳定将影响对应电磁设备(例如，发电机、变压器)的内部磁场，导致其有功功率转换或变送受影响。因此，电压/无功作为有功输送的载体或媒介，改善风机电压/无功控制有助于有功功率的顺畅传输，增强系统稳定性，抑制风电场次同步振荡现象。研究证明在采用LADRC技术优化风机转子侧电流环控制的同时使其输出电网所需无功功率能够有效地调节电网电压和稳定弱电网。

发明内容

本发明提供了一种基于线性自抗扰控制的双馈风电机组次同步振荡抑制方法。为抑制SVC在弱交流系统中诱发的次同步振荡事故，结合LADRC和正序电压补偿技术，提出同时对双馈风机转子侧变流器和网侧变流器控制进行改进的综合控制方法。

一方面，设计风机转子侧变流器电流环线性自抗扰控制器，利用线性扩张状态观测器LESO根据被控系统的输入u和输出信号i_rq来跟踪对象的状态z₁和估计系统的总扰动z₂，再将转子电流给定值i_rqref和输出信号跟踪值z₁做差后输入到线性误差反馈率LESF后得到输出量u₀，最后根据LESO估计的总扰动z₂对反馈控制量u₀安排补偿过程，得到补偿后的控制量u。使之在消除误差实现控制目标的过程中，能够通过施加控制力来抵消各种不确定外扰作用的影响。另一方面，增加风机网侧变流器对机端正序电压的控制，补偿网侧无功功率稳定机端电压，增强弱电网的安全稳定特性，支持电网电压快速恢复，抑制系统次同步振荡现象。

该技术方案的创新思维与本发明的有益效果是：

本发明提供的控制方法同时对双馈风机转子侧变流器和网侧变流器控制策略进行改进，结合线性自抗扰控制和正序电压补偿技术，在削减系统故障对双馈风机运行影响的同时利用风机线性自抗扰控制器实时补偿系统的总扰动，能够支持电网电压快速恢复并且克服电压响应速度和超调之间的矛盾，有效地抑制系统次同步振荡现象。

本发明设计的转子侧变流器电流环线性自抗扰控制器与传统的PI控制方式相比，克服了PI控制固有的滞后特性，解决了响应速度和超调之间的矛盾。一组固定的PI参数在不同工况下对于风机出力调节效果有差异，无法满足如今大规模风电场轻载到满载各种工况下对高精度控制的要求。而LADRC的控制参数所能适应的对象参数范围大，能应对系统在多种工况下的运行状态，独立于被控对象，不依赖于其精确模型。

本发明提出的线性自抗扰控制器设计能使被控对象变成积分串联型控制系统，提高系统稳定性与鲁棒性，抑制系统次同步振荡现象。

本发明提供的控制方法采用线性自抗扰控制技术，使其控制品质和控制精度有根本的提高，尤其在系统次同步振荡等恶劣环境下要求实现高速高精度控制的场合，风机转子侧变流器的线性自抗扰控制更能显示出其优越性。

本发明使用网侧变流器输出无功对机端电压正序分量进行补偿，排除负序电压对系统控制的影响，有助于快速恢复电网电压，增强系统稳定性。

本发明提供的技术方案只需结合线性自抗扰控制和正序电压分量补偿技术对双馈风电机组控制策略进行改进，即可实现对弱交流风电系统次同步振荡现象的抑制，不需增加额外的装置。

附图说明

图1为风电场结构图。

图2为双馈风机转子侧变流器无功电流环LADRC控制原理图。

图3双馈风机综合控制原理图。

图4为风电场次同步振荡事故发展过程图。

图5为改进综合控制下风电场事故响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。附图1为1.2GW海上风电场电气结构图，风电场由装机容量均为400MW的风电机组G1、G2和G3组成，每个机组含267台额定电压0.69kV、额定功率1.5MW的双馈风机，通过Crowbar装置实现风机低压穿越的硬件保护，且每台发电机运行状态一致。各台风电机组经箱变(0.69kV/35kV)升压后汇集到汇流母线，再接至海上升压站升压至400kV后，通过120km高压交流海缆向电网输送功率，海缆电阻为0.0205(Ω/km)、电抗为0.0798(Ω/km)。以短路比表征交流电网强度，该风电系统并网点短路比约为2.8，属于弱交流系统。在海底电缆中间节点配备TSC-TCR型SVC，该SVC由一个327Mvar的晶闸管控制电抗器和三个282Mvar的晶闸管投切电容器组成，采用定电压控制，其内部电压PI控制参数k_{p_svc}＝5，k_{i_svc}＝800。风电系统主要参数如表1所示。

表1风电系统主要参数

针对n阶对象y⁽ⁿ⁾＝f(t,y,…,y^(n-1),u,…,u^(n-1),w)+bu，其中u和y⁽ⁿ⁾分别是系统的输入和输出，w表示外部扰动，f(t,y,…,y^(n-1),u,…,u^(n-1),w)或简写为f包含了系统外扰以及所有不确定因素，b是给定的非零常数，根据上述理论论述，可设计转子侧变流器电流环线性自抗扰控制器提高海上双馈风电机组的抗扰性和鲁棒性。已知转子电流控制的微分方程如式(1)所示：

其中，u_rd与i_rd和u_rq与i_rq为一阶微分关系，以转子侧变流器无功电流环为例，设计一阶线性自抗扰控制器如附图2所示。由于系统次同步振荡现象动作快速，为了适时适量地补偿系统次同步扰动量，本文省去跟踪微分器环节，令v₁＝i_rqref。线性扩张状态观测器LESO的关键在于根据控制信号u和系统输出的测量信号i_rq估计出被控对象的状态变量z₁以及总扰动的实时作用量z₂，这使得线性自抗扰控制器不再特别依赖系统的精确模型，鲁棒性大大提高。设计LESO如下：

其中b₀为b的估计值，观测器的输出信号为z₁、z₂，变量z₁跟踪给定指令信号，z₂为总扰动的估计值。

再将无功电流参考值i_rqref和从LESO中反馈的z₁做差后输入到LSEF得到合适的输出量u₀，根据LESO估计的总扰动z₂对控制量u₀安排补偿过程，得到不含扰动的纯控制量u。故设计LSEF如式(3)所示。

其中k_p为线性误差反馈率增益。同理，采用线性自抗扰控制器替换转子侧d轴电流PI控制环节。

双馈风机综合控制策略如附图3所示，在改进风机转子侧变流器电流环控制的同时，充分挖掘风机网侧变流器的无功输出能力，使其在维持直流母线电压稳定的同时输出无功功率从而对机端电压正序分量进行补偿。附图3中虚线框区域为网侧变流器改进后的控制策略。其中u_abc*为机端电压额定正序分量，将u_abc*与实际正序电压u_abc ⁺做差后经比例积分调节器得到网侧变流器无功电流给定值，电流给定和反馈值经PI环节得到输出电压矢量再进行反变换得到网侧电压。通过改进网侧变流器控制方法提高海上风电机组对电网电压的支撑作用，排除负序电压对系统控制的影响，维持风电机组机端电压的稳定，增强系统稳定性，抑制由对称和不对称电网故障引发的次同步振荡现象。

附图4为该风电场次同步振荡事故发展曲线。在400kV母线处施加单相接地短路故障，故障持续时间设置为0.03s。最初SVC装置动作，向电网注入无功功率以维持电网电压稳定。但在随后的几百毫秒内，风电场内出现约9.8Hz左右的次同步振荡现象，风电场输出有功功率和无功功率发生大幅振荡，最终导致风电机组因转子过流触发切机保护信号而脱网。

应用本文所提综合控制策略后，风电场响应如附图5所示。系统具有更好的平稳性，克服了系统电气量响应的超调和快速性之间的矛盾，使风电场和并网点的电压及有功无功特性保持在合理范围内，提高了海上风电场和电网运行的可靠性和稳定性，抑制系统次同步振荡的现象，避免机组大规模脱网事故的发生。

上述以海上风电作为较佳实施例对技术方法加以说明，但本方法不仅仅限于海上风电机组，该方法也同样适用陆上弱交流系统中双馈风电机组次同步振荡的抑制。

Claims (1)

1.一种基于线性自抗扰控制的双馈风电机组次同步振荡抑制方法，其特征在于，为抑制弱交流系统中诱发的次同步振荡，结合线性自抗扰控制和正序电压分量补偿技术，分别改进双馈风电机组转子侧变流器和网侧变流器控制策略，增强弱电网的安全稳定特性，实现对弱交流风电系统次同步振荡现象的抑制，不需增加额外的装置；

针对改进转子侧变流器电流环控制策略，设计其一阶线性自抗扰控制器，将作用于被控对象的所有不确定因素都归结于未知扰动并用被控对象的输入输出数据对其进行实时估计并给予补偿，其中：利用线性扩张状态观测器LESO根据被控系统的输入控制量u和输出信号转子q轴电流i_rq来跟踪对象的状态z₁和估计系统的总扰动z₂，再将转子q轴电流给定值i_rqref和输出信号跟踪值z₁作差后输入到线性误差反馈率LESF后输出得到反馈控制量u₀，最后根据LESO估计的总扰动z₂对反馈控制量u₀安排补偿过程，得到补偿后的控制量u；

针对改进网侧变流器控制策略，将机端电压额定正序分量u_abc ^*与实际正序电压u_abc作差后经比例积分调节器得到网侧变流器无功电流给定值i_gq ^*，无功电流给定值i_gq ^*和网侧变流器无功电流反馈值i_gq作差后经比例积分调节器得到无功电压补偿电压u_gq，综合d轴电压分量后，再进行dq坐标系到abc坐标系的变换得到网侧变流器交流侧电压；通过改进网侧变流器控制方法排除了负序电压对系统控制的影响，有利于维持风电机组机端电压的稳定，增强系统稳定性，抑制由对称和不对称电网故障引发的次同步振荡现象。