CN114172198A - 一种提高风电机组稳定性的控制系统及其参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风电机组控制技术领域，具体涉及一种提高风电机组稳定性的控制系统及其参数设计方法。本发明在全功率变换风电机组的电压源控制架构上，加入了改进型直流电压控制器、暂态稳定性提升控制器，能够提升电压源控制型风电机组的暂态稳定性，解决电网出现短路故障时常规电压源控制型风电机组的直流电压下跌的问题，维持直流电压稳定，避免危及电压源控制型风电机组的自主同步功能；改进型脉宽调制器能够提高电压源控制型风电机组的小信号稳定性，确保电压源控制型风电机组并网系统的安全稳定运行；改进型直流电压控制器、改进型脉宽调制器、暂态稳定性提升控制器的参数设计方法能够提升电压源控制型风电机组的小信号稳定性和暂态稳定性。

Description

一种提高风电机组稳定性的控制系统及其参数设计方法

技术领域

本发明涉及风电机组控制技术领域，具体涉及一种提高风电机组稳定性的控制系统及其参数设计方法。

背景技术

全功率变换风电机组是目前广泛应用的一类风电机组，如附图1所示，该风电机组包括网侧变换器、机侧变换器。为了应对高比例风电并网，需要风电机组具备主动支撑电网、参与电网调节、以及稳定运行的能力。电压源控制策略能够使风电机组对电网呈现出电压源特性，实现对电网的主动支撑功能，满足高比例风电并网的要求。

如附图2所示，一种电压源控制型风电机组的网侧变换器控制结构，网侧变换器通过LCL型滤波器并入电网，网侧变换器包括无功功率控制与直流电压控制外环、交流侧电压控制中环、输出电流控制内环。这种电压源控制能够利用直流电容动态实现对电网的自主同步功能，省略了锁相环，然而，还存在如下问题：

1)电网出现短路故障电网电压跌落时，这种电压源控制型风电机组的直流电压下跌，如附图3所示，电网电压下跌，风电机组直流电压下降到0.2p.u.以下，危及风电机组根据直流电压实现对电网的自主同步功能；

2)随着风电机组接入电网比例的不断提高、以及附加惯量传递功能的加入，电压源控制型风电机组存在小信号失稳的问题，危及风电机组的安全稳定运行。

发明内容

本发明提出了一种提高风电机组稳定性的控制系统及其参数设计方法，目的是为了解决电网出现短路故障时，常规电压源控制型风电机组的直流电压下跌的问题，避免危及电压源控制型风电机组的自主同步功能；针对高比例风电机组并网存在小信号失稳的问题，提出控制策略，并给出参数设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种提高风电机组稳定性的控制系统，包括电压源控制的全功率风电机组，依次连接全功率风电机组的机侧变换器、网侧变换器；所述网侧变换器通过LCL型滤波器并入电网；还包括改进型直流电压控制器、暂态稳定性提升控制器、改进型脉宽调制器；所述改进型直流电压控制器设置于网侧变换器的外控制环路中，用于对直流电压控制改进；所述暂态稳定性提升控制器与交流电压控制电路相连接；所述改进型脉宽调制器，用于对脉冲宽度调制环节改进；

所述改进型直流电压控制器中，直流电压的反馈值经过一个增益为1/k_dc的放大环节，再经过一个时间常数为T_dc的低通滤波环节再经过一个增益为100π的积分环节后，其输出为相位θ，改进型直流电压控制器的输入、输出间的关系如下：

公式(1)中，s为拉普拉斯算子，输出的相位θ可用于将反馈的三相电压u_Cabc、电流i_1abc变换为同步坐标系下的两相电压u_Cd、u_Cq以及电流i_1d、i_1q，也可用于将电流内环PI调节器输出的dq轴调制电压

旋转变换为三相调制电压

在电网出现故障时，直流电压控制器中的低通滤波环节能够避免直流电压的出现的跌落问题，提高电压源控制型风电机组的暂态稳定性；

所述改进型脉宽调制器中，采用正弦脉冲宽度调制，调制波为电流内环PI调节器输出的、经过坐标变换后的三相调制电压

正弦脉冲宽度调制的三角载波的峰峰值为h；网侧变换器直流电压的反馈值u_dc经过时间常数为T_L的一阶低通滤波器，再经过一个增益为2的放大环节后作为三角载波的峰峰值h，即该峰峰值h与网侧变换器直流电压之间的关系为：

公式(2)中，s为拉普拉斯算子，改进型脉宽调制器中三角载波的峰峰值h与直流电压u_dc间的控制关系可提高网侧变换器的小信号稳定性。

作为本发明的优选技术方案：所述改进型直流电压控制器中，设计放大系数k_dc、时间常数T_dc满足如下关系：

公式(3)中，u_dcref为直流电压的设定值。

作为本发明的优选技术方案：所述改进型脉宽调制器中，T_L满足如下关系：

0.001≤T_L≤0.01 (4)

公式(4)中，T_L为设计时间常数。

作为本发明的优选技术方案：所述暂态稳定性提升控制器中，直流电压的反馈值u_dc与直流电压的设定值u_dcref之差除以常数k_s后，经过一个滤波器后作为其输出ΔU，暂态稳定性提升控制器的输出与输入之间的关系如下：

公式(5)中，T₁、T₂为滤波器的时间常数。暂态稳定性提升控制器能够提升电网出现故障时风电机组的暂态稳定性。

作为本发明的优选技术方案：所述时间常数T₁、T₂满足如下关系：

公式(6)中，T₁、T₂为滤波器的时间常数。

本发明还提供一种提高风电机组稳定性的控制系统的参数设计方法，为了综合提升风电机组的小信号稳定性和暂态稳定性，设计改进型直流电压控制器、改进型脉宽调制器、以及暂态稳定性提升控制器参数按照如下步骤：

S1：根据电压源控制型风电机组实际运行时的振荡频率，整定改进型直流电压控制器时间常数T_dc、改进型脉宽调制器的时间常数T_L、暂态稳定性提升控制器的时间常数T₁与T₂；

S2：建立电压源控制型风电机组的小信号状态空间模型，画出系统特征根随暂态稳定性提升控制器系数k_s变化的轨迹曲线，根据该曲线选取满足系统小信号稳定的k_s值；

S3：在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建电压源控制型风电机组的仿真模型，将上述整定好的参数T_dc、T_L、T₁、T₂、k_s代入，验证电压源控制型风电机组的小信号稳定性与暂态稳定性；

S4：当整定好的参数T_dc、T_L、T₁、T₂、k_s能够同时满足电压源控制型风电机组的小信号稳定性与暂态稳定性的要求，则参数设计完毕；否则，返回步骤S1重新设计，直到满足要求为止。

本发明所述的一种提高风电机组稳定性的控制系统及其参数设计方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明在全功率变换风电机组的电压源控制架构上，加入了改进型直流电压控制器、暂态稳定性提升控制器，能够提升电压源控制型风电机组的暂态稳定性，解决电网出现短路故障时常规电压源控制型风电机组的直流电压下跌的问题，维持直流电压稳定，避免危及电压源控制型风电机组的自主同步功能；提出的改进型脉宽调制器能够提高电压源控制型风电机组的小信号稳定性，确保电压源控制型风电机组并网系统的安全稳定运行；提出的改进型直流电压控制器、改进型脉宽调制器、以及暂态稳定性提升控制器的参数设计方法能够综合提升电压源控制型风电机组的小信号稳定性和暂态稳定性。

附图说明

图1为现有技术中全功率风电机组系统结构图；

图2为现有技术中一种电压源控制型风电机组的网侧变换器控制框图；

图3为电网出现短路故障时现有电压源控制型风电机组的仿真波形；

图4为本发明一个实施例—提高风电机组稳定性的控制框图；

图5为本发明一个实施例—改进型直流电压控制器的输入、输出间的传递函数框图；

图6为本发明一个实施例—改进型脉宽调制器的示意图；

图7为本发明一个实施例—暂态稳定性提升控制器的传递函数框图；

图8为本发明一个仿真实施例—电网出现短路故障时采用本发明控制方法的电压源控制型风电机组的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。

请参阅图4，一种提高风电机组稳定性的控制系统，包括电压源控制的全功率风电机组，依次连接全功率风电机组的机侧变换器、网侧变换器；网侧变换器通过LCL型滤波器并入电网；图2中，现有的网侧变换器采用电压源控制架构，包括外控制环路、中控制环路、内控制环路；外控制环路为无功功率控制、直流电压控制；中控制环路为滤波电容电压控制；内控制环路为电流控制；为了增强电压源控制型风电机组的稳定性，在网侧变换器现有的三环电压源控制结构的基础上，加入了改进型直流电压控制器、改进型脉宽调制器、以及暂态稳定性提升控制器；改进型直流电压控制器处在原有三环电压源控制结构的直流电压控制外环的位置，对原有直流电压控制外环加以改进。在原有三环电压源控制结构的交流电压控制中环的基础上，暂态稳定性提升控制器叠加到交流电压d轴参考值上。改进型脉宽调制器在原有三环电压源控制结构的基础上，对原有的脉冲宽度调制环节加以改进。

请参阅图5，本发明一个实施例—改进型直流电压控制器的输入、输出间的传递函数框图，改进型直流电压控制器中，直流电压的反馈值经过一个增益为1/k_dc的放大环节，再经过一个时间常数为T_dc的低通滤波环节再经过一个增益为100π的积分环节后，其输出为相位θ，改进型直流电压控制器的输入、输出间的关系如下：

公式(1)中，s为拉普拉斯算子，输出的相位θ可用于将反馈的三相电压u_Cabc、电流i_1abc变换为同步坐标系下的两相电压u_Cd、u_Cq以及电流i_1d、i_1q，也可用于将电流内环PI调节器输出的dq轴调制电压

旋转变换为三相调制电压

在电网出现故障时，直流电压控制器中的低通滤波环节能够避免直流电压的出现的跌落问题，提高电压源控制型风电机组的暂态稳定性；

请参阅图6，本发明一个实施例—改进型脉宽调制器的示意图，改进型脉宽调制器中，采用正弦脉冲宽度调制，调制波为电流内环PI调节器输出的、经过坐标变换后的三相调制电压

正弦脉冲宽度调制的三角载波的峰峰值为h；网侧变换器直流电压的反馈值u_dc经过时间常数为T_L的一阶低通滤波器，再经过一个增益为2的放大环节后作为三角载波的峰峰值h，即该峰峰值h与网侧变换器直流电压之间的关系为：

公式(2)中，s为拉普拉斯算子，改进型脉宽调制器中三角载波的峰峰值h与直流电压u_dc间的控制关系可提高网侧变换器的小信号稳定性。

请参阅图5，改进型直流电压控制器中，设计放大系数k_dc、时间常数T_dc满足如下关系：

公式(3)中，u_dcref为直流电压的设定值。

请参阅图6，改进型脉宽调制器中，T_L满足如下关系：

0.001≤T_L≤0.01 (4)

公式(4)中，T_L为设计时间常数。

请参阅图7，本发明一个实施例—暂态稳定性提升控制器的传递函数框图，暂态稳定性提升控制器中，直流电压的反馈值u_dc与直流电压的设定值u_dcref之差除以常数k_s后，经过一个滤波器后作为其输出ΔU，暂态稳定性提升控制器的输出与输入之间的关系如下：

公式(5)中，T₁、T₂为滤波器的时间常数。暂态稳定性提升控制器能够提升电网出现故障时风电机组的暂态稳定性。

时间常数T₁、T₂满足如下关系：

公式(6)中，T₁、T₂为滤波器的时间常数。

为了综合提升风电机组的小信号稳定性和暂态稳定性，本发明还提供一种提高风电机组稳定性的控制系统的参数设计方法，设计改进型直流电压控制器、改进型脉宽调制器、以及暂态稳定性提升控制器参数按照如下步骤：

S1：根据电压源控制型风电机组实际运行时的振荡频率，整定改进型直流电压控制器时间常数T_dc、改进型脉宽调制器的时间常数T_L、暂态稳定性提升控制器的时间常数T₁与T₂；

S2：建立电压源控制型风电机组的小信号状态空间模型，画出系统特征根随暂态稳定性提升控制器系数k_s变化的轨迹曲线，根据该曲线选取满足系统小信号稳定的k_s值；

S3：在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建电压源控制型风电机组的仿真模型，将上述整定好的参数T_dc、T_L、T₁、T₂、k_s代入，验证电压源控制型风电机组的小信号稳定性与暂态稳定性；

S4：当整定好的参数T_dc、T_L、T₁、T₂、k_s能够同时满足电压源控制型风电机组的小信号稳定性与暂态稳定性的要求，则参数设计完毕；否则，返回步骤S1重新设计，直到满足要求为止。

请参阅图8，本发明一个仿真实施例—电网出现短路故障时采用本发明控制方法的电压源控制型风电机组的仿真波形，电网电压在16秒时由1p.u.跌落到0.2p.u.，风电机组直流电压出现小幅度的上升而后恢复稳定。对比图3，说明了采用本申请提出的控制方法，能够提高电压源控制型风电机组的暂态稳定性。

本发明在全功率变换风电机组的电压源控制架构上，加入了改进型直流电压控制器、暂态稳定性提升控制器，能够提升电压源控制型风电机组的暂态稳定性，解决电网出现短路故障时常规电压源控制型风电机组的直流电压下跌的问题，维持直流电压稳定，避免危及电压源控制型风电机组的自主同步功能；提出的改进型脉宽调制器能够提高电压源控制型风电机组的小信号稳定性，确保电压源控制型风电机组并网系统的安全稳定运行；提出的改进型直流电压控制器、改进型脉宽调制器、以及暂态稳定性提升控制器的参数设计方法能够综合提升电压源控制型风电机组的小信号稳定性和暂态稳定性。

以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种提高风电机组稳定性的控制系统，包括电压源控制的全功率风电机组，依次连接全功率风电机组的机侧变换器、网侧变换器；所述网侧变换器通过LCL型滤波器并入电网；其特征在于，还包括改进型直流电压控制器、暂态稳定性提升控制器、改进型脉宽调制器；所述改进型直流电压控制器设置于网侧变换器的外控制环路中，用于对直流电压控制改进；所述暂态稳定性提升控制器与交流电压控制电路相连接；所述改进型脉宽调制器，用于对脉冲宽度调制环节改进；

所述改进型直流电压控制器中，直流电压的反馈值经过一个增益为1/k_dc的放大环节，再经过一个时间常数为T_dc的低通滤波环节再经过一个增益为100π的积分环节后，其输出为相位θ，改进型直流电压控制器的输入、输出间的关系如下：

公式(1)中，s为拉普拉斯算子，输出的相位θ可用于将反馈的三相电压u_Cabc、电流i_1abc变换为同步坐标系下的两相电压u_Cd、u_Cq以及电流i_1d、i_1q，也可用于将电流内环PI调节器输出的dq轴调制电压

旋转变换为三相调制电压

所述改进型脉宽调制器中，采用正弦脉冲宽度调制，调制波为电流内环PI调节器输出的、经过坐标变换后的三相调制电压

正弦脉冲宽度调制的三角载波的峰峰值为h；网侧变换器直流电压的反馈值u_dc经过时间常数为T_L的一阶低通滤波器，再经过一个增益为2的放大环节后作为三角载波的峰峰值h，即该峰峰值h与网侧变换器直流电压之间的关系为：

公式(2)中，s为拉普拉斯算子。

2.根据权利要求1所述的一种提高风电机组稳定性的控制系统，其特征在于，所述改进型直流电压控制器中，设计放大系数k_dc、时间常数T_dc满足如下关系：

公式(3)中，u_dcref为直流电压的设定值。

3.根据权利要求1所述的一种提高风电机组稳定性的控制系统，其特征在于，所述改进型脉宽调制器中，T_L满足如下关系：

0.001≤T_L≤0.01 (4)

公式(4)中，T_L为设计时间常数。

4.根据权利要求1所述的一种提高风电机组稳定性的控制系统，其特征在于，所述暂态稳定性提升控制器中，直流电压的反馈值u_dc与直流电压的设定值u_dcref之差除以常数k_s后，经过一个滤波器后作为其输出ΔU，暂态稳定性提升控制器的输出与输入之间的关系如下：

公式(5)中，T₁、T₂为滤波器的时间常数。

5.根据权利要求4所述的一种提高风电机组稳定性的控制系统，其特征在于，所述时间常数T₁、T₂满足如下关系：

公式(6)中，T₁、T₂为滤波器的时间常数。

6.基于权利要求1至5任意一项所述的一种提高风电机组稳定性的控制系统的参数设计方法，其特征在于，设计改进型直流电压控制器、改进型脉宽调制器、以及暂态稳定性提升控制器参数按照如下步骤：

S1：根据电压源控制型风电机组实际运行时的振荡频率，整定改进型直流电压控制器时间常数T_dc、改进型脉宽调制器的时间常数T_L、暂态稳定性提升控制器的时间常数T₁与T₂；

S2：建立电压源控制型风电机组的小信号状态空间模型，画出系统特征根随暂态稳定性提升控制器系数k_s变化的轨迹曲线，根据该曲线选取满足系统小信号稳定的k_s值；

S3：在PSCAD/EMTDC仿真平台上搭建电压源控制型风电机组的仿真模型，将上述整定好的参数T_dc、T_L、T₁、T₂、k_s代入，验证电压源控制型风电机组的小信号稳定性与暂态稳定性；

S4：当整定好的参数T_dc、T_L、T₁、T₂、k_s能够同时满足电压源控制型风电机组的小信号稳定性与暂态稳定性的要求，则参数设计完毕；否则，返回步骤S1重新设计，直到满足要求为止。

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