CN114243787A - 一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制方法及系统，属于风力发电技术领域。本发明适用于深度电网故障时风电并网系统的电流控制器控制，方法包括：一旦检测到电网发生故障，采集锁相环的PI控制器输出的角速度偏差，将其输入积分环节计算系统功角，然后根据该功角值计算给定的d轴电流指令值，q轴电流指令值根据电网导则给定，利用优化的电流指令值进行低电压穿越期间的控制，可以使风电并网系统具备新的平衡点以提高故障期间的同步稳定性。本发明所提方法避免使用电网系统参数，可以应用于任何电压跌落等级的情况，具有物理概念清晰明确、结构简单的优点。

Description

一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制方法及系统

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，更具体地，涉及一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制方法及系统。

背景技术

随着风电系统在电网中渗透率的提升，新型电力系统的持续安全稳定运行逐渐受到广泛的关注。在电网故障期间，电网导则要求风电机组保持不脱网运行，并能在规定时间内向电网提供无功支撑。然而，由于弱电网特性及电网电压跌落程度过低，风电机组在大扰动后与电网保持同步的能力变弱，可能发生严重的暂态同步失稳问题。

目前，提升暂态同步稳定的方法主要有两类：一类调节锁相环动态提升同步稳定性。锁相环同步单元是风电机组保持与电网同步的最重要的控制器，而锁相环作为一个二阶控制器，可能存在由于阻尼比不足或超调量过大，导致系统失去同步的问题。电网故障下，提升锁相环动态的方式包括：冻结锁相环并使用故障前的相角信息控制；增加锁相环比例系数并减小积分系数，以增大系统阻尼；使能锁相环的积分环节，将锁相环变化为一阶比例控制器。然而以上控制方式存在一个重要假设前提：电网电压跌落过程中，系统存在新的稳定平衡点。如果在风电并网系统中不存在稳定平衡点，即使系统的所有控制器都是理想的，系统也会崩溃。因此，另一类是修改有功电流/功率指令提升同步稳定性的方法，这类方法可以保证平衡点的存在，同时提升动态特性。目前，已有一些关于通过修改有功电流/功率提升同步稳定性的研究工作，例如：

[1]O.Goksu,R.Teodorescu,C.L.Bak,F.Iov,and P.C.Kjaer,“Instability ofWind Turbine Converters During Current Injection to Low Voltage Grid Faultsand PLL Frequency Based Stability Solution,”IEEE Transactions on PowerSystems,vol.29,pp.1683-1691,2014.

[2]X.He,H.Geng,R.Li,and B.C.Pal,“Transient Stability Analysis andEnhancement of Renewable Energy Conversion System During LVRT,”IEEETransactions on Sustainable Energy,vol.11,pp.1612-1623,2020.

[3]S.Ma,H.Geng,L.Liu,G.Yang,and B.C.Pal,“Grid-SynchronizationStability Improvement of Large Scale Wind Farm During Severe Grid Fault,”IEEETransactions on Power Systems,vol.33,pp.216-226,2018.

文献[1-2]通过将锁相环的角速度偏差引入有功电流/有功功率的指令以自动调节有功电流指令，然而这类方法会引入额外的PI控制器，使控制器参数的整定更加麻烦。文献[3]根据线路阻感比给定有功/无功电流指令，但该方案严重依赖线路阻抗信息，同时由于阻感比恒为定值，系统会缺乏动态调节能力。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制方法及系统，可以使风电并网系统在电网故障期间具备新的平衡点，并提高故障期间的同步稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制方法，包括以下步骤：

(1)当检测到电网故障时，若风电并网系统进入低电压穿越模式，采用电网电压d轴定向方式，将采集到的并网点三相电压u_s由三相静止坐标系转换至两相旋转坐标系中，得到两相直流电压u_sd和u_sq，将u_sq作为锁相环的输入信号，按照以下公式计算锁相环的PI控制器输出ω_err：

ω_err＝k_pu_sq+k_i∫u_sqdt

其中，k_p是PI控制器的比例系数，k_p是PI控制器的积分系数。

(2)在锁相环的PI控制器通过积分计算系统功角：

δ＝∫ω_errdt

(3)根据步骤(1)获得的并网点三相电压u_s的跌落程度，遵循电网导则，给定q轴电流指令i_{q_ref}，根据步骤(2)获得的系统功角计算d轴电流指令值：

i_{d_ref}＝i_{q_ref}tanδ

(4)根据步骤(3)获得的q轴电流指令i_{q_ref}和d轴电流指令i_{d_ref}，作为风电并网系统在电网严重故障下的电流控制器指令值进行控制。

进一步优选地，所述风电并网系统在电网故障后电流控制器的d轴电流指令给定为：

i_{d_ref}＝i_{q_ref}tanδ

其中，i_{d_ref}表示d轴电流指令；i_{q_ref}为q轴电流指令，通常根据电网导则要求给定：i_{q_ref}＝K₁×(0.8-u_s)，K₁是风电场动态无功电流比例系数。

按照本发明的另一方面，提供了一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制系统，包括：速度偏差计算模块，用于当检测到电网故障时，将采集到的并网点三相电压u_s进行坐标变换得到两相直流电压u_sd和u_sq，将u_sq作为锁相环的输入信号；

功角计算模块，用于在锁相环的PI控制器通过积分计算系统功角；

dq轴电流指令生成模块，用于所述并网点三相电压u_s的跌落程度，遵循电网导则，给定q轴电流指令值，根据所述系统功角计算d轴电流指令值；

电流控制器模块，用于将d、q轴电流指令值，作为风电并网系统在电网严重故障下的电流控制器指令值进行控制。

总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明使风电并网系统在电网电压严重跌落故障时，具备新的平衡点，并提升系统动态特性，以提高故障期间的同步稳定性。

2、本发明所述方法避免使用线路阻抗信息、故障点电压等电网系统特性参数，物理概念清晰明确、控制结构简单。

3、本发明所述方法避免引入多余的PI控制器，简化参数设计方法。

4.、本发明可以应用于零电压故障穿越的工况。

附图说明

图1为本发明提出的提升风电并网系统暂态同步稳定控制方法的结构框图；

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为双馈型风力发电并网系统采用本发明所提的风电并网系统控制策略的仿真波形图：(a)为三相电网电压，(b)为三相并网点电压，(c)系统频率，(d)双馈风机功角，(e)转子侧d轴电流指令，(f)转子侧q轴电流指令；

图4为全功率型风力发电并网系统接入电网的结构示意图；

图5为全功率型风力发电并网系统采用本发明所提的风电并网系统控制策略的仿真波形图：(a)为三相电网电压，(b)为三相并网点电压，(c)系统频率，(d)全功率型风机功角，(e)网侧d轴电流指令，(f)网侧q轴电流指令。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图说明本发明的工作原理及其具体实施方式。

图1示出了本发明实施例提供的提升风电并网系统暂态同步稳定控制方法的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，具体包括：功角计算模块1和电流指令生成模块2。功角计算模块1，其输入端连接锁相环PI控制器的输出ω_err，通过积分器积分得到功角δ，并将功角值输出至电流指令生成模块2。电流指令生成模块2，其输入端连接功角计算模块1的输出，以及由电网导则给定的q轴电流指令i_{q_ref}，通过公式i_{d_ref}＝i_{q_ ref}tanδ计算d轴电流指令。最后，将计算所得dq轴电流指令输入电流控制器进行后续控制。

实施例1

图2为双馈型风力发电并网系统接入电网的结构示意图。在电网发生短路故障时，本发明所提控制策略应用于转子侧控制器，可自动改善风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。其具体步骤为：

(1)若风电并网系统进入低电压穿越模式，采用电网电压d轴定向方式，将采集到的并网点三相电压u_s由三相静止坐标系转换至两相旋转坐标系中，得到两相直流电压u_sd和u_sq，将u_sq作为锁相环的输入信号，按照以下公式计算ω_err：

ω_err＝k_pu_sq+k_i∫u_sqdt

其中，k_p是PI控制器的比例系数，k_p是PI控制器的积分系数

(2)根据步骤(1)获得的角速度误差ω_err，计算功角δ的值：

δ＝∫ω_errdt

(3)根据步骤(1)获得的并网点三相电压u_s的跌落程度，遵循电网导则，给定q轴电流指令i_{q_ref}，以提供电压支撑，并计算d轴电流指令：

i_{d_ref}＝i_{q_ref}tanδ

(4)根据步骤(3)获得的q轴电流指令i_{q_ref}和d轴电流指令i_{d_ref}，作为风电并网系统在电网严重故障下的电流控制器指令值进行控制。

本发明以一台典型参数下的1.5MW双馈风机为例，进行了仿真研究。在1s时发生三相对称短路故障，运用本发明提出的提升风电并网系统暂态同步稳定的控制方法，自动调节转子侧d电流控制器d轴电流指令，可以保证系统同步稳定运行。双馈风机各状态量如图3所示。

实施例2

图4为全功率型风力发电并网系统接入电网的结构示意图，在电网发生短路故障时，本发明所提控制策略应用于网侧控制器，可自动改善风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。其具体步骤为：

(1)若风电并网系统进入低电压穿越模式，采用电网电压d轴定向方式，将采集到的并网点三相电压u_s由三相静止坐标系转换至两相旋转坐标系中，得到两相直流电压u_sd和u_sq，将u_sq作为锁相环的输入信号，按照以下公式计算ω_err：

ω_err＝k_pu_sq+k_i∫u_sqdt

其中，k_p是PI控制器的比例系数，k_p是PI控制器的积分系数

(2)根据步骤(1)获得的角速度误差ω_err，计算功角δ的值：

δ＝∫ω_errdt

(3)根据步骤(1)获得的并网点三相电压u_s的跌落程度，遵循电网导则，给定q轴电流指令i_{q_ref}，以提供电压支撑，并计算d轴电流指令：

i_{d_ref}＝i_{q_ref}tanδ

(4)根据步骤(3)获得的q轴电流指令i_{q_ref}和d轴电流指令i_{d_ref}，作为风电并网系统在电网严重故障下的电流控制器指令值进行控制。

本发明以一台典型参数下的1.5MW全功率型风机为例，进行了仿真研究。在1s时发生三相对称短路故障，运用本发明提出的提升风电并网系统暂态同步稳定的控制方法，自动调节网侧电流控制器d轴电流指令，可以保证系统同步稳定运行。全功率型风机各状态量如图5所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)当检测到电网故障时，将采集到的并网点三相电压u_s进行坐标变换得到两相直流电压u_sd和u_sq，将u_sq作为锁相环的输入信号；

(2)在锁相环的PI控制器通过积分计算系统功角；

(3)根据步骤(1)获得的并网点三相电压u_s的跌落程度，遵循电网导则，给定q轴电流指令值，根据步骤(2)获得的系统功角计算d轴电流指令值；

(4)将d、q轴电流指令值，作为风电并网系统在电网严重故障下的电流控制器指令值进行控制。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述系统功角由锁相环的PI控制器输出ω_err通过积分器所得：

δ＝∫ω_errdt

其中，δ为功角，指PCC点电压与电网电压之间的夹角；ω_err是锁相环PI控制器输出的角速度偏差。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述d轴电流指令为：

i_{d_ref}＝i_{q_ref}tanδ

其中，i_{d_ref}表示d轴电流指令；i_{q_ref}为q轴电流指令。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述d轴电流指令为：

i_{q_ref}＝K₁×(0.8-u_s)

其中，K₁是风电场动态无功电流比例系数。

5.一种提升风电并网系统暂态同步稳定性的控制系统，其特征在于，包括：

速度偏差计算模块，用于当检测到电网故障时，将采集到的并网点三相电压u_s进行坐标变换得到两相直流电压u_sd和u_sq，将u_sq作为锁相环的输入信号；

功角计算模块，用于在锁相环的PI控制器通过积分计算系统功角；

dq轴电流指令生成模块，用于所述并网点三相电压u_s的跌落程度，遵循电网导则，给定q轴电流指令值，根据所述系统功角计算d轴电流指令值；

电流控制器模块，用于将d、q轴电流指令值，作为风电并网系统在电网严重故障下的电流控制器指令值进行控制。

6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述系统功角由锁相环的PI控制器输出ω_err通过积分器所得：

δ＝∫ω_errdt

其中，δ为功角，指PCC点电压与电网电压之间的夹角；ω_err是锁相环PI控制器输出的角速度偏差。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述d轴电流指令为：

i_{d_ref}＝i_{q_ref}tanδ

其中，i_{d_ref}表示d轴电流指令；i_{q_ref}为q轴电流指令。

8.如权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述d轴电流指令为：

i_{q_ref}＝K₁×(0.8-u_s)

其中，K₁是风电场动态无功电流比例系数。

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