CN114325097A - 一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法 - Google Patents

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辛焕海
马富艺龙
陈敏
谢欢
鞠平
王玮
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Abstract

本发明公开了一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法。在双馈型发电设备网侧变流器的二次侧控制环路施加固定扰动频率的扰动信号；对发电机机端的三相电压和三相电流采样；坐标变换获得dq同步旋转坐标系下的电压和电流向量；离散傅里叶变换获得电压和电流频域扰动量；改变幅值或相位两次测量，计算出发电机机端的dq阻抗频域特性；进行矩阵变换得发电机机端的正负序阻抗频域特性；进行扫频测量直至获得待测频段内的dq阻抗频域特性和正负阻抗频域特性。本发明通过利用双馈型发电设备并网系统结构特点，无需额外一次侧扰动注入设备就可获得双馈发电机机端阻抗频率特性，测量方法更便捷，成本更低。

Description

一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，涉及一种针对双馈型发电设备的阻抗测量方法，尤其涉及了一种二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗频率特性测量方法。
背景技术
高比例可再生能源和高比例电力电子设备正在成为电力系统发展的重大趋势。双馈型发电设备采用电力电子变流器为发电机提供交流励磁，在电力系统中应用广泛多样，如风力发电、抽水蓄能等，其并网稳定性问题不容忽视。阻抗分析法是一种广泛应用于电力电子发电设备的稳定性分析方法，也适用于双馈型发电设备，而阻抗频域特性测量是稳定性分析过程中的重要环节。现有双馈型发电设备阻抗测量技术一般采用一次高压侧注入方法，然而依赖高电压等级、容量大的额外扰动注入设备，技术路线成本较高。
发明内容
为了解决现有双馈型发电设备阻抗测量依赖额外一次高压侧扰动注入设备的问题，本发明提出一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法。
所述的二次侧扰动注入是指双馈型发电设备网侧变流器的低压侧控制环内施加扰动。
如图1所示，本发明的技术方案采用如下步骤：
1)针对双馈型发电设备并网结构，在双馈型发电设备网侧变流器的二次侧控制环路施加固定扰动频率的扰动信号；
双馈型发电设备并网结构包括网侧变流器和感应电机，网侧变流器和感应电机均接到电网上。双馈型发电设备并网结构具有两个并网端口，一个是发电机机端，另一个是网侧变流器端口，发电机机端为感应电机的端口。
双馈型发电设备并网结构包括网侧变流器和感应电机，网侧变流器和感应电机均接到电网上。双馈型发电设备并网结构具有两个并网端口，一个是风机机端，另一个是网侧变流器端口，风机机端为感应电机的端口。
2)使用采样设备对风机机端的三相电压和三相电流进行采样；
3)对三相电压和三相电流进行坐标变换，获得dq同步旋转坐标系下的电压向量和电流向量；
4)对电压向量和电流向量进行离散傅里叶变换，获得当前扰动频率下的电压频域扰动量和电流频域扰动量；
5)重复步骤1)～4)并在步骤1)中改变扰动信号的幅值或相位，进行两次测量，利用两次当前扰动频率下的电压频域扰动量和电流频域扰动量计算出风机机端的dq阻抗频域特性；
6)对步骤5)中获得的当前扰动频率下的风机机端的dq阻抗频域特性进行矩阵变换，得到当前扰动频率下的风机机端的正负序阻抗频域特性；
7)重复步骤1)～6)并在步骤1)中改变扰动信号的扰动频率，进行扫频测量直至获得待测频段内的各种扰动频率下发电机机端的dq阻抗频域特性和正负阻抗频域特性。
双馈型发电设备不仅限于双馈风力发电机组，也包括所有采用网侧变流器与转子侧变流器作为感应发电机交流励磁系统的双馈型发电设备，如电力系统中的变速抽水蓄能机组等。
所述步骤1)中的双馈型发电设备网侧变流器二次侧控制环路具体包括定直流电压外环和电流内环，定直流电压外环和电流内环级联连接，定直流电压外环输入连接双馈型发电设备直流电容的直流电压，电流内环的输出连接到网侧变流器的电压控制端。
所述步骤1)中，施加扰动信号的具体位置在电流内环控制d轴参考值Idref和q轴参考值Iqref处，扰动信号性质为频率、幅值、相位可设定的正弦扰动。
所述步骤2)中，采样设备为电压、电流互感器以及具有同步采样功能的六路AD采样装置，采样值为发电机机端的三相电压[Ua Ub Uc]与三相电流[Ia Ib Ic]。
所述步骤2)中，采样时间应选在并网系统从稳定运行状态进入受到持续正弦扰动后的时段。
所述步骤3)中，坐标变换采用如下公式：
Figure BDA0003362342680000021
Figure BDA0003362342680000022
其中，[Ud Uq]T是dq同步旋转坐标系下的d轴电压/q轴电压，[Id Iq]T是dq同步旋转坐标系下的d轴电流/q轴电流；θ表示dq同步旋转坐标系相对于三相静止坐标系的角度，角度θ采用随时间变化的锯齿波设定，斜率为2π×50rad/s，即以同步角速度ω0(2π×50rad/s)增加，周期为0.02s，幅值为2π。T表示矩阵转置，Ua、Ub、Uc分别表示三相电压，Ia、Ib、Ic分别表示三相电流。
具体实施中，发电机机端的dq阻抗频域特性采用以下公式表示：
Figure BDA0003362342680000031
其中，[ΔUd ΔUq]T是同步旋转坐标系下的d轴/q轴电压频域扰动量，[ΔId ΔIq]T同步旋转坐标系下的d轴/q轴电流频域扰动量，Zdd(s)、Zdq(s)、Zqd(s)、Zqq(s)为2×2dq阻抗频域特性矩阵的四个元素。
所述步骤5)中，发电机机端的dq阻抗频域特性的测量计算方法公式如下：
Figure BDA0003362342680000032
其中，Zdd(s)、Zdq(s)、Zqd(s)、Zqq(s)为2×2dq阻抗频域特性矩阵的四个元素，ΔUd1、ΔUd2分别表示第一次测量与第二次测量下d轴电压频域扰动量，ΔUq1、ΔUq2分别表示第一次测量与第二次测量下q轴电压频域扰动量，ΔId1、ΔId2分别表示第一次测量与第二次测量下d轴电流频域扰动量，ΔIq1、ΔIq2分别表示第一次测量与第二次测量下q轴的电流频域扰动量。
所述步骤6)中，矩阵变换采用以下公式：
Figure BDA0003362342680000033
其中，j为虚数单位，
Figure BDA0003362342680000034
Figure BDA0003362342680000035
表示dq阻抗频域特性对应的矩阵，
Figure BDA0003362342680000036
表示正负阻抗频域特性对应的矩阵；Zpp、Zpn、Znp、Znn分别为正负序阻抗矩阵的四个元素。
本发明采用在双馈型发电设备网侧变流器二次侧控制环路注入扰动的方法，使用采样设备对发电机机端三相电压和电流进行采样，对采样量进行坐标变换及离散傅里叶变换处理，得到电压、电流扰动量，从而计算某个频率扰动下的发电机机端阻抗频域响应，进一步扫频测量直至获得待测频段内各频率点发电机机端阻抗特性。
本发明通过二次侧扰动注入的测量手段获得发电机端口阻抗频域特性，为双馈型发电设备并网系统稳定性理论分析与实际控制器参数整定提供直接参考，同时提供了一种实时监测双馈型发电设备并网振荡风险的技术路线，有望进一步提出双馈型发电设备并网运行提供新的技术指标。
本发明的有益效果是：
本发明不仅适用于双馈风力发电机组，也适用于所有采用网侧变流器与转子侧变流器作为感应发电机交流励磁系统的双馈型发电设备，如电力系统中的变速抽水蓄能机组等。本发明利用双馈型发电设备并网系统结构特点，借助双馈型发电设备内部网侧变流器实现对双馈型发电设备机端阻抗频域特性进行测量，无需额外一次侧高压扰动注入设备。相比于使用一次侧高压扰动注入设备，测量方法更加便捷，成本更低，测量得到的阻抗频域特性可用于双馈型发电设备并网系统稳定性理论分析与控制器设计。
本发明采用双馈型发电设备网侧变流器二次侧施加扰动的测量方法，通过利用双馈型发电设备并网系统结构特点，无需额外连接一次侧高压扰动注入设备，也无需使双馈型发电设备脱网可获得双馈机端阻抗频率特性，可以在双馈型发电设备并网运行时就能实时进行阻抗特性准确测量。
附图说明
图1为本发明的一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法流程步骤示意图。
图2为本发明的双馈型发电设备(以双馈型发电设备为例)接入无穷大电网的典型并网结构与控制框图。
图3为实施例仿真验证中扰动前后的有功功率波形。
图4为实施例仿真验证中在一次高压侧和二次控制侧注入扰动下的双馈型发电设备dq阻抗频域特性测量结果。
图5为实施例仿真验证中在一次高压侧和二次控制侧注入扰动下的双馈型发电设备正负序阻抗频域特性测量结果。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
按照本发明发明内容完整方法实施的实施例及实施过程是：
本发明具体实施的双馈型发电设备并网系统如图2所示，双馈型发电设备转子侧变流器采用双环矢量控制，外环为定功率控制，内环为定电流控制；网侧变流器采用双环矢量控制，外环为定直流电压控制，内环为定电流控制。在MATLAB/Simulink中建立如图2所示的仿真模型。仿真参数如表1所示。
表1本发明实施例仿真验证参数
Figure BDA0003362342680000041
Figure BDA0003362342680000051
通过在双馈型发电设备网侧变流器二次侧控制环路注入幅值、相位、频率可设定的正弦扰动信号，如图2所示。并使用采样设备，对发电机机端三相电压[Ua Ub Uc]与三相电流[Ia Ib Ic]进行采样；采样设备为电压、电流互感器以及具有同步采样功能的六路AD采样装置。
施加扰动前，三相静止坐标系下的正弦电压电流变换到同步坐标系下的是直流量；施加扰动时，同步旋转坐标系下的d轴/q轴电压[Ud Uq]T和d轴/q轴电流[Id Iq]T是当前扰动频率下的正弦量。其中d轴电压如图3所示。
由于扰动后的电压、电流量是当前扰动频率下的正弦波，因此对扰动后的电压、电流采样值经过离散傅里叶变换后，选取当前扰动频率分量即能计算出当前频率下，d轴/q轴电压扰动量[ΔUd ΔUq]T和d轴/q轴电流扰动量[ΔId ΔIq]T。
改变施加扰动信号的幅值或相位，至少进行两次测量，利用两次当前扰动频率下的d轴/q轴电压电流扰动量计算出发电机机端的dq阻抗频域特性。
对当前扰动频率下的发电机机端的dq阻抗频域特性进行矩阵变换，得到当前扰动频率下的发电机机端的正负序阻抗频域特性。
由此使用本发明的双馈型发电设备阻抗频率特性测量方法，计算0-100Hz内的dq阻抗频域特性传递函数，绘制幅频特性和相频特性，与通过在一次侧施加扰动进行测量以及理论推导得到的传递函数进行比较，结果如图4所示。计算0-100Hz内的正负序阻抗频域特性传递函数，绘制幅频特性和相频特性，与通过在一次侧施加扰动进行测量以及理论推导得到的传递函数进行比较，结果如图5所示。
从图4和图5中可以看出，使用本发明的二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗频率特性测量方法可以准确测量双馈型发电设备端口dq阻抗频域特性和正负序阻抗频域特性特性，具有和一次高压侧注入扰动的测量方法相当的精度。
本发明具有突出显著的技术效果：本发明采用双馈型发电设备网侧变流器二次侧施加扰动的测量方法，无需额外连接一次侧高压扰动注入设备，也无需使双馈型发电设备脱网，可以在双馈型发电设备并网运行时就能实时进行阻抗特性的准确测量。测量结果可为双馈型发电设备并网系统稳定性理论分析与实际控制器参数整定提供直接参考，同时提供了一种实时监测双馈型发电设备并网振荡风险的技术路线，有望进一步提出双馈型发电设备并网运行提供新的技术指标。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法，其特征在于包含以下步骤：
1)针对双馈型发电设备并网结构，在双馈型发电设备的网侧变流器二次侧控制环路施加固定扰动频率的扰动信号；
2)使用采样设备对发电机机端的三相电压和三相电流进行采样；
3)对三相电压和三相电流进行坐标变换，获得dq同步旋转坐标系下的电压向量和电流向量；
4)对电压向量和电流向量进行离散傅里叶变换，获得当前扰动频率下的电压频域扰动量和电流频域扰动量；
5)重复步骤1)～4)并在步骤1)中改变扰动信号的幅值或相位，进行两次测量，利用两次当前扰动频率下的电压频域扰动量和电流频域扰动量计算出发电机机端的dq阻抗频域特性；
6)对步骤5)中获得的当前扰动频率下的发电机机端的dq阻抗频域特性进行矩阵变换，得到当前扰动频率下的发电机机端的正负序阻抗频域特性；
7)重复步骤1)～6)并在步骤1)中改变扰动信号的扰动频率，进行扫频测量直至获得待测频段内的各种扰动频率下发电机机端的dq阻抗频域特性和正负阻抗频域特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法，其特征在于：
所述步骤1)中的双馈型发电设备的网侧变流器二次侧控制环路具体包括定直流电压外环和电流内环，定直流电压外环和电流内环级联连接，定直流电压外环输入连接双馈型发电设备直流电容的直流电压，电流内环的输出连接到网侧变流器的电压控制端。
3.根据权利要求1所述的一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤1)中，施加扰动信号的具体位置在电流内环控制d轴参考值Idref和q轴参考值Iqref处，扰动信号性质为频率、幅值、相位可设定的正弦扰动。
4.根据权利要求1所述的一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤2)中，采样设备为电压、电流互感器以及具有同步采样功能的六路AD采样装置，采样值为发电机机端的三相电压[Ua Ub Uc]与三相电流[Ia Ib Ic]。
5.根据权利要求1所述的一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，坐标变换采用如下公式：
Figure FDA0003362342670000021
Figure FDA0003362342670000022
其中，[Ud Uq]T是dq同步旋转坐标系下的d轴电压/q轴电压，[Id Iq]T是dq同步旋转坐标系下的d轴电流/q轴电流；θ表示dq同步旋转坐标系相对于三相静止坐标系的角度，T表示矩阵转置，Ua、Ub、Uc分别表示三相电压，Ia、Ib、Ic分别表示三相电流。
6.根据权利要求1所述的一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法，其特征在于：
所述步骤5)中，发电机机端的dq阻抗频域特性的测量计算方法公式如下：
Figure FDA0003362342670000023
其中，Zdd(s)、Zdq(s)、Zqd(s)、Zqq(s)为2×2dq阻抗频域特性矩阵的四个元素，ΔUd1、ΔUd2分别表示第一次测量与第二次测量下d轴电压频域扰动量，ΔUq1、ΔUq2分别表示第一次测量与第二次测量下q轴电压频域扰动量，ΔId1、ΔId2分别表示第一次测量与第二次测量下d轴电流频域扰动量，ΔIq1、ΔIq2分别表示第一次测量与第二次测量下q轴的电流频域扰动量。
7.根据权利要求1所述的一种基于二次侧扰动注入的双馈型发电设备阻抗测量方法，其特征在于：所述步骤6)中，矩阵变换采用以下公式：
Figure FDA0003362342670000024
其中，j为虚数单位，
Figure FDA0003362342670000025
表示dq阻抗频域特性对应的矩阵，
Figure FDA0003362342670000026
表示正负阻抗频域特性对应的矩阵。
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