CN114696341A - 基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法及系统，包括：三相静止坐标系下的三相定子电流经过滤波器后得到次同步频段信号；对次同步频段信号进行坐标变换，得到定子电流α、β轴分量；定子电流α、β轴分量分别经过阻抗控制增益环节和阻抗控制修正环节后，得到两相静止坐标系下附加阻抗控制的输出；进行两相静止坐标系到两相旋转坐标系的坐标变换，得到附加阻抗控制的输出；将附加阻抗控制的输出附加到转子侧变换器电流环的输出上，得到转子电压d轴和q轴分量。本发明为抑制次同步振荡，在转子侧变换器电流环引入定子电流来附加虚拟电阻控制；能够充分发挥抑制作用，最大化附加控制对次同步振荡的抑制效果。

Description

基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及双馈风机次同步振荡抑制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

目前，源荷空间分布不匹配的矛盾日益突出，因此大规模远距离输电也是必然。为提高线路功率输送能力，往往采用串联补偿电容技术。然而，串补电容的加入有引发系统次同步振荡的风险。世界范围内多次发生双馈风电场经串补输电线路功率外送引发次同步振荡的事故。因此，选择风力发电中广泛应用的双馈风电机组，研究双馈风电场经串补并网系统，深入分析其次同步振荡的发生机理与影响因素，提出有效的抑制策略，对提高风能利用率以及确保风电并网电力系统的安全稳定运行具有重要的理论意义和实用价值。

目前已经认识到转子电阻与电流环控制的比例环节在次同步频段会表现出负电阻特性，在串补并网场景下双馈风机有次同步振荡的风险，为避免振荡，可采用虚拟电阻控制。虚拟电阻控制是一种抑制双馈风机次同步振荡的有效手段，具有原理清晰、改造简单、模块化实现等优点。虚拟电阻控制的核心在于令双馈风机对外表现为正电阻性质。然而，现有的虚拟电阻控制都是附加在转子侧的，将其等效到定子侧之后并非是纯电阻，无法最大化对次同步振荡的抑制作用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法及系统，基于定子侧阻抗与转子侧阻抗之间的数学关系，在转子侧虚拟阻抗并使其在定子侧等效表现为纯虚拟电阻，从而能够最大程度地抑制次同步振荡。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，包括：

获取三相静止坐标系下的三相定子电流，每一相定子电流经过滤波器后得到次同步频段信号；

对所述次同步频段信号进行三相静止坐标到两相静止坐标的坐标变换，得到定子电流α、β轴分量；

所述定子电流α轴和β轴分量分别经过阻抗控制增益环节和阻抗控制修正环节后得到两相静止坐标系下阻抗控制的输出；

对所述两相静止坐标系下阻抗控制的输出进行两相静止坐标到两相旋转坐标的坐标变换，得到附加阻抗控制的输出；

将所述附加阻抗控制的输出附加到转子侧变换器电流环的输出上，得到转子电压d轴和q轴分量，实现振荡抑制作用。

加入方向修正环节后，双馈风机定子的等效阻抗具体为：

其中，R_s和R_r分别是定子电阻和转子电阻，k_ps为阻抗控制增益环节的增益系数；s为微分算子；L_ss为定子绕组漏感、L_m为定子、转子等效绕组间互感、ω_r为转子转速、L_rr为转子绕组漏感、PI为转子侧变换器电流环PI环节传递函数。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制系统，包括：

定子电流滤波模块，用于获取三相静止坐标系下的三相定子电流，每一相定子电流经过滤波器后得到次同步频段信号；

第一坐标变换模块，用于对所述次同步频段信号进行三相静止坐标到两相静止坐标的坐标变换，得到定子电流α、β轴分量；

附加阻抗控制模块，用于使得所述定子电流α轴、β轴分量分别经过阻抗控制增益环节和阻抗控制修正环节，得到两相静止坐标系下阻抗控制的输出；

第二坐标变换模块，用于对所述两相静止坐标系下阻抗控制的输出进行两相静止坐标到两相旋转坐标的坐标变换，得到附加阻抗控制的输出；

振荡抑制模块，用于将所述附加阻抗控制的输出附加到转子侧变换器电流环的输出上，得到转子电压d轴和q轴分量，实现振荡抑制作用。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明为抑制次同步振荡，在转子侧变换器电流环引入定子电流来附加虚拟电阻控制。其中，引入定子电流而非转子电流为定子端虚拟电阻控制提供了基础。根据双馈风机定子对外表现出的等效阻抗Z_dq的形式，加入方向修正环节M，修正附加阻抗的阻抗角使其在定子端口表现为纯电阻，能够充分发挥抑制作用，最大化附加控制对次同步振荡的抑制效果。

(2)本发明为了让附加控制只在次同步频段有效，不影响其他频段，通过串入一个低通滤波器以在其他频段屏蔽虚拟电阻控制带来的影响。所采用的电流测量与滤波均是在静止坐标系中完成的，相比于在同步坐标系，其更能将次同步分量、超同步分量、工频分量进行区分，使所提虚拟电阻控制不会对工频分量和超同步分量起作用。

本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例中的静止坐标系下频段示意图；

图2为本发明实施例中的同步坐标系下频段示意图；

图3为本发明实施例中的基于引入定子电流附加虚拟阻抗的次同步振荡抑制方法示意图；

图4为本发明实施例中的Z_net与Z_eq伯德图；

图5为附加电阻控制的机端有功功率变化曲线；

图6为本发明实施例中的机端有功功率变化曲线。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

首先，对双馈风机经串补并网次同步振荡机理说明如下：

在静止坐标系中，双馈风机的定子、转子电压向量可以表示为

其中U_s和U_r分别是定子、转子电压向量，I_s和I_r分别是定子、转子电流向量，ψ_s和ψ_r分别是定子、转子磁链向量，R_s和R_r分别是定子、转子电阻。

将磁链方程代入式(1)可以得到静止坐标系中双馈风机的定子、转子电压向量与电流向量的关系。为了方便表示，写成传递函数的形式。

其中，s表示微分算子；L_s表示定子绕组自感、L_m表示定子、转子绕组间互感、L_r表示转子绕组自感、ω_r表示转子转速。

在基于PI控制电流环控制结构下，在静止坐标系下，转子电压向量的控制方程可以写为

其中，k_p和k_i分别是转子侧变换器RSC电流控制环的比例环节和积分环节时间常数。ω_PLL为PLL锁相角速度、I_{r_ref}为转子电流向量参考值。

经整理可以得到转子电压与定子电流的关系：

其中，Z_eq即为双馈风机定子对外表现出的等效阻抗，其决定了双馈风机并网之后的小干扰稳定性，其表达式为：

由于转子电阻与电流环控制的比例环节在次同步频段会表现出负电阻特性，在串补并网场景下双馈风机有次同步振荡的风险。

基于此，为抑制次同步振荡，在转子侧变换器电流环引入定子电流来附加虚拟电阻控制。其中，引入定子电流而非转子电流为定子端虚拟电阻控制提供了基础。此外，为了让附加控制只在次同步频段有效，不影响其他频段，通过串入一个低通滤波器以在其他频段屏蔽虚拟电阻控制带来的影响。所采用的电流测量与滤波均是在静止坐标系中完成的，相比于在同步坐标系，其更能将次同步分量、超同步分量、工频分量进行区分，使所提虚拟电阻控制不会对工频分量和超同步分量起作用，图1和图2分别给出了静止坐标系下频段示意图和同步坐标系下频段示意图。

若在转子上采取虚拟电阻控制，则静止坐标系下的转子电压为

U_r＝PI·(I_{r_ref}-I_r)+k_psI_s (6)

整理后得到

式(7)中，Z_eq最后一项体现了附加控制环节的作用，定义该项为Z_dq。

可见，若在转子上采取虚拟电阻控制，则在定子端口，其在次同步频段表现并不是纯电阻，而是阻抗，无法最大化虚拟电阻对系统次同步振荡的抑制效果。因此，根据Z_dq的形式，修正附加阻抗的阻抗角使其表现为纯电阻，充分发挥抑制作用。即在转子端口采取虚拟阻抗控制，使其在定子端口表现为纯电阻。

因此，本实施例公开了一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，通过引入三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc，经一系列环节后附加到转子侧变换器电流环输出上，得到转子电压d、q轴分量u_dr、u_qr。

参照图3，本实施例基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法的具体过程包括：

首先，引入三相静止坐标系下的三相定子电流i_sa、i_sb、i_sc；然后，经过低通滤波器，实现在静止坐标系下滤波得到次同步频段信号；接下来，经过三相静止坐标系到两相静止坐标的坐标变换环节C_3s/2s，得到定子电流α、β轴分量i_sα、i_sβ；然后，经过附加阻抗控制增益环节k_ps，用于调整附加阻抗的大小；接下来，经过附加阻抗控制α、β轴方向修正环节M_α、M_β，用于修正附加阻抗的方向，充分发挥附加控制的振荡抑制作用；然后，经过两相静止坐标系到两相旋转坐标的坐标变换环节C_2s/2r，得到附加阻抗控制的输出；最后，附加阻抗控制的输出附加到转子侧变换器电流环的输出上，得到转子电压d、q轴分量u_dr、u_qr，实现振荡抑制作用。

图3中各变量参数含义分别表述如下：

i_{dr_ref}、i_{qr_ref}分别为转子侧变换器电流d、q轴分量参考值；i_dr、i_qr分别为转子电流d、q轴分量；k_p、k_i为转子侧变换器电流环PI环节参数；s表示微分算子；u_dr、u_qr分别为转子电压d、q轴分量；i_sa、i_sb、i_sc分别表示三相静止坐标系下三相定子电流；C_3s/2s表示三相静止坐标系到两相静止坐标的坐标变换环节；i_sα、i_sβ分别表示两相静止坐标系下定子电流α、β分量；k_ps为附加阻抗控制增益环节；M_α、M_β分别为附加阻抗控制α、β轴方向修正环节；C_2s/2r表示两相静止坐标系到两相旋转坐标的坐标变换环节。

下面叙述方向修正环节M的具体作用原理。

未加入方向修正环节M时，等效阻抗如式(7)，其附加控制作用表现为阻抗Z_dq；为将附加控制作用调整为一纯电阻，考虑在增益环节k_ps后加入方向修正环节M。根据Z_dq表达式，可得方向修正环节M为：

其中，ω_ssr为次同步振荡角频率，R_r为转子电阻，L_r为转子自感、ω_r为转子转速、PI为转子侧变换器电流环PI环节传递函数、L_m为定子、转子绕组间互感。

将其表示为α、β轴分量形式：

其中，ω_ssr为次同步振荡角频率，real表示取实部运算、imag表示取虚部运算、M为阻抗控制修正环节传递函数。

加入方向修正环节M后，等效阻抗为：

其中，R_s和R_r分别是定子电阻和转子电阻，k_ps为阻抗控制增益环节的增益系数；s为微分算子；L_ss为定子绕组漏感、L_m为定子、转子等效绕组间互感、ω_r为转子转速、L_rr为转子绕组漏感、PI为转子侧变换器电流环PI环节传递函数。

此时，附加控制作用表现为纯电阻k_ps，相比于虚拟电阻控制，修正后控制在转子上表现虚拟阻抗，但是其反应在定子上的阻抗Z_dq就变为了纯电阻，其值为k_ps，能够最大化附加控制对次同步振荡的抑制效果。

本实施例中，绘制如图4所示的Z_net与Z_eq的伯德曲线，包括：附加电阻控制曲线，附加阻抗控制曲线和无附加控制曲线；无附加控制时，穿越频率处Z_net与Z_eq相位差为183°，相位裕度为-3°，故不稳定；附加电阻控制时，穿越频率处Z_net与Z_eq相位差为181°，相位裕度为-1°，故不稳定；附加阻抗控制时，穿越频率处Z_net与Z_eq相位差为177°，相位裕度为3°，故稳定。

综上，共轭回路稳定判据能证明附加控制策略的有效性。

为进一步证明本实施例附加控制策略的有效性，在DIgSILENTPowerFactory中进行仿真，设置0s时投入串补，1s时投入附加控制。图5为附加电阻控制的机端有功功率变化曲线；0s投入串补后，机端有功功率发散振荡，说明系统不稳定；1s投入附加电阻控制后，机端有功功率振荡发散变慢，说明系统仍不稳定；图6为本实施例附加阻抗控制的机端有功功率变化曲线，1s投入附加阻抗控制后，机端有功功率振荡收敛至稳定，说明系统稳定。

综上，仿真结果证明了附加阻抗控制对次同步振荡抑制的有效性。

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制系统，包括：

定子电流滤波模块，用于获取三相静止坐标系下的三相定子电流，每一相定子电流经过滤波器后得到次同步频段信号；

第一坐标变换模块，用于对所述次同步频段信号进行三相静止坐标到两相静止坐标的坐标变换，得到定子电流α、β轴分量；

附加阻抗控制模块，用于使得所述定子电流α轴、β轴分量分别经过阻抗控制增益环节和阻抗控制修正环节，得到两相静止坐标系下阻抗控制的输出；

第二坐标变换模块，用于对所述两相静止坐标系下阻抗控制的输出进行两相静止坐标到两相旋转坐标的坐标变换，得到附加阻抗控制的输出；

振荡抑制模块，用于将所述附加阻抗控制的输出附加到转子侧变换器电流环的输出上，得到转子电压d轴和q轴分量，实现振荡抑制作用。

上述各模块的具体实现方式已经在实施例一中进行了详细的说明，此处不再详述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例四

在一个或多个实施方式中，公开了一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行实施例一中所述的基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，包括：

获取三相静止坐标系下的三相定子电流，每一相定子电流经过滤波器后得到次同步频段信号；

对所述次同步频段信号进行三相静止坐标到两相静止坐标的坐标变换，得到定子电流α、β轴分量；

所述定子电流α轴和β轴分量分别经过阻抗控制增益环节和阻抗控制修正环节后得到两相静止坐标系下阻抗控制的输出；

对所述两相静止坐标系下阻抗控制的输出进行两相静止坐标到两相旋转坐标的坐标变换，得到附加阻抗控制的输出；

将所述附加阻抗控制的输出附加到转子侧变换器电流环的输出上，得到转子电压d轴和q轴分量，实现振荡抑制作用。

2.如权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述阻抗控制增益环节为增益系数k_ps，用于调整附加阻抗的大小。

3.如权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述阻抗控制修正环节用于修正附加阻抗的方向，具体为：

其中，ω_ssr为次同步振荡角频率，R_r为转子电阻，L_r为转子自感、ω_r为转子转速、PI为转子侧变换器电流环PI环节传递函数、L_m为定子、转子绕组间互感。

4.如权利要求3所述的一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述阻抗控制修正环节表示为α、β轴分量形式，具体为：

M_α＝real(M(jω_ssr))

M_β＝imag(M(jω_ssr))

其中，ω_ssr为次同步振荡角频率，real表示取实部运算、imag表示取虚部运算、M为阻抗控制修正环节传递函数。

5.如权利要求1所述的一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法，其特征在于，加入方向修正环节后，双馈风机定子的等效阻抗具体为：

其中，R_s和R_r分别是定子电阻和转子电阻，k_ps为阻抗控制增益环节的增益系数；s为微分算子；L_ss为定子绕组漏感、L_m为定子、转子等效绕组间互感、ω_r为转子转速、L_rr为转子绕组漏感、PI为转子侧变换器电流环PI环节传递函数。

6.一种基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制系统，其特征在于，包括：

定子电流滤波模块，用于获取三相静止坐标系下的三相定子电流，每一相定子电流经过滤波器后得到次同步频段信号；

第一坐标变换模块，用于对所述次同步频段信号进行三相静止坐标到两相静止坐标的坐标变换，得到定子电流α、β轴分量；

附加阻抗控制模块，用于使得所述定子电流α轴、β轴分量分别经过阻抗控制增益环节和阻抗控制修正环节，得到两相静止坐标系下阻抗控制的输出；

第二坐标变换模块，用于对所述两相静止坐标系下阻抗控制的输出进行两相静止坐标到两相旋转坐标的坐标变换，得到附加阻抗控制的输出；

振荡抑制模块，用于将所述附加阻抗控制的输出附加到转子侧变换器电流环的输出上，得到转子电压d轴和q轴分量，实现振荡抑制作用。

7.一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法。

8.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-5任一项所述的基于虚拟阻抗控制的双馈风机次同步振荡抑制方法。

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