CN114759574A - 一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统 - Google Patents

一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统 Download PDF

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汪乐天
周宜晴
介贺彤
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Abstract

本发明涉及一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统，属于风力发电技术领域，解决了现有技术难以对振荡频率变化场景下的并网直驱风电机组进行有效振荡抑制的问题。该方法包括，基于多个子系统的互联模型构建电流内环控制子系统的存储能量函数、耗散能量函数、各子系统间的交互能量函数，进而建立并网直驱风电机组的能量反馈模型；当发生振荡时，获得锁相环子系统中锁相环的当前角频率，基于能量反馈模型调整无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值，使存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡，在次同步频段、超同步频段内，无论振荡频率如何变化，该方法均能对振荡进行实时、高效抑制，保证并网直驱风电机组的安全运行。

Description

一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统。
背景技术
近年来，大规模直驱风电汇集地区的并网直驱风电机组频繁出现次同步振荡问题，次同步振荡谐波穿越多级电网激发汽轮机组轴系扭振，造成机组跳闸和特高压直流功率骤降的事故，威胁电网安全运行。
针对上述问题，现有技术中，主要采用基于频域的方法从参数优化、附加控制支路两种方式提升风机特定频段上的阻尼特性，从而抑制振荡。
现有技术中，至少存在以下缺陷：基于频域的振荡抑制方法只能对某一频率点及其邻域内的窄小频段的振荡进行抑制，当振荡频率发生变化时，即不在该窄小频段内时，需要重新进行参数优化或者重新调整附加控制支路，以进行振荡抑制，难以满足振荡频率变化场景下的抑制需求，振荡抑制方法复杂、适用频段窄、适用性差，且效率低。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统，用以解决现有技术无法对振荡频率变化场景下的并网直驱风电机组进行有效的振荡抑制。
一方面，本发明实施例提供了一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，所述并网直驱风电机组包括多个子系统，该方法包括：
基于所述多个子系统的互联模型构建电流内环控制子系统的存储能量函数、耗散能量函数以及电流内环控制子系统分别与直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统间的对应的第一交互能量函数、第二交互能量函数及第三交互能量函数，进而建立所述并网直驱风电机组的能量反馈模型；
当所述并网直驱风电机组发生振荡时，获得所述锁相环子系统中锁相环的当前角频率，基于所述能量反馈模型调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值，使存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
进一步的，基于所述多个子系统的互联模型、电流内环控制子系统的d轴小信号模型、q轴小信号模型构建能量函数；
构建的所述存储能量函数为：
Figure BDA0003097541680000021
其中，Vs_acc表示存储能量函数，L1表示电流内环控制子系统内的滤波电感，ΔI1d表示所述滤波电感L1的电流的d轴分量的扰动量，ΔI1q表示所述滤波电感L1的电流的q轴分量的扰动量，
Figure BDA0003097541680000022
ki表示电流内环控制子系统内PI控制器的积分系数，kpwm表示变流器增益，ΔU1d表示电流内环控制子系统内d轴PI控制器中积分环节的输出状态变量的扰动量，ΔU1q表示电流内环控制子系统内q轴PI控制器中积分环节的输出状态变量的扰动量；
构建的所述耗散能量函数为：
Figure BDA0003097541680000023
其中，Vd_acc表示耗散能量函数，Rp＝kp×kpwm，kp表示电流内环控制子系统内PI控制器的比例系数，kpwm表示变流器增益；
构建的所述第一交互能量函数为：
Vt_dc＝∫ΔIdrefΔUiddt+∫ΔIdrefΔI1ddt，
其中，Vt_dc表示所述第一能量交互函数，ΔIdref表示直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值的扰动量；
构建的所述第二交互能量函数为：
Figure BDA0003097541680000031
其中，Vt_pll表示第二交互能量函数，Δθpll表示锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量，k1、k2、k3、k4为常数，表达式分别为：
Figure BDA0003097541680000032
其中，I1d0表示滤波电感L1的电流d轴分量的稳态值，I1q0表示滤波电感L1的电流q轴分量的稳态值，Upwmd0表示电流内环控制子系统内的变流器端口电压的d轴分量的稳态值，Upwmq0表示电流内环控制子系统内的变流器端口电压的q轴分量的稳态值，Upccd0表示PCC并网点的电压d轴分量的稳态值，Upccq0表示PCC并网点的电压q轴分量的稳态值，ω0表示所述锁相环的额定角频率；
构建的所述第三交互能量函数为：
Vt_q＝∫ΔIqrefΔUiqdt+∫RpΔIqrefΔI1qdt，
其中，Vt_q表示第三交互能量函数，ΔIqref表示无功外环控制子系统生成的电流内环q轴电流参考值的扰动量。
进一步的，所述电流内环控制子系统的d轴小信号模型为：
Figure BDA0003097541680000041
所述电流内环控制子系统的q轴小信号模型为：
Figure BDA0003097541680000042
进一步的，建立的所述能量反馈模型为：
Vs_acc＝Vd_acc+Vt_dc+Vt_pll+Vt_q。
进一步的，通过下述补偿函数调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值：
dIqref＝-Idref×∫ωplldt，
其中，dIqref表示调整后的电流内环q轴电流参考值，Idref表示当前时刻所述直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值，ωpll表示所述锁相环角频率的偏差量，即所述锁相环当前角频率与其额定角频率的偏差量。
进一步的，所述锁相环的角频率偏差量与锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量满足下述关系式：
Δθpll＝∫ωplldt，
其中，Δθpll表示锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量，ωpll表示所述锁相环的角频率偏差量；
基于该关系式及所述补偿函数，使调整后所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值产生的第三交互能量函数值的削减量与振荡时所述锁相环的输出相位扰动量的变化量产生的第二交互能量函数值的增加量相抵消，以保证存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
进一步的，所述振荡包括在次同步频段[2.5Hz-50Hz]或超同步频段[50Hz-100Hz]发生的振荡。
另一方面，本发明提供了一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制系统，包括：
模型建立模块，用于基于所述并网直驱风电机组中多个子系统的互联模型构建多个子系统中电流内环控制子系统的存储能量函数、耗散能量函数以及电流内环控制子系统分别与直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统间的对应的第一交互能量函数、第二交互能量函数及第三交互能量函数，进而建立能量反馈模型；
调控模块，当所述并网直驱风电机组发生振荡时，获得所述锁相环子系统中锁相环的当前角频率，基于所述能量反馈模型调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值，使存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
进一步的，所述调控模块具体用于，通过下述补偿函数调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值：
dIqref＝-Idref×∫ωplldt，
其中，dIqref表示调整后的电流内环q轴电流参考值，Idref表示当前时刻所述直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值，ωpll表示所述锁相环角频率的偏差量，即所述锁相环当前角频率与其额定角频率的偏差量。
进一步的，还包括监测模块，用于实时监测获得所述锁相环的角频率。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明提出的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统，基于电流内环控制子系统的存储能量、耗散能量及各子系统间的交互能量构建能量反馈模型，通过实时采集锁相环的角频率以调整电流内环q轴电流参考值，使存储能量随时间保持递减，从而抑制振荡。该方法通过调整存储能量的变化率为负，确保无论振荡频率在次同步频段和超同步频段段内如何变化，风电机组的振荡幅值均呈衰减趋势，从而高效抑制振荡。
2、本发明提出的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统，当风电机组的振荡频率发生变化时，锁相环的角频率也会相应的发生变化，因此通过实时监测锁相环的角频率，实时获得锁相环角频率与其额定功率的偏差量，并根据偏差量调整电流内环q轴电流参考值，从而能够实现对风电机组进行自动振荡抑制，方法简单、效率高。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法的流程图；
图2为本发明实施例并网直驱风电机组的结构示意图；
图3为本发明实施例并网直驱风电机组中多个子系统的互联模型的示意图；
图4为本发明实施例构建的能量反馈模型的示意图；
图5为本发明实施例并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制的结构示意图；
图6为本发明实施例并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制系统的示意图；
图7为本发明实施例激发34Hz左右次同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的有功功率的录波示意图；
图8为本发明实施例激发34Hz左右次同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的锁相环角频率的录波示意图；
图9为本发明实施例激发34Hz左右次同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的阻尼环节dIqref输出的录波示意图；
图10为本发明实施例激发34Hz左右次同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的锁相环角频率FFT的分析结果示意图；
图11为本发明实施例激发34Hz左右次同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应的总反馈能量的录波示意图；
图12为本发明实施例激发60Hz左右超同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的有功功率的录波示意图；
图13为本发明实施例激发60Hz左右超同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的锁相环角频率的录波示意图；
图14为本发明实施例激发60Hz左右超同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的阻尼环节dIqref输出的录波示意图；
图15为本发明实施例激发60Hz左右超同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应获得的锁相环角频率FFT的分析结果示意图；
图16为本发明实施例激发60Hz左右超同步振荡后，加入主动阻尼控制前后对应的总反馈能量的录波示意图。
附图标记：
110-模型建立模块；120-调控模块；130-监测模块。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法。如图1所示，该方法包括以下步骤：
其中，并网直驱风电机组包括电流内环控制子系统、直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统以及电网子系统。
S110、基于多个子系统的互联模型构建电流内环控制子系统的存储能量函数、耗散能量函数以及电流内环控制子系统分别与直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统间的对应的第一交互能量函数、第二交互能量函数及第三交互能量函数，进而建立并网直驱风电机组的能量反馈模型.
S120、当并网直驱风电机组发生振荡时，获得锁相环子系统中锁相环的当前角频率，基于能量反馈模型调整无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值，使存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
本实施例可实现的有益效果为：在次同步频段或超同步频段内，风电机组的振荡频率无论如何变化，均能通过调整存储能量函数随时间递减，使对应的振荡幅值也均呈衰减趋势，从而抑制振荡。现对上述实施例方案所基于的原理进行说明：
具体的，互联模型中各子系统的数学模型通式均为：
Figure BDA0003097541680000091
其中，C为子系统的等效电容，L为子系统的等效电感，KR为子系统的等效电阻，ΔU、ΔI分别为子系统的电压状态变量、电流状态变量，KC为状态变量电压ΔU的放大倍数，KL为状态变量电流ΔI的放大倍数，FC表示作用于该子系统的所有交互环节中涉及的其他子系统对该子系统的状态变量电压ΔU的扰动量，FL表示作用于该子系统的所有交互环节中涉及的其他子系统对该子系统的状态变量电流ΔI的扰动量。
将公式(1)中的第一式和第二式相除，根据首次积分原理，交叉相乘并对等式两边同时积分，可得：
Figure BDA0003097541680000092
其中，c表示常数项。
优选的，定义每一子系统的能量函数为:
V＝Vs-Vd-Vt，
Figure BDA0003097541680000093
式中，Vs代表存储能量；Vd代表耗散能量；Vt代表子系统之间的交互能量，Vt中，第一项反映了交互环节FC对应产生的交互能量，第二项反映了交互环节FL对应产生的交互能量。
计算子系统的能量函数V对时间t的偏导数，可得：
Figure BDA0003097541680000101
可以看出，能量函数V对时间t的导数为零，即系统能量是守恒的。基于能量守恒可知，存储能量等于耗散能量与交互能量之和，即：
Vs＝Vd+Vt。
当风电机组受扰诱发次/超同步振荡后，其振荡模式α+jωc对应的电压状态变量和电流状态变量的表达式分别为：
ΔU＝AUeαtcos(ωct+θU)
ΔI＝AIeαtcos(ωct+θI)，
其中，α为直驱风电机组对应振荡模式下的阻尼，ωc为对应振荡模式下的振荡频率，AU为对应子系统的电压幅值，θU为电压初相位，AI为对应子系统的电流幅值，Iθ为电流初相位；
交互环节对应的电压状态变量ΔU的扰动量为：
FC＝AFCeαtcos(ωct+θFC)，
交互环节对应的电流状态变量ΔI的扰动量为：
FL＝AFLeαtcos(ωct+θFL)，
其中，AFC为交互环节对应的电压状态变量ΔU的扰动量幅值，θFC交互环节对应的电压状态变量ΔU的扰动量初相位，AFL为交互环节对应的电流状态变量ΔI的扰动量幅值，θFL为交互环节对应的电流状态变量ΔI的扰动量初相位。
将上述ΔU、ΔI、FC、FL的表达式代入存储能量函数VS表达式中，并对时间t求导，可得
Figure BDA0003097541680000102
为
Figure BDA0003097541680000103
其中，
Figure BDA0003097541680000111
和
Figure BDA0003097541680000112
分别为存储能量函数导数的周期分量与非周期分量部分，其表达式分别为：
Figure BDA0003097541680000113
Figure BDA0003097541680000114
上式中，
Figure BDA0003097541680000115
中的
Figure BDA0003097541680000116
项恒为正数。因此，
Figure BDA0003097541680000117
建立次/超同步振荡模式α+jωc中实部α与存储能量函数Vs变化率之间的解析表达式，证明了无论振荡频率ωc如何变化，振荡发散、收敛过程分别对应存储能量函数Vs的递增、递减过程。
具体的，当存储能量函数Vs的非周期分量部分递增时，对应的
Figure BDA0003097541680000118
中，λs＞0，特征值实部α＞0，即风电机组系统振荡发散；当非周期分量部分递减时，对应的
Figure BDA0003097541680000119
中λs＜0，特征值实部α＜0，即风电机组系统振荡收敛；当非周期分量部分既不递增也不递减时，对应的
Figure BDA00030975416800001110
中，λs＝0，特征值实部α＝0，即风电机组系统等幅振荡。
基于上述分析可知，风电机组存储能量的变化趋势与振荡幅值的变化趋势之间有着严格对应的正相关关系，而存储能量的变化趋势又可由耗散能量和交互能量控制，因而，通过控制网侧变流器电流内环控制子系统的存储能量呈现递减趋势，即可对风机电阻的振荡进行抑制，具体的，通过控制存储能量呈现递减趋势，使得对应次/超同步振荡模式的实部α为负，则不论振荡频率ωc如何变化，并网电流中次/超同步振荡分量
Figure BDA00030975416800001111
的幅值AIeαt总是呈现衰减趋势。也就是说，风机不会向电网注入持续振荡发散的电流分量，阻断了风电机组与电网之间的相互作用，从而可实现频率较大变化范围下的主动阻尼控制。
优选的，并网直驱风电机组的结构如图2所示，包括由永磁电机(PMSG)和机侧变流器(RSC)构成的机侧部分，以及由网侧变流器(GSC)、直流母线、交流滤波电感L1、等效电阻R1、滤波电容Ct、等效电网电感L2和电阻R2构成的网侧部分。
基于该并网直驱风电机组的结构构建的多个子系统的互联模型如图3所示，网侧变流器电流内环控制子系统包括内环PI控制器和L1、R1，直流电压控制子系统包括直流电压PI控制器和直流母线，锁相环子系统包括PI控制器和压控振荡器，电网子系统包括Ct、L2和R2。图3中箭头表示子系统间的交互环节，对应变量为交互过程中变量，其中P为GSC发出的有功功率、I1为电感L1的电流、Idref为直流电压外环子系统生成的电流内环d轴电流参考值，Iqref为无功外环子系统生成的电流内环q轴电流参考值，Upcc为PCC点电压，θpll为锁相环测量的Upcc相位。
在实际应用过程中，建立多个子系统的互联模型后，基于该互联模型，通过相应的控制程序对互联模型汇中多个子系统中器件或元件进行控制，进而实现对实体并网直驱风电机组的控制。
S110中，优选的，基于多个子系统的互联模型、电流内环控制子系统的d轴小信号模型、q轴小信号模型构建能量函数。
具体的，按照子系统的数学模型，列写计及电网电压前馈解耦项与dq轴交叉解耦项获得的电流内环控制子系统的d轴小信号模型为：
Figure BDA0003097541680000121
获得的电流内环控制子系统的q轴小信号模型为：
Figure BDA0003097541680000131
具体的，获得的电流内环控制子系统的d轴小信号模型、q轴小信号模型分别与子系统的数学模型的通式形式进行比对，找到d轴小信号模型、q轴小信号模型在子系统数学模型的通式形式中对应的状态变量和交互环节后，再带入能量函数的通式表达式中，即可对各能量函数进行构建。
具体的，构建的存储能量函数为：
Figure BDA0003097541680000132
其中，Vs_acc表示存储能量函数，L1表示电流内环控制子系统内的滤波电感，ΔI1d表示滤波电感L1的电流的d轴分量的扰动量，ΔI1q表示所述滤波电感L1的电流的q轴分量的扰动量，
Figure BDA0003097541680000133
ki表示电流内环控制子系统内PI控制器的积分系数，kpwm表示变流器增益，ΔU1d表示电流内环控制子系统内d轴PI控制器中积分环节的输出状态变量的扰动量，ΔU1q表示电流内环控制子系统内q轴PI控制器中积分环节的输出状态变量的扰动量。
构建的耗散能量函数为：
Figure BDA0003097541680000134
其中，Vd_acc表示耗散能量函数，Rp＝kp×kpwm，kp表示电流内环控制子系统内PI控制器的比例系数，kpwm表示变流器增益。
构建的第一交互能量函数为：
Vt_dc＝∫ΔIdrefΔUiddt+∫ΔIdrefΔI1ddt，
其中，Vt_dc表示第一能量交互函数，ΔIdref表示直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值的扰动量。
构建的第二交互能量函数为：
Figure BDA0003097541680000141
其中，Vt_pll表示第二交互能量函数，Δθpll表示锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量，k1、k2、k3、k4为常数，表达式分别为：
Figure BDA0003097541680000142
其中，I1d0表示滤波电感L1的电流d轴分量的稳态值，I1q0表示滤波电感L1的电流q轴分量的稳态值，Upwmd0表示电流内环控制子系统内的变流器端口电压的d轴分量的稳态值，Upwmq0表示电流内环控制子系统内的变流器端口电压的q轴分量的稳态值，Upccd0表示PCC并网点的电压d轴分量的稳态值，Upccq0表示PCC并网点的电压q轴分量的稳态值，ω0表示锁相环的额定角频率，ω0＝100π。
构建的第三交互能量函数为：
Vt_q＝∫ΔIqrefΔUiqdt+∫RpΔIqrefΔI1qdt，
其中，Vt_q表示第三交互能量函数，ΔIqref表示无功外环控制子系统生成的电流内环q轴电流参考值的扰动量。
基于上述能量函数建立的能量反馈模型为：
Vs_acc＝Vd_acc+Vt_dc+Vt_pll+Vt_q。
具体的，根据能量守恒的表达形式中不同能量的加和关系，通过以电流内环控制子系统的存储能量为被控对象，以直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统分别与电流内环控制子系统的交互能量以及电流内环控制子系统的内部耗散能量为反馈通道，构造能量反馈模型。具体如图4所示，共4条反馈通道，分别为：①直流电压外环控制子系统与电流内环控制子系统的第一交互能量构成有功能量反馈通道；②锁相环子系统与电流内环控制子系统的第二交互能量构成锁相环能量反馈通道；③无功外环控制子系统与电流内环控制子系统的第三交互能量构成无功能量反馈通道；④电流内环控制子系统的耗散能量构成耗散能量反馈通道。
现对各通道的能量特性进行分析，具体如下：
对于①有功能量反馈通道对应的第一交互能量函数Vt_dc，根据电流内环控制子系统的d轴小信号模型可得ΔI1d、ΔIdref与ΔUid动态过程关系如下：
Figure BDA0003097541680000151
Figure BDA0003097541680000152
将其带入有功能量反馈通道对应的第一交互能量函数Vt_dc，可得：
Figure BDA0003097541680000153
上式中，第一项由于积分环节
Figure BDA0003097541680000154
存在，积分变量相位差为90°，因而该部分能量为零，不影响系统稳定性，可以忽略；对于第二项，将其与耗散能量函数Vd_acc中第一项
Figure BDA0003097541680000155
求和可得Vsum：
Figure BDA0003097541680000156
能量Vsum随时间递增或递减取决于传递函数G(s)的相位，G(s)相位落入[-90°，90°]范围内，Vsum随时间递增，G(s)相位落入[90°，270°]范围内，Vsum随时间递减。据此，将jω代入G(s)判断G(jω)实部正负，可知G(s)相位信息：
Figure BDA0003097541680000157
考虑到要保证电流内环响应速度，即满足Rp>1，因此Re(G(jω))<0，G(s)相位始终落入[90°，270°]，Vsum随时间递减，即，有功能量通道对应的第一交互能量可由电流内环控制子系统的d轴耗散能量
Figure BDA0003097541680000165
抵消，而不会对稳定性产生不利影响。
对于②锁相环能量反馈通道对应的第二交互能量Vt_pll，在单位功率因数运行状态下，电感Ls电流的q轴稳态分量I1q0为零，因此Vt_pll中常数项k1为零，而常数项k3和k4，可通过电感L1方程对其大小进行分析。
Figure BDA0003097541680000161
式中，I1d、I1q分别为电感L1电流的d轴、q轴分量；Upwmd、Upwmq分别为变流器输出电压的d轴、q轴分量；Upccd、Upccq分别为并网点电压的d轴、q轴分量。
上式中微分项在稳态时为零，由此可得：
Figure BDA0003097541680000162
对照式k3、k4表达式可知，k3和k4均为零。因此，锁相环能量反馈通道Vt_pll表达式可进一步写为：
Vt_pll＝∫k2ΔθpllΔUiqdt+∫Rpk2ΔθpllΔI1qdt
其中，由于常数项k2、状态量Δθpll、ΔUiq、ΔI1q均不为零，因而，在振荡过程中Vt_pll不为零，可能会对振荡产生不利影响。
根据上述分析，耗散能量Vd_acc的q轴分量部分
Figure BDA0003097541680000163
恒随时间递减；耗散能量Vd_acc的d轴分量部分
Figure BDA0003097541680000164
与有功能量反馈通道对应的第一交互能量Vt_dc之和恒随时间递减。因此，要保证存储能量Vs_acc随时间恒定递减，以抑制振荡，必须要对无功能量反馈通道对应的第三交互能量Vt_q和锁相环能量反馈通道对应的第二交互能量Vt_pll进行调整，具体分析如下：
考虑到，风电机组稳定运行时，无功能量反馈通道第三交互能量Vt_q为零，具有灵活调节的空间。因此，为了抑制锁相环能量反馈通道第二交互能量Vt_pll的影响，可构造电流内环q轴电流参考值Iqref的补偿函数，产生一项不为零的附加无功能量反馈通道dVt_q，反向补偿锁相环能量反馈通道Vt_pll对系统稳定性带来的影响。具体的，由于风电机组稳定运行时，对应的无功能量反馈通道第三交互能量Vt_q为零，因此，当发生振荡时，对无功能量反馈通道第三交互能量进行调控对应的其变化量dVt_q即为调控后的无功能量反馈通道第三交互能量。
按照上述思路，为使附加无功能量反馈通道产生的第三交互能量dVt_q与锁相环能量反馈通道的第二交互能量Vt_pll可相互抵消，需要在Iqref补偿函数中引入Vt_pll表达式中锁相环变量Δθpll与常数项k2等参数。据此，设计电流内环q轴电流参考值的补偿函数为：
dIqref＝-Idref×∫ωplldt＝-Idref×Δθpll
式中，ωpll为锁相环角频率与额定角频率的偏差量，风电机组在稳态时，该偏差量为零，Idref为当前时刻的电流内环d轴电流参考值。由上述补偿函数构成的主动阻尼控制(即振荡抑制)框图如图5所示，图中虚线方框内的即为补偿函数构成的主动阻尼控制。
具体的，将dIqref线性化处理，并考虑锁相环测量相位扰动量Δθpll稳态值Δθpll0为零，可得：
ΔdIqref＝-Idref0×Δθpll-Δθpll0×ΔIdref＝-Idref0×Δθpll，
将ΔdIqref代入到Vt_q中ΔIqref位置，由此可得附加无功能量反馈通道的第三交互能量dVt_q表达式为：
dVt_q＝-Idref0∫ΔθpllΔUiqdt-RpIdref0∫ΔθpllΔI1qdt
式中，Idref0为稳态时电流内环d轴电流参考值的大小。
将dVt_q与Vt_pll求和可得：
Vt_pll+dVt_q
＝(k2-Idref0)∫ΔθpllΔUiqdt+Rp(k2-Idref)∫ΔθpllΔI1qdt
式中，由于k2＝I1d0，Idref0＝I1d0，因此Vt_pll与dVt_q之和为零，表明附加无功能量反馈通道产生的第三交互能量dVt_q与锁相环能量反馈通道的第二交互能量可相互抵消。具体的，调控前的无功能量反馈通道第三交互能量Vt_q为零，调控后产生的第三交互能量dVt_q为负，即调整后无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值产生的第三交互能量函数值的削减量与振荡时锁相环的输出相位扰动量的变化量产生的第二交互能量函数值的增加量能够相抵消，从而消除锁相环能量反馈通道的第二交互能量对存储能量的影响。
综上所述，Vd_acc的q轴分量部分
Figure BDA0003097541680000181
恒随时间递减；Vd_acc的d轴分量部分
Figure BDA0003097541680000182
与有功能量反馈通道Vt_dc之和恒随时间递减；锁相环能量反馈通道Vt_pll与附加无功能量反馈通道dVt_q之和为零，因此，总反馈能量表现为随时间递减，即存储能量Vs_acc随时间递减，从而可实现宽频段振荡的主动阻尼控制，即宽频段的振荡抑制。
基于上述分析，在实际应用中，当发生振荡时，通过下述补偿函数调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值：
dIqref＝-Idref×∫ωplldt，
其中，dIqref表示调整后的电流内环q轴电流参考值，Idref表示当前时刻所述直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值，ωpll表示所述锁相环角频率的偏差量，即所述锁相环当前角频率与其额定角频率的偏差量。
锁相环的角频率偏差量与锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量满足下述关系式：
Δθpll＝∫ωplldt，
其中，Δθpll表示锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量，ωpll表示锁相环的角频率偏差量。
基于该关系式及补偿函数，可以使调整后无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值产生的第三交互能量函数值的削减量与振荡时所述锁相环的输出相位扰动量的变化量产生的第二交互能量函数值的增加量相抵消，以保证存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
优选的，本发明提出的主动阻尼控制方法能够对在次同步频段[2.5Hz-50Hz]或超同步频段[50Hz-100Hz]发生的振荡进行高效抑制。
本发明的另一个实施例，提供了一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制系统，由于该系统实施例与上述方法实施例具有相同的工作原理，因此重复之处可以参考方法实施例，在此不再赘述。
具体的，如图6所示，该系统包括：
模型建立模块110，用于基于并网直驱风电机组中多个子系统的互联模型构建多个子系统中电流内环控制子系统的存储能量函数、耗散能量函数以及电流内环控制子系统分别与直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统间对应的第一交互能量函数、第二交互能量函数及第三交互能量函数，进而建立并网直驱风电机组的能量反馈模型。
调控模块120，当并网直驱风电机组发生振荡时，获得锁相环子系统中锁相环的当前角频率，基于能量反馈模型调整无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值，使存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
优选的，调控模块具体用于，通过下述补偿函数调整无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值：
dIqref＝-Idref×∫ωplldt，
其中，dIqref表示调整后的电流内环q轴电流参考值，Idref表示当前时刻所述直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值，ωpll表示所述锁相环角频率的偏差量，即所述锁相环当前角频率与其额定角频率的偏差量。
优选的，还包括监测模块130，用于实时监测获得锁相环的角频率。
现通过以下实施例更好的说明本发明提出的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统的有益效果：
将本发明提出的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法对应的控制程序嵌入某风机厂商2.5MW直驱风电机组实际控制器中，并结合RTDS构建硬件在环仿真平台。通过调节电网短路比以及变流器控制参数，激发了dq坐标下34Hz左右、60Hz左右振荡工况。分别验证本发明提出的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法对次同步频段[2.5Hz-50Hz]、超同步频率[50Hz-100Hz]抑制的有效性。
实施例1：次同步频段振荡工况
调节电网短路比至1.8，增大锁相环积分环节，同时逐步增发机组有功出力至1240kW左右，激发34Hz左右次同步振荡出现后，投入主动阻尼控制。其中，有功功率、锁相环角频率、阻尼环节dIqref输出的录波结果和锁相环角频率FFT分析结果分别如图7至图10所示；同时，获得的总反馈能量(即存储能量)随时间变化轨迹如图11所示。
具体的，由图7和图8中可以看出，在有功功率和锁相环频率波形中的次同步振荡分量峰值分别达到65kW、1Hz后，投入阻尼控制环节，次同步频段振荡均迅速衰减，在0.2s内振荡幅值下降到原来的10％左右以下，稳定后不存在次同步频率振荡分量，达到稳定。而图11中总反馈能量随时间变化轨迹结果表明投入主动阻尼控制前总反馈能量呈现正反馈特性(递增)，因此振荡发散，投入主动阻尼控制后，总反馈能量转而呈现负反馈特性(递减)，所以可抑制振荡收敛。上述实验结果与基于能量的理论分析结果一致，验证了本发明提出的主动阻尼控制方法对次同步频段的振荡具有很好的抑制效果。
实施例2：超同步频段振荡工况
调节电网短路比至1.6，增大锁相环带宽与直流电压外环带宽，并同时逐步增发机组有功出力至550kW左右，激发60Hz左右超同步振荡出现后，投入阻尼控制，其中，有功功率、锁相环角频率、阻尼环节dIqref输出录波结果和锁相环角频率FFT分析结果分别如图12至图15所示，投入阻尼控制前后的总反馈能量随时间变化轨迹如图16所示。
由图12、图13中可以看出，在有功功率和锁相环频率波形中的超同步振荡分量峰值分别达到60kW、0.5Hz后，投入阻尼控制环节，超同步频段振荡均迅速衰减，在0.1s内振荡幅值下降到原来的10％左右以下，稳定后不存在超同步振荡分量。而图16中总反馈能量随时间变化轨迹结果表明，在投入主动阻尼控制前，总反馈能量呈现正反馈特性(递增)，所以振荡发散，投入主动阻尼控制后，总反馈能量转而呈现负反馈特性(递减)，所以可抑制振荡收敛。上述实验结果与基于能量的理论分析结果一致，验证了本发明提出的主动阻尼控制方法对超同步频段的振荡有较好的抑制效果。
与现有技术相比，本发明实施例公开的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统，一方面，基于电流内环控制子系统的存储能量、耗散能量及各子系统间的交互能量构建能量反馈模型，通过实时采集锁相环的角频率以调整电流内环q轴电流参考值，使存储能量随时间保持递减，从而抑制振荡。该方法通过调整存储能量的变化率为负，确保无论振荡频率在次同步频段和超同步频段内如何变化，风电机组的振荡幅值均呈衰减趋势，从而高效抑制振荡。另一方面，本发明实施例公开的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法及系统，当风电机组的振荡频率发生变化时，锁相环的角频率也会相应的发生变化，因此通过实时监测锁相环的角频率，实时获得锁相环角频率与其额定功率的偏差量，并根据偏差量调整电流内环q轴电流参考值，从而能够实现对风电机组进行自动振荡抑制，方法简单、效率高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，所述并网直驱风电机组包括多个子系统，其特征在于，包括：
基于所述多个子系统的互联模型构建电流内环控制子系统的存储能量函数、耗散能量函数以及电流内环控制子系统分别与直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统间的对应的第一交互能量函数、第二交互能量函数及第三交互能量函数，进而建立所述并网直驱风电机组的能量反馈模型；
当所述并网直驱风电机组发生振荡时，获得所述锁相环子系统中锁相环的当前角频率，基于所述能量反馈模型调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值，使存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
2.根据权利要求1所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，其特征在于，基于所述多个子系统的互联模型、电流内环控制子系统的d轴小信号模型、q轴小信号模型构建能量函数；
构建的所述存储能量函数为：
Figure FDA0003097541670000011
其中，Vs_acc表示存储能量函数，L1表示电流内环控制子系统内的滤波电感，ΔI1d表示所述滤波电感L1的电流的d轴分量的扰动量，ΔI1q表示所述滤波电感L1的电流的q轴分量的扰动量，
Figure FDA0003097541670000012
ki表示电流内环控制子系统内PI控制器的积分系数，kpwm表示变流器增益，ΔU1d表示电流内环控制子系统内d轴PI控制器中积分环节的输出状态变量的扰动量，ΔU1q表示电流内环控制子系统内q轴PI控制器中积分环节的输出状态变量的扰动量；
构建的所述耗散能量函数为：
Figure FDA0003097541670000021
其中，Vd_acc表示耗散能量函数，Rp＝kp×kpwm，kp表示电流内环控制子系统内PI控制器的比例系数，kpwm表示变流器增益；
构建的所述第一交互能量函数为：
Vt_dc＝∫ΔIdrefΔUiddt+∫ΔIdrefΔI1ddt，
其中，Vt_dc表示所述第一能量交互函数，ΔIdref表示直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值的扰动量；
构建的所述第二交互能量函数为：
Figure FDA0003097541670000022
其中，Vt_pll表示第二交互能量函数，Δθpll表示锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量，k1、k2、k3、k4为常数，表达式分别为：
Figure FDA0003097541670000023
其中，I1d0表示滤波电感L1的电流d轴分量的稳态值，I1q0表示滤波电感L1的电流q轴分量的稳态值，Upwmd0表示电流内环控制子系统内的变流器端口电压的d轴分量的稳态值，Upwmq0表示电流内环控制子系统内的变流器端口电压的q轴分量的稳态值，Upccd0表示PCC并网点的电压d轴分量的稳态值，Upccq0表示PCC并网点的电压q轴分量的稳态值，ω0表示所述锁相环的额定角频率；
构建的所述第三交互能量函数为：
Vt_q＝∫ΔIqrefΔUiqdt+∫RpΔIqrefΔI1qdt，
其中，Vt_q表示第三交互能量函数，ΔIqref表示无功外环控制子系统生成的电流内环q轴电流参考值的扰动量。
3.根据权利要求2所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，其特征在于，所述电流内环控制子系统的d轴小信号模型为：
Figure FDA0003097541670000031
所述电流内环控制子系统的q轴小信号模型为：
Figure FDA0003097541670000032
4.根据权利要求2所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，其特征在于，建立的所述能量反馈模型为：
Vs_acc＝Vd_acc+Vt_dc+Vt_pll+Vt_q。
5.根据权利要求1或2所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，其特征在于，通过下述补偿函数调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值：
dIqref＝-Idref×∫ωplldt，
其中，dIqref表示调整后的电流内环q轴电流参考值，Idref表示当前时刻所述直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值，ωpll表示所述锁相环角频率的偏差量，即所述锁相环当前角频率与其额定角频率的偏差量。
6.根据权利要求5所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，其特征在于，所述锁相环的角频率偏差量与锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量满足下述关系式：
Δθpll＝∫ωplldt，
其中，Δθpll表示锁相环子系统内锁相环的输出相位扰动量，ωpll表示所述锁相环的角频率偏差量；
基于该关系式及所述补偿函数，使调整后所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值产生的第三交互能量函数值的削减量与振荡时所述锁相环的输出相位扰动量的变化量引起的第二交互能量函数值的增加量相抵消，以保证存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
7.根据权利要求5所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制方法，其特征在于，所述振荡包括在次同步频段[2.5Hz-50Hz]或超同步频段[50Hz-100Hz]发生的振荡。
8.一种并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制系统，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于基于所述并网直驱风电机组中多个子系统的互联模型构建多个子系统中电流内环控制子系统的存储能量函数、耗散能量函数以及电流内环控制子系统分别与直流电压控制子系统、锁相环子系统、无功外环控制子系统间的对应的第一交互能量函数、第二交互能量函数及第三交互能量函数，进而建立能量反馈模型；
调控模块，当所述并网直驱风电机组发生振荡时，获得所述锁相环子系统中锁相环的当前角频率，基于所述能量反馈模型调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值，使存储能量函数值随时间递减，进而抑制振荡。
9.根据权利要求8所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制系统，其特征在于，所述调控模块具体用于，通过下述补偿函数调整所述无功外环控制子系统产生的电流内环q轴电流参考值：
dIqref＝-Idref×∫ωplldt，
其中，dIqref表示调整后的电流内环q轴电流参考值，Idref表示当前时刻所述直流电压控制子系统生成的电流内环d轴电流参考值，ωpll表示所述锁相环角频率的偏差量，即所述锁相环当前角频率与其额定角频率的偏差量。
10.根据权利要求9所述的并网直驱风电机组振荡主动阻尼控制系统，其特征在于，还包括监测模块，用于实时监测获得所述锁相环的角频率。
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