CN115000976B - 基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，首先，建立双馈风机系统和并补电网的复频域阻抗模型，获取双馈风机系统的机侧转子电流和网侧滤波器电流，再在双馈风机系统中的机侧变流器和网侧变流器的控制系统的电流控制环中分别通过转子电流前馈和滤波器电流前馈引入有源阻尼控制，该有源阻尼控制包含针对风机感性特征的容性补偿环节和用于屏蔽基频控制的一阶谐振调节器环节，并根据机侧变流器和网侧变流器的阻抗幅值最优化设计其中参数，以达到最优的高频振荡抑制效果。本发明基于有源阻尼控制，无需增加实际设备，应用简单，适应性强，便于推广应用。

Description

基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法

技术领域

本发明涉及新能源发电的技术领域，尤其是指一种基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法。

背景技术

为更好地利用海上风能资源，电力电子装置由于其控制灵活性被广泛应用与风机控制系统中，而大量电力电子设备接入系统产生谐波源，与电网交互过程中会产生宽频振荡现象。特别是采用双PWM变流器进行控制的双馈感应电机(DFIG)风力发电系统在接入并联补偿电网时，由于阻抗不匹配可能会引发高频谐振，危害发电系统的稳定运行，并且会恶化电能质量，严重的会导致风机脱网。

针对上述问题，传统的高频振荡抑制主要有：在电路中接入无源阻尼设备进行抑制，但是由于损耗过高很少被采用；在公共耦合点(PCC)接入振荡抑制装置单元，但是成本较高；在机侧或网侧PWM变换器的控制回路中引入附加阻尼控制环节进行抑制，但是通常不具备频率适应性，并且需要增加额外的检测环节以及实时的对振荡频率进行提取。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，该方法在风机机侧和网侧变流器控制回路中同时引入有源阻尼技术，在宽频范围内增加机网互联系统之间的阻尼，从而能够对不同并补条件下的宽频带范围的高频振荡进行抑制，且无需额外的检测环节以及附加设备。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，首先，建立双馈风机系统和并补电网的复频域阻抗模型，获取双馈风机系统的机侧转子电流和网侧滤波器电流，再在双馈风机系统中的机侧变流器和网侧变流器的控制系统的电流控制环中分别通过转子电流前馈和滤波器电流前馈引入有源阻尼控制，该有源阻尼控制包含针对风机感性特征的容性补偿环节和用于屏蔽基频控制的一阶谐振调节器环节，等效于在双馈风机系统的机侧变流器和网侧变流器中接入阻抗元件，基于阻抗稳定性分析理论，通过增大双馈风机系统的阻抗幅值，以及与并补电网的幅频特性曲线交点处的相位裕度，以实现高频振荡抑制，并根据机侧变流器和网侧变流器的阻抗幅值最优化设计其中参数，以达到最优的高频振荡抑制效果。

进一步，所述的基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，包括以下步骤：

机侧变流器采用转子电流控制策略，网侧变流器采用滤波器电流控制策略，根据机侧变流器和网侧变流器的控制系统结构分别建立机侧变流器和网侧变流器控制系统在复频域的阻抗模型；

从机侧变流器控制系统中获取转子电流，用于机侧变流器电流前馈的有源阻尼控制；从网侧变流器控制系统中获取网侧变流器的滤波器电流，用于网侧变流器电流前馈的有源阻尼控制；机侧变流器和网侧变流器附加的有源阻尼控制的输入量取自于原有控制系统，无需引入新的测量设备；

将获取到的转子电流和滤波器电流依次输入相位修正环节和基频滤波环节，从而生成转子电压和电网电压的附加有源阻尼分量；

根据转子电压和电网电压的基频控制回路分量和附加有源阻尼分量确定当前时刻的机侧变流器和网侧变流器的控制电压参考信号，用于对机侧变流器和网侧变流器进行控制；

根据在机侧变流器和网侧变流器的控制系统结构中所引入的有源阻尼控制，对机侧变流器和网侧变流器的阻抗模型进行相位和幅值上的修正，并建立在引入有源阻尼控制后双馈风机系统的总体阻抗模型；

建立电网的复频域阻抗模型，根据互联系统阻抗特性分析高频振荡抑制效果，并基于阻抗幅值最大化设计有源阻尼参数。

进一步，所述机侧变流器和网侧变流器的控制系统搭建于dq坐标系下，机侧变流器采用定子磁链定向矢量控制，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制；

所述阻抗模型均在复频域中建立，建立机侧变流器和网侧变流器的阻抗模型时，考虑机侧变流器和网侧变流器之间的电容电压恒定不变，将机侧变流器和网侧变流器分别独立建模。

进一步，所述双馈风机的转子电流为dq坐标系下机侧变流器输出电流值，所述网侧变流器的滤波器电流为dq坐标系下网侧变流器输出电流值，网侧变流器采用L型滤波器；

所述机侧变流器和网侧变流器的有源阻尼控制分别为H_r(s)和H_g(s)，H_r(s)和H_g(s)都包含容性相位补偿环节和一阶谐振调节器环节，通过如下公式计算机侧变流器和网侧变流器附加的有源阻尼控制的传递函数：

式中，s是拉普拉斯算子，ω_c是谐振带宽，ω_res是谐振频率，K_r和K_g分别是机侧变流器和网侧变流器有源阻尼控制的相位补偿环节的系数；

根据在机侧变流器和网侧变流器原有控制系统中所获取的转子电流和滤波器电流分别得到机侧变流器和网侧变流器电压控制信号的附加阻尼分量；

根据所得到的附加有源阻尼分量和基频控制回路分量确定当前时刻的转子电压和电网电压的参考值，用于对机侧变流器和网侧变流器进行控制，实现高频振荡抑制。

进一步，在机侧变流器和网侧变流器中所引入的有源阻尼控制会在机侧变流器的阻抗模型中引入有源阻尼阻抗Z_DR，在网侧变流器的阻抗模型中引入有源阻尼阻抗Z_DG，Z_DR和Z_DG的计算公式如下：

式中，s是拉普拉斯算子，ω_c是谐振带宽，ω_res是谐振频率，K_r和K_g分别是机侧变流器和网侧变流器有源阻尼控制的相位补偿环节的系数。

进一步，机侧变流器的PI控制器阻抗表达式为Z_RSC，网侧变流器的PI控制器阻抗表达式为Z_GSC，机侧变流器与风机所组成子系统的阻抗为Z_S，网侧变流器与滤波器所组成子系统的阻抗为Z_G，引入有源阻尼后，双馈风机系统的总体阻抗为Z_dfig，其中，Z_RSC、Z_GSC、Z_S、Z_G、Z_dfig的计算公式分别为：

Z_G＝Z_GSC+Z_DG+L_f (8)

式中，s是拉普拉斯算子，k_rp、k_ri为机侧变流器PI控制器系数，k_gp、k_gi为网侧变流器PI控制器系数，j表示虚部，ω₁为同步转速，slip为转差率，L_m、L_lr、L_ls是dq坐标系下双馈电机定子转子之间的互感、转子绕组的漏感、定子绕组的漏感，L_f为网侧变流器的滤波电感值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、提供了一种高频振荡抑制方法，获取dq坐标系下的双馈风机转子电流，用于机侧变流器的电流前馈有源阻尼控制；获取dq坐标系下的网侧变流器的滤波器电流，用于网侧变流器的电流前馈有源阻尼控制。机侧变流器采用基于定子磁链定向的矢量控制方式，对转子电流进行控制；网侧变流器采用基于电网电压定向的矢量控制方式，对滤波器电流进行控制。从而，dq坐标系下的转子电流和滤波器电流可以从机侧变流器和网侧变流器基频控制回路中直接获取，无需另外测量。

2、在控制回路中获取到的转子电流和滤波器电流首先输入相位补偿环节从而可以减小阻抗感性，实现对系统输出阻抗的相位修正。

3、经过相位补偿的转子电流和滤波器电流进一步输入一阶谐振调节器，可以避免对原本的基频控制产生影响，它们的输出量注入机侧变流器控制电压和网侧变流器控制电压后实现对当前时刻转子电压和电网电压的附加有源阻尼，改善双馈风机系统的阻抗与相位特性。

4、根据转子电压和电网电压的基频控制回路分量和附加有源阻尼分量确定当前时刻的转子电压和电网电压的参考值，以改变双馈风机的运行特性，从而提高双馈风机系统在高频处的相位裕度和阻抗幅值，实现对高频振荡进行有效抑制。

5、在机侧变流器和网侧变流器中同时引入了附加有源阻尼控制，可以同时对流过机侧变流器和网侧变流器导入系统的谐波进行抑制，提高电能质量。

6、有源阻尼控制采用转子电流和滤波器电流前馈方式，可以直接在原本的控制系统中获取，避免了因引入附加的振荡抑制方式而引入新的设备。

7、在机侧变流器和网侧变流器中同时引入了附加有源阻尼控制，可以在较宽的频率范围改善双馈风机系统的阻抗和相位特性，实现在电网以及风机参数波动情况下，保障振荡抑制效果。

8、在机侧变流器和网侧变流器有源阻尼控制中引入可调系数，根据不同的电网参数最优化有源阻尼阻抗选取，可以适应不同电网强度运行条件。

附图说明

图1为双馈风机的机侧变流器的电流内环控制框图。

图2为双馈风机的网侧变流器的电流内环控制框图。

图3为本发明实施例的有源阻尼控制实施框图之一。

图4为本发明实施例的有源阻尼控制实施框图之二。

图5为本发明实施例机侧变流器引入有源阻尼控制后的等效阻抗模型图。

图6为本发明实施例网侧变流器引入有源阻尼控制后的等效阻抗模型图。

图7为双馈风电系统无有源阻尼和引入有源阻尼后与并补电网的阻抗特性图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

对于双馈风力发电系统并入交流并补电网的情况，高频振荡的产生原因主要是由于在高频频带下感性风机系统与容性电网之间的交互以及互联系统之间的阻尼过小导致的，为此，一方面需要减小风机系统高频频带下的感性特征防止振荡发生，一方面需要增加互联系统之间的阻尼抑制振荡。

本实施例提供了一种基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1：机侧变流器采用定子磁链定向矢量控制，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制，考虑机侧变流器和网侧变流器之间的电容电压恒定不变，网侧变流器采用L型滤波器。从而机侧变流器和网侧变流器可以独立建模，根据图1和图2的机侧和网侧变流器控制系统结构分别建立机侧变流器和网侧变流器的阻抗模型。

图1、2中，i_dr、i_qr分别为转子电流dq轴参考值和测量值，k_rp、k_ri为机侧变流器转子电流PI控制器系数，/>i_df、i_qf分别为网侧滤波器电流dq轴参考值和测量值，k_gp、k_gi为网侧变流器滤波器电流PI控制器系数，/> 分别为机侧变流器和网侧变流器的输出电压参考值，ω₁为同步转速，ω_s为同步转速与转子转速之差，σ为漏磁系数，L_s、L_r分别为dq坐标系下定子和转子自感，L_m为dq坐标系下定转子之间等效互感，U_s为定子电压矢量幅值，L_f为网侧L型滤波器感值。

步骤1.1：根据图1，建立dq坐标系下的机侧变流器输出电压与电流之间的关系为：

从而可得，abc坐标系下的电压电流矢量关系为：

式中，V_r为机侧变流器输出电压，G_r(s)为PI调节器。从而可得机侧变流器的阻抗模型由电压源和阻抗组成。

步骤1.2：根据图2，建立dq坐标系下的网侧变流器输出电压与电流之间的关系为：

从而可得，abc坐标系下的电压电流矢量关系为：

V_g＝U_s-i_g ^*G_g(s-jω_s)+i_g(G_g(s-jω_s)-jω_sL_f) (4)

式中，V_g为机侧变流器输出电压，G_g(s)为PI调节器。从而可得网侧变流器的阻抗模型也由电压源和阻抗组成。

步骤2：在原有机侧和网侧变流器控制的基础上引入有源阻尼控制，并对机侧和网侧变流器的阻抗模型进行修正。

步骤2.1：如图3所示，获取dq坐标系下的双馈风机的转子电流，在机侧变流器的电流控制环节中引入容性相位补偿和一阶谐振调节器环节，将输出结果附加到机侧变流器的控制电压参考信号上，从而可得到机侧变流器中附加有源阻尼控制的传递函数H_r(s)，其表达式为：

式中，ω_c是谐振带宽，ω_res是谐振频率，一般取ω_c＝5rad/s，ω_res＝2pi*1000rad/s。K_r是机侧变流器中有源阻尼控制的系数。

可得在机侧变流器的阻抗模型中引入的有源阻尼阻抗Z_DR的表达式为：

步骤2.2：如图4所示，获取dq坐标系下的网侧变流器的滤波器电流，在网侧变流器的电流控制环节中引入容性相位补偿和一阶谐振调节器环节，将输出结果附加到网侧变流器的控制电压参考信号上，从而可得到网侧变流器中附加有源阻尼控制的传递函数H_g(s)，其表达式为：

式中，K_g是网侧变流器中有源阻尼控制的系数。可得在网侧变流器的阻抗模型中引入的有源阻尼阻抗Z_DG的表达式为：

步骤3：引入有源阻尼后的机侧变流器及双馈风机的阻抗模型如图5所示，引入有源阻尼后的网侧变流器及L型滤波器的阻抗模型如图6所示。机侧变流器的PI控制器阻抗表达式为Z_RSC，网侧变流器的PI控制器阻抗表达式为Z_GSC，机侧变流器与风机所组成子系统的阻抗为Z_S，网侧变流器与滤波器所组成子系统的阻抗为Z_G，则引入有源阻尼后，双馈风机系统的总体阻抗为Z_dfig，其中，Z_RSC、Z_GSC、Z_S、Z_G、Z_dfig的计算公式分别为：

Z_G＝Z_GSC+Z_DR+L_f (12)

式中，s是拉普拉斯算子，k_rp、k_ri为机侧变流器PI控制器系数，k_gp、k_gi为网侧变流器PI控制器系数，j表示虚部，ω₁为同步转速，slip为转差率，L_m、L_lr、L_ls是dq坐标系下双馈电机定子转子之间的互感、转子绕组的漏感、定子绕组的漏感，L_f为网侧变流器的滤波电感值。

步骤4：获取电网阻抗，为了防止高频振荡的发生并实现对高频振荡和谐波的抑制，根据阻抗稳定性理论，要求风机系统阻抗与电网阻抗的幅频曲线交点处的相位裕度足够高，并且阻抗幅值足够大。若相位裕度过小或为负则会导致高频振荡的发生。相位补偿环节的引入可以提高相位裕度，而K_r和K_g则可以通过最优化Z_S和Z_G的阻抗幅值得出。

在本发明的某一具体实施例中，针对双馈风机连接并补电网系统的高频振荡，在如图1、2所示的机侧变流器和网侧变流器的控制中分别引入如图3、4所示的附加有源阻尼控制后，可以得到如图7所示的无有源阻尼风机系统并网系统的阻抗特性图和加入了有源阻尼控制后的阻抗特性图。从图7中可以看出，在引入有源阻尼后，双馈风机系统高频处幅值增大，且与并补电网之间的幅频特性交点处的相位裕度增大，有效抑制了高频振荡的发生。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，其特征在于：首先，建立双馈风机系统和并补电网的复频域阻抗模型，获取双馈风机系统的机侧转子电流和网侧滤波器电流，再在双馈风机系统中的机侧变流器和网侧变流器的控制系统的电流控制环中分别通过转子电流前馈和滤波器电流前馈引入有源阻尼控制，该有源阻尼控制包含针对风机感性特征的容性补偿环节和用于屏蔽基频控制的一阶谐振调节器环节，等效于在双馈风机系统的机侧变流器和网侧变流器中接入阻抗元件，基于阻抗稳定性分析理论，通过增大双馈风机系统的阻抗幅值，以及与并补电网的幅频特性曲线交点处的相位裕度，以实现高频振荡抑制，并根据机侧变流器和网侧变流器的阻抗幅值最优化设计其中参数，以达到最优的高频振荡抑制效果；包括以下步骤：

机侧变流器采用转子电流控制策略，网侧变流器采用滤波器电流控制策略，根据机侧变流器和网侧变流器的控制系统结构分别建立机侧变流器和网侧变流器控制系统在复频域的阻抗模型；

从机侧变流器控制系统中获取转子电流，用于机侧变流器电流前馈的有源阻尼控制；从网侧变流器控制系统中获取网侧变流器的滤波器电流，用于网侧变流器电流前馈的有源阻尼控制；机侧变流器和网侧变流器附加的有源阻尼控制的输入量取自于原有控制系统，无需引入新的测量设备；

将获取到的转子电流和滤波器电流依次输入相位修正环节和基频滤波环节，从而生成转子电压和电网电压的附加有源阻尼分量；

根据转子电压和电网电压的基频控制回路分量和附加有源阻尼分量确定当前时刻的机侧变流器和网侧变流器的控制电压参考信号，用于对机侧变流器和网侧变流器进行控制；

根据在机侧变流器和网侧变流器的控制系统结构中所引入的有源阻尼控制，对机侧变流器和网侧变流器的阻抗模型进行相位和幅值上的修正，并建立在引入有源阻尼控制后双馈风机系统的总体阻抗模型；

建立电网的复频域阻抗模型，根据互联系统阻抗特性分析高频振荡抑制效果，并基于阻抗幅值最大化设计有源阻尼参数。

2.根据权利要求1所述的基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，其特征在于，所述机侧变流器和网侧变流器的控制系统搭建于dq坐标系下，机侧变流器采用定子磁链定向矢量控制，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制；

所述阻抗模型均在复频域中建立，建立机侧变流器和网侧变流器的阻抗模型时，考虑机侧变流器和网侧变流器之间的电容电压恒定不变，将机侧变流器和网侧变流器分别独立建模。

3.根据权利要求1所述的基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，其特征在于，所述双馈风机的转子电流为dq坐标系下机侧变流器输出电流值，所述网侧变流器的滤波器电流为dq坐标系下网侧变流器输出电流值，网侧变流器采用L型滤波器；

所述机侧变流器和网侧变流器的有源阻尼控制分别为H_r(s)和H_g(s)，H_r(s)和H_g(s)都包含容性相位补偿环节和一阶谐振调节器环节，通过如下公式计算机侧变流器和网侧变流器附加的有源阻尼控制的传递函数：

式中，s是拉普拉斯算子，ω_c是谐振带宽，ω_res是谐振频率，K_r和K_g分别是机侧变流器和网侧变流器有源阻尼控制的相位补偿环节的系数；

根据在机侧变流器和网侧变流器原有控制系统中所获取的转子电流和滤波器电流分别得到机侧变流器和网侧变流器电压控制信号的附加阻尼分量；

根据所得到的附加有源阻尼分量和基频控制回路分量确定当前时刻的转子电压和电网电压的参考值，用于对机侧变流器和网侧变流器进行控制，实现高频振荡抑制。

4.根据权利要求1所述的基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，其特征在于，在机侧变流器和网侧变流器中所引入的有源阻尼控制会在机侧变流器的阻抗模型中引入有源阻尼阻抗Z_DR，在网侧变流器的阻抗模型中引入有源阻尼阻抗Z_DG，Z_DR和Z_DG的计算公式如下：

式中，s是拉普拉斯算子，ω_c是谐振带宽，ω_res是谐振频率，K_r和K_g分别是机侧变流器和网侧变流器有源阻尼控制的相位补偿环节的系数。

5.根据权利要求4所述的基于有源阻尼的双馈风机交流并网高频振荡抑制方法，其特征在于，机侧变流器的PI控制器阻抗表达式为Z_RSC，网侧变流器的PI控制器阻抗表达式为Z_GSC，机侧变流器与风机所组成子系统的阻抗为Z_S，网侧变流器与滤波器所组成子系统的阻抗为Z_G，引入有源阻尼后，双馈风机系统的总体阻抗为Z_dfig，其中，Z_RSC、Z_GSC、Z_S、Z_G、Z_dfig的计算公式分别为：

Z_G＝Z_GSC+Z_DG+L_f(8)

式中，s是拉普拉斯算子，k_rp、k_ri为机侧变流器PI控制器系数，k_gp、k_gi为网侧变流器PI控制器系数，j表示虚部，ω₁为同步转速，slip为转差率，L_m、L_lr、L_ls是dq坐标系下双馈电机定子转子之间的互感、转子绕组的漏感、定子绕组的漏感，L_f为网侧变流器的滤波电感值。