基于定子侧模拟电阻的双馈风电场次同步振荡的抑制方法与流程

[0001]
本发明属于风力发电机稳定性控制技术领域，特别是一种基于定子侧模拟电阻的双馈风电场次同步振荡的抑制方法。


背景技术：

[0002]
在众多可再生能源中，风能具有资源丰富、分布广泛的特点，有较好的经济及社会效益。中国能源发展战略已将大规模开发利用风电作为其重要组成部分。由于风力资源与负荷需求分布不一致，需将风电大容量、远距离得向外输送。串联补偿电容技术具有减小输电线路损耗并同时提高线路输送容量的优点，可作为实现风电大规模外送的技术支撑，但该技术的广泛应用，可能诱发风电场的次同步振荡问题。近年来，国内外已发生多起风电场次同步振荡事故，在造成巨大经济损失的同时，也严重影响了大规模风电基地及外送系统的安全稳定运行。因此，风机串补输电系统的次同步振荡问题引起了国内外学者的普遍关注。
[0003]
在双馈风电场次同步振荡的抑制方面，当前研究多专注于借助附加阻尼控制器或者facts装置，这些方法虽在抑制振荡上具有一定的效果，但通常需要繁杂的参数整定，且抑制效果受到滤波器性能的影响。此外，附加装置的引入增加了单台风机的成本，不利于工程实际应用。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种能够提高双馈风电场经串联补偿电容并网系统稳定性的基于定子侧模拟电阻的双馈风电场次同步振荡的抑制方法。
[0005]
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于定子侧模拟电阻的双馈风电场次同步振荡的抑制方法，包括以下步骤：
[0006]
步骤1、建立双馈风电场经串联补偿电容并网的系统模型；
[0007]
步骤2、结合转子侧变换器的控制策略，推导双馈风机并网系统的等效阻抗模型，分析系统的阻尼特性；
[0008]
步骤3、根据双馈风机并网系统阻尼特性的分析结果，确定定子侧模拟电阻的取值，以补偿系统的负阻尼作用；
[0009]
步骤4、将基于定子侧模拟电阻的控制策略应用到双馈风机定子侧变换器的控制中，完成对系统次同步振荡的抑制。
[0010]
进一步的，步骤1所述的建立双馈风电场经串联补偿电容并网的系统模型，具体如下：
[0011]
步骤1.1、根据风能捕获模型得到双馈风机转子转速、输出功率和风速的对应关系；
[0012]
步骤1.2、在dq坐标系下列写出系统的电磁方程，具体如下：
[0013]
步骤1.2.1、双馈感应发电机中的定子和转子均采取电动机惯例，正方向为电流流
入方向，且旋转方向和电磁转矩正方向相同，根据坐标变换原理，把定子及转子中的电流、电压、磁通变量从三相静止坐标系变换到dq坐标系，得到定转子中的电磁关系为：
[0014][0015][0016][0017]
其中ω1为同步旋转角速度，ω
s
＝ω
1-ω
r
为转差角速度，ω
r
为转子旋转角速度；u
ds
、u
qs
为定子dq轴电压，u
dr
、u
qr
为转子dq轴电压；i
ds
、i
qs
为定子dq轴电流，i
dr
、i
qr
为转子dq轴电流；ψ
ds
、ψ
qs
为定子dq轴磁链，ψ
dr
、ψ
qr
为转子dq轴磁链；r
s
为定子电阻，r
r
为转子电阻；l
ls
为定子漏感，l
lr
为转子漏感，l
m
为定转子同轴互感，l
s
、l
r
为定转子绕组等效自感；
[0018]
步骤1.2.2、双馈风机转子侧变换器的控制目标包括最大风能追踪、保持所发电能频率恒定以及控制无功输出，将定子磁链方向固定在d轴，实现有功与无功的解耦；转子侧变换器的控制由功率环和电流环组成，采用pi控制来调节转子电压，得到转子侧变换器的控制方程为：
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026][0027]
其中，te
ref
、q
s ref
为电磁转矩和定子无功的参考值，k
te
、k
qs
为转子侧变换器外功率环pi控制的比例系数，k
iq
、k
id
为转子侧变换器内电流环pi控制的比例系数；t
te
、t
qs
为转子侧变换器外功率环pi控制的积分系数，t
iq
、t
id
转子侧变换器内电流环pi控制的积分系数；i
qr ref
、i
dr ref
为转子侧变换器外环pi控制输出的转子dq轴电流参考值，x1～x4为引入的四个中间变量；
[0028]
步骤1.2.3、双馈风机通常运行在次同步状态下，使用网侧变换器实现交流到直流的电能变换，保持直流母线电压恒定，以及减少交流侧谐波，网侧变换器的控制方程为：
[0029][0030]
i
qg ref
＝k
p1
(u
dc ref-u
dc
)+t
i1
x5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0031][0032]
u
qg
＝k
p2
[k
p1
(u
dc ref-u
dc
)+t
i1
x
5-i
qg
]+t
i2
x6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0033][0034]
i
dg ref
＝k
p1
(u
s ref-u
s
)+t
i1
x7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0035][0036]
u
dg
＝k
p2
[k
p1
(u
s ref-u
s
)+t
i1
x
7-i
dg
]+t
i2
x8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0037]
其中，u
dc ref
、u
dc
分别为变换器直流电压的参考值和运行实际值，u
s ref
、u
s
分别为机端电压的参考值和实际值；k
p1
为网侧变换器外功率环pi控制的比例系数，k
p2
为网侧变换器内电流环pi控制的比例系数；t
i1
为网侧变换器外功率环pi控制的积分系数，t
i2
为网侧变换器内电流环pi控制的积分系数；i
dg ref
、i
qg ref
分别为网侧变换器电流dq轴分量的参考值，i
dg
、i
qg
为网侧变换器电流dq轴分量的实际值；x5～x8为引入的4个中间变量。
[0038]
进一步的，步骤2所述的结合转子侧变换器的控制策略，推导双馈风机并网系统的等效阻抗模型，分析系统的阻尼特性，具体如下：
[0039]
步骤2.1、由双馈风机转子侧变换器的控制方程可得：
[0040][0041]
式(20)与式(2)联立有：
[0042][0043]
令则有：
[0044][0045]
其中k
id
和k
iq
的取值相同，取k
iq
＝k
id
＝k
i
，k
i
作为转子侧变换器外环的比例系数，可取典型值；
[0046]
步骤2.2、由式(22)可知，双馈风机转子侧变换器在转子回路中引入了一个值为k
i
的电阻；将转子绕组中励磁电流的频率折算到定子侧，可得dfig风电场的并网等效阻抗模
型。
[0047]
进一步的，步骤3所述的根据双馈风机并网系统阻尼特性的分析结果，确定定子侧模拟电阻的取值，以补偿系统的负阻尼作用，具体如下：
[0048]
步骤3.1、双馈风机系统的阻抗为：
[0049]
z
dfig
＝(r
r
+k
i
)/s
n
+r
s
+(x
ls
+x
lr
+x
t
)s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0050]
其中，s
n
为次同步分量对应的转差，x
t
为变压器电抗；
[0051]
设系统中出现的次同步振荡分量的角频率为ω
er
，若ω
er
＜ω
r
，则对应的转差s
n
＝(jω
er-jω
r
)/jω
er
＜0，转子回路的等效电阻为负值；当负电阻的绝对值大于系统中正电阻的值时，需要对系统中的负阻尼进行补偿，转子回路中的负阻尼为：
[0052][0053]
系统的次同步振荡频率f
n
为：
[0054][0055]
式中，f1为电网工频，x
c
为串联补偿电容容抗，x
∑
为系统中等效感抗总和；
[0056]
次同步振荡分量对应的角频率为：
[0057]
ω
er
＝2πf
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0058]
确定特定风速下对应的转子转速，计算次同步分量对应的转差，公式为：
[0059]
s
n
＝(jω
er-jω
r
)/jω
er
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0060]
步骤3.2、取负阻尼幅值的80％至100％，作为定子侧模拟电阻的取值，补偿系统的负阻尼作用。
[0061]
进一步的，步骤4中，结合步骤3的分析结果，将基于定子侧模拟电阻的控制策略应用到双馈风机定子侧变换器的控制中，完成对系统次同步振荡的抑制，具体如下：
[0062]
步骤4.1、检测外界风速，确定风速对应的转矩参考值，根据控制目标确定定子无功的参考值，联立系统的相关状态方程，结合对应的控制策略计算出双馈风机定子电流dq轴分量的稳态期望值
[0063]
步骤4.2、将定子电流dq轴分量的实际值与稳态期望值作差，取增益后作为附加信号作用于网侧变换器gsc的输入，公式为：
[0064][0065]
其中g
p
值按照步骤3中的结果取值；
[0066]
步骤4.3、在式(28)附加信号的作用下，转子侧变换器输出转子电压满足式(29)关系：
[0067][0068]
对于系统中的稳态分量，其电磁关系不变，仍满足式(1)所示关系；
[0069]
步骤4.4、将系统中次同步振荡分量对应的定子dq轴电压用u
qs sub
和u
ds sub
表示，
定子dq轴电流用i
qs sub
和i
ds sub
表示，定子dq轴磁链用ψ
qs sub
和ψ
ds sub
表示，得到次同步振荡分量满足的关系为：
[0070][0071]
步骤4.5、使用基于定子侧模拟电阻的控制策略代替网侧变换器控制策略，实现对双馈风机次同步振荡的抑制。
[0072]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明能够有效抑制风电场并网系统中的次同步振荡现象，提高了系统的稳定性；(2)本发明需要整定的参数很少，规避了复杂的参数整定；(3)本发明仅对双馈风机转子侧变换器的pi控制进行改进，没有改变rsc变换器的基本控制结构，符合当下风机制造厂商的需求；(4)依靠双馈风机自身控制来抑制次同步振荡，无需任何附加装置，节约了成本，便于实际工程应用。
附图说明
[0073]
图1是本发明基于定子侧模拟电阻的双馈风电场次同步振荡的抑制方法流程图。
[0074]
图2是本发明中双馈风电场经串联补偿电容并网模型的结构示意图。
[0075]
图3是本发明中双馈风机转子侧变换器的控制框图。
[0076]
图4是本发明中双馈风机网侧变换器的控制框图。
[0077]
图5是本发明中双馈风机并网系统的等效阻抗图。
[0078]
图6是本发明中基于定子侧模拟电阻控制策略的流程示意图。
[0079]
图7是本发明实施例中采用常规pi控制策略的仿真结果曲线图，其中(a)为7m/s风速、40％串补度对应的仿真结果曲线图；(b)为7m/s风速、62.5％串补度对应的仿真结果曲线图；(c)为7m/s风速、67％串补度对应的仿真结果曲线图。
[0080]
图8是本发明实施例中采用定子侧模拟电阻控制策略后风机电磁转矩曲线的仿真图，其中(a)为7m/s风速、62.5％串补度对应的仿真结果曲线图；(b)为7m/s风速、67％串补度对应的仿真结果曲线图；(c)为7m/s风速、80％串补度对应的仿真结果曲线图。
具体实施方式
[0081]
结合图1，本发明提出一种基于定子侧模拟电阻的双馈风电场次同步振荡的抑制方法，包括以下步骤：
[0082]
步骤1、建立双馈风电场经串联补偿电容并网的系统模型，具体如下：
[0083]
步骤1.1、根据风能捕获模型得到双馈风机转子转速、输出功率和风速的对应关系。
[0084]
如图2所示，容量为100mw的风电场由50个单机容量为2mw的风机等值而来，其中，x
tg
、x
t
为网侧平波电抗和变压器电抗，r
l
、x
l
和x
c
为输电线路的电阻、电抗和串补电容容抗；为了充分利用风速，机组在最大风能追踪策略下运行，双馈风机转子转速、输出功率和风速的对应关系如表1所示，其中，v
w
为风速，ω
r
为转子转速，p
w
为风力机输出功率，t
w
为风力机输出转矩。
[0085]
表1转子转速和风力机输出功率参考表
[0086]
v
w
(m/s)789101112ω
r
(p.u)0.750.850.951.051.151.25p
w
(p.u)0.320.490.690.951.251.6t
w
＝p
w
/ω
r
0.430.580.730.901.091.28
[0087]
步骤1.2、在dq坐标系下列写出系统的电磁方程，具体如下：
[0088]
步骤1.2.1、双馈感应发电机中的定子和转子均采取电动机惯例，正方向为电流流入方向，且旋转方向和电磁转矩正方向相同；根据坐标变换原理，把定子及转子中的电流、电压、磁通变量从三相静止坐标变换到dq坐标系，得到定转子中的电磁关系为：
[0089][0090][0091][0092]
其中ω1为同步旋转角速度，ω
s
＝ω
1-ω
r
为转差角速度，ω
r
为转子旋转角速度；u
ds
、u
qs
为定子dq轴电压，u
dr
、u
qr
为转子dq轴电压；i
ds
、i
qs
为定子dq轴电流，i
dr
、i
qr
为转子dq轴电流；ψ
ds
、ψ
qs
为定子dq轴磁链，ψ
dr
、ψ
qr
为转子dq轴磁链；r
s
为定子电阻，r
r
为转子电阻；l
ls
为定子漏感，l
lr
为转子漏感，l
m
为定转子同轴互感，l
s
、l
r
为定转子绕组等效自感。
[0093]
步骤1.2.2、双馈风机转子侧变换器的控制目标包括：最大风能追踪、保持所发电能频率恒定以及控制无功输出。将定子磁链方向固定在d轴，可以实现有功与无功的解耦；采用pi控制来调节转子电压，转子侧变换器的控制框图如图3所示，其中，te
ref
、q
s ref
为电磁转矩和定子无功的参考值，k
te
、k
qs
为转子侧变换器外功率环pi控制的比例系数，k
iq
、k
id
为转子侧变换器内电流环pi控制的比例系数；t
te
、t
qs
为转子侧变换器外功率环pi控制的积分系数，t
iq
、t
id
转子侧变换器内电流环pi控制的积分系数；i
qr ref
、i
dr ref
为转子侧变换器外环pi控制输出的转子dq轴电流参考值。
[0094]
将控制框图表达的关系列写成微分方程，双馈风机转子侧变换器的控制方程如式(4)～(11)所示：
[0095][0096][0097][0098]
[0099][0100][0101][0102][0103]
其中，x1～x4为引入的四个中间变量；
[0104]
步骤1.2.3、双馈风机通常运行在次同步状态下，网侧变换器的主要功能是实现交流到直流的电能变换，保持直流母线电压恒定，以及减少交流侧谐波，网侧变换器的控制框图如图4所示。其中，u
dc ref
、u
dc
分别为变换器直流电压的参考值和运行实际值，u
s ref
、u
s
分别为机端电压的参考值和实际值；k
p1
为网侧变换器外功率环pi控制的比例系数，k
p2
为网侧变换器内电流环pi控制的比例系数；t
i1
为网侧变换器外功率环pi控制的积分系数，t
i2
为网侧变换器内电流环pi控制的积分系数。
[0105]
将控制框图表达的关系列写成微分方程，如式(12)～(19)所示：
[0106][0107]
i
qg ref
＝k
p1
(u
dc ref-u
dc
)+t
i1
x5ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0108][0109]
u
qg
＝k
p2
[k
p1
(u
dc ref-u
dc
)+t
i1
x
5-i
qg
]+t
i2
x6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0110][0111]
i
dg ref
＝k
p1
(u
s ref-u
s
)+t
i1
x7ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0112][0113]
u
dg
＝k
p2
[k
p1
(u
s ref-u
s
)+t
i1
x
7-i
dg
]+t
i2
x8ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0114]
其中，i
dg ref
、i
qg ref
分别为网侧变换器电流dq轴分量的参考值，i
dg
、i
qg
为网侧变换器电流dq轴分量的实际值；x5～x8为引入的4个中间变量。
[0115]
步骤2、结合转子侧变换器的控制策略，推导双馈风机并网系统的等效阻抗模型，分析系统的阻尼特性，具体如下：
[0116]
步骤2.1、由双馈风机转子侧变换器的控制方程可得：
[0117][0118]
式(20)与式(2)联立有：
[0119]
[0120]
令则有：
[0121][0122]
步骤2.2、实际工程中k
id
和k
iq
的取值相等，即k
iq
＝k
id
＝k
i
，由式(22)可知，双馈风机转子侧变换器在转子回路中引入了一个值为k
i
的电阻；相较于其它支路，励磁支路和网侧变换器支路阻抗很大，所以在阻抗模型中忽略不计；将转子绕组中励磁电流的频率折算到定子侧，可得dfig风电场的并网等效阻抗模型，如图5所示，图中，slip＝(s-jω
r
)/s为风机运行时的转差率。
[0123]
步骤3、根据双馈风机并网系统阻尼特性的分析结果，确定定子侧模拟电阻的取值，以补偿系统的负阻尼作用，具体如下：
[0124]
步骤3.1、在图5中，双馈风机系统的阻抗为：
[0125]
z
dfig
＝(r
r
+k
i
)/slip+r
s
+(x
ls
+x
lr
+x
t
)s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0126]
由式(23)可知，并网系统的电气阻尼受到风机运行转差率的影响；设定系统中出现的次同步振荡分量的角频率为ω
er
，若ω
er
ω
r
，则对应的转差s
n
＝(jω
er-jω
r
)/jω
er
＜0，转子回路的等效电阻为负值；当负电阻的绝对值大于系统中正电阻的值时，系统就会对该振荡分量呈现出负阻尼特性，使振荡幅值持续增大，因此，为了抑制振荡的发散，需要对系统中的负阻尼进行补偿，转子回路中的负阻尼为：
[0127][0128]
为了确定负阻尼z
neg
的大小，需要确定特定工况下s
n
的大小，方法为：
[0129]
系统的次同步振荡频率f
n
为：
[0130][0131]
式中，f1为电网工频，x
c
为串联补偿电容容抗，x
∑
为系统中等效感抗总和；
[0132]
次同步振荡分量对应的角频率为：
[0133]
ω
er
＝2πf
n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)
[0134]
按照表1确定风速对应的转子转速，然后计算次同步分量对应的转差，公式为：
[0135]
s
n
＝(jω
er-jω
r
)/jω
er
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(27)
[0136]
步骤3.2、取负阻尼幅值的80％至100％，作为定子侧模拟电阻的取值，补偿系统的负阻尼作用。
[0137]
步骤4、结合步骤3的分析结果，将基于定子侧模拟电阻的控制策略应用到双馈风机定子侧变换器的控制中，完成对系统次同步振荡的抑制，结合图6，具体如下：
[0138]
步骤4.1、检测外界风速，对照表1找到与风速对应的转矩参考值，根据控制目标确定定子无功的参考值，联立系统的相关状态方程，结合对应的控制策略算出双馈风机定子电流dq轴分量的稳态期望值
[0139]
步骤4.2、将定子电流dq轴分量的实际值与稳态期望值作差，按照图6所示，取增益
后作为附加信号作用于网侧变换器gsc的输入，公式为：
[0140][0141]
其中g
p
值按照步骤3中的结果取值；
[0142]
步骤4.3、在式(28)附加信号的作用下，转子侧变换器输出转子电压满足式(29)关系：
[0143][0144]
对于系统中的稳态分量，其电磁关系不变，仍满足式(1)所示关系；
[0145]
步骤4.4、将系统中次同步振荡分量对应的定子电压用u
qs sub
和u
ds sub
表示，定子电流用i
qs sub
和i
ds sub
表示，定子磁链用ψ
qs sub
和ψ
ds sub
表示，得到次同步振荡分量满足的关系为：
[0146][0147]
步骤4.5、使用基于定子侧模拟电阻的控制方案代替图4所示的网侧变换器控制方案，实现对双馈风机次同步振荡的抑制。
[0148]
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
[0149]
实施例
[0150]
在matlab平台下，搭建如图2所示系统，系统中的风电场经一个变压器升压后，通过串联补偿线路连接到无穷大系统上，其中100mw的风电场是由50个2mw的双馈风力发电机组合而成，具体的系统参数如表2～表4所示：
[0151]
表2感应发电机参数
[0152]
名称单机参数总参数基准容量2mw100mw基准线电压690v690v定子漏抗x
ls
0.09231pu0.09231pu转子漏抗x
lr
0.09955pu0.09955pu定转子互感x
m
3.95279pu3.95279pu定子电阻r
s
0.00488pu0.00488pu转子电阻r
r
0.00549pu0.00549pu网侧平波电抗x
tg
0.3pu0.3pu直流电容基准电压1200v1200v直流电容c14000μf50
×
14000μf
[0153]
表3输电线路和轴系参数
[0154]
名称参数名称参数
变压器变比690v/161kv风机惯量常4.29s基准容量100mva发电机惯量0.90s线路电阻0.02pu发电机阻尼0.00pu线路电抗0.50pu轴系阻尼系0.00pu变压器电抗0.14pu风轮机阻尼1.50pu系统阻抗x
s
0.06pu轴系刚度系0.15pu/rad
[0155]
表4rsc控制器参数
[0156]
名称参数名称参数t
te
0.05k
iq
0.0001t
qs
0.025k
id
0.0001t
iq
0.005k
te
0.0001t
id
0.0025k
qs
0.0001
[0157]
图7为采用常规pi控制策略的仿真结果，运行工况如下：风速为7m/s，线路的初始串补度为20％，处于稳态运行。在t＝0.5s时刻，分别改变串补度为40％、62.5％和65％时，得到风机电磁转矩te的振荡曲线，分别如图7的(a)、(b)、(c)所示。从仿真结果可以看出，串补度为40％时，扰动引起的振荡能够自行平息；串补度为62.5％时，电磁转矩变成等幅振荡，系统的稳定性变差，处于临界稳定状态；当串补度进一步增加到65％时，系统稳定性继续恶化，次同步振荡分量迅速发散，系统失稳。以上结果说明串补度越大，系统的稳定性越差，越容易发生次同步振荡。
[0158]
图8为采用定子侧模拟电阻控制策略后dfig电磁转矩曲线的仿真图，模拟电阻的取值为g
p
＝0.8。从图8的(a)、(b)可以看出，采用本发明提出的控制策略后，原来等幅或者增幅振荡的次同步分量迅速衰减，系统重新恢复稳定。为进一步验证其抑制效果，将线路的串补度继续增加到80％，如图8(c)所示，仿真结果显示系统仍然能平息次同步振荡分量。综上可知，本发明基于定子侧模拟电阻的双馈风电场次同步振荡的抑制方法能够有效抑制dfig风电场并网系统中的次同步振荡现象，提高了系统的稳定性。