一種雙饋風機同步機系統以及抑制同步發電機振蕩的方法與流程

2023-12-04 15:57:21

本發明屬於新能源發電領域，更具體地，涉及一種雙饋風機同步機系統以及抑制同步發電機振蕩的方法。

背景技術：

自2010年以來中國已經成為世界第一的能源生產國和消費國，然而，不理想的能源消費結構，導致中國同時面臨著嚴峻的能源問題。一方面，我國煤炭和石油的供給存在安全風險問題。從能源供給層面看，中國的能源形勢隨著需求總量的迅速增長、對外依存度不斷上升而更加脆弱。另一方面，煤炭和石油的大量消費，造成了嚴重的環境問題。我國自2008年以來已經成為世界第一大碳排放國。我國霧霾的問題，其主要成因也是由於大量的煤炭和石油使用。根據2016年籤訂的《巴黎氣候協定》，中國提出將於2030年左右，使二氧化碳排放達到峰值，並爭取儘早實現。2030年單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年下降60％-65％，非化石能源佔一次能源消費比重達到20％左右。可以看到，減少煤炭等化石能源消費比重已經成為未來國家的發展方向。可再生能源的使用是解決這一問題的重要措施。其中，風力發電是可再生能源中的最具潛力的一種形式。

我國的風力發電儘管起步較晚，但發展迅猛。據統計，我國可開發利用的風能儲量約10億千瓦，其中，陸地上風能儲量約2.53億千瓦(按陸地上離地10米高度資料計算)，海上可開發和利用的風能儲量約7.5億千瓦。根據國家能源局統計，至2016年底，我國併網風力發電機組容量達到14864萬千瓦，佔併網機組容量的9.03％，發電量近年來穩步提高，2016年風力發電電量佔比已達到4％。由於我國風力資源分布不均，大量高品質風資源集中於西北地區、東北地區。特別的，在內蒙古、新疆、甘肅，風力發電裝機分別佔其全省總裝機的23.15％、22.91％、26.9％；在整個西北五省電網中，累計併網風電佔其全網總裝機的19.6％。可以看到，在我國西北、東北部地區中風電的比例已經相當高。局部電網中風電已成為主要的電源。隨著風力發電在電力系統中的比例日益提高，其對電力系統的動態過程與穩定的影響也逐漸顯現，成為行業內關注的焦點。特別的，近年來發生多起風電脫網事故，已經嚴重威脅了電力系統的安全穩定運行。研究風力發電的特性及其對電力系統安全穩定的影響已經成為迫切的需求

由於在傳統電力系統中，同步發電機作為主要，甚至唯一的電源，其動態特性直接決定了系統的動態特性。隨著風電滲透率的提高，情況則有所不同。風力發電機對同步發電機低頻振蕩的影響需要有更深的認識。一方面，一些研究結果發現隨著雙饋風力發電機滲透率和出力的增加，系統的阻尼逐漸變強，認為這正是由於雙饋風力發電機本身作為一臺異步發電機，其產生了滑差功率向系統提供了正阻尼導致的。另一方面，一些研究發現通過替換同步發電機的方式，發現隨著風電滲透率提高，會引起系統阻尼下降，認為這是由於潮流提高引起的，因為靈敏度分析發現阻尼對風力發電機的靈敏度很低，快速電壓控制對系統阻尼也沒有實質性改變。在另一些研究中，則認為風力發電機既可能增強阻尼也可能削弱阻尼。不同的研究得到了相互矛盾的結果，這是由於對比的條件所造成的。若在系統中增加風力發電機，會造成拓撲和潮流的變化，這本身就會引起同步發電機阻尼的變化；而若替換等容量的同步發電機，但由於同步發電機對同步發電機就會造成阻尼的影響，這也難以說明風力發電機接入後對系統阻尼變化到底產生了什麼樣的影響。因此，從邏輯上來說，需要找一個對系統沒有阻尼影響的參照情景。

綜上所述，風力發電機的特性豐富，其對同步發電機的阻尼影響好壞都是有可能的。對於風力發電機對同步發電機產生影響的機理和物理過程，是更需要進一步研究的。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於雙饋型風電機組抑制同步發電機振蕩的方法，打破了風力發電機對同步發電機阻尼影響不明確的局限性，實現了控制風機發電機對同步發電機提供正阻尼的作用，從而抑制同步發電機的振蕩。

本發明提供了一種雙饋風機同步機系統，包括：同步發電機sg，風力發電機、轉子側變流器、網側變流器、網側電感lg、直流電容c、鎖相環和信號處理器；所述鎖相環的輸入端用於連接至電網，所述鎖相環用於採集電網電壓信號，並將所述電網電壓信號進行轉換後輸出電網電壓幅值變化量d軸分量和相位變化量q軸分量所述信號處理器的輸入端連接至所述鎖相環的輸出端，所述信號處理器用於根據所述電網幅值變化量的d軸分量和相位變化量q軸分量輸出轉子側電流環輔助控制信號irdcon和irqcon；所述轉子側變流器的控制端連接至所述信號處理器的輸出端，所述轉子側變流器的輸出端連接至所述風力發電機的電流控制端；所述電容c連接在所述網側變流器與所述轉子側變流器的連接端之間，所述電容c的另一端接地；當電網電壓由於同步機振蕩而發生變動時，根據轉子側變流器的電流環控制器的輔助控制信號改變電流控制指令ir，從而改變轉子側變換器輸出的轉子電壓內電勢的幅值和相位，從而改變同步發電機的氣隙磁場，進而使定子輸出電壓發生改變，進一步通過輸電線路影響同步發電機內電勢的幅值和相位。

更進一步地，所述鎖相環包括：park變換器、pi控制器和積分器；park變換器的電壓輸入端用於接收電網電壓信號va、vb、vc，park變換器的反饋輸入端連接至所述積分器的輸出端，所述park變換器用於對電網電壓信號進行兩相旋轉坐標系變換後由第一輸出端輸出電網幅值變化量的d軸分量和由第二輸出端輸出電網相位變化量的q軸分量park變換器的輸出即為鎖相環的輸出。所述pi控制器的輸入端連接至所述park變換器的第二輸出端，所述pi控制器用於對所述q軸分量進行pi處理後獲得ωp，表示鎖相環測量得到的電網頻率；所述積分器的輸入端連接至所述pi控制器的輸出端；所述積分器用於對所述ωp進行積分處理後獲得電網電壓相θp，作為park變換的反饋輸入端。

更進一步地，信號處理器包括：對於鎖相環的第一輸出端的來說，為依次連接的第一誤差放大器和第一相位補償器，其輸入端用於接收d軸分量對於鎖相環的第二輸出端的則是依次連接的高通濾波器、第二誤差放大器，第二相位補償器；所述的高通濾波器的輸入端用於接收q軸分量所述第一相位補償器的輸出端用於輸出轉子側電流環輔助控制信號irdcon；所述第二相位補償器的輸出端用於輸出網側變流器的電流環輔助控制信號irqcon。

更進一步地，轉子側變流器包括：依次連接的加法器，pi調節器，矢量調製器svm以及開關電路；所述加法器的第一輸入端用於接收轉子側電流參考指令值idref/iqref，第二輸入端用於接收電流輔助控制信號irdcon/irqcon，第三輸入端用於接收轉子電流的q軸分量ird/irq，所述開關電路的輸出端輸出用於控制發電機的電流控制指令ir；當電網正常運行時，電流輔助控制信號irdcon/irqcon為零，idref/iqref與ird/irq經過相加後得到電流誤差值，電流誤差值依次經過pi調節和矢量調製後獲得用於控制所述第一開關電路的開關序列的轉子電壓控制信號；當電網電壓由於同步發電機發生振蕩而產生波動時，irdcon/irqcon不為零，檢測到電網的電壓幅值和相位波動成分通過加法器作用於電流環控制支路上，通過改變電流控制指令ird/irq，從而改變轉子側變換器輸出的轉子電壓的幅值和相位，從而改變同步發電機的氣隙磁場，進而使定子輸出電壓發生改變，同步輸電線路影響同步發電機內電勢的幅值和相位，從而振蕩提供正阻尼，抑制同步發電機的振蕩。

本發明還提供了一種基於上述的雙饋型風電機組抑制同步發電機振蕩的方法，包括下述步驟：

(1)對採集的電網電壓信號進行處理後獲得代表電網電壓幅值的d軸分量和代表電網電壓相位的q軸分量

(2)將電網電壓幅值的d軸分量進行誤差放大與相位補償處理，得到轉子側變流器的電流環控制器的第一個輔助控制信號irdcon；將電網電壓幅值的q軸分量進行誤差放大與相位補償處理，得到轉子側變流器的電流環控制器的第二個輔助控制信號irqcon；

(3)當電網電壓由於同步發電機發生振蕩而產生波動時，根據轉子側變流器的電流環控制器的輔助控制信號改變電流控制指令ir，從而改變轉子側變換器輸出的轉子電壓的指令值，從而改變同步發電機的氣隙磁場，進而使定子輸出電壓發生改變，同步輸電線路影響同步發電機內電勢的幅值和相位，從而振蕩提供正阻尼，抑制同步發電機的振蕩。

更進一步地，在步驟(1)中，對電網電壓信號進行兩相旋轉坐標系變換後獲得電網電壓幅值的d軸分量和q軸分量

通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由於在大規模風力發電併網的情況下，當電網中出現同步機振蕩的時候，直接通過雙饋風力發電機鎖相環信號處理並反饋控制電網的電壓幅值與相位，相當於提供給同步機正的阻尼轉矩，從而抑制同步發電機振蕩，比傳統的抑制振蕩設備要快，並且由鎖相環測量得到的電網振蕩信號的帶寬更大，能夠同時抑制同步機的低頻振蕩和次同步振蕩等振蕩模式，同時相對於在同步發電機中加裝其餘的設備如pss穩定器等，從經濟性角度上能夠節約電網投資成本。

附圖說明

圖1是基於本發明實例提供的雙饋型風電機組抑制同步發電機振蕩的兩機結構示意圖；

圖2是本發明實例提供的鎖相環控制結構示意圖；

圖3是本發明實例提供的轉子側變流器電流環控制器輔助控制信號的一種信號處理結構示意圖；

圖4是轉子側變流器電流環控制器輔助控制信號控制轉子側變流器輸出電壓的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

本發明通過深入研究了鎖相環的影響，解析研究了雙饋風力發電機內電勢功角與同步發電機功角之間相互作用，發現在鎖相環弱阻尼且帶寬接近同步發電機振蕩頻率時，雙饋風力發電機會顯著參與到振蕩中，引起持續振蕩。基於此研究，本發明通過給雙饋風機轉子側變流器加入附加控制信號，從而控制發電機內電勢幅值相位來影響同步機內電勢的幅值相位，從而使同步發電機得振蕩得到抑制。

本發明提供了一種基於雙饋型風電機組抑制同步發電機振蕩的方法，通過鎖相環對併網側電壓的信號採集並進行park變換及後續的誤差放大和相位補償處理，得到可以表徵系統振蕩兩個擾動量，為轉子側變流器的電流控制環控制提供輔助控制信號，從而控制雙饋電機轉子側變流器輸出的內電勢幅值和相位，通過輸電線路進一步影響同步電機內電勢的幅值相位，進而實現了控制風機發電機對同步發電機提供正阻尼的作用。由振蕩理論知系統的正阻尼越大，系統振蕩就衰減得越快，系統阻尼不足可能會導致振蕩發散，為系統提供正阻尼可以有效的抑制系統振蕩程度。本發明可以在不改變原有的控制框架下，通過控制風機發電機為同步機提供正阻尼，從而抑制同步發電機的振蕩。從技術和經濟性考慮，本發明採用的是通過雙饋風力發電機現有的控制，利用鎖相環檢測處理的信號為轉子側變流器電流環控制的輔助控制信號，為同步發電機提供正阻尼，從而抑制同步發電機的振蕩。

本發明的核心內容是利用鎖相環檢測的端電壓信號進行處理形成兩個輔助控制信號，輔助控制雙饋風機轉子側變流器電流環來控制轉子電壓從而控制轉子變流器輸出的內電勢幅值和相位。由前所述鎖相環得到的信號d、q軸分量分別代表了電網電壓幅值和角速度的擾動分量，並經過第一、第二誤差放大器和第一、第二相位補償器後得到轉子側變流器的電流環控制器輔助控制信號，從而控制了轉子側輸出內電勢的幅值和相位。因此當同步機發生次同步振蕩的時候，鎖相環通過檢測電網電壓波動信號，形成幅值和角速度擾動分量，反饋給轉子側電流環控制器，控制轉子側變流器輸出的電壓幅值和相位，通過輸電線路進一步影響同步電機本身內電勢的幅值相位，使同步發電機的振蕩得到抑制。

基本原理是：當同步機發生振蕩時，通過輸電線路後系統電壓的幅值和相位也發生相應的擾動，利用鎖相環採集併網側電壓信號va、vb、vc，將其在鎖相環坐標系下進行park變換，得到q軸分量和d軸分量利用併網側電壓的q軸分量積分得到電網電壓相位的角速度變化值。經過第一誤差放大器和第一相位補償器後得到轉子側變流器的電流環控制的d軸電流指令附加補償信號。同理利用利用併網側電壓的d軸分量作為電網電壓的幅值擾動分量可得到轉子側變流器的電流環控制的q軸電流指令附加補償信號。附加到轉子變流器的電流控制信號中得到轉子d軸電流誤差信號和轉子q軸電流誤差信號，通過pi控制器環節得到轉子d軸電壓信號和轉子q軸電壓信號，形成轉子電壓矢量。進而控制雙饋電機轉子側變流器輸出的內電勢幅值和相位，通過輸電線路反過來影響同步電機內電勢的幅值相位，實現了控制風力發電機對同步發電機提供正阻尼的作用，從而可以抑制同步發電機的振蕩。

為了更進一步的說明本發明實施例提供的基於雙饋型風電機組抑制同步發電機振蕩的方法及系統，現結合附圖詳述如下：

如圖1所示，一種基於雙饋型風電機組抑制同步發電機振蕩的方法，其系統包括：同步發電機、同步機側電感xt、風力發電機、轉子側變流器、網側變流器、網側電感lg、電容c、鎖相環和信號處理器。同步發電機發生振蕩時，通過xt使併網點電壓也發生變化。風力發電機將風力資源轉化為電力傳輸到電網中，轉子側變流器控制發電機的轉子勵磁電壓，進而控制定子電壓，鎖相環通過採集電網電壓的幅值與相位的變化提供給轉子側變流器的控制器，控制雙饋風力發電機跟蹤電網的相位並輸出所需功率，而信號處理器為本發明方法的核心，將鎖相環採集的信號進過處理，可實現對電網電壓變化分量的提取，進而提供轉子側變流器電流環dq軸控制器的輔助控制信號，從而可通過對轉子側變流器的輔助控制信號控制雙饋風力發電機的輸出電壓，通過輸電線路進一步影響同步發電機內電勢的幅值和相位，為同步機振蕩提供正阻尼，對同步發電機的振蕩起到抑制作用。

如圖2所示，鎖相環包括：park變換器11、pi控制器12和積分器13。實現定子電壓定向。其輸入為三相相電壓，輸出為所跟蹤表徵定子端電壓矢量幅值和相位變化的d、q軸電壓分量。靜止三相坐標系與旋轉dq坐標系之間的變換關係如式(1)所示。其中θp為鎖相環旋轉dq坐標系的相位。

假設三相相電壓分別為

則通過式(1)可以得到旋轉dq坐標系下的分量分別為

當θp＝ωt+γ時，顯然有vsq＝0。則此時θp就等於端電壓矢量的相位，而相應的則代表了電壓幅值。於是，利用這個原理構造得到的鎖相環。如(2)所示，信號以跟蹤電網幅值為目標；信號以跟蹤電網相位為目標，通過pi控制器與與積分器可得到電壓的相位，並反饋給park變換器11，從而實現電網相位的跟蹤。為信號處理器所需要提取的兩個信號，分別代表了系統電壓的幅值和相位擾動，通過信號處理器得到電網電壓相應的波動分量用於轉子側變流器的電流環輔助控制。

本發明旨在解決現有雙饋風力發電機控制技術由於大規模風力發電併網情況下，由於系統阻尼變弱情況下可能引發的同步機振蕩的問題。本發明提出的基於雙饋風機的抑制同步發電機振蕩的方法最終目標是要通過鎖相環檢測系統發生振蕩的頻率信號，作為雙饋風力發電機轉子側電流控制的輔助控制信號，從而控制轉子側的輸出電壓，通過輸電線路進一步影響同步電機本身內電勢的幅值相位，增加同步發電機的阻尼進而抑制同步發電機的振蕩，為大規模風力發電併網的電力系統穩定提供一種可行的解決方案。

系統結構如圖1所示，主要由雙饋風力發電機鎖相環和檢測信號的信號處理器構成生成轉子側電流環控制器的輔助控制信號，控制轉子側變流器的輸出電壓。鎖相環1通過檢測電網電壓得到代表電網電壓幅值的波動，代表電壓相位的波動，經過信號處理器2得到轉子側與網側變流器的輔助控制信號irdcon/irqcon控制轉子側變流器的輸出電壓。

圖2所示為雙饋風力發電機典型的鎖相環控制器，其檢測電網電壓信號va、vb、vc後，將其在鎖相環坐標系下通過進行park變換，得到q軸分量和d軸分量鎖相環結構包括park變換器11，pi控制器12和積分器13，其中park變換器11用於將電網三相正弦波量向兩相旋轉坐標系變換，電壓q軸分量通過pi控制器12得到ωp，再通過積分器13得到電網電壓相θp。其中信號處理器2需要接收的信號是q軸分量和d軸分量分別代表了電壓幅值與相位的波動。

圖3所示為信號處理器2的具體結構，包含了高通濾波器23，第一誤差放大器21和第二誤差放大器24，以及第一相位補償器22和第二相位補償器25。將鎖相環1中所得到兩個擾動信號通過通濾波器23後得到電網電壓幅值的變化分量，為了使雙饋風力發電機的轉子側響應電網電壓的幅值和角速度波動的分量，因此需要設置的兩個參數不一樣的誤差放大器和兩個相位補償器，從而使電網電壓的幅值和角速度波動分量通過兩路誤差放大器和相位補償器後，分別得到轉子側變流器的電流環輔助控制信號irdcon和irqcon。

圖4所示為轉子側變流器的電流環控制器3，其中包括加法器31，pi調節器32，矢量調製器svm33，以及開關電路36。信號irdcon和irqcon為信號處理器2輸出的電流輔助控制信號，irdref和irqref為電流參考指令值，ird和irq為轉子電流的d、q軸分量。當電網正常運行時，由鎖相環檢測得到的電壓信號經過高通濾波器23時為零，並且採用定向，因此由式(2)分析可知所以irqcon和irdcon信號為零，此時電流環控制器相當於典型的電流環控制器，irdref與ird經過加法器31得到電流誤差值，經過pi調節器32得到轉子電壓d軸分量urd，irqref與irq經過加法器34得到電流誤差值，經過pi調節器35得到轉子電壓q軸分量urq，urd和urq經矢量調製器svm33得到轉子電壓控制信號控制開關電路36的開關序列；當電網電壓發生低頻振蕩的情況下，irqcon和irdcon檢測到電網的電壓幅值和角速度的波動成分，從而通過加法器31和34作用於電流環控制支路上，通過改變電流控制指令，從而改變轉子側變換器輸出的轉子電壓，從而控制轉子變流器輸出電流，進而使定子輸出電壓發生改變，通過輸電線路影響同步機本身內電勢的幅值和相位，抑制同步發電機振蕩。

一種基於雙饋型風電機組抑制同步發電機振蕩的方法，包括下述步驟：

第一步，首先鎖相環採集電網電壓信號，得到兩個表徵同步機振蕩的電網電壓擾動的d軸分量q軸分量

第二步，將通過信號處理器的高通濾波器得到電壓擾動分量，再分別將通過信號處理器的兩路誤差放大器與相位補償器，得到轉子側電流環控制器的輔助控制信號irqcon和irdcon；

第三步，通過信號處理器得到的輔助控制信號，與轉子側變流器的電流環dq軸控制迴路一起構成了閉環，控制雙饋風力發電機的轉子側輸出電壓，通過輸電線路進一步影響同步發電機本身的內電勢幅值和相位，為系統提供正阻尼，進而抑制同步發電機的振蕩。

本發明的優點在於，對大規模風力發電機併網情況下，克服了雙饋風力發電機對同步發電機阻尼影響不明確的局限性，對同步發電機振蕩具有比較好的抑制效果，從原理上來看簡單易懂，從實現與經濟上考慮，在不改變雙饋風力發電機現有控制策略的情況下，只需要通過添加輔助控制模塊產生相應的輔助控制信號，從而實現風機抑制同步機振蕩，相對於通過接入其他設備比如電力系統穩定器(pss)等用於抑制同步機振蕩，相比較而言本發明方法是具有很好的經濟性與可實現性。

本發明提出的基於雙饋風機的抑制同步發電機振蕩的方法，具有很好的經濟性與易操作性。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。