基於虛擬阻抗控制的雙饋風機次同步振蕩抑制方法與流程
2023-12-04 15:48:51 1
本發明屬於電力系統穩定與控制領域，尤其涉及一種基於虛擬阻抗控制的雙饋風機次同步振蕩抑制方法。
背景技術：
大型集群風電接入是中國電網的發展方向。由於風能具有地域性的特點，我國的風能資源與負荷中心整體又呈逆向分布，風電的大規模、高電壓、遠距離輸送必不可少。串聯電容補償是解決電力遠距離送出的經濟有效的措施之一，也是目前風電併網遠距離送出的主要措施。火電經由串聯補償輸送容易引發次同步諧振的問題，已經為人們所熟知；雙饋風電場經串聯補償輸電線路接入電網時也存在著次同步振蕩問題，如2009年在美國德克薩斯州ercot地區的雙饋風電機組發生了次同步振蕩事故。
附加阻尼控制是抑制次同步振蕩的有效手段之一，相比於其他控制方法，附加勵磁阻尼控制具有如下優點：(1)經濟性良好，附加勵磁阻尼控制屬於二次設備，成本遠低於可控串補(tcsc)和阻塞濾波器等一次設備；(2)安裝、維護、調試方便，pss可數位化、模塊化實現，佔地面積小，方便安裝、調試和維護。相反，tcsc、靜止無功補償器(svc)和阻塞濾波器等一次設備須接入高壓電網，不僅體積大、佔地廣，而且還涉及絕緣問題，安裝、調試和維護工作量大。
現有研究中，風電外送系統次同步振蕩抑制方法多基於經典的相位補償控制理論，設計安裝在雙饋風電機組控制器中的附加阻尼控制器，用於抑制次同步振蕩的阻尼控制器一般至少包含濾波環節，控制器增益環節和相位補償環節。但控制器結構相對較為複雜，其參數配置過於繁瑣，需要通過反覆時域仿真試驗來獲得，且缺乏清晰的物理概念。
技術實現要素：
發明目的：針對以上問題，本發明提出一種基於虛擬阻抗控制的雙饋風機次同步振蕩抑制方法，以抑制含串聯電容補償輸電線路的雙饋風電外送系統中的次同步振蕩，仿真實例表明，該方法能有效抑制次同步振蕩。
技術方案：為實現本發明的目的，本發明所採用的技術方案是：一種基於虛擬阻抗控制的雙饋風機次同步振蕩抑制方法，具體包括以下步驟：
(1)採集雙饋風機轉子電流的dq軸分量，採用帶通濾波器進行濾波處理，濾除低頻分量與基頻分量後得到次同步電流分量；
(2)將所得的轉子次同步電流分量經比例環節與微分環節生成轉子控制器附加信號；
(3)該附加信號在轉子迴路引入一個虛擬阻抗，起到增大次同步振蕩阻尼，抑制次同步振蕩的作用。
步驟(3)中虛擬阻抗的計算方法為：
(1)從轉子控制器結構出發，研究轉子電流和轉子控制器輸出電壓的關係，得到轉子側控制器的等效電阻，即虛擬電阻值；
(2)在得到虛擬電阻的基礎上，利用含虛擬阻抗控制器的雙饋風機轉子電流傳遞函數模型求解得到虛擬阻抗控制所需的虛擬電感值。
虛擬阻抗的具體計算步驟為：
轉子側控制器的輸出電壓方程為：
其中，ps_ref和qs_ref為風電機組有功功率、無功功率參考值；ps與qs為風電機組輸出有功功率、無功功率；ur為風電機組輸出電壓；kp1與ki1為功率控制器的比例、積分係數；kp3與ki3為電流控制器的比例、積分係數；idr與iqr為d、q軸的轉子電流參考值。
在定子電壓定向下，雙饋風機定子有功功率和無功功率的增量方程為：
其中，us為雙饋風機定子側電壓，lm為dq坐標系定轉子同軸等效繞組間的互感，ls為dq坐標系中轉子等效兩相繞組自感。
由以上兩式可得轉子電流增量和轉子側控制器輸出電壓增量的關係為：
δur＝-kp3(1+kp1uslm/ls)·δir
因此，轉子側控制器相當於一個等效的轉子電阻，虛擬電阻值即取所得等效阻抗的電阻值：
在得到虛擬電阻值的基礎上，利用引入虛擬阻抗之後的轉子電流閉環傳遞函數生成次同步電流與原始擾動電流量相位差：
其中，ir為轉子電流，可視為轉子側電流次同步電流的實時反饋量；ir_ref為轉子電流參考值，可視為轉子側次同步電流原始擾動電流量。
利用所得虛擬電阻值計算得出使得g(s)在次同步振蕩頻率相角為180度的虛擬電抗值。
有益效果：本發明提出的虛擬阻抗控制能有效地抑制風電場的次同步振蕩現象，該方法僅需加裝虛擬阻抗控制器，對風電外送系統的運行方式無需作出改變，控制成本較低。
附圖說明
圖1是本發明的測試系統等效電路圖；
圖2是雙饋風機轉子側控制器電流控制框圖；
圖3是含虛擬阻抗控制器的雙饋風機轉子側控制器控制框圖；
圖4是虛擬阻抗控制策略抑制次同步振蕩時域仿真圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的說明。
如圖1所示是本發明的測試系統等效電路圖，為含雙饋風電場和串聯電容補償的風電外送系統，雙饋風電場由數臺相同的1.5mw雙饋風機組成，每臺雙饋風機通過0.69/35kv場內變壓器t1連接在同一母線上併網發電，整個雙饋風電場採用單機等效模型進行模擬。整個雙饋風電場再經過35/220kv變壓器t2連接到220kv線路，最後經過220/500kv升壓變壓器t3連接到500kv線路進行遠距離輸電，並在500kv線路中安裝串聯電容xc進行補償，該串聯電容xc對500kv線路的串補度為30％。rl1、xl1為220kv線路電阻和電抗，rl2、xl2為500kv線路電阻和電抗。
本發明所述的基於虛擬阻抗控制的雙饋風機次同步振蕩抑制方法，具體步驟如下：
(1)採集雙饋風機轉子電流的dq軸分量，採用帶通濾波器進行濾波處理，濾除低頻分量與基頻分量後得到次同步電流分量；
(2)將所得的轉子次同步電流分量經比例環節與微分環節生成轉子控制器附加信號；
(3)該附加信號在轉子迴路引入一個虛擬阻抗，進而起到增大次同步振蕩阻尼，抑制次同步振蕩的作用。
雙饋風電外送系統的等效電路圖如圖1所示，由此計算虛擬阻抗控制中需引入的虛擬電阻；雙饋風機轉子側控制器電流控制框圖如圖2所示，建立傳遞函數模型，進而計算所需引入的虛擬電抗。含虛擬阻抗控制器的雙饋風機轉子側控制器控制框圖如圖3所示。
虛擬阻抗控制器的參數配置方法具體為：
(1)從轉子控制器結構出發，研究轉子電流和轉子控制器輸出電壓的關係，得到轉子側控制器的等效電阻，即虛擬阻抗控制器引入的虛擬電阻值。
在將虛擬阻抗引入雙饋風機之前，需對虛擬電阻值進行配置，其配置方法為：
轉子側控制器的多個參數對風電場次同步振蕩都有影響。轉子側控制器的輸出電壓方程可以表示為：
其中，ps_ref和qs_ref分別為風電機組有功功率、無功功率參考值；ps與qs為風電機組輸出有功功率、無功功率，ur為風電機組輸出電壓；kp1與ki1分別為功率控制器的比例、積分係數；kp3與ki3分別為電流控制器的比例、積分係數；idr與iqr分別為d、q軸的轉子電流參考值。
在定子電壓定向下，雙饋風機定子有功功率和無功功率的增量方程為：
其中，us為雙饋風機定子側電壓，lm為dq坐標系定轉子同軸等效繞組間的互感，ls為dq坐標系中轉子等效兩相繞組自感。
由以上兩式可得轉子電流增量和轉子側控制器輸出電壓增量的關係為：
δur＝-kp3(1+kp1uslm/ls)·δir
可以發現，當轉子電流存在一個擾動電流δir時，該擾動電流將導致轉子側控制器的輸出電壓變化。因此，可以認為轉子側控制器相當於一個等效的轉子電阻，該等效電阻可以表示為：
虛擬電阻值即取所得等效阻抗中的電阻值rrsc。
(2)在得到虛擬電阻的基礎上，利用含虛擬阻抗控制器的雙饋風機轉子電流傳遞函數模型求解得到虛擬阻抗控制所需的虛擬電感值。
在得到虛擬電阻值的基礎上，利用轉子電流傳遞函數對虛擬電抗值進行配置，其配置方法為：
當雙饋風機定子電流存在次同步頻率的諧振分量時，轉子側控制器採集的瞬時功率和瞬時轉子電流ir都會發生變化，經過轉子側控制器的控制後，其輸出轉子電壓ur也將發生變化，又反作用於ir，同時感應定子電流變化，產生新的次同步電流。新的次同步電流與原始擾動電流量疊加，若兩者相位差大於90度，則原始擾動電流被消減，該頻率下的次同步電流由於形成負反饋而逐漸減小，進而達到抑制次同步振蕩的目的。為使得次同步電流消減速度最大，可通過虛擬電感來使得新的次同步電流與原始擾動電流量相位差為180度。
風電外送系統受轉子側控制器電流內環控制參數的影響較大，故利用引入虛擬阻抗之後的轉子電流閉環傳遞函數來研究新生成次同步電流與原始擾動電流量相位差：
其中，ir為轉子電流，可視為轉子側電流次同步電流的實時反饋量；ir_ref為轉子電流參考值，可視為轉子側次同步電流原始擾動電流量。
利用步驟(1)中所得虛擬電阻值計算得出使得g(s)在次同步振蕩頻率相角為180度的虛擬電抗值。
在matlab/simulink中建立圖1的暫態仿真模型，虛擬阻抗控制器引入的虛擬電阻值為0.8pu，虛擬電感值為1.2pu。採用本發明的次同步振蕩抑制效果驗證如下：設定系統初始暫態為風速9m/s、串補度30％，在11s時投入串補電容，投入電容後，可以檢測出系統發生了次同步振蕩。此時分別採用虛擬電阻控制與本發明提出的虛擬阻抗控制控制來抑制次同步振蕩，時域仿真結果圖如圖4所示。由圖可知，加裝了虛擬阻抗控制的風電外送系統在12s之後無次同步振蕩現象，採用本發明提出的虛擬阻抗控制能有效地抑制風電場的次同步振蕩現象，該方法僅需加裝虛擬阻抗控制器，對風電外送系統的運行方式無需作出改變，控制成本較低。