一种风电经柔直并网系统控制器参数优化设计方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定运行振荡抑制领域，具体为一种风电经柔直并网系统控制器参数优化设计方法。

背景技术

21世纪以来，风电作为新能源快速发展。海上风电场采用直流送出相比于交流送出具有更好的技术优势。其中基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的柔性直流输电技术(MMC-HVDC)具有谐波含量低、开关损耗小等优势，直驱风电场经MMC-HVDC并网是未来的发展趋势之一。

直驱风电场经MMC-HVDC并网会产生次同步振荡问题。由于MMC换流站和风机网侧变流器构成了电力电子化的输电系统，其之间交互耦合作用很有可能激发次同步振荡，严重威胁系统安全。

目前，风电并网系统次同步振荡抑制策略主要为优化系统已有控制器的参数。现有的风机换流器控制器参数设计方案，不能满足风电场不同的输出功率下风机并网后系统小干扰稳定的要求。另一方面，目前抑制风电场次同步振荡中控制参数优化的研究主要针对的是风电场经串补并网系统或风电场联接弱交流电网系统，风电场经柔直并网系统控制其参数优化研究相对较少。

因而本专利提出一种用于直驱风电与柔直互联系统控制器参数优化设计方法,在确保互联系统稳定运行的的前提下，针对直驱风机变换器和柔直换流器控制参数进行优化，提高系统的小干扰稳定裕度。

发明内容

本发明目的是提高直驱风电场和柔直互联系统的稳定裕度，进而避免和抑制风电场经柔直并网时发生的次同步振荡，提高系统稳定性。

本文提出的参数优化方案，其技术方案包括以下步骤：

步骤1，建立直驱风电经柔直并网的全系统状态空间小干扰动态模型；步骤2，进行风电场额定有功功率输出情况下互联系统控制器参数优化；步骤3，进行大于风电场有功功率输出情况下互联系统控制器参数微调；步骤4，检验风电场有功功率范围内全系统的稳定性。

进一步，所述步骤1的具体过程为：

步骤1.1，建立直驱风电经柔直并网的全系统状态空间小干扰动态模型，提取状态矩阵A；

步骤1.2，根据风机SPWM和柔直NLC控制器性能要求，确定风机和柔直控制器参数的可行域；

步骤1.3，在风机和柔直各控制器参数可行域内生成一组控制器参数；

步骤1.4，设置最大迭代次数T

进一步，所述步骤2的具体过程为：

步骤2.1，在风电场额定有功功率输出情况下，计算状态矩阵A的特征根，计算每个特征根的小干扰稳定裕度Y

步骤2.2，计算第k个状态变量x

步骤2.3，对按照小干扰稳定裕度降序排列的特征根，分别计算相应子系统参数k对特征根λi的灵敏度，按照灵敏度模值从大小排列，依次调整相应控制器参数；

步骤2.4，若特征根灵敏度为正，按照步长s＝-0.01调整该参数，若特征根灵敏度为负，按照步长s＝0.01调整该参数，若一次调整完使得全系统稳定裕度

步骤2.5，依次对排序好的特征根进行参数调整，使得调整完后所有特征根实部全部小于0，步骤2结束。

进一步，所述步骤3的具体过程为：

步骤3.1，从风电场输出额定有功有功开始，每增加10MW输出有功功率，依次对上一个控制器参数优化完的参数进行微调优化，直至有功功率增加到系统所能承受的有功上限；

步骤3.2，在每增加10MW的输出有功功率后，计算此时系统状态矩阵A，所存在特征根的实部大于0的情况，在此输出有功功率运况下，对所有实部大于0的特征根按照特征根小干扰稳定裕度从大到小排列，进入步骤3.3，若所有的特征根实部皆小于0，则再次增加10MW输出功率进行同样3.2的步骤；

步骤3.3，计算第k个状态变量x

步骤3.4，对按照小干扰稳定裕度降序排列的特征根，分别计算相应子系统参数k对特征根λi的灵敏度，按照灵敏度模值从大小排列，依次调整相应控制器参数；

步骤3.5，若特征根灵敏度为正，按照步长s＝-0.01调整该参数，若特征根灵敏度为负，按照步长s＝0.01调整该参数，若一次调整完使得全系统稳定裕度

步骤2.5，依次对增加有功功率输出系统的特征根进行参数调整，使得调整完后所有特征根实部全部小于0，步骤3结束。

进一步，所述步骤4的具体过程为：

步骤4.1，按照每增加10MW的输出有功功率，校验是否所有输出有功功率运行情况下下系统的特征根实部均小于特征根实部稳定阈值C

步骤4.2，若某输出有功功率运况下，存在某特征根实部大于特征根实部稳定阈值C

步骤4.3，若T小于T

本发明的有益效果是：

以往对于风电并网系统提高稳定性方法都是基于风电连接弱交流系统的，本发明提出了一种风电经柔性直流输电并网的控制器控制参数优化方法，用来抑制互联系统的振荡。本发明方法以增大系统小干扰稳定裕度为优化目标，以特征根与状态变量的相关因子大小为系统控制器参数选择依据，以特征根与控制器参数的灵敏度为排序准则，以特征根实部稳定阈值C

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：

图1是互联系统控制器参数优化流程图；

图2是直驱风机经柔直并网系统结构图；

图3是风机子系统换流器控制系统；

图4是柔直子系统换流器控制系统；(a)柔直主控制器；(b)柔直环流抑制器；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为风电与柔直互联系统控制器参数优化流程图，首先建立直驱风电经柔直并网的全系统状态空间小干扰动态模型，接着进行风电场额定有功功率输出情况下互联系统控制器参数优化，然后进行大于风电场有功功率输出情况下互联系统控制器参数微调，最后检验风电场有功功率范围内全系统的稳定性，输出优化完的控制器参数。

步骤1：建立直驱风电经柔直并网的全系统状态空间小干扰动态模型，做好前期准备工作。

首先根据图2所示的直驱风机经柔直并网系统结构图，基于式(1)，建立全系统的小干扰动态模型。提取状态矩阵A为计算所需要的矩阵。

式中，x为系统状态变量，u为系统输入变量。

风机采用SPWM调制，柔直系统采用NLC调制，根据其控制器性能要求，确定风机和柔直控制器参数的可行域，如式(2)

式中，K

在风机和柔直各控制器参数可行域内生成一组控制器参数，且设置最大迭代次数Tmax。

步骤2：对风电场额定有功功率输出情况下互联系统控制器参数进行优化。

在风电场额定有功功率输出情况下，计算状态矩阵A的特征根，基于式(3)计算每个特征根的小干扰稳定裕度。分别为

Y

式中，λ

对所有特征根按照小干扰稳定裕度Yi从大到小排列。

接着根据式(4)计算第k个状态变量x

其中，v

参与因子p

对按照小干扰稳定裕度降序排列的特征根，分别基于式(5)计算相应子系统参数k对特征根λi的灵敏度。

式中，参数a为状态矩阵A中的元素，其绝对值大小表示参数变化对系统稳定性影响的程度。

按照灵敏度模值从大小排列，依次调整相应控制器参数。若特征根灵敏度为正，按照步长s＝-0.01调整该参数，若特征根灵敏度为负，按照步长s＝0.01调整该参数。

定义系统稳定裕度为：

若一次调整完使得全系统稳定裕度增大，则增加步长继续调整，直到系统稳定裕度不增加为止。依次对排序好的特征根进行参数调整，使得调整完后所有特征根实部全部小于0。

步骤3，对大于风电场有功功率输出情况下互联系统控制器参数进行微调。

从风电场输出额定有功有功开始，每增加10MW输出有功功率，依次对上一个控制器参数优化完的参数进行微调优化，直至有功功率增加到系统所能承受的有功上限。在每增加10MW的输出有功功率后，计算此时系统状态矩阵A，若所有的特征根实部皆小于0，则再次增加10MW输出功率再计算状态矩阵A。若存在特征根的实部大于0的情况，在此输出有功功率运况下，对所有实部大于0的特征根按照特征根小干扰稳定裕度从大到小排列。

根据式(3)计算第k个状态变量x

对按照小干扰稳定裕度降序排列的特征根，分别基于式(4)计算相应子系统参数k对特征根λi的灵敏度，按照灵敏度模值从大小排列，依次调整相应控制器参数。若特征根灵敏度为正，按照步长s＝-0.01调整该参数，若特征根灵敏度为负，按照步长s＝0.01调整该参数。若一次调整完使得全系统稳定裕度增大，则增加步长继续调整，直到系统稳定裕度不增加为止。依次对排序好的特征根进行参数调整，使得调整完后所有特征根实部全部小于0。

步骤4，检验风电场有功功率范围内全系统的稳定性。

按照每增加10MW的输出有功功率，校验是否所有输出有功功率运行情况下下系统的特征根均满足式(7).

R

式中，C

若满足式(7)，输出优化完后的各个控制器参数。若某输出有功功率运况下，存在某特征根不满足的情况，迭代次数T+1。若T小于T

优选实施例

建立直驱风电场经柔直并网系统的状态空间小干扰模型，提取状态矩阵A，总共28阶。设置各个参数的上下限和最大迭代次数10。

在风电场额定输出功率900MW的情况下，计算状态矩阵A的特征根，对特征根按照特征根小干扰稳定裕度排序，依次进行优化。排在第一的即最容易发生失稳的模态是λ

对大于风电场额定输出功率900MW控制器参数进行微调，每增加10MW输出功率，计算此时状态矩阵A的特征根。910WM时，计算出的特征根实部均小于0，则计算920MW时的状态矩阵特征根。在920WM，发现有一个特征根大于0，对其计算相关因子，数值最大的,0.454所对应的状态变量为△udc1，此状态变量属于风电子系统，则对风电子系统的控制器参数进行优化，计算风电控制器参数k

检验所有输出功率情况下的特征根实部均小于特征根实部稳定阈值C

综上所述，本发明的一种风电经柔直并网系统控制器参数优化设计方法，首先建立系统状态空间小干扰动态模型，接着进行风电场额定有功功率输出情况下互联系统控制器参数优化，然后进行大于风电场有功功率输出情况下互联系统控制器参数微调，最后检验风电场有功功率范围内全系统的稳定性，输出优化完的控制器参数。该项研究为风电场经柔直系统并网此应用背景下的控制其参数优化提供新思路，也为进一步探索耦合程序较高的参数优化研究等奠定了基础。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。