直驱风电机组低频振荡抑制方法

技术领域

本发明属于电力输送技术领域，尤其涉及一种直驱风电机组低频振荡抑制方法。

背景技术

由于风力发电大规模接入电网，电力系统呈现高比例新能源发电与高比例电子化设备的特征，即“双高”电力系统，其运行安全面临诸多新问题。2012年以来，我国发生多起与串补相互作用引发的次同步谐振现象，频率约为3-8Hz。2015年7月以来，我国风电场也曾发生多起次同步振荡事故，严重时曾引发300km以外的火电机组跳闸振荡跳闸脱网，频率在20-80Hz。风电场带来的振荡问题已经成为危害电力系统安全稳定运行，制约风电快速发展的隐患之一。因此，对风电机组的振荡抑制问题亟待解决。

相位补偿法最早应用于PSS参数整定，是一种基于励磁控制的方法作为电厂抑制低频振荡措施，以发电机的转速偏差作为输入信号，将其进行将其进行适当的相移和放大，并将其输出为励磁电压调节器的附加控制信号，从而使发电机的电磁转矩中产生一个阻尼低频振荡的电气阻尼转矩增量，达到抑制低频振荡的目的。随着新能源大范围接入电力系统，上述分析方法面临着适应性较差等问题。

在现有技术中，研究多集中于双馈风电机组，而对于直驱风电机组，相关的研究还较为稀缺。有学者提出在无功控制环上设置超前环节的补偿信号，提高直驱风电机组的稳定性。然而，该研究仅聚焦于直流电压环失稳，缺乏对于锁相环模式稳定性的分析，即该研究设计的抑制策略无法解决由锁相环失稳引发的低频振荡现象。因此，针对抑制直流电压环主导或锁相环主导的低频振荡问题仍需要进一步的改进。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明种直驱风电机组低频振荡抑制方法。其目的是为了实现对直流电压环主导或锁相环主导的低频振荡均能起到良好的抑制作用的发明目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

直驱风电机组低频振荡抑制方法，包括以下步骤：

步骤1.构建直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，包括直驱风电机组和电网两部分；

步骤2.利用直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，对其进行线性化处理后，构造成单输入-单输出的模型结构，建立适用于分析直驱风电机组的直流电压环模式以及锁相环模式的电流源型阻尼转矩模型；

步骤3.由阻尼转矩模型可知，直流电压环和锁相环的阻尼传递回路中均包含端电压的传递函数，调整端电压的传递函数的幅值和相角，补偿阻尼回路相位的数值并增大其幅值，以增强系统稳定性；

步骤4.在阻尼传递回路和控制系统中，设置直驱风电机组初始运行工况；

步骤5.在初始运行工况参数基础上，摄动运行状态参数，评估振荡抑制策略的有效性。

更进一步的，所述直驱风电机组由风力机通过线路与永磁同步发电机的输入端相连接，永磁同步发电机的输出端通过线路依次与机侧变流器和网侧变流器相连接，网侧变流器的输出端通过输电线路与电网相连接。

更进一步的，所述直流电压环模式的阻尼转矩模型，输入量为直驱风电机组直流电容的电压增量ΔU

所述锁相环模式的阻尼转矩模型，阻尼系数为D

更进一步的，所述端电压的传递函数为G

式中，I

更进一步的，所述在阻尼传递回路和控制系统中，设置直驱风电机组初始运行工况，包括：初始输出功率为0.75MW；设置直驱风电机组初始控制参数，电压外环(2，100)，锁相环控制参数(25,2000)，交流电压控制参数(2.5,100)。

更进一步的，所述摄动运行状态参数，包括：摄动电网侧强度、运行工况和控制参数运行状态参数。

更进一步的，所述直驱风电机组建模，容量为1.5MW直驱风电机组；

直驱风电机组包括：风力机、永磁同步发电机、四象限变流器、滤波电路；

将直驱风电机组的风力机、永磁同步发电机，机侧变流器等效为受控电流源，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制，通过给定直流侧电压U

式中：L

锁相环及其控制器建模：当锁相环实现精准锁相时，d轴与端电压矢量Ut方向一致，此时U

式中：k

电网建模：直驱风电机组等效为受控电流源，经过交流电感L

式中：X

变流器的端电压和变流器输出电流的d-q轴分量U

一种直驱风电机组低频振荡抑制装置，包括：

构建模块，用于构建直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，包括直驱风电机组和电网两部分；

建模模块，用于利用直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，对其进行线性化处理后，构造成单输入-单输出的模型结构，建立适用于分析直驱风电机组的直流电压环模式以及锁相环模式的电流源型阻尼转矩模型；

调整模块，用于调整端电压的传递函数的幅值和相角，补偿阻尼回路相位的数值并增大其幅值，以增强系统稳定性；

初始化模块，用于在阻尼传递回路和控制系统中，设置直驱风电机组初始运行工况；

结果显示模块，用于在初始运行工况参数的基础上，摄动运行状态参数，有效评估振荡抑制策略的有效性。

一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任一所述的直驱风电机组低频振荡抑制方法的步骤。

一种计算机存储介质，其特征是：所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一所述的直驱风电机组低频振荡抑制方法的步骤。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明通过建立面向低频振荡分析的阻尼转矩模型，通过对直流电压环、锁相环阻尼转矩模型的分析，在其阻尼回路中共同包含的端电压控制环节中引入附加控制器，通过相位补偿法调整阻尼传递回路的相位和幅值，对直流电压环主导或锁相环主导的低频振荡均能起到良好的抑制作用。

本发明通过在端电压控制环路中引入θ

本发明清楚定量阐述风电机组振荡抑制机理，有效地解决了以往研究方法无法抑制锁相环失稳引发的低频振荡的问题，具有科学合理，适用性好，机理清晰等优点。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明含直驱风电机组的电力系统结构示意图；

图2是本发明直驱风电机组网侧变流器控制框图；

图3是本发明交流电网拓扑结构示意图；

图4是本发明锁相环工作原理图；

图5是本发明直流电压环电流源型阻尼转矩模型图；

图6是本发明锁相环电流源型阻尼转矩模型图；

图7是本发明直驱风电机组端电压控制环路的线性化框图；

图8是本发明实施例中，直流电压环模式下，风电机组接入交流系统后，改变电网强度下，低频振荡抑制的输出功率曲线示意图；

图9是本发明实施例中，直流电压环模式下，风电机组接入交流系统后，改变运行工况下，低频振荡抑制的输出功率曲线示意图；

图10是本发明实施例中，直流电压环模式下，风电机组接入交流系统后，改变直流电压环的控制参数下，低频振荡抑制的输出功率曲线示意图；

图11是本发明实施例中，锁相环的模式下，风电机组接入交流系统后，改变电网强度下，低频振荡抑制的输出功率曲线示意图；

图12是本发明实施例中，锁相环的模式下，风电机组接入交流系统后，改变运行工况下，低频振荡抑制的输出功率曲线示意图；

图13是本发明实施例中，锁相环的模式下，风电机组接入交流系统后，改变锁相环参数下，低频振荡抑制的输出功率曲线示意图；

图中：风力机1，永磁同步发电机2，机侧变流器3，网侧变流器4，输电线路5，电网6。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1-图13描述本发明一些实施例的技术方案。

实施例1

本发明提供了一个实施例，是一种直驱风电机组低频振荡抑制方法。下面参照图1至图7，详细介绍本发明一种直驱风电机组低频振荡抑制方法，具体包括以下步骤：

S1.构建直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，仿真模型由直驱风电机组和电网两部分构成。

如图1所示，图1是本发明含直驱风电机组的电力系统结构示意图。所述直驱风电机组由风力机1通过线路与永磁同步发电机2的输入端相连接，永磁同步发电机2的输出端通过线路依次与机侧变流器3和网侧变流器4相连接，网侧变流器4的输出端通过输电线路5与电网6相连接。

S2.利用步骤S1构建的直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，对其进行线性化处理后，构造成单输入-单输出的模型结构，主要针对直驱风电机组的直流电压环振荡模式和锁相环振荡模式，建立适用于分析直流电压环模式以及锁相环模式的电流源型阻尼转矩模型。

对于直流电压环模式的阻尼转矩模型，输入量为直驱风电机组直流电容的电压增量ΔU

S3.由步骤S2中建立的阻尼转矩模型可知，无论是在直流电压环还是在锁相环的阻尼传递回路中都包含端电压的传递函数G

式中，I

S4.在步骤S3中阻尼传递回路和控制系统中，设置直驱风电机组初始运行工况，初始输出功率为0.75MW；设置直驱风电机组初始控制参数，电压外环(2，100)，锁相环控制参数(25,2000)，交流电压控制参数(2.5,100)。

S5.在步骤S4中初始运行工况参数的基础上，摄动电网侧强度、运行工况和控制参数运行状态参数后，有效评估振荡抑制策略的有效性。

参照图8-图13，对于本发明的风电机组接入交流系统结构而言，采用低频振荡抑制方法后，在低频频段下，针对于直流电压环模式的低频振荡下，低频振荡抑制策略可起到良好的稳定作用，针对于锁相环模式的低频振荡下，低频振荡抑制策略也可起到良好的稳定作用。

本实施例验证了直驱风电机组低频振荡抑制方法的有效性与可行性。

实施例2

本发明又提供了一个实施例，是一种直驱风电机组低频振荡抑制方法。本发明所述构建直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，仿真模型由直驱风电机组和电网两部分构成。所述直驱风电机组建模，如图2所示，图2是本发明直驱风电机组网侧变流器控制框图。容量为1.5MW直驱风电机组，直驱风电机组包括：风力机、永磁同步发电机、四象限变流器、滤波电路。

将直驱风电机组的风力机、永磁同步发电机，机侧变流器等效为受控电流源，网侧变流器采用电网电压定向矢量控制，通过给定直流侧电压U

式中：L

锁相环及其控制器建模：当锁相环实现精准锁相时，d轴与端电压矢量Ut方向一致，此时U

式中：k

电网建模：直驱风电机组等效为受控电流源，经过交流电感L

式中：X

变流器的端电压和变流器输出电流的d-q轴分量U

实施例3

本发明又提供了一个实施例，是一种直驱风电机组低频振荡抑制装置，包括：

构建模块，用于构建直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，包括直驱风电机组和电网两部分；

建模模块，用于利用直驱风电机组接入交流系统的仿真模型，对其进行线性化处理后，构造成单输入-单输出的模型结构，建立适用于分析直驱风电机组的直流电压环模式以及锁相环模式的电流源型阻尼转矩模型；

调整模块，用于调整端电压的传递函数的幅值和相角，补偿阻尼回路相位的数值并增大其幅值，以增强系统稳定性；

初始化模块，用于在阻尼传递回路和控制系统中，设置直驱风电机组初始运行工况；

结果显示模块，用于在初始运行工况参数的基础上，摄动运行状态参数，有效评估振荡抑制策略的有效性。

实施例4

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储介质、处理器及存储在存储介质上并可在处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1-3所述的任意一种直驱风电机组低频振荡抑制方法的步骤。

实施例5

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1-3所述的任意一种直驱风电机组低频振荡抑制方法的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。