基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法，包括步骤1：建立基于双馈风电机组连接至无穷大电网系统的小信号模型；步骤2：通过对小信号模型进行特征值分析，获得特征值的分布情况；步骤3：以固定的步长，从小到大依次改变某一PI控制器的PI参数，保持其余PI控制器的PI参数不变，得到次同步振荡模态所对应阻尼比的变化情况；步骤4：选取最佳的转子侧变流器PI参数和网侧变流器PI参数范围。本发明专利技术通过分别控制转子侧变流器PI参数和网侧变流器PI参数抑制次同步振荡，增大了次同步振荡模态的阻尼比，起到减弱轴系振荡的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风力发电
，具体地，涉及一种基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法。
技术介绍
自从1970年和1971年，美国Mohave电站先后发生两次次同步谐振事故而引起发电机组大轴严重损坏,有关科技工程界以及次同步谐振工作组就对次同步振荡问题进行了大量的研究。次同步振荡是指电力系统中电气系统和风力发电机组以低于系统同步频率的某个或多个振荡频率交换显著的能量的不正常运行状态并危及轴系安全的动态过程。次同步振荡属于系统的振荡失稳，严重时可直接导致风力发电机转子轴系的严重破坏，造成重大事故，危及电力系统的安全运行。交流线路串联电容补偿引起的次同步振荡的抑制措施大致分为四类：阻尼和滤波，继电保护及监测保护，系统开关操作和机组切除，发电机组和系统的改造。直流输电引起的次同步振荡问题只需在直流输电控制器中做些改变。如对于由直流输电辅助控制引起的问题,只要在辅助控制器中加入陷波滤波器,将输入信号中不稳定的扭振频率分量滤除,就可消除辅助控制器带来的不稳定影响。此外,还可采用与附加励磁系统阻尼控制相似的对策,即利用次同步阻尼控制器。以发电机转速偏差为输入信号，对之作适当的处理如放大和相位补偿,产生一个控制信号，作为直流输电控制系统的附加控制信号,最终使发电机的电磁力矩中产生一个阻尼次同步振荡的电气阻尼力矩增量，达到抑制的目的。近些年来，对次同步振荡问题的研究更加深入，并已有多个工程实践。串联型FACTS装置是将FACTS直接串联接入电力线路中，通过控制改变串入线路容抗或容性电压来抑制次同步振荡。附加励磁阻尼控制器通过在输出中加入励磁电压，产生附加阻尼转矩来缓解次同步振荡。次同步振荡抑制装置抑制次同步振荡的能力与自身控制器和控制策略有很大的关系。如果控制器设计不当，不仅起不到抑制次同步振荡的作用，有时反而会激发发电机组的轴系扭振；而一个好的控制器，在起到抑制作用的同时，还可以减少投入设备的容量和成本。因此，研究次同步振荡的抑制方法是十分必要的。通过控制双馈型风力发电机组变流器的PI能有效抑制次同步振荡。在不同输出功率下，可通过优化变流器控制参数，达到抑制机网次同步振荡的目的。这意味着不用增加额外装置，也不用损失系统部分功率，仅通过控制参数优化，即可达到目的。可将这一整套优化参数运用于实际风电场当中，也可根据风电场实际参数进行适当调整，这对解决实际问题有着积极的指导意义。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法。根据本专利技术提供的基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法，包括如下步骤：步骤1：建立基于双馈风电机组连接至无穷大电网系统的小信号模型；步骤2：通过对小信号模型进行特征值分析，获得特征值的分布情况；步骤3：以固定的步长，从小到大依次改变某一PI控制器的PI参数，保持其余PI控制器的PI参数不变，得到次同步振荡模态所对应阻尼比的变化情况；步骤4：选取最佳的转子侧变流器PI参数和网侧变流器PI参数范围。 优选地，所述小信号模型包括：轴系模块、感应电机模块、转子侧控制器、变流器直流侧模块、网侧控制器模块、变流器出口电感和变压器模块、并联补偿电容模块以及输电线路模块，其中转子侧控制器采用基于定子磁链定向的矢量控制，控制DFIG的有功功率和机端电压。优选地，所述轴系模块以风机桨叶转矩ΔTω和发电机电磁转矩ΔTe作为输入变量，以高速轴角速度，即发电机角速度Δωr为输出变量，状态方程如公式(1)所示：其中，ΔXM＝[Δθ1 Δθ2 Δθ3 Δω1 Δω2 Δω3]T；ΔYM＝[Δθ3 Δω3]T，ΔuM＝[ΔTw ΔTe]T；式中：表示ΔXM对时间的倒数，AM、BM、CM和DM表示轴系模块的控制系 统参数矩阵，ΔXM表示轴系模块的状态变量，ΔuM表示轴系模块的控制变量，ΔYM表示轴系模块的输出变量，Δθ1、Δθ2、Δθ3分别表示轴系模块三个质量块的机械旋转角微增量，Δω1、Δω2、Δω3分别表示三个质量块的角速度微增量；所述感应发电机模块以发电机角速度Δωr、定子电压ΔUs和转子电压ΔUr作为输入变量，以发电机电磁转矩ΔTe、定子输出电流ΔIs和转子输出电流ΔIr为输出变量，状态方程如式(2)所示：其中，ΔXG＝[Δe′q Δe′d]T；ΔYG＝[Δiqs Δids ΔTe]T；ΔuG＝[Δuqs Δuds Δuqr Δudr Δωr]T；式中：表示ΔXG对时间的导数，AG、BG、CG、DG表示感应发电机模块的控制系统参数矩阵，ΔXG表示感应发电机模块的状态变量，ΔuG表示感应发电机模块的控制变量，ΔYG表示感应发电机模块的输出变量，Δe′q表示暂态电动势交轴分量，Δe′d表示暂态电动势直轴分量，Δiqs表示定子输出电流交轴分量，Δids表示定制输出电流直轴分量，ΔTe表示电磁转矩，Δuqs表示定子电压交轴分量，Δuds表示定子电压直轴分量，Δuqr表示转子电压交轴分量，Δudr表示转子电压直轴分量，T0′表示暂态时间常数，X′表示暂态电抗，Xrr表示转子和励磁绕组电抗之和，Z′表示暂态阻抗，Xm表示励磁绕组电抗，sr0表示转差率初值，ωb表示系统基准频率，ωs表示转差频率，Rs表示定子电阻，e′d0表示暂态电动势初值直轴分量，e′q0表示暂态电动势初值交轴分量，uqs0表示转子电压初值交轴分量，uds0表示转子电压初值直轴分量；所述变流器直流侧模块以转子电压ΔUr、转子输出电流ΔIr、网侧变流器电压ΔUg和网侧变流器输出电流ΔIg为输入变量，以电容两端直流电压ΔVDC为输出变量，状态方程如公式(3)所示：其中，ΔXDC＝ΔYDC＝[ΔVDC]T；ΔuDC＝[Δuqg,Δudg,Δiqg,Δidg,Δuqr,Δudr,Δiqr,Δidr]T；ADC＝01×1，BDC＝[iqg,idg,uqg,udg,-iqr,-idr,-uqr,-udr]；CDC＝I1×1，DDC＝01×8；式中：表示ΔXDC对时间的导数，ADC、BDC、CDC、DDC表示变流器直流侧模块控制参数矩阵，ΔXDC表示变流器直流侧模块状态变量，ΔuDC表示变流器直流侧模块控制变量，ΔYDC表示变流器直流侧模块输出变量，ΔVDC表示电容两端直流电压，[·]T表示转置运算，Δuqg表示网侧变流器电压交轴分量，Δudg表示网侧变流器电压直轴分量，Δiqg表示网侧变流器输出电流交轴分量，Δidg表示网侧变流器输出电流直轴分量，Δuqr表示转子电压交轴分量，Δudr表示转子电压直轴分量，Δiqr表示转子输出电流交轴分量， Δidr表示转子输出电流直轴分量，01×1表示0，iqg表示网侧变流器输出电流交轴分量，idg表示网侧变流器输出电流直轴分量，uqg表示网侧变流器电压交轴分量，udg表示网侧变流器电压直轴分量，iqr表示转子输出电流交轴分量，idr表示转子输出电流直轴分量，uqr表示转子电压交轴分量，udr表示转子电压直轴分量，I1×1表示1，01×8表示1乘8的零矩阵；所述网侧控制器模块以直流电压ΔVDC、直流电压参考值ΔVDC_ref、网侧变流器输出电流参考值Δiqg_ref和网侧变流器输出电流ΔIg为输入变量，以网侧变流器电压ΔUg为输出变量，下标GS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立基于双馈风电机组连接至无穷大电网系统的小信号模型；步骤2：通过对小信号模型进行特征值分析，获得特征值的分布情况；步骤3：以固定的步长，从小到大依次改变某一PI控制器的PI参数，保持其余PI控制器的PI参数不变，得到次同步振荡模态所对应阻尼比的变化情况；步骤4：选取最佳的转子侧变流器PI参数和网侧变流器PI参数范围。

【技术特征摘要】
1.一种基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立基于双馈风电机组连接至无穷大电网系统的小信号模型；步骤2：通过对小信号模型进行特征值分析，获得特征值的分布情况；步骤3：以固定的步长，从小到大依次改变某一PI控制器的PI参数，保持其余PI控制器的PI参数不变，得到次同步振荡模态所对应阻尼比的变化情况；步骤4：选取最佳的转子侧变流器PI参数和网侧变流器PI参数范围。2.根据权利要求1所述的基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述小信号模型包括：轴系模块、感应电机模块、转子侧控制器、变流器直流侧模块、网侧控制器模块、变流器出口电感和变压器模块、并联补偿电容模块以及输电线路模块，其中转子侧控制器采用基于定子磁链定向的矢量控制，控制DFIG的有功功率和机端电压。3.根据权利要求2所述的基于双馈型风力发电机组变流器PI的次同步振荡抑制方法，其特征在于，所述轴系模块以风机桨叶转矩ΔTω和发电机电磁转矩ΔTe作为输入变量，以高速轴角速度，即发电机角速度Δωr为输出变量，状态方程如公式(1)所示： Δ X · M = A M ΔX M + B M Δu M ΔY M = C M ΔX M + D M Δu M - - - ( 1 ) ]]>其中，ΔXM＝[Δθ1 Δθ2 Δθ3 Δω1 Δω2 Δω3]T；ΔYM＝[Δθ3 Δω3]T，ΔuM＝[ΔTw ΔTe]T；式中：表示ΔXM对时间的倒数，AM、BM、CM和DM表示轴系模块的控制系统参数矩阵，ΔXM表示轴系模块的状态变量，ΔuM表示轴系模块的控制变量，ΔYM表示轴系模块的输出变量，Δθ1、Δθ2、Δθ3分别表示轴系模块三个质量块的机械旋转角微增量，Δω1、Δω2、Δω3分别表示三个质量块的角速度微增量；所述感应发电机模块以发电机角速度Δωr、定子电压ΔUs和转子电压ΔUr作为输
\t入变量，以发电机电磁转矩ΔTe、定子输出电流ΔIs和转子输出电流ΔIr为输出变量，状态方程如式(2)所示： Δ X · G = A G ΔX G + B G Δu G ΔY G = C G ΔX G + D G Δu G - - - ( 2 ) ]]>其中， ΔX G = Δe q ′ Δe d ′ T ; ]]>ΔYG＝[Δiqs Δids ΔTe]T；ΔuG＝[Δuqs Δuds Δuqr Δudr Δωr]T； A G = - 1 T 0 ′ ( 1 + ω s X ′ X m 2 X r r | Z ′ | 2 ) - s r 0 ω b ω s - ω s R s X m 2 T 0 ′ X r r | Z ′ | 2 s r 0 ω b ω s + ω s R s X m 2 T 0 ′ X r r | Z ′ | 2 - 1 T 0 ′ ( 1 + ω s X ′ X m 2 X r r | Z ′ | 2 ) ; ]]> B G = ω s X ′ X m 2 T 0 ′ X r r | Z ′ | 2 ω s R s X m 2 T 0 ′ X r r | Z ′ | 2 0 ω b ω s X m X r r ω b ω s e d 0 ′ - ω s R s X m 2 T 0 ′ X r r | Z ′ | 2 ω s X ′ X m 2 T 0 ′ X r r | Z ′ | 2 - ω b ω s X m X r r 0 - ω b ω s e q 0 ′ ; ]]> C G = - R s | Z ′ | 2 X ′ | Z ′ | 2 - X | Z ′ | 2 - R s | Z ′ | 2 - 2 R s e q 0 ′ + R s u q s 0 - X ′ u d s 0 - 2 R s e d 0 ′ + X ′ u q s 0 + R s u d s 0 ; ]]> D G = R s | Z ′ | 2 - X ′ | Z ′ | 2 0 0 0 X ′ | Z ′ | 2 R s | Z ′ | 2 0 0 0 X ′ e d 0 ′ + R s e q 0 ′ R s e d 0 ′ - X ′ e q 0 ′ 0 0 0 ; ]]>式中：表示ΔXG对时间的导数，AG、BG、CG、DG表示感应发电机模块的控制系统参数矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：解大，张延迟，吴汪平，楚皓翔，孙俊博，鲁玉普，赵祖熠，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31