一种虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法、系统技术方案

本发明专利技术公开了一种虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法、系统，方法包括：获取基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式；从双馈风机并网系统等效阻抗角度，揭示基于VSG的网侧换流器对次同步振荡的正阻尼特性；结合自抗扰控制分析虚拟同步双馈风机并网系统的次同步振荡抑制机理；构建改进自抗扰控制器进行次同步振荡抑制。本发明专利技术采用的次同振荡分析方法具有一定的普适性，可为高比例电力电子器件参与到新能源发电系统带来的次同步振荡问题提供理论分析基础。同时，本发明专利技术所提抑制方法不仅适用于双馈发电机组，也适用于延伸至直驱风机与弱交流系统中次同步振荡的抑制。至直驱风机与弱交流系统中次同步振荡的抑制。至直驱风机与弱交流系统中次同步振荡的抑制。

【技术实现步骤摘要】
一种虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法、系统


[0001]本专利技术涉及一种虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法、系统，属于可再生能源发电系统领域。

技术介绍

[0002]虚拟同步发电机(VSG)模拟了同步发电机的惯性与频率响应特性，可克服高比例电力电子化风力发电系统存在的低惯量、弱阻尼缺点。其中，虚拟同步双馈风机因主动支撑惯量频率动态变化具有广阔的应用前景。然而，虚拟同步控制接入致使双馈风机与电网交互特性更趋于复杂，加剧了系统次同步振荡动态特征，影响了系统次同步振荡稳定水平。因此，亟需构建适用于虚拟同步双馈风机并网系统的次同步振荡抑制策略，提升风电系统的安全稳定运行能力。
[0003]现有针对风电系统次同步振荡抑制策略的研究，已有大量文献在参数优化、振荡滤波以及附加阻尼等方面展开了分析。参数优化主要通过对电力电子换流器参数进行优化整定，可有效增加系统在谐振频率处的阻尼，从而避免系统振荡失稳。但受机组稳定运行边界要求限制，且风机换流器控制参数可调整范围有限。振荡滤波主要在控制部分中设计带通滤波器或具有滤波效果的控制结构，滤除控制环节中所包含的次同步振荡分量，进而消除次同步振荡频段下的机网交互耦合作用。然而，此类滤波结构参数多针对某一固定谐振频率点设计，仅适用于单一振荡情景，若电网运行工况发生改变，该抑制策略难以有效维持系统稳定运行。附加阻尼多在换流器控制环节引入附加阻尼控制器，以提高系统阻尼来达到抑制振荡的目的。该类抑制策略的不足之处在于附加阻尼过程设计环节较繁杂，且一旦系统工况条件变化，需对附加阻尼控制器参数进行重新设定。因此，提出一种多工况风机振荡抑制策略对风电外送具有重要的现实意义。此外，现有控制策略多集中于传统双馈风机设计，而虚拟同步双馈风机控制结构与传统风机之间存在较大差异，因此控制策略设计思路也有所区别。因此，亟待解决适用多工况下的虚拟同步双馈风机次同步振荡抑制问题。
[0004]目前，许多学者对VSG的动态特征研究主要围绕控制模型简化、控制策略重构及控制参数优化后的虚拟同步控制开展设备层面的小干扰稳定性分析。有学者设计了一种基于VSG换流器的同步发电机简化等效模型，兼顾了同步机的动态特性与运行标准。有学者提出一种基于VSG的低电压穿越控制策略，易于分析电压源变换器的多端高压直流系统稳定性，使得网侧电压源换流器能够提供频率支撑和振荡阻尼。有学者在有功环控制内引入频率变化量参数，借助自适应转动惯量控制对VSG并网参数进行整定，提高了电网动态频率调节能力，但参数设计过程较为复杂。综上，现有文献缺乏对虚拟同步双馈风机次同步振荡的发生诱因合理阐明，难以从源头实现系统振荡有效抑制。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法、系
统，从分析VSG控制下该系统的次同步振荡发生机理出发，并结合自抗扰控制分析虚拟同步双馈风机并网系统的次同步振荡抑制机理，进而构建了符合上述机理的改进自抗扰控制器；进一步地，对所设计改进自抗扰控制器的稳定性进行探讨；再进一步地，设计不同运行工况验证本专利技术所提抑制策略的鲁棒性。
[0006]本专利技术的技术方案是：一种虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法，包括：获取基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式；从双馈风机并网系统等效阻抗角度，揭示基于VSG的网侧换流器对次同步振荡的正阻尼特性；结合自抗扰控制分析虚拟同步双馈风机并网系统的次同步振荡抑制机理；构建改进自抗扰控制器进行次同步振荡抑制。
[0007]所述获取基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式，包括：
[0008]S1.1、采用电力系统小干扰稳定性分析方法，基于VSG的控制拓扑结构实现对VSG动态方程线性化，其线性化结果的数学表达式为：
[0009][0010][0011][0012]其中，F
PQ
、F
PI
、、F1、F2、F
L
均为2
×
2阶传递函数矩阵；T
J
和D
p
分别为转动惯量和阻尼系数；K
p
和K
i
分别为励磁控制比例系数与积分系数；K
v
为无功功率
‑
电压控制下垂系数；s为拉普拉斯算子；K
Vp1
和K
Vi1
分别为VSG输出电压控制d轴比例系数和积分系数；K
Vp2
和K
Vi2
分别为VSG输出电压控制q轴比例系数和积分系数；I
sd
和I
sq
分别为同步旋转坐标系下定子电流的稳态量的d轴分量和q轴分量；U
sd
和U
sq
分别为同步旋转坐标系下定子电压的稳态工作点的d轴分量和q轴分量；E
m
为励磁控制输出电压；δ为锁相环输出相角与并网系统电压相位的差值；L为滤波电感；U
g
为网侧电压稳定值；ω
N
为同步角速度；
[0013]S1.2、获取稳定状态时VSG控制参数与系统网络运行参数，并以dq旋转坐标系为参考系，得到基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式为：
[0014][0015][0016]其中，[Δu
sd
,Δu
sq
]T
为并网系统定子侧电压扰动向量；[Δi
sd
,Δi
sq
]T
为并网系统定子侧电流响应向量；Z
out
为基于VSG的网侧换流器输出阻抗；Z
dd
、Z
dq
、Z
qd
和Z
qq
分别表示输出阻抗Z
out
的d
‑
d、d
‑
q、q
‑
d和q
‑
q轴分量；I表示为单位矩阵。
[0017]所述从双馈风机并网系统等效阻抗角度，揭示基于VSG的网侧换流器对次同步振
荡的正阻尼特性，包括：
[0018]S2.1、双馈风机等效输出阻抗Z
G
的数学表达式为：
[0019][0020]其中，R
G
和X
G
分别为双馈风机等效电阻和电抗；R
s
为双馈风机定子绕组和箱变电阻之和；R
r
为转子绕组的电阻；R
RSC
表示转子侧换流器等效电阻；L
s
为双馈风机定子绕组和箱变电阻漏感之和；L
lr
为转子漏感；L
m
为励磁电感；转差率f
r
和j分别表示为转子频率与虚数单位；电感和电容串联谐振回路的谐振频率ω
ss
和f0分别为次同步振荡下系统等效串联回路谐振频率和系统基准频率；X
C
、X
L
分别为串补电容容抗与系统等效电抗；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法，其特征在于，包括：获取基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式；从双馈风机并网系统等效阻抗角度，揭示基于VSG的网侧换流器对次同步振荡的正阻尼特性；结合自抗扰控制分析虚拟同步双馈风机并网系统的次同步振荡抑制机理；构建改进自抗扰控制器进行次同步振荡抑制。2.根据权利要求1所述的虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法，其特征在于：所述获取基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式，包括：S1.1、采用电力系统小干扰稳定性分析方法，基于VSG的控制拓扑结构实现对VSG动态方程线性化，其线性化结果的数学表达式为：方程线性化，其线性化结果的数学表达式为：方程线性化，其线性化结果的数学表达式为：其中，F
PQ
、F
PI
、F1、F2、F
L
均为2
×
2阶传递函数矩阵；T
J
和D
p
分别为转动惯量和阻尼系数；K
p
和K
i
分别为励磁控制比例系数与积分系数；K
v
为无功功率
‑
电压控制下垂系数；s为拉普拉斯算子；K
Vp1
和K
Vi1
分别为VSG输出电压控制d轴比例系数和积分系数；K
Vp2
和K
Vi2
分别为VSG输出电压控制q轴比例系数和积分系数；I
sd
和I
sq
分别为同步旋转坐标系下定子电流的稳态量的d轴分量和q轴分量；U
sd
和U
sq
分别为同步旋转坐标系下定子电压的稳态工作点的d轴分量和q轴分量；E
m
为励磁控制输出电压；δ为锁相环输出相角与并网系统电压相位的差值；L为滤波电感；U
g
为网侧电压稳定值；ω
N
为同步角速度；S1.2、获取稳定状态时VSG控制参数与系统网络运行参数，并以dq旋转坐标系为参考系，得到基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式为：系，得到基于VSG的网侧换流器输出阻抗表达式为：其中，[Δu
sd
,Δu
sq
]
T
为并网系统定子侧电压扰动向量；[Δi
sd
,Δi
sq
]
T
为并网系统定子侧电流响应向量；Z
out
为基于VSG的网侧换流器输出阻抗；Z
dd
、Z
dq
、Z
qd
和Z
qq
分别表示输出阻抗Z
out
的d
‑
d、d
‑
q、q
‑
d和q
‑
q轴分量；I表示为单位矩阵。3.根据权利要求1所述的虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法，其
特征在于：所述从双馈风机并网系统等效阻抗角度，揭示基于VSG的网侧换流器对次同步振荡的正阻尼特性，包括：S2.1、双馈风机等效输出阻抗Z
G
的数学表达式为：其中，R
G
和X
G
分别为双馈风机等效电阻和电抗；R
s
为双馈风机定子绕组和箱变电阻之和；R
r
为转子绕组的电阻；R
RSC
表示转子侧换流器等效电阻；L
s
为双馈风机定子绕组和箱变电阻漏感之和；L
lr
为转子漏感；L
m
为励磁电感；转差率f
r
和j分别表示为转子频率与虚数单位；电感和电容串联谐振回路的谐振频率ω
ss
和f0分别为次同步振荡下系统等效串联回路谐振频率和系统基准频率；X
C
、X
L
分别为串补电容容抗与系统等效电抗；S2.2、VSG接入双馈风机的网侧换流器控制后，得到基于VSG的双馈风机等效输出阻抗Z
G1
表达式为：其中，R
VSG
和X
VSG
分别为VSG的等效电阻与电抗；R
G1
和X
G1
分别为接入VSG后的双馈风机等效电阻和电抗。4.根据权利要求1所述的虚拟同步双馈风机经串补并网系统次同步振荡抑制方法，其特征在于：所述结合自抗扰控制分析虚拟同步双馈风机并网系统的次同步振荡抑制机理，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志坚，骆军，余成骏，方茜，李鹏程，何熙宇，自超，宋琪，罗灵琳，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：