一种大型风力发电系统电网电压低频振荡的快速抑制方法与流程

本发明涉及一种快速抑制大型风力发电系统电网电压低频振荡的方法，通过风力发电系统中无功补偿装置的控制算法实现对电网电压低频振荡的快速抑制。

背景技术：

随着风力发电技术的不断发展和风力发电装机容量的不断增加，电力系统中并网的风力发电机组、风机变流器和无功补偿装置越来越多。风力发电机组、风机变流器、无功补偿装置和电力系统之间的相互作用也越来越复杂和紧密，导致风电场电网连接点出现电网电压低频振荡现象，容易导致风力发电机组脱网，严重时甚至引起区域性停电。

目前在我国的新疆和河北等风电资源丰富、风力发电机组装机容量较大的地区均已发现电网电压低频振荡的现象，导致了部分风力发电机组脱网，如果不对电网电压低频振荡现象进行有效抑制，将对我国风力发电技术的发展产生不利影响。目前国内外专家和学者均在对新能源并网发电过程中出现的这种电网电压低频振荡现象进行分析和研究，探索抑制电网电压低频振荡的有效措施。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大型风电场电网电压低频振荡的快速抑制方法，该方法通过无功补偿装置，检测无功补偿装置与电网连接点的电压信号，提取电网电压幅值的低频振荡分量，通过PID闭环控制算法生成无功补偿装置输出电流的指令信号，最终通过无功补偿装置输出电流有效抑制电网电压的低频振荡。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种大型风力发电系统电网电压低频振荡的快速抑制方法，将无功补偿装置通过电抗器或连接变压器并联到电网上，检测连接点电网电压信号，通过低频分量检测算法检测电网电压低频振荡分量，通过电网电压低频振荡抑制环节使无功补偿装置输出与电网电压低频振荡同频率的补偿电流，该通常电流与连接点电网、风力发电机组和风机变流器相互作用，有效的抑制风力发电系统电网连接点的电网电压低频振荡。

所述的低频振荡分量检测算法为：根据电网电压的基波频率ω_f和间谐波频率ω_h1及ω_h2，计算出电网电压低频振荡的频率ω_l，所述的低频振荡频率为且应用电网电压基波频率ω_f对三相电网电压进行PARK变换，所得电网电压DQ轴分量主要成分均为直流量和电网电压低频振荡频率ω_l分量。

上述检测算法得到的DQ旋转坐标系下电网电压低频振荡分量仍然是频率为ω_l的交流量，直接使用PID控制器进行闭环控制会存在幅值和相位偏差，无法实现对电网电压低频振荡分量的完全抑制。因此对电网电压DQ轴分量进行均方根求取运算，得到电网电压幅值信号U_mag并经过以ω_l为中心频率的带通滤波器滤波处理后即可得到纯净的电网电压幅值低频振荡分量信号。

再次应用频率ω_l对该信号进行单相同步旋转坐标变换即可得到与电网电压低频振荡分量相对应的单相旋转坐标系下的DQ轴直流分量。

在所述频率为ω_l的同步旋转坐标系下DQ轴分别对电网电压低频振荡分量进行PID闭环控制，由于指令和反馈信号均为直流量，引起PID控制算法不会存在幅值和相位静差，PID闭环输出信号经单相同步旋转逆变换后即可生成频率为电网电压低频振荡频率ω_l的单相交流信号，将该单相交流信号作为无功补偿装置输出电流幅值的低频指令信号，控制无功补偿装置设备输出电流低频波动幅值，即可以实现对电网电压低频振荡的有效抑制。

本发明无功补偿装置对电网电压低频振荡抑制策略的特点是：在使用了上述电网电压低频振荡抑制方法后，无功补偿装置输出的无功电流幅值不再是稳定的直流量，而是直流量上叠加了频率为ω_l的低频交流量。无功补偿装置输出的低频波动的无功补偿电流与电网中其他设备及电网的回路阻抗相互作用，会使电网电压产生新的低频波动量，新产生的电网电压低频波动分量与电网电压原有的低频振荡分量频率相同且相位相反，因此会时连接点电网电压稳定，从而实现了对电网电压低频振荡的抑制。

所述的无功补偿装置为H桥级联的高压链式SVG。

所述的无功补偿装置为带降压变压器的H桥级联链式SVG。

所述的无功补偿装置为多重化结构SVG装置。

所述的无功补偿装置为MMC型高压SVG装置。

所述的无功补偿装置为降压型MMC型SVG装置。

所述的无功补偿装置为器件串联两电平SVG装置。

所述的无功补偿装置为晶闸管型SVG装置。

该方法通过改进无功补偿装置控制算法，检测和提取电网电压低频振荡分量，通过PID控制器进行闭环控制，最终使无功补偿装置输出幅值低频波动的抑制电流，实现对电网电压低频振荡的有效抑制，能显著提高大型风电场电网电压稳定性。还包括以下优点：

1)响应速度快

当无功补偿装置为基于全控型器件的高压链式SVG或STATCOM时，系统具有快速的响应速度。其主要原因是，基于全控型器件无功补偿装置可以根据需要对全控型器件(IGBT、IGCT等)的开关状态进行任意控制。而且，器件的开关频率或等效开关频率往往较高，一般每个工频周期的开关次数可以从几次到几十次。

2)补偿范围宽

由于对电网电压低频振荡分量进行了检测和提取，并将交流的低频振荡分量通过控制算法转化为了直流量。在直流坐标系下对电网电压低频振荡进行了闭环控制，可以实现对电网电压低频振荡的完全抑制。当无功补偿装置的补偿容量受限，无法完全抑制时，也可以根据设备容量进行不完全抑制，具有补偿范围宽的特点。

3)能够有效解决目前出现的大型风电场电网电压低频振荡现象，且实现方法简单，无需增加额外设备或只需要对已有无功补偿装置进行简单升级，节约占地和成本。

附图说明

图1是大型风电场电网电压低频振荡抑制原理示意图。

图2是电网电压幅值低频振荡分量检测算法示意图。

图3是电网电压幅值低频振荡分量DQ轴直流分量检测算法示意图。

图4是电网电压低频振荡抑制环控制框图。

图5是未加入低频振荡抑制算法时电网电压低频振荡波形。

图6是PARK变换后检测到的电网电压幅值信号。

图7是经过带通滤波器后的电网电压幅值低频振荡分量。

图8是单相同步旋转坐标变换后电网电压幅值低频振荡的DQ轴直流量。

图9是加入低频振荡抑制算法后无功补偿装置输出的无功电流波形。

图10是加入低频振荡抑制算法后电网电压波形。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1是抑制低频振荡原理示意图，将无功补偿装置通过电抗器或连接变压器并联在风电场的电网上，通过检测电网中的电压幅值低频振荡分量，由于对电网电压低频振荡分量进行了检测和提取，并将交流的低频振荡分量通过控制算法转化为了直流量。在直流坐标系下对电网电压低频振荡进行了闭环控制，可以实现对电网电压低频振荡的完全抑制。

本发明由于对电网电压低频振荡分量进行了检测和提取，并将交流的低频振荡分量通过控制算法转化为了直流量。在直流坐标系下对电网电压低频振荡进行了闭环控制，可以实现对电网电压低频振荡的完全抑制。

图2是电网电压幅值低频振荡分量检测算法。首先对三相电网电压进行如下式所示的PARK变换，得到电网电压DQ轴分量，通过平方和开根号运算得到电网电压幅值信号，其中包含了直流分量和低频振荡分量，使用带通滤波器即可检测出电网电压幅值低频振荡分量信号。

图3是电网电压幅值低频振荡分量DQ轴直流分量检测算法，通过单相DQ变换和低通滤波算法即可获得同步旋转坐标系下电网电压幅值低频振荡分量对应的直流信号。

图4是电网电压低频振荡抑制环控制框图，首先在旋转坐标系下对电网电压幅值的低频振荡信号进行PID闭环控制，控制器输出信号经同步旋转逆变换后生成无功补偿装置低频振荡抑制算法的无功电流指令值，将低频振荡抑制算法输出的交流无功电流指令值与无功补偿装置常规控制算法生成的直流无功电流指令值相叠加，最终生成无功补偿装置的无功电流指令信号。无功补偿装置内部的电流控制环节将使无功补偿装置输出无功电流跟踪指令信号，从而快速抑制电网电压低频振荡。

图5是加入低频振荡抑制算法前电网电压波形，可以看到电网电压幅值中有很有较大的低频振荡分量。

图6是PARK变换后检测到的电网电压幅值信号，电网电压幅值除了直流分量外，还含有较大的低频交流分量。为实现低频振荡抑制，必须对低频振荡分量的幅值和相位进行检测。

图7是经过带通滤波器后的电网电压幅值低频振荡分量，该低频振荡分量为纯净的低频交流量。此时可以对该振荡分量直接进行闭环抑制，但传统的PID控制器对交流分量控制会存在幅值和相位误差，影响系统对低频振荡抑制的效果。

图8是单相同步旋转坐标变换后电网电压幅值低频振荡的DQ轴直流量，单相同步旋转坐标变换可以采用图3所示的算法，也可以先由单相信号构造出三相交流信号，之后再对三相交流信号进行PARK变换。

图9加入低频振荡抑制算法后无功补偿装置输出的无功电流波形，此时电流波形除稳定的无功电流成分外，还含有低频波动的交流无功成分，低频波动频率与电网低频振荡频率相等。

图10是加入低频振荡抑制算法后电网电压波形，此时电网电压的低频振荡分量已经得到完全抑制。

实际系统中，由于电网电压低频振荡是交流电网、无功补偿装置、风力发电机组和风机变流器等各种设备相互作用和相互影响引起的，当系统各设备运行状态出现冲突，电网电压开始出现轻微低频振荡时，无功补偿装置就可以快速对电网电压低频振荡分量进行精确检测和控制，从而也可以快速的对低频振荡进行抑制，避免低频振荡现象恶化，从而维持风电场电网电压稳定。