针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制方法及装置与流程

本发明涉及新能源并网分析技术领域，特别涉及一种针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制方法及装置。

背景技术：

随着国民经济的快速发展，我国铁路运输的建设也得到了快速的发展，同时也带来了一系列的问题。由于电力机车采用单相供电，牵引变压器经特殊接线方式与三相交流大电网相连，常用的接线方式如V/v、YnD11、scott等接线方式，不管采取哪种接线方式，都会向交流电网注入负序电流。随着清洁能源的快速发展，风力发电的规模也越来越大。但由于风力发电的波动性与随机性较强，抗干扰能力较差，对风电场的建设规划，以及风电机组的运行与控制，都带来了极大的挑战。因此，研究和解决风电机组的运行与控制问题，尤其是抗干扰能力，成为近年来行业的研究重点。

当大规模非线性电铁牵引负荷接入电网后，会给电网带来较大的负荷冲击、电压波动、三相不平衡等问题。当三相不平衡引起的负序电流注入同步发电机时，将会引起转子绕组的附加损耗与发热，同时涡流损耗也有所增加，产生额外的热量和能量损失。同时，负序电流容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作。例如,当负序电流作用时间较长时,常规的距离保护就要转入闭锁状态，使一段时间内距离保护的快速动作段退出运行而当电铁负序作用于解除闭锁后,如系统此时发生振荡,则距离保护可能误动作跳闸。所以,为消除负序的影响,将增加继电保护装置的复杂性、降低可靠性。负序电流流入变压器时,变压器三相电流中有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力变压器容量利用率下降。另外,还造成变压器的附加能量损失、在变压器铁芯磁路中产生附加发热。

随着近年来电气化铁路与风电场集中接入的现象越来越多，电铁牵引负荷引起的三相不平衡对风电场的运行特性影响也越来越大，对风电机组的稳定运行带来了严峻的挑战，甚至造成风电机组失稳，引起脱网事故，严重影响着风电机组的正常运行。当电铁牵引负荷接入电网后，将会造成风电场并网点处三相电压不平衡，造成风电机组的正常控制的约束条件被打破，对风电机组的运行产生不利影响；并网点处三相不平衡将会造成风电机组变频器直流侧电压、风机输出功率、电磁转矩产生二倍频分量，从而导致风机内部剧烈的电磁暂态过程。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种针对电铁引起的负序电流对风电机组运行特性影响的抑制措施，以解决现有条件下，电铁牵引负荷与风电场集中接入地区，电铁引起的负序导致风电机组变频器直流侧、风机输出功率、以及电磁转矩出现二倍频分量的问题，此问题严重影响着风电机组的正常运行特性。

为实现上述目的，本发明提供了一种针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制方法，包括：

根据实际牵引供电系统结构搭建仿真模型，利用所述仿真模型分析牵引供电产生负序的原因，根据牵引供电产生负序的原因建立不平衡条件下双馈风机的数学模型；

利用所述不平衡条件下双馈风机的数学模型建立电铁牵引负荷引起的负序电流对双馈风电机组运行特性影响的数学分析模型；

利用所述数学分析模型获得控制优化策略；其中，所述控制优化策略为改变双馈风机的传统双闭环矢量控制方式，采用比例谐振控制器，以抑制负序导致的二倍频分量。

可选的，在本发明一实施例中，建立不平衡条件下双馈风机的数学模型的方法为：采用传统双闭环控制方式。

可选的，在本发明一实施例中，所述比例谐振控制器的传递函数为：

式中，K_P为比例项系数，K_R为谐振项系数，ω为谐振频率，s表示复频域。

可选的，在本发明一实施例中，所述比例谐振控制器的传递函数为：

式中，ω_C为准积分项的截止频率，且ω_C远小于ω，K_P为比例项系数，K_R为谐振项系数，ω为谐振频率，s表示复频域。

为实现上述目的，本发明提供了一种针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制装置，包括：

双馈风机的数学模型建立单元，用于根据实际牵引供电系统结构搭建仿真模型，利用所述仿真模型分析牵引供电产生负序的原因，根据牵引供电产生负序的原因建立不平衡条件下双馈风机的数学模型；

数学分析模型建立单元，用于利用所述不平衡条件下双馈风机的数学模型建立电铁牵引负荷引起的负序电流对双馈风电机组运行特性影响的数学分析模型；

抑制单元，用于利用所述数学分析模型获得控制优化策略；其中，所述控制优化策略为改变双馈风机的传统双闭环矢量控制方式，采用比例谐振控制器，以抑制负序导致的二倍频分量。

可选的，在本发明一实施例中，所述双馈风机的数学模型建立单元采用传统双闭环控制方式建立不平衡条件下双馈风机的数学模型。

可选的，在本发明一实施例中，所述抑制单元确定的比例谐振控制器的传递函数为：

式中，K_P为比例项系数，K_R为谐振项系数，ω为谐振频率，s表示复频域。

可选的，在本发明一实施例中，所述抑制单元确定的比例谐振控制器的传递函数为：

式中，ω_C为准积分项的截止频率，且ω_C远小于ω，K_P为比例项系数，K_R为谐振项系数，ω为谐振频率，s表示复频域。

上述技术方案具有如下有益效果：

本技术方案考虑电铁与风电场集中接入，影响着风电场的正常运行特性，将比例谐振控制方式运用到风机控制策略中，能够有效抑制电铁牵引负荷引起的负序对风电机组运行特性的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提出的一种针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制方法流程图；

图2为理想比例谐振控制器的伯德图示意图；

图3为非理想比例谐振控制器的伯德图示意图；

图4为本实施例的网侧变换器比例谐振控制电路图；

图5为本实施例中并网点不含负序分量时风电机组直流侧电压示意图；

图6为本实施例中并网点含负序分量时风电机组直流侧电压示意图之一；

图7为本实施例中并网点含负序分量时风电机组直流侧电压示意图之二；

图8为本发明提出的一种针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制装置框图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明提出的一种针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制方法流程图。包括：

步骤101)：根据实际牵引供电系统结构搭建仿真模型，利用所述仿真模型分析牵引供电产生负序的原因，根据牵引供电产生负序的原因建立不平衡条件下双馈风机的数学模型；

在本步骤中，采用传统双闭环控制方式搭建双馈风机仿真模型。牵引供电产生负序的原因：

由于电力机车采用单相供电方式，当经过牵引变压器接入三相对称的供电系统后，会导致系统三相电流严重不平衡，将会向电网注入较大的负序电流，而负序电流分量的大小与牵引变压器的接线方式有关。牵引变压器常见的接线方式有：单相接线方式、V/v接线方式、YNd11接线方式、scott接线方式、阻抗匹配平衡接线方式等。牵引变压器各接线方式对比如下：

(a)若牵引变电站采用单相V/v接线变压器或者三相YNd11接线变压器时，当两个牵引臂上负荷电流相等，且相位相同时，以上两种接线方式引起的负序电流的大小均等于正序电流的一半。

(b)若牵引供电系统采用scott接线、阻抗平衡接线牵引变压器时，理想条件下，即牵引变压器的两个供电臂电流幅值相等，相位相同时，负序电流基本为零，负荷对电力系统的影响最小。

(c)最恶劣条件下，即两供电臂中一供电臂有电流、另一供电臂无电流的情况下，注入供电系统的负序电流分量最大，且以上5种接线方式引起的负序电流相同，负序电流的大小均等于正序电流，即在该条件下，负序电流含量与接线方式无关。

由此可见，当电气化铁路两供电臂上负荷不平衡时，将会向供电系统注入很大的负序电流。

步骤102)：利用所述不平衡条件下双馈风机的数学模型建立电铁牵引负荷引起的负序电流对双馈风电机组运行特性影响的数学分析模型；

(1)变频器直流侧电压

当电网含有负序电压时，网侧变流器交流侧电压、电流也含有负序电压分量。网侧变流器电流用i_{A_GSC}、i_{B_GSC}、i_{C_GSC}表示，变换到同步旋转坐标系后用i_{d_GSC}、i_{q_GSC}表示。如果不计损耗，网侧变流器直流侧和交流侧的输出功率相等，即：

u_dci_dc＝u_Ai_{A_GSC}+u_Bi_{B_GSC}+u_Ci_{C_GSC}

其中，u_dc为直流母线电压，i_dc为直流电容电流。与风机输出功率的推导类似，上式可以写为：

网侧变流器的直流侧电流将出现二次谐波分量。不考虑转子侧变流器产生的电流对直流电容电压的影响，将转子变流器看做直流电容的负载，可得：

理论上负载电流i_load为任意波形，所以可认为推导出的网侧变流器产生的二次谐波分量与i_load无关，只与有关。所以，电网的负序电压会导致网侧变流器的直流母线出现二次谐波分量。A相PWM的开关函数为：

由变流器直流侧电压2次谐波和正序开关量的共同作用，可得网侧变流器的谐波电压为：

式中，为直流电压2次谐波幅值，A₁为正序开关量的基波幅值，为3次谐波电压初相角。因此，网侧变流器直流侧的2次谐波分量将会导致网侧变流器交流侧产生3次谐波电压。依次类推，直流侧n次纹波电压经过PWM调制后，将在交流侧产生n+1次谐波电压，而网侧变频器交流侧的n+1次谐波电压的负序分量又会在直流侧产生n+2次的纹波分量。最终可推导出网侧变流器交直流侧交互影响，导致直流侧电压产生偶数次谐波，交流侧产生奇数次谐波。

(2)风机输出功率

下面的分析只考虑了电网电压含有负序基波电压的情况。在分析三相电压不平衡时风电机组输出的有功功率时，用u_A、u_B、u_C表示风机出口处三相电压瞬时值，用i_A、i_B、i_C表示风机出口处三相电流瞬时值，风电机组输出的有功功率瞬时值P_s可以表示为：

P_s＝u_Ai_A+u_Bi_B+u_Ci_C

风电机组出口处的箱变通常为Δ/Y接线，所以不考虑零序电流分量，利用派克变换将三相静止坐标系下的A、B、C三相分量变换到同步旋转坐标系下的d、q、0三个分量，P_s可以表示为：

P_s＝u_di_d+u_qi_q

利用对称分量法将三相不平衡时电压和电流矢量分解为正序和负序分量，用表示正序初始旋转角和负序初始旋转角的差值，那么同步旋转坐标系下电压电流分量为：

忽略4次谐波分量，瞬时功率表达式为：

令那么风机的瞬时功率可以表示为：

因此，在不平衡电压下，风机输出的有功功率包括直流分量和波动的二次谐波分量，同理，风机输出的无功功率也包含二次谐波分量。

(3)风电机组电磁转矩

电磁转矩T_e可表示为：

式中，P_S为电机的极对数，ω_r为电磁转速。

因此，风电机组的电磁转矩也含有二倍频分量。

步骤103)：利用所述数学分析模型获得控制优化策略；其中，所述控制优化策略为改变双馈风机的传统双闭环矢量控制方式，采用比例谐振控制器，以抑制负序导致的二倍频分量。

在本步骤中，比例谐振控制器，由比例环节和谐振环节组成，可以对正弦量实现无静差控制，理想比例谐振控制器的传递函数如下式所示：

式中，K_P为比例项系数，K_R为谐振项系数，ω为谐振频率，s表示复频域。比例谐振控制器中的积分环节又被称作广义积分器，可以对谐振频率的正弦量实现幅值积分。由于理想比例谐振控制器无法在现实中实现，常用非理想比例谐振控制器替代，非理想比例谐振控制器的传递函数如下式所示，

式中，ω_C为准积分项的截止频率，且ω_C远小于ω。如图2所示，为理想比例谐振控制器的伯德图示意图。如图3所示，为非理想比例谐振控制器的伯德图示意图。取K_P＝1，K_R＝20，ω_C＝5rad/s。理想比例谐振控制器在谐振频率处的开环增益为无穷大，保证了输入量的无静差控制，在其它频率处的开环增益主要由比例项系数K_P决定。非理想比例谐振控制器在谐振频率处的幅值虽然不至无穷，但可以通过增大谐振项系数K_R来保证对输入量的控制精度。

比例谐振控制器与传统比例积分控制器对比：

在整流器和双馈发电机的矢量控制系统中广泛地采用了坐标变换技术，将三相静止坐标系下的电流电压等正弦量转化为同步旋转坐标系下的直流量，这一方面是为了简化系统的模型，实现有功功率和无功功率的解耦，另一方面是因为传统比例积分控制器无法对正弦量实现无静差控制。坐标变换简化了控制系统外环的设计，却使电流分量相互耦合，造成内环结构复杂，设计困难。比例谐振控制器可以实现对交流输入的无静差控制。将比例谐振控制器用于网侧变换器的控制系统中，可在两相静止坐标系下对电流进行调节。可以简化控制过程中的坐标变换，消除电流d、q轴分量之间的耦合关系，且可以忽略电网电压对系统的扰动作用。此外，应用比例谐振控制器，易于实现低次谐波补偿，这些都有助于简化控制系统的结构。

具体推导过程：

传统比例积分控制器无法对正弦输入实现无静差控制，传统的矢量控制系统需要将测得的电流、电压等被控量，经坐标变换至同步旋转坐标系下，才能保证控制精度。从控制系统的角度讲，也可以把传统比例积分控制器经反PARK变换，转化到两相静止坐标系下，从而使其可以直接处理电压电流等正弦信号。将传统比例积分控制器经反PARK变换转化到两相静止坐标下，即可得到比例谐振控制器。由于比例项不受坐标变换的影响，只考虑积分项：

G_dq(s)＝k_i/s (3)

式中，K_i为积分项系数，将式(3-3)变换至αβ坐标系，可得

其中，

G_dq1＝G_dq(s+jω) (5)

G_dq2＝G_dq(s-jω) (6)

谐振频率ω在这里表现为d-q坐标系相对于α-β坐标系的旋转角速度。

将(5)、(6)两式带入(4)式得

(7)、(8)分别是调节正序和负序分量的谐振项，两式叠加得到能够同时调节正负序分量的谐振项。

同理，对于d-q坐标系下的准积分项

可变换得：

令G_PR(s)＝K_p+G_αβ(s)，得到两相静止坐标系下理想比例谐振控制器和非理想比例谐振控制器的传递函数：

图4为本实施例的网侧变换器比例谐振控制电路图。在风电机组中，加入比例谐振控制器进行优化后，变频器网侧控制框图如图4所示。

如图5所示，为本实施例中并网点不含负序分量时风电机组直流侧电压示意图。如图6所示，为本实施例中并网点含负序分量时风电机组直流侧电压示意图之一。图6的电压结果是采用传统双闭环控制方式获得的。如图7所示，为本实施例中并网点含负序分量时风电机组直流侧电压示意图之二。图7的电压结果是采用函比例谐振控制方式获得的。由图5、图6和图7之间对比可知，采用比例谐振控制器与传统双闭环控制器相比，能有效抑制电铁引起的负序导致风电机组直流侧电压的二倍频波动。

如图8所示，为本发明提出的一种针对电铁引起的负序对风电机组影响的抑制装置框图。包括：

双馈风机的数学模型建立单元801，用于根据实际牵引供电系统结构搭建仿真模型，利用所述仿真模型分析牵引供电产生负序的原因，根据牵引供电产生负序的原因建立不平衡条件下双馈风机的数学模型；

数学分析模型建立单元802，用于利用所述不平衡条件下双馈风机的数学模型建立电铁牵引负荷引起的负序电流对双馈风电机组运行特性影响的数学分析模型；

抑制单元803，用于利用所述数学分析模型获得控制优化策略；其中，所述控制优化策略为改变双馈风机的传统双闭环矢量控制方式，采用比例谐振控制器，以抑制负序导致的二倍频分量。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。