一种基于改进粒子群优化算法的双馈风电系统次同步振荡抑制策略的制作方法

本发明涉及一种双馈风电场经过串联补偿并网引发的次同步振荡抑制方法，具体而言，是一种基于改进粒子群优化算法的双馈风电系统次同步振荡抑制策略，属于新能源发电技术领域。

背景技术：

随着全球能源危机和环境污染问题日益严峻，为大力推进发展可再生的新能源技术，实现可持续发展，风能得到各国政府和产业界的高度关注和长足发展。其中双馈风电机组因其具有运行范围宽、变换器容量小、电机体积小以及变速恒频运行等优点，已成为风电场的主流机型之一。由于我国风能资源和负荷中心呈现逆向分布，风电的大规模消纳势必经过远距离输送，因此为提高输电线路传输容量、减少输电损耗并有效提高系统稳定性，串联补偿技术被广泛应用于大规模风电外送系统中。然而，在大规模风电串补输电系统中存在发生次同步振荡的风险，这可能损坏串联补偿电容、主变压器等设备，并且将严重威胁相邻电网的安全稳定运行。

针对双馈风电场经过串补并网引发的次同步振荡问题，其主要抑制方法是附加阻尼控制器，大体分为基于风力发电机组变换器的附加阻尼控制以及柔性交流输电系统(flexiblealternativecurrenttransmissionsystems，facts)装置次同步振荡附加阻尼控制两类。然而，使用facts装置附加阻尼控制需要增加额外经济投资和维修成本，因此，综合考虑经济成本和可靠性，基于风电机组自身变换器的附加阻尼控制得到更加广泛的研究与应用。

目前，基于双馈风电机组自身变换器的附加阻尼抑制策略已经有一些设计实现方案，如已公开的下列文献：

(1)linglingfanandzhixin.miao.mitigatingssrusingdfig-basedwindgeneration[j].ieeetransactionsonsustainableenergy,2012,3(3):349-358.

(2)hosseinalimohammadpourandenricosanti.ssrdampingcontrollerdesignandoptimalplacementinrotor-sideandgrid-sideconvertersofseries-compensateddfig-basedwindfarm[j].ieeetransactionsonsustainableenergy,2015,6(2):388-399.

(3)hosseinalimohammadpourandenricosanti.analysisofsub-synchronouscontrolinteractionsindfig-basewindfarms:eroctcasestudy[c]//proc.2015ieeeenergyconversion.congressandexposition(ecce).montreal,qc,canada:ieee,2015,500-505.

文献(1)-(2)和(3)分别在双馈风电机组的网侧变流器(grid-sideconverter，gsc)和转子侧变换器(rotor-sideconverter，rsc)控制环节中引入附加阻尼控制器，从而实现对双馈风电串补系统次同步振荡的抑制。上述文献所设计的基于相位补偿的附加阻尼控制器，其超前/滞后时间参数t是事前确定的，无法实时修改，当系统外部结构发生改变时，参数需要重新整定，而且增益系数k缺乏优化设计，因此其只能适用于某些特定场景，无法在全工况下实现次同步振荡抑制。

技术实现要素：

针对所述现有技术的不足，本发明旨在提出一种基于改进粒子群优化算法的双馈风电系统次同步振荡抑制策略，通过在双馈风电机组的rsc控制中同时附加有功功率和无功功率的附加阻尼控制器，并利用改进的粒子群优化算法优化增益系数k，使其具有较大适应能力，从而实现在全工况下有效抑制次同步振荡的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于改进粒子群优化算法的双馈风电系统次同步振荡抑制策略，包括下述步骤：

a1)当发生次同步振荡时，通过安装在双馈风力发电机轴系尾部的转速传感器来产生转速脉冲，并对转速脉冲信号进行解调，进而获得双馈风力发电机转子瞬时转速偏差量△ω；

a2)将步骤a1)获得的转子转速偏差量△ω输入到附加阻尼控制器中，并将附加阻尼控制器的d轴和q轴的输出△udamp_rd和△udamp_rq经限幅后叠加在双馈风力发电机组rsc控制环节中；

其中，步骤a2)中的附加阻尼控制器按如下步骤设计：

a2.1)建立该双馈风力发电系统无附加阻尼控制环节的时域仿真模型，并进而获得各物理量的初始值以及该系统次同步振荡频率fssr；

a2.2)根据步骤a2.1)得到的次同步振荡频率fssr确定带通滤波器gbpf的参数，带通滤波器gbpf的传递函数可以表示为下式：

其中

其中，fh、fl分别为带通滤波器的上、下截止频率；ε为滤波器阻尼系数。

a2.3)建立风电机组转子电磁转矩增量△ter与转子转速增量△ωr之间的传递函数；

a2.4)根据传递函数确定次同步振荡频率fssr附近的相位特性，进而得到该附加阻尼控制器补偿相位角度

a2.5)根据步骤a2.4)所确定的补偿相位角度确定附加阻尼控制器的超前/滞后时间参数t；

a2.6)结合步骤a2.5)所确定的超前/滞后时间参数t，在典型双馈风电系统运行工况下建立其计及附加阻尼控制器的全系统小信号模型；

a2.7)基于步骤a2.6)所建立的全系统小信号模型，应用改进的pso算法优化附加阻尼控制器的增益系数k；

步骤a2.5)中根据补偿相位角度计算超前/滞后时间参数t的公式如下：

其中，ωx为次同步振荡角频率；为所需超前/滞后补偿相位；t1为补偿环节的超前时间常数，t2为补偿环节的滞后时间常数。

步骤a2.7)中所采用的粒子群优化算法的改进设计方案及其目标函数和约束条件的确定如下所示：

a2.7.1)采用如下式所示的混沌映射方程产生初始粒子种群：

式中，τ为映射参数，z⁽ⁱ⁾为混沌序列。

a2.7.2)引入如下式所示的惯性权重和学习因子：

c1＝c1s+(c1e-c1s)·cos(ω)

c2＝c2e+(c2e-c2s)·cos(ω)

式中，ωstart和ωend分别为初始惯性权重与最终惯性权重；k是当前迭代次数；tmax是最大迭代次数；c1s和c1e分别是第一个学习因子c1的起始值与结束值；c2s和c2e分别是第二个学习因子c2的起始值及结束值；

a2.7.3)将收敛因子c引入速度和位置更新方程中，改进的速度和位置更新方程如下：

式中，vid为粒子速度；xid为粒子位置；r1、r2为[0,1]间的随机数；pid为粒子当前自身个体极值；pgd为当前所有粒子群体极值；ω为2.7.3)中求得的惯性权重。

a2.7.4)改进粒子群优化算法目标函数如下式：

式中，j为改进粒子群优化算法目标函数，ξi,j表示系统第i个振荡模态在第j种运行工况下的阻尼比；min{ξi,j}表示在某一确定控制参数下闭环系统在第j种运行工况下的系统最小阻尼比；αj表示在第j种运行工况下的加权系数；r1表示所有附加阻尼控制增益系数k1/k2可能取值的集合。

a2.7.5)改进的粒子群优化算法约束方程如下所示：

式中，k1,min，k2,min的取值为-20；k1,max，k2,max的取值为20。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明不仅可以有效提高双馈风电系统次同步振荡模态阻尼，实现系统次同步振荡抑制；而且在全运行工况下具有良好的适应性，同时可以实现各种工况下系统次同步振荡阻尼的最佳分配，从而使次同步振荡抑制效果实现全局最佳，有效提高双馈风电串补输电系统的稳定性。

附图说明

图1为引入附加阻尼控制器后转子侧变换器的控制框图。

图2为附加有功阻尼控制器的结构框图。

图3为系统附加阻尼控制策略的总体设计流程图。

图4为不同风速工况下，有无附加阻尼控制器的电磁转矩仿真波形对比图。

图5为不同线路串补度工况下，有无附加阻尼控制器的电磁转矩仿真波形对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

如图1所示，将附加阻尼控制器引入到双馈风电机组转子侧变换器控制中，使附加阻尼控制器的输出△udamp_rd和△udamp_rq经限幅后与urd、urq叠加，作为控制电压输出。

由图2可得，附加阻尼控制器的结构包括带通滤波器、超前/滞后相位补偿环节、增益环节和限幅环节。

图3为基于改进粒子群优化算法的系统附加阻尼控制策略的总体设计流程图。

本发明的具体实施步骤如下：

a1)当发生次同步振荡时，通过安装在双馈风力发电机轴系尾部的转速传感器来产生转速脉冲，并对转速脉冲信号进行解调，进而获得双馈风力发电机转子瞬时转速偏差量△ω；

a2)将步骤a1)获得的转子转速偏差量△ω输入到附加阻尼控制器中，并将附加阻尼控制器的d轴和q轴的输出△udamp_rd和△udamp_rq经限幅后叠加在双馈风力发电机组rsc控制环节中；

其中，步骤a2)中的附加阻尼控制器按如下步骤设计：

a2.1)建立该双馈风力发电系统无附加阻尼控制环节的时域仿真模型，并进而获得各物理量的初始值以及该系统次同步振荡频率fssr；

a2.2)根据步骤a2.1)得到的次同步振荡频率fssr确定带通滤波器gbpf的参数，带通滤波器gbpf的传递函数可以表示为下式：

其中

其中，fh、fl分别为带通滤波器的上、下截止频率；ε为滤波器阻尼系数。

a2.3)建立风电机组转子电磁转矩增量△ter与转子转速增量△ωr之间的传递函数；

a2.4)根据传递函数确定次同步振荡频率fssr附近的相位特性，进而得到该附加阻尼控制器补偿相位角度

a2.5)根据步骤a2.4)所确定的补偿相位角度确定附加阻尼控制器的超前/滞后时间参数t；

a2.6)结合步骤a2.5)所确定的超前/滞后时间参数t，在典型双馈风电系统运行工况下建立其计及附加阻尼控制器的全系统小信号模型；

a2.7)基于步骤a2.6)所建立的全系统小信号模型，应用改进的pso算法优化附加阻尼控制器的增益系数k；

步骤a2.5)中根据补偿相位角度计算超前/滞后时间参数t的公式如下：

其中，ωx为次同步振荡角频率；为所需超前/滞后补偿相位；t1为补偿环节的超前时间常数，t2为补偿环节的滞后时间常数。

步骤a2.7)中所采用的粒子群优化算法的改进设计方案及其目标函数和约束条件的确定如下所示：

a2.7.1)采用如下式所示的混沌映射方程产生初始粒子种群：

式中，τ为映射参数，z⁽ⁱ⁾为混沌序列。

a2.7.2)引入如下式所示的惯性权重和学习因子：

c1＝c1s+(c1e-c1s)·cos(ω)

c2＝c2e+(c2e-c2s)·cos(ω)

式中，ωstart和ωend分别为初始惯性权重与最终惯性权重；k是当前迭代次数；tmax是最大迭代次数；c1s和c1e分别是第一个学习因子c1的起始值与结束值；c2s和c2e分别是第二个学习因子c2的起始值及结束值；

a2.7.3)将收敛因子c引入速度和位置更新方程中，改进的速度和位置更新方程如下：

式中，vid为粒子速度；xid为粒子位置；r1、r2为[0,1]间的随机数；pid为粒子当前自身个体极值；pgd为当前所有粒子群体极值；ω为2.7.3)中求得的惯性权重。

a2.7.4)改进粒子群优化算法目标函数如下式：

式中，j为改进粒子群优化算法目标函数，ξi,j表示系统第i个振荡模态在第j种运行工况下的阻尼比；min{ξi,j}表示在某一确定控制参数下闭环系统在第j种运行工况下的系统最小阻尼比；αj表示在第j种运行工况下的加权系数；r1表示所有附加阻尼控制增益系数k1/k2可能取值的集合。

a2.7.5)改进的粒子群优化算法约束方程如下所示：

式中，k1,min和k2,min的取值为-20；k1,max和k2,max的取值为20。

本发明效果说明：

图4给出了在不同风速工况下，加入附加阻尼控制器前后的电磁转矩te仿真波形对比图。通过图4可知，采用本发明所提出的阻尼控制器后，针对不同风速运行工况，双馈风电串补输电系统次同步振荡现象均可以得到有效抑制，并且系统稳定性能被有效提高；同时，与采用标准粒子群优化算法优化的附加阻尼控制器相比，采用改进粒子群优化算法寻优的附加阻尼控制器在越恶劣的次同步振荡情况下，越能发挥更好的抑制作用；图5给出了在不同线路串补度工况下(30％、40％、50％)，有无附加阻尼控制器的电磁转矩te仿真波形对比图。通过图5可知，附加本发明所提出的附加阻尼控制器后，针对不同线路串补度工况，风电系统的次同步振荡现象均得到有效抑制，而且采用基于改进粒子群优化算法的附加阻尼控制器可以得到更优的次同步振荡抑制效果。

综上，本发明提出在双馈风力发电机组rsc的有功功率和无功功率控制环中同时附加阻尼控制器，并且应用改进的粒子群优化算法优化附加阻尼控制器的参数，本发明具有如下有益效果：显著提高双馈风电系统次同步振荡模态阻尼，实现系统次同步振荡有效抑制；而且所提抑制策略在全运行工况下具有良好的适应性，并且可以实现不同工况下系统次同步振荡阻尼的最优分配，从而在计及全工况运行时，可以实现最佳的次同步振荡抑制效果，有效改善双馈风电串补系统的稳定性，增强双馈风电机组的安全稳定运行能力。

最后需要说明的是，本发明的上述实例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。