一种基于虚拟阻抗的DFIG-PSS控制器设计方法
本发明涉及风电系统技术领域，特别是指一种基于虚拟阻抗的dfig-pss控制器设计方法。
背景技术：
大规模风电机组并网给电力系统稳定运行带来了新的挑战，风电机组如双馈感应电机(doublyfedinductiongenerator，dfig)将影响系统原有振荡模式，并可能引入新的振荡模式，对系统的动态稳定性尤其是小干扰稳定性产生不利影响。传统同步发电机采用电力系统稳定器(powersystemstabilizer，pss)，在系统受到扰动期间提供附加阻尼，改善系统低频振荡特性。随着风电渗透率的增加，电网要求风电机组也能为电力系统提供阻尼，通过类似传统同步发电机的附加阻尼控制策略研究变得至关重要。
近年来，国内外针对大规模风电并网引起的低频振荡问题已展开了大量的研究工作，并取得了丰富的研究成果。研究表明，大容量风电机组对电力系统的影响不容忽视，因此研究风电机组，尤其是目前广泛应用的双馈风电机组对互联系统小干扰稳定性的影响尤为重要。文献[joseluisdominguez-
风电并网时，系统输出电压对输出阻抗特性有一定要求，采用相应的虚拟阻抗(virtualimpedance，vi)控制策略，可以使等效输出阻抗呈现出系统期望的特性。文献[周鹏,张新燕,邸强,岳家辉,邢琛.基于虚拟同步机控制的双馈风电机组预同步并网策略[j].电力系统自动化,2020,44(14):71-84.]提出一种虚拟同步机(virtualsynchronousgenerator，vsg)控制的双馈风电机组无锁相环预同步控制策略，并提出在无功控制环中引入虚拟阻抗，以虚拟电流代替参考输入量，实现了双馈风电机组快速有效地平滑并网。文献[巨云涛,马雅蓉,齐志男.基于阻尼转矩分析的虚拟同步机对小干扰稳定的影响机理研究[j/ol].中国电机工程报,1-10[2020-11-30].]阐明了虚拟同步控制策略对小干扰稳定的影响机理，并发现适当增大虚拟阻抗环节的电感有利于系统的小干扰稳定。文献[李辉,王坤,胡玉,王晓,夏桂森.双馈风电系统虚拟同步控制的阻抗建模及稳定性分析[j].中国电机工程学报,2019,39(12):3434-3443.]基于双馈风电系统的虚拟同步控制策略，提出一种d-q旋转坐标系下的虚拟同步控制策略。
传统pss采用开环控制，易产生一些对系统不利影响的振荡信号。当并网逆变器带非线性负载运行时，系统输出电流含有谐波，输出阻抗呈现非电阻特性，可采用虚拟阻抗自校正来调节输出阻抗特性。
技术实现要素：
针对上述背景技术中的不足，本发明提出了一种基于虚拟阻抗的dfig-pss控制器设计方法，解决了现有含风电电力系统存在低频振荡的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于虚拟阻抗的dfig-pss控制器设计方法，其步骤如下：
步骤一：构建含双馈感应电机模型的电网系统，其中，双馈感应电机模型包括转子侧换流器和风电机组，转子侧换流器通过定子和转子控制风电机组；
步骤二：将电力系统稳定器和虚拟阻抗相结合后连接到转子侧换流器，并采用定子磁链定向矢量控制技术获得转子侧换流器的输出电压与转子电流的关系；
步骤三：根据定子电压、电子磁链和电子电流之间的关系获得定子电流与定子的输出功率的关系；
步骤四：根据转子侧换流器的输出电压与转子电流的关系以及定子电流与定子的输出功率的关系得到电力系统稳定器-虚拟阻抗的参数与定子的输出功率的关系；
步骤五：通过改变电力系统稳定器-虚拟阻抗的参数调整定子的输出功率，进而影响电网系统的阻尼特性。
所述转子侧换流器的输出电压与转子电流的关系为：
其中，kp1、ki1、kp3、ki3、kq1、ki2均为转子侧换流器控制比例积分控制器的参数，vrd表示d轴转子电压，ps*表示转子有功功率参考值，ps表示转子有功功率测量值，ird表示d轴转子电流，vrq表示q轴转子电压，qs*表示转子无功功率参考值，qs表示转子无功功率测量值，irq表示q轴转子电流，s表示微分算子，uerrs为电力系统稳定器-虚拟阻抗经自动电压调节器装置后的输入信号。
所述电力系统稳定器-虚拟阻抗经自动电压调节器装置后的输入信号为：
式中，te、kf1、tc、tb、tf1、ka、ta、tr、k均为自动电压调节器的控制参数，△p表示转子有功功率参考值ps*与转子有功功率测量值ps的差值，u表示双馈感应电机模型的定子电压，g1(s)表示电力系统稳定器-虚拟阻抗的传递函数。
所述定子电流与定子的输出功率的关系为：
式中：lm为d-q坐标系定子和转子同轴等效绕组互感，ls为d-q坐标系中定子等效两相绕组自感，ωs为同步磁场旋转角速度，ps为定子的有功输出功率，qs为定子的无功输出功率，ids表示d轴定子电流，iqs表示q轴定子电流，uds表示d轴定子电压，us表示定子电压。
所述定子电流为：
所述电力系统稳定器-虚拟阻抗的参数与定子的输出功率的关系为：
与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：
1)本发明在传统pss基础上增添虚拟阻抗环节，采用闭环负反馈控制方式，以增强控制器对外界抗干扰能力，通过对控制器进行阶跃响应测试，验证虚拟阻抗环节对控制器的提升作用。
2)在digsilent/powerfactory仿真软件中搭建本发明的dfig-pss-vi模型，并以4机2区域系统为例，将所搭建控制器加入dfig转子侧控制器无功控制环中，通过时域仿真验证了所设计控制器对系统低频振荡特性的改善作用。
3)基于虚拟阻抗控制器超调量低于传统控制器，具有良好的阶跃响应特性，对系统稳定性改善作用更明显。
4)dfig转子侧无功控制环加装基于虚拟阻抗pss可改善含风电电力系统低频振荡特性，在联络线功率变化时也有一定的效果。
5)dfig-pss-vi增益和虚拟阻抗电感对系统阻尼有一定的影响，其对区域内振荡改善效果有限，但为抑制含风电区域互联系统区域间低频振荡提供了新思路。
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为虚拟阻抗矢量图。
图2为pss-vi阶跃响应曲线。
图3为pss-vi单位阶跃响应曲线。
图4为本发明的dfig-pss-vi控制结构图。
图5为本发明的含dfig的4机2区域系统框图。
图6为本发明的pss-vi增益k1对含dfig的4机2区域系统的区域间振荡模式特征根的影响分布。
图7为本发明的pss-vi参数kl对含dfig的4机2区域系统的区域间振荡模式特征根的影响分布。
图8为本发明的含dfig的4机2区域系统加装pss-vi后负荷波动响应曲线，其中，(a)为发电机g1功角响应曲线，(b)为发电机g1电压响应曲线。
图9为本发明的含dfig的4机2区域系统加装pss-vi后三相短路响应曲线，其中，(a)为发电机g1功角响应曲线，(b)为发电机g1电压响应曲线。
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付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。
虚拟阻抗是在控制环节中引入反馈回路来模拟实际线路阻抗作用的一种控制方法，虚拟阻抗的实现方法较灵活，在控制器输出阻抗或者线路阻抗较小时，均可引入虚拟阻抗来进行补偿。通过选取合理的虚拟阻抗zvi，与pss的输出阻抗zoi组成新的输出阻抗zi，进而改变系统阻抗的性质来达到提高系统稳定性的目的。
根据开环系统稳定性判据可知，若想提高系统稳定性，可以从提高系统阻尼，降低系统超调量着手，从图1中可看出，当zvi改变时可以改变zi的相角，通过改变虚拟阻抗来调整pss-vi输出阻抗，进而保证控制器良好的单位阶跃响应。而采用闭环反馈环节可以保证控制器有较高精度，增强控制器抗干扰能力，保证系统的小干扰稳定性。
pss-vi如图2所示，其传递函数为：
式中，kl，kr为虚拟阻抗环节参数；k1为pss-vi控制器增益，g1(s)表示pss-vi传递函数，tw表示滤波环节时间常数，t1、t2、t3、t4表示补偿环节时间常数。
图5为pss-vi单位阶跃响应，可以看出，虽然pss-vi采用闭环负反馈的控制方式，但没有出现闭环系统常见的超调、振荡等问题，有良好的阶跃响应特性，改变虚拟阻抗环节参数kl可以调节控制器单位阶跃响应。
本发明实施例提供了一种基于虚拟阻抗的dfig-pss控制器设计方法，具体步骤如下：
步骤一：构建含双馈感应电机模型的电网系统，其中，双馈感应电机模型包括转子侧换流器和风电机组，转子侧换流器通过定子和转子控制风电机组；双馈发电机采用矢量控制策略，实现有功功率和无功功率的解耦控制，并考虑最大风功率和无功补偿，如图6所示。该控制器采用传统的嵌套环结构，即外部转速/有功功率和无功功率控制回路和内部d-q转子电流控制回路，可以从实际参考值和无功参考值中有效估计出转子d-q参考电流，省去了嵌套控制结构的功率环控制器。
具有基本功率和电压控制回路的双馈发电机对电网机电振荡模式的阻尼作用较小，但通过引入附加阻尼控制，可以显著增强阻尼作用。附加阻尼控制信号经自动电压调节器(automaticvoltageregulator，avr)加入dfig有功功率控制回路或无功功率控制回路。
通过有功调节改变发电机的电磁转矩更有效，但有功调节会恶化dfig轴动力学特性，无功调节可能会恶化定子电压动态特性，dfig有时需要牺牲自身的部分动力学特性来进行阻尼控制，在实际实现时需要同时考虑阻尼控制和系统动态性能。
步骤二：将电力系统稳定器和虚拟阻抗相结合后连接到转子侧换流器，并采用定子磁链定向矢量控制技术获得转子侧换流器的输出电压与转子电流的关系；pss-vi输入信号选择对控制器性能有较大影响，输入信号可以选择转子转速、电压、电流或频率，基于残差分析是最常用的信号选择方式。当输出信号加到转子电压正交分量，即无功功率控制回路中时，可选择为dfig的有功功率参考值ps*与有功功率测量值ps的差值δp作为输入信号。本发明将pss-vi输出控制信号upss-vi加入无功功率控制回路中，求和得到转子电压的正交分量。
dfig转子侧变流器采用定子磁链定向矢量控制技术，转子电流和rsc输出电压的关系为：
加入pss-vi控制器后，由公式(2)可以得出转子电流和rsc输出电压的关系：
其中，kp1、ki1、kp3、ki3、kq1、ki2均为转子侧换流器控制pi(比例积分)控制器的参数，vrd表示d轴转子电压，ps*表示转子有功功率参考值，ps表示转子有功功率测量值，ird表示d轴转子电流，vrq表示q轴转子电压，qs*表示转子无功功率参考值，qs表示转子无功功率测量值，irq表示q轴转子电流，s表示微分算子，uerrs为电力系统稳定器-虚拟阻抗经自动电压调节器装置后的输入信号。
uerrs为电力系统稳定器-虚拟阻抗经avr装置后的输入信号。
式中，te、kf1、tc、tb、tf1、ka、ta、tr、k均为avr控制参数，upss-vi表示pss-vi输出信号,u表示dfig定子电压。
步骤三：根据定子电压、电子磁链和电子电流之间的关系获得定子电流与定子的输出功率的关系；
在定子电压定向下，同步旋转坐标系d轴与定子电压矢量us方向重合，忽略定子电阻后定子磁通矢量与q轴负向一致，滞后定子电压矢量90°。由定子侧的电压、磁链和电流关系可得定子电流和功率表达式为：
式中：lm为d-q坐标系定子和转子同轴等效绕组互感，ls为d-q坐标系中定子等效两相绕组自感，ωs为同步磁场旋转角速度，ps为定子的有功输出功率，qs为定子的无功输出功率，ids表示d轴定子电流，iqs表示q轴定子电流，uds表示d轴定子电压，us表示定子电压。
步骤四：根据转子侧换流器的输出电压与转子电流的关系以及定子电流与定子的输出功率的关系得到电力系统稳定器-虚拟阻抗的参数与定子的输出功率的关系；
由公式(4)-(6)可得定子输出功率与pss-vi控制器参数的关系如下：
步骤五：通过改变电力系统稳定器-虚拟阻抗的参数调整定子的输出功率，进而影响电网系统的阻尼特性。根据公式(7)，当改变pss-vi参数时，dfig的输出无功功率会跟随改变，进而影响系统的阻尼特性。
仿真实验
为研究本发明方法改善含风电电力系统低频振荡特性的有效性，在digsilent/powerfactory仿真软件搭建dfig-pss-vi模型，并在4机2区域互联系统(简称本系统)上采用特征根分析和时域仿真进行了分析。本系统的基准容量为100mva，频率50hz，联络线传输功率为400mw。本系统的区域1和区域2通过双回联络线连通，g1、g2、g3、g4为4台额定容量为900mva、20kv的火电机组，其中节点3为参考节点，各发电机组有功出力为700mw。dfig接入点为母线10，本系统的系统图如图7所示。
本仿真实验首先研究控制器增益影响，在保证其他控制参数不变的前提下调整pss-vi控制器增益k1，由式(7)和式(4)可知当k1减小时，dfig输出无功功率相应减小，图6给出系统区域间振荡模式特征根的分布情况，由图6可知，随着pss-vi控制器增益减小，本系统区域间振荡模式特征值呈左移趋势，阻尼比呈增加趋势。
pss-vi控制器增益k1＝0.45，保持其他参数不变，改变虚拟阻抗环节参数kl，图7给出了系统区域间振荡模式特征根的分布情况，由图7可知，随着pss-vi控制器虚拟阻抗环节参数kl减小，本系统的区域间振荡模式特征根系统区域间振荡模式特征值呈左移趋势，阻尼比呈增加趋势。
根据前面分析，取pss-vi参数：tw＝0.01，t1＝0.2，t2＝0.08，t3＝0.06，t4＝0.4，k1＝0.45，kr＝0.2，kl＝0.5。表1中给出了系统加装pss-vi控制器前后的部分特征值，模式1与模式4为区域间振荡模式，模式2和模式3为区域内振荡模式。可以看出，区域间振荡模式1的阻尼比得到明显提高，系统的鲁棒性得到改善。
表1加装pss-vi后系统振荡模式
假设系统负荷l1有功功率在1s时阶跃5％，1.5s时系统负荷恢复，联络线传输功率为400mw，仿真时间20s，图8中给出了在发生负荷波动时，系统添加pss-vi控制器前后发电机g1相对功角δ和母线6电压变化曲线。
假设联络线6与7之间在t＝1s时发生三相短路，t＝1.1s故障清除，仿真时间20s，图9给出了发电机g1相对功角δ和母线6的频率变化曲线。
由图8和图9可知，在系统发生不同类型的扰动时，系统添加pss-vi控制器后发电机g1相对功角δ和母线6电压振荡幅度均发生了不同程度的减小，这说明加装pss-vi控制器对系统振荡有一定的抑制作用，改善了含风电系统的阻尼特性。
发电机出力或负荷功率变化都会使联络线传输功率发生变化，甚至改变联络线的功率传输方向。为进一步验证所建立模型，考虑通过改变同步发电机的出力改变联络线功率，在不同联络线功率下研究其改善效果。
表2不同联络线传输功率下系统的振荡模式
将联络线功率分别调整为300mw、450mw、600mw，由区域1向区域2传输功率，表2给出不同联络线传输功率时系统特征值。由表2可得，加装pss-vi控制器后，在联络线传输功率不同的条件下，系统区域间振荡模式1的阻尼比改变量均得到提高。
针对风电并网系统中低频振荡问题，本发明构建了基于虚拟阻抗的dfig-pss控制器，之后对搭建的控制器进行了阶跃响应分析，验证虚拟阻抗环节对控制器的提升作用。在digsilent/powerfactory仿真软件中搭建所设计dfig-pss-vi模型，并以4机2区域系统为例，将所搭建控制器加入dfig转子侧控制器无功控制环中，通过时域仿真验证了所设计控制器对系统低频振荡特性的改善作用。本发明具有以下优势：
(1)基于虚拟阻抗控制器超调量低于传统控制器，具有良好的阶跃响应特性，对系统稳定性改善作用更明显。
(2)dfig转子侧无功控制环加装基于虚拟阻抗pss可改善含风电电力系统低频振荡特性，在联络线功率变化时也有一定的效果。
(3)dfig-pss-vi增益和虚拟阻抗电感对系统阻尼有一定的影响，其对区域内振荡改善效果有限，但为抑制含风电区域互联系统区域间低频振荡提供了新思路。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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