基于statcom的风电场次同步与低频振荡抑制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于STATCOM的风电场次同步与低频振荡抑制方法。
【背景技术】
[0002] 自2010年中国风电总装机容量达到4470万千瓦以来，我国风力发电装机容量一 直居世界首位。随着我国对风力发电的大力投入，风力发电将在我国电力市场中占据更重 要的地位。
[0003] 由于风能分布特点，风电场一般离电力消费地区较远，大规模风电的远距离输送 一直是一个急待解决的热点问题。目前在远距离大容量的输电线路中，往往加入串联补偿 电容以提高系统的输送能力。该方法取得了较好的经济效益，但是这种远距离、高串补度的 点对网输电系统会引起次同步振荡（Subsynchronous Oscillation, SS0)，导致机组损坏。 同时，风电功率的随机性及强波动性给风电厂带来了较为严重的低频振荡（Low Frequency Os c i 11 at i on)问题，亦会导致电能质量下降，严重时可能出现机组损坏。
[0004] 因此针对风电场特点，提出有效的振荡抑制控制策略，对保证发电安全及发电质 量有着重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于STATCOM的风 电场次同步与低频振荡控制方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于STATCOM的风电场 次同步与低频振荡控制方法，包括以下步骤：
[0007] 1)在不投入STATCOM的情况下，通过Simulink仿真测量并计算风电场内风机的两 个次同步振荡频率fSS(]JP f SSffi，以及低频振荡频率4?;
[0008] 2)根据不同振荡频率设计次同步带通滤波器FSS(]1、Fsst32和低频带通滤波器F
[0009] 3)将风电场实时监测的风力发电机转子角速度增量分别通过次同步带通滤波器 FSSm、FSS(]2和低频带通滤波器Fm3，获得角速度增量的特定频段分量Λ ωι、Λ ω#ΡΛ ω 3;使 用Prony方法对获得的角速度特定频段分量进行分析，从而判断是否有振荡信号出现，以 及判断振荡的类别；
[0010] 4)根据风机当前运行状态调整STATCOM控制策略：当风机处于正常运行状态时， STATCOM为基本无功控制模式；当风机处于振荡状态，即次同步振荡模态SS01、次同步振荡 模态SS02、低频振荡模态LFO时，通过计算式
I分别计算次同步振 荡模态SS01、次同步振荡模态SS02、低频振荡模态LFO的参考阻尼D( Λ Co1)、D( Λ ω2)和 D ( Λ ω 3)，其中i = 1，2, 3 ;采用切换控制方法，根据模态识别方法辨识振荡模态，据振荡模 态选择对应振荡模态的参考阻尼，并通过限幅环节获得参考阻尼作为STATCOM附加控制的 参考量；其中，K 1是控制增益，T w是滤波器时间常数，T u和T 12是相位补偿环节的时间常数； ω i表示风力发电机转子的角速度；S表示复数；
[0011] 5) PffM调制单元输出相应的控制脉冲，控制STATC0M功率开关管的导通与关断，从 而实现对风电场侧换流器的控制，使风电场在不发生振荡时采用无功控制方案，在发生振 荡时实现对振荡的抑制控制。
[0012] 所述步骤2)中，对于次同步振荡模态，以风速10m/s时次同步振荡频率fsst^Pf SSQ2 的[90%，110% ]分别作为次同步带通滤波器匕。1、匕。2的频率，低频带通滤波器!^。的通 过频率为[0.2, 3]Hz。
[0013] 所述步骤4)中，根据Prony模态识别方法辨识振荡模态，据所述振荡模态选择对 应振荡模态的参考阻尼。
[0014] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明能够同时对风电场的次同 步振荡与低频振荡进行抑制，降低了振荡带来的风险；不需要改变风电机组的控制系统，通 过对STATCOM装置控制策略的修改即可实现抑制风电场机组振荡的目的；易于实现。
【附图说明】
[0015] 图1为为风电场输电并网系统的结构示意图；
[0016] 图2为STATCOM控制系统示意图；
[0017] 图3为低频振荡与次同步振荡抑制策略控制框图。
【具体实施方式】
[0018] 以图1为例的风电场发电系统，由风电场等效模型i、升压变压器ii、输电网络 iii、无穷大系统iv及控制系统V组成；其中，风电场等效模型i包括多台风机的风能捕捉 系统W、等效转矩系统TS、等效发电机IG、变压器T1，等效转矩系统TS为两质量块轴系传 动，等效发电机IG与变压器Tl的阻抗分别为X'与X n;升压变压器ii阻抗为XT2;输电网 络iii线路电阻R、电感L的阻抗分别为XR、\，通过串联电容C*对线路进行补偿，其阻抗为 Xc ;控制系统V包括振荡识别模块v-1、控制策略模块v-2、STATCOM电路v-3。
[0019] 按照控制策略实施步骤设计控制系统，控制系统V结构如图2所示：
[0020] Step 1?对系统振荡频率进行测量。首先切除控制系统V，对不含控制系统的风力 发电机振荡频率进行测量。例如串联补偿程度为65%，风速在12m/s时，通过仿真计算获得 发电机振荡模态与频率如表1所不：
[0021] 表 1
[0022]
[0023] 风机发生频率为33Hz、25Hz的次同步振荡，同时风电场出力在0% -15%时，还可 能发生频率为〇. 2-3Hz的低频振荡。
[0024] Step 2.基于振荡频率测量结果，设计振荡识别模块v-1中各带通滤波器频率。
[0025] 对于次同步振荡模态SS0USS02,以风速10m/s时振荡频率的[90%，110% ]作为 带通滤波器的频率，计算获得带通滤波器&^通过频率为[31. 5, 38. 5]Hz ;带通滤波器Fssq2 通过频率为[22. 5, 27. 5]Hz。
[0026] 低频振荡频率由于和风电场出力有关，设置带通滤波器Fm3的通过频率为 [0· 2, 3]Hz。
[0027] Step 3.本实施例中，将实时监测的风电场风机转子角速度增量Λ ω作为振荡检 测参考信号。（亦可用其它采集信号作为检测参考信号，例如风机接入处总线电压、频率变 化等）。将角速度增量分别通过带通滤波器F SS(]1、Fssi^P F SS(]1，将滤波后的特定频段分量分 别经由增益环节K1-K3，获得角速度增量的特定频段分量Λ ω1Ν Λ ?2和厶ω 3。输入模态识 别环节，在模态识别环节中，使用Prony算法对信号进行分解，分析出振荡的类型，从而进 行系统运行状态判断。系统运行状态有四种：
[0028] a.正常运行；
[0029] b.发生频率为35Hz左右的次同步振荡（模态SS01);
[0030] c.发生频率为25Hz左右的次同步振荡（模态SS02);
[0031] d.发生频率为0· 2~3Hz低频振荡（模态LF0)。
[0032] St印4.根据风机当前运行状态调整STATC0M控制策略。STATC0M控制策略如图 3所示；其中，v-2A为系统基本控制方法，v-2B为附加控制方法。
[0033] (1)风机处于正常运行状态（运行状态a)时，STATC0M采用基本控制方法v-2A。 控制系统需要三个输入信号，分别为交流系统总线电压U 1, STATC0M输出电流i。，锁相环PLL 同步角度Θ。通过总线电压U1、给定电压参考值u"f，产生无功电流参考值iqraf;输出电流 i。的经计算获得其无功分量i。q，并与所生成的无功电流参考值iq ^进行比较，获得的误差 被用于控制产生相位移％:相位移供经过与锁相环同步角相叠加，产生STATC0M输出电压、 交流系统电压之间所需相位移P '，经SPffM调制，对STATC0M进行控制。
[0034] (2)风机处于振荡状态（运行状态b、c、d)时，STATC0M加入附加控制v-2B。对特 定频段分量Λ ω#ΡΛ ω 3分别设计控制方式，针对三种振荡模态分别设计控制器参 数，使其输出附加控制的参考阻尼D(A Wl)、D(A ω2)和D(A ω3)。据模态识别环节的 判断结果，选择三个控制方案中的一种，经由限幅环节，提供STATC0M附加控制的参考阻尼 信号D(A ω)。通过附加的参考阻尼信号D(A ω)调整无功电流参考值iqraf。参考阻尼 信号D( Λ ω)的计算式为
，例如针对25Hz频率的次同步振荡， 可选取 Tw= 10, T H= 0· 005, T 12= 0· 01。
【主权项】
1. 一种基于STATCOM的风电场次同步与低频振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步 骤： 1) 在不投入STATCOM的情况下，通过Simulink仿真测量并计算风电场内风机的两个次 同步振荡频率fSS(]JPfSSffi，以及低频振荡频率4?; 2) 根据不同振荡频率设计次同步带通滤波器FSS(]1、FSS(]2和低频带通滤波器F 3) 将风电场实时测量获得的风力发电机转子的角速度增量分别通过次同步带通滤波 器和低频带通滤波器Flf。，获得角速度增量的特定频段分量Ac^、A?2和厶《 3; 通过Prony算法快速判断是否有振荡信号出现，以及判断振荡的类别； 4) 根据风机当前运行状态调整STATCOM控制策略：当风机处于正常运行状态时， STATCOM为基本无功控制模式；当风机处于振荡状态，即次同步振荡模态SS01、次同步振荡 模态SS02、低频振荡模态LF0时，通过计算式分别计算次同步振 荡模态SS01、次同步振荡模态SS02、低频振荡模态LF0的参考阻尼D(A%)、D(A?2)和D(A?3)，其中i= 1，2, 3 ;采用切换控制方法，根据模态识别方法辨识振荡模态，据振荡模 态选择对应振荡模态的参考阻尼，并通过限幅环节获得参考阻尼作为STATCOM附加控制的 参考量；其中，I是控制增益，Tw是滤波器时间常数，T和T12是相位补偿环节的时间常数； ?i表示风力发电机转子的角速度；S表示复数； 5. PWM调制单元输出相应的控制脉冲，控制STATCOM功率开关管的导通与关断，从而实 现对风电场侧换流器的控制，使风电场在不发生振荡时采用无功控制方案，在发生振荡时 实现对振荡的抑制控制。2. 根据权利要求1所述的基于STATCOM的风电场次同步与低频振荡控制方法，其特征 在于，所述步骤2)中，对于次同步振荡模态，以风速10m/s时次同步振荡频率fSS()dPf%。2的 [90%，110% ]分别作为次同步带通滤波器FSS(]1、FSS(]2的频率，低频带通滤波器Flf。的通过 频率为[0.2, 3]Hz。3. 根据权利要求1所述的基于STATCOM的风电场次同步与低频振荡控制方法，其特征 在于，所述步骤4)中，根据Prony模态识别方法辨识振荡模态，据所述振荡模态选择对应振 荡模态的参考阻尼。
【专利摘要】本发明公开了一种基于STATCOM的风电场次同步与低频振荡抑制方法，设计带通滤波器，将振荡检测的参考信号通过滤波器，获得特定频段的分量，之后采用Prony算法对振荡模态进行识别；针对不同振荡模态分别设计STATCOM控制策略，通过模态辨识结果对控制策略进行切换，使风电场能够在不发生振荡时采用无功控制方案，在发生振荡时能够实现对振荡的抑制控制。本发明不需要改变风电机组的控制系统，通过对STATCOM装置控制策略的修改即可实现抑制风电场机组振荡的目的。
【IPC分类】H02J3/24
【公开号】CN105098803
【申请号】CN201510643814
【发明人】刘芳, 马俊杰, 吴敏, 刘意, 李勇
【申请人】中南大学
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年10月8日