通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法及装置与流程

本发明实施例涉及电力系统控制技术领域，特别涉及一种通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法及装置。

背景技术：

风能作为一种可再生能源，由于其技术成熟，在全世界范围内得以大力的发展。但风资源丰富的地区，常远离负荷中心，为了解决风电外送问题，需增大线路的输电能力，常在远距离高压输电线路中安装串联电容补偿装置。但是，输电线路的不恰当串联电容补偿可能会诱发次同步谐振SSR(SubSynchrous Resonance)。

风电场SSR问题得到了学术界和工业界的广泛关注。大量研究表明相比于其他类型的机组，双馈风力发电机组更容易引起SSR问题。SSR不稳定是由于双馈风力发电机组、电力电子变流器控制系统和串补输电线路之间的相互作用造成的。现有的方案是在风电场输出端母线处并联一个耦合变压器，并增加大功率电力电子变流器(例如静止同步补偿器STATCOM和统一潮流控制器UPFC等)，使大功率电力电子变流器的输出端与该耦合变压器的一次侧电连接，通过大功率电力电子变换器产生一个次同步电流信号，将该次同步电流信号通过耦合变压器耦合到风电场的串补输电线路中，实现对风电场串补输电系统次同步谐振的抑制。然而，通过该方式必然要增加大功率电力电子变流器，需要在现有的线路上相应的增加硬件设备，存在增加设备投资成本且增加的电力电子变流器利用率不高的问题。

技术实现要素：

本发明提供通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法及装置，以提供一种优化的抑制双馈风机串补输电系统中次同步谐振的方案。

第一方面，本发明实施例提供通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法，包括：

获取风力发电机转子的转速信号和次同步谐振频率；

根据转速变化量与电磁转矩变化量的关系式的幅频特性和相频特性确定附加控制器，通过所述附加控制器处理所述转速信号获得附加控制量，其中，所述附加控制器包括带阻滤波模块、带通滤波模块和移相模块；

将所述附加控制量注入转子侧变流器，使所述附加控制量叠加到原控制量以生成附加转矩，其中，所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度的范围内，以抑制次同步谐振。

第二方面，本发明实施例还提供了通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的装置，该装置包括：

信号获取单元，用于获取风力发电机转子的转速信号和次同步谐振频率；

附加控制量确定单元，用于根据转速变化量与电磁转矩变化量的关系式的幅频特性和相频特性确定附加控制器，通过所述附加控制器处理所述转速信号获得附加控制量，其中，所述附加控制器包括带阻滤波模块、带通滤波模块和移相模块；

附加转矩生成单元，用于将所述附加控制量注入转子侧变流器，使所述附加控制量叠加到原控制量以生成附加转矩，其中，所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度的范围内，以抑制次同步谐振。

本发明通过获取风力发电机转子的转速信号和次同步谐振频率；根据转速变化量与电磁转矩变化量的关系式的幅频特性和相频特性确定附加控制器，通过所述附加控制器处理所述转速信号获得附加控制量。将所述附加控制量注入转子侧变流器，使所述附加控制量叠加到原控制量以生成附加转矩，其中，所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度的范围内，以抑制次同步谐振。本发明解决现有技术中抑制次同步谐振需要改进硬件设施，增加施工复杂度及设备成本的问题，实现通过改变转子侧变流器的控制策略，对次同步谐振起到正阻尼作用的目的，进而达到抑制双馈风机串补输电系统中发生次同步谐振的效果。

附图说明

图1a是本发明实施例一中的通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法流程图；

图1b是本发明实施例一中的双馈风机串补输电系统示意图；

图1c是本发明实施例一种的双馈风机转子侧变流器的闭环控制策略图；

图1d是本发明实施例一中附加转矩抑制次同步谐振的原理图；

图2a是本发明实施例二中的一种双馈风机转子侧变流器中附加阻尼控制的策略图；

图2b是本发明实施例二中的通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法中附加控制器的结构示意图；

图3是本发明实施例三中的通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

由于不同厂家生产的用于双馈风机的双馈变流器的硬件结构和控制器策略不同。对于具有某些硬件结构的双馈变流器，适合将附加阻尼策略添加在转子侧变流器中；相应的，对于另一些不同硬件结构的双馈变流器，适合将附加阻尼策略添加到定子侧变流器中。因此，可以根据不同双馈变流器的特性，选择是在转子侧变流器中附加阻尼控制策略，还是在定子侧变流器中附加阻尼控制策略。

图1a是本发明实施例一中的通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法流程图，本实施例可适用于调整双馈风机转子侧变流器的控制策略以抑制次同步谐振的情况，该方法可以由转子侧变流器的控制装置来执行，该装置被配置于双馈风力发电机的转子侧变流器中。所述转子侧变流器的控制方法具体包括如下步骤：

步骤110、获取风力发电机转子的转速信号和次同步谐振频率。

双馈风机串补输电系统如图1b所示，当风电场内各个风机运行工况相差不大时，整个风电场可用一台双馈风机等效。其中，e_r，e_s分别为转子和定子的感应电动势，u_cr，u_cg分别为转子侧变流器和定子侧变流器的输出电压，R_r，R_s为异步电机转子和定子绕组的电阻，R_cr和L_cr为转子侧变流器(RSC，Rotor Side Convertor)连接电抗的等效电阻和电感，R_cg和L_cg为定子侧变流器(GSC，Grid Side Convertor)连接电抗的等效电阻和电感，T_g为等效升压变压器，R_g、L_g和C_g分别为串补输电系统的等效电阻、电感和电容。

双馈风机通过对转子侧变流器和定子侧变流器的控制，实现双馈风机在转子转速高于同步速和低于同步速的条件下均能发出功率。转子侧变流器和定子侧变流器通常采用双闭环控制，外环根据控制目标生成参考电流，内环(电流环)跟踪所述参考电流生成参考电压输出至励磁电压调节器。转子侧变流器通常采用定子电压定向控制。转子侧变流器的控制目标是保持电机转速稳定，定子输出无功功率等于参考值。定子侧变流器的控制目标是维持定转子变流器之间的直流电容电压稳定，双馈风机的机端电压稳定。内环的实现方式有很多种，比如PI控制、交叉前馈控制及比例谐振控制等。本发明选择PI控制作为内环的实现方式，对于其他控制方式同样有效。

转子侧变流器通过速度传感器获取风力发电机转子的转速信号。例如，通过霍尔传感器检测转子的转速信号，并发送至转子侧变流器。

次同步谐振频率为风力发电机以及与其相连的串补输电系统的谐振频率。可以根据串补输电系统的串补度、等效电感、等效电容和等效电阻计算次同步谐振频率。可选的，还可以通过分析故障录波器记录的波形得到次同步谐振频率。另外，还可以通过电力系统同步相量测量装置(PMU)检测到同步谐振频率。

步骤120、根据转速变化量与电磁转矩变化量的关系式的幅频特性和相频特性确定附加控制器，通过所述附加控制器处理所述转速信号获得附加控制量。其中，所述附加控制器包括带阻滤波模块、带通滤波模块和移相模块。

通过异步电机的磁链及感应电动势方程，推导出转速变化时，定子感应电动势的变化量和转子感应电动势的变化量。然后，可以通过定子和转子电路方程，变流器电路方程及变流器控制策略方程，计算得到转速变化时，定子电流的变化量和转子电流的变化量。根据电磁转矩关系式可知转速变化引起的电磁转矩的变化量与稳态时dq轴定子电流、稳态时dq轴转子电流、dq轴转子电流变化量以及dq轴定子电流变化量有关。

ΔT_e＝-n_pL_m(i_sq0Δi_rd-i_sd0Δi_rq)-n_pL_m(i_rd0Δi_sq-i_rq0Δi_sd)＝ΔT_er+ΔT_es

其中，n_p为极对数，i_sd0，i_sq0，i_rd0，i_rq0分别为稳态时dq轴定子电流以及稳态时dq轴转子电流；Δi_rd，Δi_rq，Δi_sd，Δi_sq分别为dq轴转子电流变化量以及dq轴定子电流变化量。

因此，将定子稳态电流(稳态时dq轴定子电流)、转子稳态电流(稳态时dq轴转子电流)、定子电流的变化量(dq轴定子电流变化量)和转子电流的变化量(dq轴转子电流变化量)代入上述电磁转矩关系式，即可确定转速变化量与电磁转矩变化量的关系式。

为了便于确定转速变化量对应的电磁转矩变化量，做如下假设：

忽略转子侧变流器的控制策略中外环的比例和积分系数，以及内环的积分系数。并且，当定子侧变流器控制策略有效时，忽略输出电流中开关频率的分量，其输出电流中仅含工频基波分量，对于外围电路来说可以等效为一个基波电流源。此时，定子侧变流器的等效阻抗可认为是无穷大。因此，在确定转速变化导致的定子电流变化时，可以忽略定子侧变流器。

基于上述假设，由转速变化量确定电磁转矩变化量为：

其中，ΔT_ersc为电磁转矩变化量，Δω_r为次同步谐振的作用下转子扰动引起的转速变化量，ω_r为转子角频率，ω_s为定子角频率，i_sd为d轴定子电流，L_cr为转子变流器等效电感，R_rcr为转子侧变流器等效电阻，G_Tersc为电磁转矩变化量与转速变化量的关系式。

分析所述关系式G_Tersc的幅频特性，确定幅值增益在峰值点对应的转差频率，根据所述转差频率确定带阻滤波模块的传递函数的特征角频率，通过使所述转速信号乘以所述带阻滤波模块的传递函数，滤除所述峰值点对应的转速信号。

根据所述次同步谐振频率确定带通滤波模块的传递函数的特征角频率，通过使所述带阻滤波模块处理得到的信号乘以所述带通滤波模块的传递函数，提取所述次同步谐振频率对应的次同步信号。

分析所述关系式G_Tersc的相频特性，确定移相模块的传递函数，通过使所述带通滤波器处理得到的次同步信号乘以所述移相模块的传递函数，确定附加控制量。

步骤103、将所述附加控制量注入转子侧变流器，使所述附加控制量叠加到原控制量以生成附加转矩。其中，所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度的范围内，以抑制次同步谐振。

获取风力发电机的转子侧变流器和定子侧变流器的结构、参数以及控制策略。在上述假设的基础上，转子感应电动势变化量只会产生转子电流变化量，而不会产生定子电流变化量，定转子电流变化量是解耦的，定转子电磁转矩变化量也是解耦的。可以将双馈风机转子侧变流器的闭环控制策略简化为图1c所示的控制策略图。其中，对转子角频率ω_r与设定的参考角频率ω_rref的偏差量做比例积分运算，获得d轴参考电流。对所述d轴参考电流及d轴转子电流i_crd的偏差量做比例积分运算，将运算结果与q轴转子电流i_crq、定子角频率ω_s和定子侧变流器连接电抗的等效电感L_cg的乘积进行减法运算(以抵消掉数学模型及电路模型中dq轴的交叉参数，进而实现dq轴解耦合)，得到d轴参考电压u_crderf。以及，对转子无功功率与设定参考功率的偏差量做比例积分运算，获得q轴参考电流。对q轴参考电流及q轴转子电流i_crq的偏差量做比例积分运算，将运算结果与d轴转子电流i_crd、定子角频率ω_s和定子侧变流器连接电抗的等效电感L_cg的乘积进行加法运算(以抵消掉数学模型及电路模型中dq轴的交叉参数，进而实现dq轴解耦合)，得到q轴参考电压u_crqerf。在上述转子侧变流器中增加所述附加控制器，通过所述附加控制器将附加控制量(可以是附加电压)注入到转子侧变流器的内环d轴电流环，将所述附加控制量叠加到原控制量变化量得到转子侧变流器的输出电压变化量。即，转子侧变流器的输出电压变化量Δu‘_crderf＝Δu_crderf+G_SSDR(s)Δω_r，其中，Δu_crderf为转速变化量Δω_r对应的转子侧变流器输出电压变化量，G_SSDR(s)为附加控制器的传递函数。然后，根据转子侧变流器电路方程、所述转子侧变流器输出电压变化量和所述转速变化量对应的转子感应电动势变化量，确定转子电流变化量。根据定子侧变流器电路方程、控制策略约束方程、双馈风机输出电流变化量和所述转速变化量对应的定子感应电动势变化量，确定定子电流变化量。根据转子稳态电流、转子电流变化量、定子稳态电流和定子电流变化量确定附加转矩。所述附加转矩与转速变化量的相位差在90度至270度之间且增益足够大，从而，对次同步谐振导致的转速变化起到正阻尼作用，以抑制次同步谐振。例如，如图1d所示，在发生次同步谐振时，在次同步谐振的作用下转子扰动引起的转速增量为Δω_r。若未附加阻尼控制时总转矩增益为G_Te，相位为总转矩增益G_Te在x轴上的投影与转速增量Δω_r的方向相同，所以，由于转速变化产生的电磁转矩的变化量对次同步谐振起到负阻尼的作用。通过在转子侧增加所述附加控制器，从而在双馈风机中产生附加转矩，其阻尼增益为G_Tersc，相位为180度。因此，附加转矩增益G_Tersc与未附加阻尼控制时总转矩增益为G_Te之和为G‘_Te，相位和为位于二三象限之间。由G‘_Te在x轴上的投影对应的正阻尼G‘_Tex大于电磁转矩增量G_Te在x轴上的投影对应的负阻尼G_Tex。因此，对次同步谐振起抑制的作用。

本实施例的技术方案提出了一种基于双馈风机自身转子侧变流器的附加阻尼控制来抑制次同步谐振的方式。通过获取风力发电机转子的转速信号和次同步谐振频率；根据转速变化量与电磁转矩变化量的关系式的幅频特性和相频特性确定附加控制器，通过所述附加控制器处理所述转速信号获得附加控制量。将所述附加控制量注入转子侧变流器，使所述附加控制量叠加到原控制量以生成附加转矩，其中，所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度的范围内，以抑制次同步谐振。本实施例的技术方案解决了现有技术中抑制次同步谐振需要改进硬件设施，增加施工复杂度及设备成本的问题，达到了抑制双馈风机串补输电系统中的次同步谐振的目的。

实施例二

图2a是本发明实施例二中的一种转子侧变流器中附加阻尼控制的策略图。本实施例的技术方案在上述实施例的基础上，附加控制器优选可以包括带阻滤波模块、带通滤波模块和移相模块。

计算得到上述电磁转矩变化量与转速变化量的关系式G_Tersc的极点为从而可知，所述关系式的幅值增益在角频率为ω_s-ω_r附近达到最大值(峰值)。然而，该频率并非次同步谐振的频率，所以附加控制器包括特征角频率为ω_s-ω_r的带阻滤波模块，以尽量减小该频率下的幅值增益。所述带阻滤波模块的阻尼比ξ₁＝0.5～1，并且阻尼比取值越大，越能最大限度的过滤掉非次同步谐振频率对应的转速信号。即，通过使所述转速信号乘以所述带阻滤波模块的传递函数，滤除关系式G_Tersc的幅值增益的峰值点对应的转速信号。所述带阻滤波模块为二阶次同步带阻滤波器，所述带阻滤波器的传递函数为：

其中，ω_c1为带阻滤波器的特征角频率，ω_c1的取值为定子角频率与转子角频率之差；ξ₁为带阻滤波器的阻尼比，ξ₁的取值范围为0.5～1。

为了提高次同步谐振频率下幅值增益，在所述附加控制器中增加带通滤波模块，所述带通滤波模块的特征角频率由次同步谐振频率确定。

所述带通滤波模块为二阶次同步带通滤波器，所述带通滤波器的传递函数为：

其中，ω_c2为带通滤波器的特征角频率，ω_c2＝2πf_ssr，f_ssr为次同步谐振频率；ξ₂为带通滤波器的阻尼比，ξ₂的取值范围为0.5～1。将带通滤波器的特征频率设为ω_c2，以尽可能的增大在次同步谐振频率附近的幅值增益。

为了增强抑制效果，使所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度之间，在所述附加控制器中增加移相模块。

若假设因转速变化量的相位为0度，则通过所述附加控制器使附加转矩在次同步谐振频率下的相位为180度，与之完全反向，进而对次同步谐振起正阻尼作用，且此时，正阻尼最大。所述移相控制模块的传递函数为一阶传递函数：

其中，K为增益，T_PS为时间常数。

据此，所述附加控制器的传递函数为：G_SSDR(s)＝G_BRR(s)G_BPR(s)G_PSR(s)。如图2b所示，将转子的转速信号作为反馈量，经频率辨识处理，将所述转速信号中的工频分量、其他次谐波分量以及次同步谐振分量等分离开。其中，所述转速信号经过传递函数为G_BRR(s)的带阻滤波器，最大限度的过滤掉非次同步谐振频率对应的转速分量。然后，将带阻滤波器处理后的信号与带通滤波器的传递函数G_BPR(s)相乘，以增大在次同步谐振频率附近信号的增益。最后，将带通滤波器处理后的信号与移相模块的传递函数G_PSR(s)相乘得到附加控制量(如电压u_ssdr)。

从转子侧变流器中附加阻尼控制的策略图2a可知，转子角频率ω_r与设定的参考角频率ω_rref的偏差量做比例积分运算，获得内环d轴电流环的参考电流。对所述内环d轴电流环的参考电流及d轴转子电流i_crd的偏差量做比例积分运算，将运算结果与q轴转子电流i_crq、定子角频率ω_s和定子侧变流器连接电抗的等效电感L_cg的乘积进行减法运算(以抵消掉数学模型及电路模型中dq轴的交叉参数，进而实现dq轴解耦合)，得到d轴参考电压u_crderf。则转速信号包括的转速变化量Δω_r对应的转子侧变流器输出的d轴参考电压变化量为Δu_crderf。通过所述附加控制器将附加电压u_ssdr注入双馈风机转子侧变流器的内环d轴电流环，使所述附加电压u_ssdr叠加到所述d轴参考电压变化量为Δu_crderf得到转子侧变流器的输出电压变化量Δu‘_crderf。确定转速变化对应的转子电路变化量和定子电流变化量，最终，在双馈风机中产生与所述转速变化量的相位差在90度至270度范围内的附加转矩，以抑制双馈风机串补输电系统中的次同步谐振。

实施例三

图3是本发明实施例三中的通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的装置的结构示意图。所述转子侧变流器的控制装置，包括：

信号获取单元310，用于获取风力发电机转子的转速信号和次同步谐振频率；

附加控制量确定单元320，用于根据转速变化量与电磁转矩变化量的关系式的幅频特性和相频特性确定附加控制器，通过所述附加控制器处理所述转速信号获得附加控制量，其中，所述附加控制器包括带阻滤波模块、带通滤波模块和移相模块；

附加转矩生成单元330，用于将所述附加控制量注入转子侧变流器，使所述附加控制量叠加到原控制量以生成附加转矩，其中，所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度的范围内，以抑制次同步谐振。

本实施例的技术方案提出了一种通过双馈风机自身转子侧变流器的附加阻尼控制来抑制次同步谐振的方式。通过信号获取单元310获取风力发电机转子的转速信号和次同步谐振频率。通过附加控制量确定单元320根据转速变化量与电磁转矩变化量的关系式的幅频特性和相频特性确定附加控制器，通过所述附加控制器处理所述转速信号获得附加控制量，其中，所述附加控制器包括带阻滤波模块、带通滤波模块和移相模块。通过附加转矩生成单元330，将所述附加控制量注入转子侧变流器，使所述附加控制量叠加到原控制量以生成附加转矩，其中，所述附加转矩与所述转速变化量的相位差在90度至270度的范围内，以抑制次同步谐振。本实施例的技术方案解决了现有技术中抑制次同步谐振需要改进硬件设施，增加施工复杂度及设备成本的问题，达到了抑制双馈风机串补输电系统中的次同步谐振的目的。

进一步的，所述附加控制量确定单元320包括：

带阻滤波子单元，用于分析所述关系式的幅频特性，确定峰值点对应的转差频率，根据所述转差频率确定带阻滤波模块的传递函数的特征角频率，通过使所述转速信号乘以所述带阻滤波模块的传递函数，滤除所述峰值点对应的转速信号。其中，所述带阻滤波模块为二阶次同步带阻滤波器，所述带阻滤波器的传递函数为：

其中，ω_c1为带阻滤波器的特征角频率，ω_c1的取值为定子角频率与转子角频率之差；ξ₁为带阻滤波器的阻尼比，ξ₁的取值范围为0.5～1。

带通滤波子单元，用于根据所述次同步谐振频率确定带通滤波模块的传递函数的特征角频率，通过使所述带阻滤波模块处理得到的信号乘以所述带通滤波模块的传递函数，提取所述次同步谐振频率对应的次同步信号。其中，所述带通滤波模块为二阶次同步带通滤波器，所述带通滤波器的传递函数为：

其中，ω_c2为带通滤波器的特征角频率，ω_c2＝2πf_ssr，f_ssr为次同步谐振频率；ξ₂为带通滤波器的阻尼比，ξ₂的取值范围为0.5～1。

移相子单元，用于分析所述关系式的相频特性，确定移相模块的传递函数，通过使所述带通滤波器处理得到的次同步分量乘以所述移相模块的传递函数，确定附加控制量。

进一步的，所述附加转矩生成单元330具体用于：

将所述附加控制量注入转子侧变流器的内环d轴电流环中，使所述附加控制量叠加到原控制量变化量得到转子侧变流器输出电压变化量；

根据转子侧变流器电路方程、所述转子侧变流器输出电压变化量和所述转速变化量对应的转子感应电动势变化量，确定转子电流变化量；

根据定子侧变流器电路方程、控制策略约束方程、双馈风机输出电流变化量和所述转速变化量对应的定子感应电动势变化量，确定定子电流变化量；

根据转子稳态电流、转子电流变化量、定子稳态电流和定子电流变化量确定附加转矩。

进一步的，还包括：所述附加转矩与所述转速变化量的相位差为180度。此时，所述附加转矩对次同步谐振导致的转速振荡的正阻尼作用最大。对应的移相模块的传递函数为：

其中，K为增益，T_PS为时间常数。

上述通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的装置可执行本发明任意实施例所提供的通过双馈风机转子侧变流器抑制次同步谐振的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。