一种风电机组侧有源次同步振荡抑制装置及其方法与流程

本发明涉及一种风电机组侧有源次同步振荡抑制装置及其方法，属于新能源发电领域。

背景技术：

近年来电网迅速发展，国内多个区域电网出现了风电与直流输电或串补线路等电网结构相互作用形成的次同步振荡现象，严重时可能导致区域内同步机组次同步保护动作、风电脱网等影响。与同步发电机组为主的传统次同步振荡问题不同，这类新型的风电参与的次同步振荡现象还具有振荡频率和振荡幅度随机网方式变化而变化的特点。

目前针对风电参与的次同步振荡研究所提的抑制措施大多从电网角度出发、按集中处理思路进行，例如改变电网串补投入情况避开谐振点，在风电场并联点改造/新增并联型静止同步补偿器（简称STATCOM）等，这类方法多基于振荡频率已知的情况下进行离线整定，提前计算系统谐振频率，对运行方式改变的适应性较差。

从风电机组侧进行次同步振荡检测和抑制不失为一种值得尝试的解决途径。有学者和专家提出基于风电机组自身变流器进行控制改进的处理方法，然而这一思路未考虑到当前风电设备厂商百花齐放，风电主机厂商和变流器厂商组合配套方式多样，改造的技术难度和执行困难都不容小觑。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种风电机组侧有源次同步振荡抑制装置，实现风机次同步振荡检测和抑制功能，易于工程改造和实现，且造价成本低。本发明通过在附加三相全控逆变器来产生补偿风电机组次同步电流的分量，优化并联点电流和电压，增强次同步频带上的电气阻尼，实现系统的次同步振荡抑制。

为实现上述发明目的，本发明提供的一种风电机组侧有源次同步振荡抑制装置及其方法，其特征在于，包括与风电机组输出端相连接的三相全控逆变器，所述风电机组输出端连接风电机组箱变低压侧输入端，所述三相全控逆变器与风电机组箱变低压侧输入端相并联连接；

其还包括一控制器，用于采集风电机组箱变低压侧电网电压和风电机组低压侧入网电流，监测机组运行状态，提取风电机组次同步振荡信息，同时采集三相全控逆变器的输出电流和直流电压作为控制反馈，进而控制增强次同步频带上的电气阻尼，实现整个风电并网系统输出的次同步振荡抑制。

进一步的，所述风电机组包括风力发电机以及与风力发电机连接的变流器。

进一步的，所述的三相全控逆变器采用IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）器件，开关频率几千赫兹，输出采用纯电感滤波器，电感取值约为风力发电机及变流器输出滤波电感的1~3倍。所述控制器的控制方式采用矢量控制和次同步振荡抑制控制。

一种风电机组侧有源次同步振荡抑制方法，其特征在于，其方法步骤包括：

（1）采集风电机组箱变低压侧电网电压e_abc、三相逆变器的输出电流i_1abc、直流电压Udc，按照常规矢量控制方法，经锁相环和坐标变换得到电网电压基准角度θ_e，经过直流电压控制器和d轴电流控制器、q轴电流控制器，得到基波控制电压分量e_cd1、e_cq1。

（2）采集低压侧入网电流i_wabc，坐标变换得到同步坐标表示值i_wd、i_wq，再经过带通滤波器分离直流分量和高频分量，得到次同步振荡电流i_ssrd、i_ssrq。

（3）将次同步振荡电流i_ssrd、i_ssrq经移相变换和比例调节，得到次同步控制分量e_cssrd、e_cssrq。

（4）将基波控制分量矢量e_cd1、e_cq1和次同步控制分量e_cssrd、e_cssrq合成得到经SVPWM（空间矢量脉宽调制，Space Vector Pulse Width Modulation)调制最后得到逆变器开关控制信号，作用于逆变器形成闭环控制，得到次同步振荡阻尼效果。

进一步的，所述步骤（2）中带通滤波器基于dq同步旋转坐标系，可由低通滤波和高通滤波组成。考虑到一般所谓次同步振荡指功率上2~50Hz的振荡，对应50±(2~50)Hz的电流三相量，在dq同步坐标系下表现为2~50Hz，从而低通滤波截止频率取1~6Hz用于滤除直流，高通滤波器的截止频率取180~250Hz用于滤除高频谐波。

本发明的有益效果在于：

采集风电机组机端电气信号并附加小容量逆变器，可实现对风电机组层面的次同步振荡监测与抑制；

不受限于具体风电机组的结构和控制，方便工程改造；

不必设定次同步振荡频率，能适应机网方式变化导致的次同步振荡变化。

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为本发明应用于风电机组并网系统的连接示意图；

图2a为本发明应用于风电机组并网系统的次同步电流等值示意图；

图2b为本发明应用于风电机组并网系统的基波电流等值示意图；

图3为本发明风电机组侧有源次同步振荡抑制装置控制方法的进一步描述；

图4为实施例中次同步振荡抑制的具体执行方法；

图5a为本实施例风电机组箱变高压母线上三相线电压畸变波形图；

图5b为本实施例风电机组箱变高压母线上三相电流变化波形图；

图5c为本实施例风电机组箱变高压母线上输出有功和无功振荡的波形图；

图5d为实施例中装置检测到的次同步振荡频。

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作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。

实施例：在双馈风电机组次同步振荡场景中应用

本发明公开了一种风电机组侧有源次同步振荡抑制装置，图1是本发明所述装置在风机并网系统中的连接示意图，小容量三相全控逆变器并联连接于风电机组箱变低压侧，与风电机组呈并联运行关系，需采集风电机组箱变低压侧电网电压e_abc、风电机组低压侧入网电流i_wabc来提取风电机组次同步振荡信息，采集三相逆变器的输出电流i_1abc、直流电压U_dc作为反馈信号。

附图2是装置简化的原理说明，通过在附加有源装置产生补偿风电机组次同步电流的分量，优化并联点电流和电压，起到对系统次同步振荡的阻尼作用，图2a说明本装置几乎不产生基波电流，可最小化附加装置对风电机组正常运行的影响。

附图3是本发明发明进行风电机组侧次同步振荡抑制的控制方法的进一步描述。检测得到的低压侧网压e_abc首先经锁相环和坐标变换，得到电网电压基准角度θ_e，经过直流电压控制器和d轴电流控制器、q轴电流控制器，得到基波控制电压分量e_cd1、e_cq1；所述基波控制电压分量的生成方法与变流器矢量控制原理一致，具体不再赘述。

采集风电机组低压侧入网电流i_wabc，经坐标变换得到同步坐标表示值i_wd、i_wq，再经过带通滤波器分离直流分量和高频分量，得到次同步振荡电流i_ssrd、i_ssrq。为解释本装置作用原理，此处不妨假定双馈并网含次同步振荡场景在三相电流i_wabc上表现为含有5Hz谐波，功率表现为含有45Hz谐波，转换到dq同步旋转坐标系上则d轴和q轴电流i_wd、i_wq包含直流量和45Hz次同步分量，故i_wd、i_wq经过带通滤波器（由5Hz低通滤波和300Hz高通滤波组成）滤除直流分量和可能含有的高频谐波后将得到45Hz次同步分量，即同步旋转坐标系下的次同步电流i_ssrd、i_ssrq。

次同步振荡电流i_ssrd、i_ssrq经移相变换（移相通过次同步坐标系下的角度补偿实现）和比例调节器的比例调节，得到次同步控制分量e_cssrd、e_cssrq。本实施例中提供该步骤的一种具体执行方法，如附图4，将同步旋转坐标系下的次同步电流i_ssrd、i_ssrq经坐标旋转转换为次同步频率坐标下的次同步频率电流i_ssrdx、i_ssrqx，其中坐标旋转角度由次同步锁相环得到，经PI控制器的积分环节将is_srqx控制为0，则PI控制器输出即为次同步振荡电角速度ω_ssr，积分输出即表征次同步振荡信息的角度θ_issr；次同步频率坐标下的次同步频率电流i_ssrdx、i_ssrqx反变换回到同步旋转坐标系下得到次同步旋转电流i_ssrd1、i_ssrq1，反变换使用的角度为θ_issr补偿角度θ_com后的值，θ_com值用以补偿控制系统时延和滤波滞后；次同步旋转电流i_ssrd1、i_ssrq1经比例调节器的比例调节得到次同步控制电压分量e_cssrd、e_cssrq。

将次同步控制分量e_cssrd、e_cssrq与基波控制分量矢量e_cd1、e_cq1合成得到合成控制矢量，经SVPWM调制最后得到三相全控逆变器开关控制信号作用于三相全控逆变器。

本实施例仿真结果如附图5a-图5d所示，其是实施例中次同步振荡抑制效果仿真波形图波形，分别是风电机组箱变高压母线三相线电压、三相电流和输出功率，以及装置检测到的次同步振荡电角速度。仿真设置2.1s前装置次同步抑制功能一直投着，2.1s后装置次同步抑制功能退出（图3中次同步抑制功能使能置0）。对比2.1s前后仿真波形，2.1s前尽管双馈机组并网系统具备次同步振荡可能，但可以看到高压母线上电压和电流波形较好，系统振荡被抑制，波形较好；而2.1s后装置次同步抑制功能退出，系统次同步振荡逐步恶化，2.1s后图5a中三相线电压有畸变，图5b中三相电流明显更大，图5c中输出有功和无功振荡明显，图5d是实施例中装置检测到的次同步振荡频。仿真结果表明本发明所述装置在实施例中的应用有效。

本发明采集风电机组机端电气信号并附加小容量逆变器，可实现对风电机组层面的次同步振荡监测与抑制；不受限于具体风电机组的结构和控制，方便工程改造；不必设定次同步振荡频率，能适应机网方式变化导致的次同步振荡变化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。