一种双馈风机同步机系统以及抑制同步发电机振荡的方法与流程

本发明属于新能源发电领域，更具体地，涉及一种双馈风机同步机系统以及抑制同步发电机振荡的方法。

背景技术：

自2010年以来中国已经成为世界第一的能源生产国和消费国，然而，不理想的能源消费结构，导致中国同时面临着严峻的能源问题。一方面，我国煤炭和石油的供给存在安全风险问题。从能源供给层面看，中国的能源形势随着需求总量的迅速增长、对外依存度不断上升而更加脆弱。另一方面，煤炭和石油的大量消费，造成了严重的环境问题。我国自2008年以来已经成为世界第一大碳排放国。我国雾霾的问题，其主要成因也是由于大量的煤炭和石油使用。根据2016年签订的《巴黎气候协定》，中国提出将于2030年左右，使二氧化碳排放达到峰值，并争取尽早实现。2030年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降60％-65％，非化石能源占一次能源消费比重达到20％左右。可以看到，减少煤炭等化石能源消费比重已经成为未来国家的发展方向。可再生能源的使用是解决这一问题的重要措施。其中，风力发电是可再生能源中的最具潜力的一种形式。

我国的风力发电尽管起步较晚，但发展迅猛。据统计，我国可开发利用的风能储量约10亿千瓦，其中，陆地上风能储量约2.53亿千瓦(按陆地上离地10米高度资料计算)，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿千瓦。根据国家能源局统计，至2016年底，我国并网风力发电机组容量达到14864万千瓦，占并网机组容量的9.03％，发电量近年来稳步提高，2016年风力发电电量占比已达到4％。由于我国风力资源分布不均，大量高品质风资源集中于西北地区、东北地区。特别的，在内蒙古、新疆、甘肃，风力发电装机分别占其全省总装机的23.15％、22.91％、26.9％；在整个西北五省电网中，累计并网风电占其全网总装机的19.6％。可以看到，在我国西北、东北部地区中风电的比例已经相当高。局部电网中风电已成为主要的电源。随着风力发电在电力系统中的比例日益提高，其对电力系统的动态过程与稳定的影响也逐渐显现，成为行业内关注的焦点。特别的，近年来发生多起风电脱网事故，已经严重威胁了电力系统的安全稳定运行。研究风力发电的特性及其对电力系统安全稳定的影响已经成为迫切的需求

由于在传统电力系统中，同步发电机作为主要，甚至唯一的电源，其动态特性直接决定了系统的动态特性。随着风电渗透率的提高，情况则有所不同。风力发电机对同步发电机低频振荡的影响需要有更深的认识。一方面，一些研究结果发现随着双馈风力发电机渗透率和出力的增加，系统的阻尼逐渐变强，认为这正是由于双馈风力发电机本身作为一台异步发电机，其产生了滑差功率向系统提供了正阻尼导致的。另一方面，一些研究发现通过替换同步发电机的方式，发现随着风电渗透率提高，会引起系统阻尼下降，认为这是由于潮流提高引起的，因为灵敏度分析发现阻尼对风力发电机的灵敏度很低，快速电压控制对系统阻尼也没有实质性改变。在另一些研究中，则认为风力发电机既可能增强阻尼也可能削弱阻尼。不同的研究得到了相互矛盾的结果，这是由于对比的条件所造成的。若在系统中增加风力发电机，会造成拓扑和潮流的变化，这本身就会引起同步发电机阻尼的变化；而若替换等容量的同步发电机，但由于同步发电机对同步发电机就会造成阻尼的影响，这也难以说明风力发电机接入后对系统阻尼变化到底产生了什么样的影响。因此，从逻辑上来说，需要找一个对系统没有阻尼影响的参照情景。

综上所述，风力发电机的特性丰富，其对同步发电机的阻尼影响好坏都是有可能的。对于风力发电机对同步发电机产生影响的机理和物理过程，是更需要进一步研究的。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于双馈型风电机组抑制同步发电机振荡的方法，打破了风力发电机对同步发电机阻尼影响不明确的局限性，实现了控制风机发电机对同步发电机提供正阻尼的作用，从而抑制同步发电机的振荡。

本发明提供了一种双馈风机同步机系统，包括：同步发电机sg，风力发电机、转子侧变流器、网侧变流器、网侧电感lg、直流电容c、锁相环和信号处理器；所述锁相环的输入端用于连接至电网，所述锁相环用于采集电网电压信号，并将所述电网电压信号进行转换后输出电网电压幅值变化量d轴分量和相位变化量q轴分量所述信号处理器的输入端连接至所述锁相环的输出端，所述信号处理器用于根据所述电网幅值变化量的d轴分量和相位变化量q轴分量输出转子侧电流环辅助控制信号irdcon和irqcon；所述转子侧变流器的控制端连接至所述信号处理器的输出端，所述转子侧变流器的输出端连接至所述风力发电机的电流控制端；所述电容c连接在所述网侧变流器与所述转子侧变流器的连接端之间，所述电容c的另一端接地；当电网电压由于同步机振荡而发生变动时，根据转子侧变流器的电流环控制器的辅助控制信号改变电流控制指令ir，从而改变转子侧变换器输出的转子电压内电势的幅值和相位，从而改变同步发电机的气隙磁场，进而使定子输出电压发生改变，进一步通过输电线路影响同步发电机内电势的幅值和相位。

更进一步地，所述锁相环包括：park变换器、pi控制器和积分器；park变换器的电压输入端用于接收电网电压信号va、vb、vc，park变换器的反馈输入端连接至所述积分器的输出端，所述park变换器用于对电网电压信号进行两相旋转坐标系变换后由第一输出端输出电网幅值变化量的d轴分量和由第二输出端输出电网相位变化量的q轴分量park变换器的输出即为锁相环的输出。所述pi控制器的输入端连接至所述park变换器的第二输出端，所述pi控制器用于对所述q轴分量进行pi处理后获得ω^p，表示锁相环测量得到的电网频率；所述积分器的输入端连接至所述pi控制器的输出端；所述积分器用于对所述ω^p进行积分处理后获得电网电压相θ^p，作为park变换的反馈输入端。

更进一步地，信号处理器包括：对于锁相环的第一输出端的来说，为依次连接的第一误差放大器和第一相位补偿器，其输入端用于接收d轴分量对于锁相环的第二输出端的则是依次连接的高通滤波器、第二误差放大器，第二相位补偿器；所述的高通滤波器的输入端用于接收q轴分量所述第一相位补偿器的输出端用于输出转子侧电流环辅助控制信号irdcon；所述第二相位补偿器的输出端用于输出网侧变流器的电流环辅助控制信号irqcon。

更进一步地，转子侧变流器包括：依次连接的加法器，pi调节器，矢量调制器svm以及开关电路；所述加法器的第一输入端用于接收转子侧电流参考指令值idref/iqref，第二输入端用于接收电流辅助控制信号irdcon/irqcon，第三输入端用于接收转子电流的q轴分量ird/irq，所述开关电路的输出端输出用于控制发电机的电流控制指令ir；当电网正常运行时，电流辅助控制信号irdcon/irqcon为零，idref/iqref与ird/irq经过相加后得到电流误差值，电流误差值依次经过pi调节和矢量调制后获得用于控制所述第一开关电路的开关序列的转子电压控制信号；当电网电压由于同步发电机发生振荡而产生波动时，irdcon/irqcon不为零，检测到电网的电压幅值和相位波动成分通过加法器作用于电流环控制支路上，通过改变电流控制指令ird/irq，从而改变转子侧变换器输出的转子电压的幅值和相位，从而改变同步发电机的气隙磁场，进而使定子输出电压发生改变，同步输电线路影响同步发电机内电势的幅值和相位，从而振荡提供正阻尼，抑制同步发电机的振荡。

本发明还提供了一种基于上述的双馈型风电机组抑制同步发电机振荡的方法，包括下述步骤：

(1)对采集的电网电压信号进行处理后获得代表电网电压幅值的d轴分量和代表电网电压相位的q轴分量

(2)将电网电压幅值的d轴分量进行误差放大与相位补偿处理，得到转子侧变流器的电流环控制器的第一个辅助控制信号irdcon；将电网电压幅值的q轴分量进行误差放大与相位补偿处理，得到转子侧变流器的电流环控制器的第二个辅助控制信号irqcon；

(3)当电网电压由于同步发电机发生振荡而产生波动时，根据转子侧变流器的电流环控制器的辅助控制信号改变电流控制指令ir，从而改变转子侧变换器输出的转子电压的指令值，从而改变同步发电机的气隙磁场，进而使定子输出电压发生改变，同步输电线路影响同步发电机内电势的幅值和相位，从而振荡提供正阻尼，抑制同步发电机的振荡。

更进一步地，在步骤(1)中，对电网电压信号进行两相旋转坐标系变换后获得电网电压幅值的d轴分量和q轴分量

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于在大规模风力发电并网的情况下，当电网中出现同步机振荡的时候，直接通过双馈风力发电机锁相环信号处理并反馈控制电网的电压幅值与相位，相当于提供给同步机正的阻尼转矩，从而抑制同步发电机振荡，比传统的抑制振荡设备要快，并且由锁相环测量得到的电网振荡信号的带宽更大，能够同时抑制同步机的低频振荡和次同步振荡等振荡模式，同时相对于在同步发电机中加装其余的设备如pss稳定器等，从经济性角度上能够节约电网投资成本。

附图说明

图1是基于本发明实例提供的双馈型风电机组抑制同步发电机振荡的两机结构示意图；

图2是本发明实例提供的锁相环控制结构示意图；

图3是本发明实例提供的转子侧变流器电流环控制器辅助控制信号的一种信号处理结构示意图；

图4是转子侧变流器电流环控制器辅助控制信号控制转子侧变流器输出电压的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过深入研究了锁相环的影响，解析研究了双馈风力发电机内电势功角与同步发电机功角之间相互作用，发现在锁相环弱阻尼且带宽接近同步发电机振荡频率时，双馈风力发电机会显著参与到振荡中，引起持续振荡。基于此研究，本发明通过给双馈风机转子侧变流器加入附加控制信号，从而控制发电机内电势幅值相位来影响同步机内电势的幅值相位，从而使同步发电机得振荡得到抑制。

本发明提供了一种基于双馈型风电机组抑制同步发电机振荡的方法，通过锁相环对并网侧电压的信号采集并进行park变换及后续的误差放大和相位补偿处理，得到可以表征系统振荡两个扰动量，为转子侧变流器的电流控制环控制提供辅助控制信号，从而控制双馈电机转子侧变流器输出的内电势幅值和相位，通过输电线路进一步影响同步电机内电势的幅值相位，进而实现了控制风机发电机对同步发电机提供正阻尼的作用。由振荡理论知系统的正阻尼越大，系统振荡就衰减得越快，系统阻尼不足可能会导致振荡发散，为系统提供正阻尼可以有效的抑制系统振荡程度。本发明可以在不改变原有的控制框架下，通过控制风机发电机为同步机提供正阻尼，从而抑制同步发电机的振荡。从技术和经济性考虑，本发明采用的是通过双馈风力发电机现有的控制，利用锁相环检测处理的信号为转子侧变流器电流环控制的辅助控制信号，为同步发电机提供正阻尼，从而抑制同步发电机的振荡。

本发明的核心内容是利用锁相环检测的端电压信号进行处理形成两个辅助控制信号，辅助控制双馈风机转子侧变流器电流环来控制转子电压从而控制转子变流器输出的内电势幅值和相位。由前所述锁相环得到的信号d、q轴分量分别代表了电网电压幅值和角速度的扰动分量，并经过第一、第二误差放大器和第一、第二相位补偿器后得到转子侧变流器的电流环控制器辅助控制信号，从而控制了转子侧输出内电势的幅值和相位。因此当同步机发生次同步振荡的时候，锁相环通过检测电网电压波动信号，形成幅值和角速度扰动分量，反馈给转子侧电流环控制器，控制转子侧变流器输出的电压幅值和相位，通过输电线路进一步影响同步电机本身内电势的幅值相位，使同步发电机的振荡得到抑制。

基本原理是：当同步机发生振荡时，通过输电线路后系统电压的幅值和相位也发生相应的扰动，利用锁相环采集并网侧电压信号va、vb、vc，将其在锁相环坐标系下进行park变换，得到q轴分量和d轴分量利用并网侧电压的q轴分量积分得到电网电压相位的角速度变化值。经过第一误差放大器和第一相位补偿器后得到转子侧变流器的电流环控制的d轴电流指令附加补偿信号。同理利用利用并网侧电压的d轴分量作为电网电压的幅值扰动分量可得到转子侧变流器的电流环控制的q轴电流指令附加补偿信号。附加到转子变流器的电流控制信号中得到转子d轴电流误差信号和转子q轴电流误差信号，通过pi控制器环节得到转子d轴电压信号和转子q轴电压信号，形成转子电压矢量。进而控制双馈电机转子侧变流器输出的内电势幅值和相位，通过输电线路反过来影响同步电机内电势的幅值相位，实现了控制风力发电机对同步发电机提供正阻尼的作用，从而可以抑制同步发电机的振荡。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的基于双馈型风电机组抑制同步发电机振荡的方法及系统，现结合附图详述如下：

如图1所示，一种基于双馈型风电机组抑制同步发电机振荡的方法，其系统包括：同步发电机、同步机侧电感xt、风力发电机、转子侧变流器、网侧变流器、网侧电感lg、电容c、锁相环和信号处理器。同步发电机发生振荡时，通过xt使并网点电压也发生变化。风力发电机将风力资源转化为电力传输到电网中，转子侧变流器控制发电机的转子励磁电压，进而控制定子电压，锁相环通过采集电网电压的幅值与相位的变化提供给转子侧变流器的控制器，控制双馈风力发电机跟踪电网的相位并输出所需功率，而信号处理器为本发明方法的核心，将锁相环采集的信号进过处理，可实现对电网电压变化分量的提取，进而提供转子侧变流器电流环dq轴控制器的辅助控制信号，从而可通过对转子侧变流器的辅助控制信号控制双馈风力发电机的输出电压，通过输电线路进一步影响同步发电机内电势的幅值和相位，为同步机振荡提供正阻尼，对同步发电机的振荡起到抑制作用。

如图2所示，锁相环包括：park变换器11、pi控制器12和积分器13。实现定子电压定向。其输入为三相相电压，输出为所跟踪表征定子端电压矢量幅值和相位变化的d、q轴电压分量。静止三相坐标系与旋转dq坐标系之间的变换关系如式(1)所示。其中θp为锁相环旋转dq坐标系的相位。

假设三相相电压分别为

则通过式(1)可以得到旋转dq坐标系下的分量分别为

当θ^p＝ωt+γ时，显然有vsq＝0。则此时θ^p就等于端电压矢量的相位，而相应的则代表了电压幅值。于是，利用这个原理构造得到的锁相环。如(2)所示，信号以跟踪电网幅值为目标；信号以跟踪电网相位为目标，通过pi控制器与与积分器可得到电压的相位，并反馈给park变换器11，从而实现电网相位的跟踪。为信号处理器所需要提取的两个信号，分别代表了系统电压的幅值和相位扰动，通过信号处理器得到电网电压相应的波动分量用于转子侧变流器的电流环辅助控制。

本发明旨在解决现有双馈风力发电机控制技术由于大规模风力发电并网情况下，由于系统阻尼变弱情况下可能引发的同步机振荡的问题。本发明提出的基于双馈风机的抑制同步发电机振荡的方法最终目标是要通过锁相环检测系统发生振荡的频率信号，作为双馈风力发电机转子侧电流控制的辅助控制信号，从而控制转子侧的输出电压，通过输电线路进一步影响同步电机本身内电势的幅值相位，增加同步发电机的阻尼进而抑制同步发电机的振荡，为大规模风力发电并网的电力系统稳定提供一种可行的解决方案。

系统结构如图1所示，主要由双馈风力发电机锁相环和检测信号的信号处理器构成生成转子侧电流环控制器的辅助控制信号，控制转子侧变流器的输出电压。锁相环1通过检测电网电压得到代表电网电压幅值的波动，代表电压相位的波动，经过信号处理器2得到转子侧与网侧变流器的辅助控制信号irdcon/irqcon控制转子侧变流器的输出电压。

图2所示为双馈风力发电机典型的锁相环控制器，其检测电网电压信号va、vb、vc后，将其在锁相环坐标系下通过进行park变换，得到q轴分量和d轴分量锁相环结构包括park变换器11，pi控制器12和积分器13，其中park变换器11用于将电网三相正弦波量向两相旋转坐标系变换，电压q轴分量通过pi控制器12得到ω^p，再通过积分器13得到电网电压相θ^p。其中信号处理器2需要接收的信号是q轴分量和d轴分量分别代表了电压幅值与相位的波动。

图3所示为信号处理器2的具体结构，包含了高通滤波器23，第一误差放大器21和第二误差放大器24，以及第一相位补偿器22和第二相位补偿器25。将锁相环1中所得到两个扰动信号通过通滤波器23后得到电网电压幅值的变化分量，为了使双馈风力发电机的转子侧响应电网电压的幅值和角速度波动的分量，因此需要设置的两个参数不一样的误差放大器和两个相位补偿器，从而使电网电压的幅值和角速度波动分量通过两路误差放大器和相位补偿器后，分别得到转子侧变流器的电流环辅助控制信号irdcon和irqcon。

图4所示为转子侧变流器的电流环控制器3，其中包括加法器31，pi调节器32，矢量调制器svm33，以及开关电路36。信号irdcon和irqcon为信号处理器2输出的电流辅助控制信号，irdref和irqref为电流参考指令值，ird和irq为转子电流的d、q轴分量。当电网正常运行时，由锁相环检测得到的电压信号经过高通滤波器23时为零，并且采用定向，因此由式(2)分析可知所以irqcon和irdcon信号为零，此时电流环控制器相当于典型的电流环控制器，irdref与ird经过加法器31得到电流误差值，经过pi调节器32得到转子电压d轴分量urd，irqref与irq经过加法器34得到电流误差值，经过pi调节器35得到转子电压q轴分量urq，urd和urq经矢量调制器svm33得到转子电压控制信号控制开关电路36的开关序列；当电网电压发生低频振荡的情况下，irqcon和irdcon检测到电网的电压幅值和角速度的波动成分，从而通过加法器31和34作用于电流环控制支路上，通过改变电流控制指令，从而改变转子侧变换器输出的转子电压，从而控制转子变流器输出电流，进而使定子输出电压发生改变，通过输电线路影响同步机本身内电势的幅值和相位，抑制同步发电机振荡。

一种基于双馈型风电机组抑制同步发电机振荡的方法，包括下述步骤：

第一步，首先锁相环采集电网电压信号，得到两个表征同步机振荡的电网电压扰动的d轴分量q轴分量

第二步，将通过信号处理器的高通滤波器得到电压扰动分量，再分别将通过信号处理器的两路误差放大器与相位补偿器，得到转子侧电流环控制器的辅助控制信号irqcon和irdcon；

第三步，通过信号处理器得到的辅助控制信号，与转子侧变流器的电流环dq轴控制回路一起构成了闭环，控制双馈风力发电机的转子侧输出电压，通过输电线路进一步影响同步发电机本身的内电势幅值和相位，为系统提供正阻尼，进而抑制同步发电机的振荡。

本发明的优点在于，对大规模风力发电机并网情况下，克服了双馈风力发电机对同步发电机阻尼影响不明确的局限性，对同步发电机振荡具有比较好的抑制效果，从原理上来看简单易懂，从实现与经济上考虑，在不改变双馈风力发电机现有控制策略的情况下，只需要通过添加辅助控制模块产生相应的辅助控制信号，从而实现风机抑制同步机振荡，相对于通过接入其他设备比如电力系统稳定器(pss)等用于抑制同步机振荡，相比较而言本发明方法是具有很好的经济性与可实现性。

本发明提出的基于双馈风机的抑制同步发电机振荡的方法，具有很好的经济性与易操作性。本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。