一种抑制双馈风机次同步谐振的方法和装置与流程
本发明实施例涉及电力系统控制技术领域，尤其涉及一种抑制双馈风机次同步谐振的方法和装置。
背景技术：
串联电容补偿可显著提高线路输送能力和暂态稳定性，在远距离风电外送中得以应用，但同时也存在诱发次同步谐振(subsynchrousresonance，英文简称为ssr)的风险。
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。现有的方案是在转子侧变流器控制策略中增加次同步阻尼控制回路，实现对次同步振荡的抑制。而次同步阻尼控制回路抑制次同步振荡的能力对应不同的振荡频率时波动较大，使得次同步阻尼控制回路抑制次同步振荡的能力不稳定，应用范围比较小。
技术实现要素：
本发明提供一种抑制双馈风机次同步谐振的方法和装置，以提高次同步阻尼控制回路抑制次同步振荡的稳定性，增加次同步阻尼控制回路的应用范围。
第一方面，本发明实施例提供了一种抑制双馈风机次同步谐振的方法，包括：
获取次同步阻尼控制回路的初始电信号；
根据次同步角频率参考值确定次同步阻尼控制回路的补偿信号；所述次同步角频率参考值为次同步角频率最大值的平方与次同步角频率最小值的平方之和的均方根；
根据所述初始电信号和所述补偿信号形成双馈风机变流器控制回路的控制信号。
可选地，所述次同步角频率参考值与所述补偿信号的关系式为：
其中，erdq为补偿信号，k为n种发散工况下双馈风机的同步电流的衰减率的绝对值中的最大值，n为大于1或等于1的正整数；lm为双馈风机的励磁电感，ls为双馈风机的定子电感，ω2为双馈风机的次同步角频率参考值，
可选地，获取次同步阻尼控制回路的初始电信号变化量，包括：
获取双馈风机变流器的电信号；
将所述电信号和所述补偿后的电信号叠加后进行比例积分调节，输出中间电信号；
所述补偿后的电信号进行滤波，形成滤波后电信号；
所述滤波后电信号与所述中间电信号叠加形成所述初始电信号。
可选地，所述补偿后的电信号进行滤波，形成滤波后电信号，包括：
所述补偿后的电信号采用带通滤波器进行滤波；所述滤波器的特征角频率为次同步角频率。
可选地，所述双馈风机变流器的电信号为转子侧电流信号或定子侧电流信号。
第二方面，本发明实施例还提供了一种抑制双馈风机次同步谐振的装置，包括：
初始电信号获取单元，用于获取次同步阻尼控制回路的初始电信号；
补偿信号确定单元，用于根据次同步角频率参考值确定次同步阻尼控制回路的补偿信号；所述次同步角频率参考值为次同步角频率最大值的平方与次同步角频率最小值的平方之和的均方根；
控制信号生成单元，用于根据所述初始电信号和所述补偿信号形成双馈风机变流器控制回路的控制信号。
可选地，所述次同步角频率参考值与所述补偿信号的关系式为：
其中，erdq为补偿信号，k为n种发散工况下双馈风机的同步电流的衰减率的绝对值中的最大值，n为大于1或等于1的正整数；lm为双馈风机的励磁电感，ls为双馈风机的定子电感，ω2为双馈风机的次同步角频率参考值，
可选地，所述初始电信号获取单元包括电信号获取单元、第一加法器、第二加法器、第一比例积分控制单元和滤波单元；
所述电信号获取单元用于获取双馈风机变流器的电信号；所述第一加法器用于将所述电信号和所述补偿后的电信号叠加，所述第一比例积分控制单元用于将所述电信号和所述补偿后的电信号叠加后的信号进行比例调节，形成中间电信号，所述滤波单元用于将所述补偿后的电信号进行滤波，形成滤波后电信号，所述第二加法器用于将所述滤波后电信号与所述中间电信号叠加形成所述初始电信号。
本发明实施例的技术方案，通过设置次同步角频率参考值根据次同步角频率最大值和次同步角频率最小值的变化而发生变化，对应的补偿信号根据次同步角频率参考值变化适应性改变，使得补偿信号更好的匹配次同步谐振的次同步角频率，次同步阻尼控制回路产生的正阻尼越大，从而提高了次同步阻尼控制回路抑制次同步谐振的能力。另外，次同步角频率参考值可以根据次同步角频率变化而变化，使得次同步阻尼控制回路在具有较好的抑制次同步谐振的能力时不再局限于次同步角频率，从而增加了次同步阻尼控制回路的应用范围。
附图说明
图1为一种双馈风机串补输电的结构示意图；
图2为一种转子侧变流器的控制电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种抑制双馈风机次同步谐振的方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种抑制双馈风机次同步谐振的装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种双馈风机串补输电系统示意图。
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。
图1为一种双馈风机串补输电的结构示意图。如图1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，er，es分别为转子和定子的感应电动势，ucr，ucg分别为转子侧变流器和定子侧变流器的输出电压，rr，rs为异步电机转子和定子绕组的电阻，rcr和lcr为转子侧变流器(rsc，rotorsideconvertor)连接电抗的等效电阻和电感，rcg和lcg为定子侧变流器(gsc，gridsideconvertor)连接电抗的等效电阻和电感，tg为等效升压变压器，rg、lg和cg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，比如比例积分控制(proportionalintegralcontroller，pi)、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。
根据双馈风机变流器的控制电路，可以选择在转子侧变流器的控制电路中增加次同步阻尼控制回路，也可以选择在定子侧变流器的控制电路中增加次同步阻尼控制回路。图2为一种转子侧变流器的控制电路的结构示意图。如图2所示，以转子侧变流器的控制电路为例进行说明，转子侧变流器的控制电路为双闭环控制电路，包括pi控制和次同步阻尼控制回路110。次同步阻尼控制回路110产生的附加矩阵的相位与转子矩阵变化量的相位的相位差在90°至270°之间，从而使得次同步阻尼控制回路110产生正阻尼的作用，抑制次同步谐振。次同步阻尼控制回路110产生的附加矩阵的相位与转子矩阵变化量的相位的相位差越靠近180°，次同步阻尼控制回路110产生正阻尼越大，抑制次同步谐振的能力越强。
另外，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。次同步谐振频率为定值，次同步阻尼控制回路110的补偿信号erdq与次同步谐振频率对应。当次同步谐振频率确定后，次同步阻尼控制回路110的补偿信号erdq为定值。次同步阻尼控制回路110对对应的次同步谐振频率具有很好的阻尼抑制作用。当次同步谐振频率发生变化时，补偿信号erdq不变，次同步阻尼控制回路110的阻尼抑制作用降低，次同步阻尼控制回路110的控制作用减小。其中，erdq的下标r表示转子，d表示d轴，q表示q轴。图2的结构示意图示例性地示出了转子侧变流器的d轴或q轴的控制回路，当以d轴为例进行说明时，erdq为d轴的补偿信号erd。
针对上述问题，本发明提供了一种抑制双馈风机次同步谐振的方法。图3为本发明实施例提供的一种抑制双馈风机次同步谐振的方法的流程图，本实施例可适用于转子侧变流器的控制电路或定子侧变流器的控制电路包括次同步阻尼控制回路的情况，该方法可以由抑制双馈风机次同步谐振的装置来执行，该装置具体可以集成在转子侧变流器的控制电路或定子侧变流器的控制电路中。具体包括如下步骤：
s110、获取次同步阻尼控制回路的初始电信号；
具体地，参考图2和图3，以转子侧变流器的控制电路为例进行说明。双馈风机变流器的控制电路包括pi控制和次同步阻尼控制回路110。次同步阻尼控制回路110包括加法器111和比例积分控制112。其中，加法器111的信号输入包括初始电信号vrdq、补偿信号erdq和转子侧变流器输出的电流信号irdq变换获得的输入信号erdq。初始电信号vrdq根据转子侧变流器输出的电流irdq计算获得。另外，输入信号erdq为转子侧变流器输出的电流信号irdq与转子的等效电感l′r形成的阻抗的乘积。
s120、根据次同步角频率参考值确定次同步阻尼控制回路的补偿信号；次同步角频率参考值为次同步角频率最大值的平方与次同步角频率最小值的平方之和的均方根；
具体地，在双馈风机运行的过程中，会发生多次次同步谐振。双馈风机的历史数据中包括了每次发生次同步谐振的次同步角频率值，选取其中的最大值作为次同步角频率最大值，选取其中的最小值作为次同步角频率最小值。根据次同步角频率最大值的平方与次同步角频率最小值的平方之和的均方根确定次同步角频率参考值。由此可知，次同步角频率参考值根据次同步角频率最大值和次同步角频率最小值的变化而发生变化，对应的补偿信号erdq根据次同步角频率参考值变化适应性改变，使得补偿信号erdq更好的匹配次同步谐振的次同步角频率，次同步阻尼控制回路110产生的正阻尼越大，从而提高了次同步阻尼控制回路110抑制次同步谐振的能力。另外，次同步角频率参考值可以根据次同步角频率变化而变化，使得次同步阻尼控制回路110在具有较好的抑制次同步谐振的能力时不再局限于次同步角频率，从而增加了次同步阻尼控制回路110的应用范围。
s130、根据初始电信号和补偿信号形成双馈风机变流器控制回路的控制信号。
具体地，在得到初始电信号vrdq和补偿信号erdq后，通过测量转子侧变流器输出的电流irdq获得电流信号irdq，然后经过次同步阻尼控制回路110的加法器111和比例积分控制112形成控制信号。控制信号为补偿信号erdq对初始电信号vrdq补偿后形成的控制信号，因此控制信号相对于初始电信号vrdq直接形成的控制变流器的信号具有抑制双馈风机次同步谐振的作用，从而可以抑制次同步谐振。其中，比例积分控制112的比例系数为1/r′r，r′r为转子的等效电阻，比例积分控制112的积分系数为
本实施例的技术方案，通过设置次同步角频率参考值根据次同步角频率最大值和次同步角频率最小值的变化而发生变化，对应的补偿信号根据次同步角频率参考值变化适应性改变，使得补偿信号更好的匹配次同步谐振的次同步角频率，次同步阻尼控制回路产生的正阻尼越大，从而提高了次同步阻尼控制回路抑制次同步谐振的能力。另外，次同步角频率参考值可以根据次同步角频率变化而变化，使得次同步阻尼控制回路在具有较好的抑制次同步谐振的能力时不再局限于次同步角频率，从而增加了次同步阻尼控制回路的应用范围。
在上述技术方案的基础上，次同步角频率参考值与补偿信号的关系式为：
其中，erdq为补偿信号，k为n种发散工况下双馈风机的同步电流的衰减率的绝对值中的最大值，n为大于1或等于1的正整数；lm为双馈风机的励磁电感，ls为双馈风机的定子电感，ω2为双馈风机的次同步角频率参考值，
具体地，当双馈风机确定后，双馈风机的同步转速ωs、励磁电感lm、定子电感ls和定子磁链
另外，双馈风机在不同的发散工况下，是指双馈风机所在的环境参数和并网参数不同。例如，当双馈风机所在的环境的风速发生改变时，则不同的风速环境为不同的发散工况。在不同的发散工况下，双馈风机的同步电流的衰减率不同。k为n种发散工况下双馈风机的同步电流的衰减率的绝对值中的最大值，即为同步电流变化最大的两种发散工况对应的衰减率。示例性地，n种发散工况下双馈风机的同步电流的衰减率为y1……yn，则k＝maximum(|y1|，……|yn|)。
由公式(1)可知，补偿信号erdq与次同步角频率参考值ω2为正相关。在同一时刻，当次同步角频率参考值ω2增加时，补偿信号erdq也会增加。因此，补偿信号erdq可以根据次同步角频率参考值变化适应性改变，使得补偿信号erdq更好的匹配次同步谐振的次同步角频率，次同步阻尼控制回路产生的正阻尼越大，从而提高了次同步阻尼控制回路抑制次同步谐振的能力。
在上述技术方案的基础上，获取次同步阻尼控制回路的初始电信号变化量，包括：
获取双馈风机变流器的电信号；
具体地，继续参考图2，变流器的控制电路的电信号可以为电流信号，作为控制电路的控制目标。图2示例性地示出了转子侧变流器的控制电路，因此电信号为转子侧变流器的电流irdq′。
将电信号和补偿后的电信号叠加后进行比例积分调节，输出中间电信号；
具体地，变流器的控制电路采用双闭环控制，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。外环将控制电路输出的补偿后的电信号反馈，并与电信号进行叠加，然后通过pi控制器变换形成中间电信号。其中，中间电信号可以为电压信号。
补偿后的电信号进行滤波，形成滤波后电信号；
具体地，变流器的控制电路中的内环上设置有滤波器，滤波器将控制电路输出的补偿后的电信号进行滤波，形成滤波后电信号。
补偿后的电信号采用带通滤波器进行滤波；滤波器的特征角频率为次同步角频率。示例性地，滤波器可以为二阶带通滤波器，其传递函数为：
其中，gbp(s)为二阶带通滤波器的传递函数，ωc为带通滤波器的特征角频率，ωc＝2πfssr，fssr为次同步谐振频率；ξ为带通滤波器的阻尼比，ξ的取值范围为0.3～0.8。将带通滤波器的特征频率设为2πfssr，以尽可能的增大在次同步谐振频率附近的增益。通过设置滤波器的特征角频率为次同步角频率，当次同步谐振频率发生改变时，滤波器增益的频率范围随着次同步谐振频率的改变而改变，从而可以实现滤波器对不同的次同步谐振频率均可以实现增益。
另外，在变流器的控制电路的内环上还设置有比例单元rv，rv为n种发散工况下同步电流经滤波器衰减后的电流值占衰减前的电流值比例的倒数的最大值。例如，n种发散工况下同步电流经滤波器衰减后的电流值占衰减前的电流值的比例分别为k1％，…kn％，则rv＝maximum(1/(k1％)，1/(k2％)，…，1/(kn％))。此时滤波后电信号vrdq′＝gbp(s)×rv×irdq，rv可以根据不同的发散工况和次同步谐振特征适应性调整。
滤波后电信号与中间电信号叠加形成初始电信号。
具体地，内环将滤波后电信号vrrdq′反馈，并与中间电信号进行叠加，从而形成初始电信号。
需要说明的是，双馈风机变流器的电信号可以为转子侧电流信号或定子侧电流信号。
具体地，当变流器的控制电路为转子侧变流器的控制电路时，双馈风机变流器的电信号可以为转子侧电流信号，控制电路通过转子侧电流信号对转子侧变流器进行控制。图2示例性地示出了转子侧控制电路的电信号为转子侧电流信号。当变流器的控制电路为定子侧变流器的控制电路时，双馈风机变流器的电信号可以为定子侧电流信号，控制电路通过定子侧电流信号对定子侧变流器进行控制。
图4为本发明实施例提供的一种抑制双馈风机次同步谐振的装置的结构示意图。如图4所示，该装置包括：
初始电信号获取单元10，用于获取次同步阻尼控制回路的初始电信号；
补偿信号确定单元20，用于根据次同步角频率参考值确定次同步阻尼控制回路的补偿信号；次同步角频率参考值为次同步角频率最大值的平方与次同步角频率最小值的平方之和的均方根；
控制信号生成单元30，用于根据初始电信号和补偿信号形成双馈风机变流器控制回路的控制信号。
具体地，初始电信号获取单元10为控制信号生成单元30提供初始信号，补偿信号确定单元20为控制信号生成单元30提供补偿信号。在抑制双馈风机次同步谐振的装置中，补偿信号确定单元20中的次同步阻尼控制回路的补偿信号根据次同步角频率参考值的改变而改变，而次同步角频率参考值为次同步角频率最大值的平方与次同步角频率最小值的平方之和的均方根，因此补偿信号可以更好的匹配次同步谐振的次同步角频率，次同步阻尼控制回路产生的正阻尼越大，从而提高了次同步阻尼控制回路抑制次同步谐振的能力。另外，次同步角频率参考值可以根据次同步角频率变化而变化，使得次同步阻尼控制回路在具有较好的抑制次同步谐振的能力时不再局限于次同步角频率，从而增加了次同步阻尼控制回路的应用范围。
图5为本发明实施例提供的一种双馈风机串补输电系统示意图。如图5所示，该系统包括抑制双馈风机次同步谐振的装置100、串补单元200和双馈风机300。初始电信号获取单元包括电信号获取单元40、第一加法器50、第二加法器60、第一比例积分控制单元70和滤波单元80；
电信号获取单元40用于获取双馈风机变流器的电信号；第一加法器50用于将电信号和补偿后的电信号叠加，第一比例积分控制单元70用于将电信号和补偿后的电信号叠加后的信号进行比例调节，形成中间电信号，滤波单元80用于将补偿后的电信号进行滤波，形成滤波后电信号，第二加法器60用于将滤波后电信号与中间电信号叠加形成初始电信号。
具体地，图5示例性地示出了抑制双馈风机次同步谐振的装置100控制转子侧变流器。抑制双馈风机次同步谐振的装置100中的电信号获取单元40与双馈风机200的转子侧变流器连接，用于获取转子侧变流器的电信号。当电信号为电流信号时，电信号获取单元可以为电流检测器。另外，控制信号生成单元30与转子侧变流器的控制端连接，在形成初始电信号后，控制信号生成单元30根据初始电信号和补偿信号形成的控制信号控制转子侧变流器工作。控制信号为补偿信号对初始电信号补偿后形成的控制信号，因此控制信号相对于初始电信号直接形成的控制变流器的信号具有抑制双馈风机次同步谐振的作用，从而可以抑制次同步谐振。
需要说明的是，在其他实施例中，当抑制双馈风机次同步谐振的装置100控制定子侧变流器。抑制双馈风机次同步谐振的装置100中的电信号获取单元40与双馈风机200的定子侧变流器连接，用于获取定子侧变流器的电信号。
可选地，次同步角频率参考值与补偿信号的关系式为：
其中，erdq为补偿信号，k为n种发散工况下双馈风机的同步电流的衰减率的绝对值中的最大值，n为大于1或等于1的正整数；lm为双馈风机的励磁电感，ls为双馈风机的定子电感，ω2为双馈风机的次同步角频率参考值，
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。
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