双馈风电机组次同步振荡抑制方法及系统与流程

本发明涉及新能源发电技术领域，具体地，涉及一种双馈风电机组次同步振荡抑制方法及系统。

背景技术：

国内外许多地区都曾出现过风电与串补线路间的次同步振荡现象，例如美国德克萨斯州以及中国的冀北、东北地区。而风电与串补线路出现的次同步振荡目前主要发生在双馈风电机组，其是由于双馈感应发电机的放大效应以及机侧控制导致。

较早期的解决思路都是借鉴火电机组的次同步振荡抑制方法，主要是下述两个方面：一是电网侧增加抑制次同步振荡的statcom(静止同步补偿器staticsynchronouscompensator)设备；二是双馈风电机组转子侧附加基于转速波动信号的阻尼控制。前一种方法需要增加大型硬件设备，成本较高；后一种方法对转速检测精度要求很高，目前商业应用的风电机组尚不具备这样的性能，需要升级转速传感器，产生额外的硬件成本和施工成本。

近期有一些新的风电机组侧的振荡抑制方法被提出，在双馈风电机组机侧或网侧变流器控制环中通过附加阻尼控制环节达到抑制效果，但这类方法通常针对固定频带，随频率变化的适应能力较差，难以满足实际工程需要。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种双馈风电机组次同步振荡抑制方法及系统，以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种双馈风电机组次同步振荡抑制方法，包括：

对当前时刻的转子电流分量进行高通滤波，得到当前时刻的转子电流交流分量；

根据当前时刻的转子电流交流分量的谐振频率对当前时刻的转子电流交流分量进行带通滤波，得到当前时刻的次同步频率分量；

根据谐振频率对当前时刻的次同步频率分量依次进行相位补偿和比例放大，得到当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量；

根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值；

将当前时刻的转子电压分量的参考值输入双馈风电机组以抑制双馈风电机组次同步振荡。

本发明实施例还提供一种双馈风电机组次同步振荡抑制系统，包括：

高通滤波单元，用于对当前时刻的转子电流分量进行高通滤波，得到当前时刻的转子电流交流分量；

带通滤波单元，用于根据当前时刻的转子电流交流分量的谐振频率对当前时刻的转子电流交流分量进行带通滤波，得到当前时刻的次同步频率分量；

附加阻尼分量单元，用于根据谐振频率对当前时刻的次同步频率分量依次进行相位补偿和比例放大，得到当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量；

电压分量参考值单元，用于根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值；

输入单元，用于将当前时刻的转子电压分量的参考值输入双馈风电机组以抑制双馈风电机组次同步振荡。

本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现所述的双馈风电机组次同步振荡抑制方法的步骤。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现所述的双馈风电机组次同步振荡抑制方法的步骤。

本发明实施例的双馈风电机组次同步振荡抑制方法及系统先对转子电流分量进行高通滤波，得到转子电流交流分量，再根据转子电流交流分量的谐振频率对转子电流交流分量依次进行带通滤波、相位补偿和比例放大，得到转子电压分量的附加阻尼分量，接着根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值，最后将转子电压分量的参考值输入双馈风电机组，可以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。

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是双馈风电机组的转子侧控制框图；

图2是双馈风电机组的附加阻尼控制等效电路图；

图3是本发明第一实施例中双馈风电机组次同步振荡抑制方法的流程图；

图4是本发明实施例的附加阻尼控制框图；

图5是本发明实施例的附加阻尼控制传递函数示意图；

图6是应用本发明的抑制技术的前后对比示意图；

图7是抑制措施实施前后的并网电流频谱图；

图8是本发明实施例中双馈风电机组次同步振荡抑制系统的结构框图。

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做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。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

鉴于现有技术会产生额外的成本，随频率变化的适应能力较差，难以满足实际工程需要，本发明实施例提供一种双馈风电机组次同步振荡抑制方法，以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1是双馈风电机组的转子侧控制框图。图2是双馈风电机组的附加阻尼控制等效电路图。机理研究表明，双馈风电机组在次同步频率下的“负阻尼”效应是导致谐振的关键。双馈风电机组的控制器参数是影响次同步谐振稳定性的重要因素，因此充分挖掘双馈风电机组自身潜力，改善双馈风电机组阻抗特性，使其在谐振频率下具备稳定运行的能力，是解决次同步谐振问题的根本措施。如图1和图2所示，在图1中增加一个次同步频带的负电阻，电阻阻值为-kr，如图2所示，其效果与次同步频带减小电流内环pi控制器的比例系数kp相同。

其中，图1和图2中的pref为有功功率参考值，ps为有功功率实测值，qref为无功功率参考值，qs为无功功率实测值，ird为转子电流d轴分量，irq为转子电流q轴分量，urd为转子电压d轴分量，urq为转子电压q轴分量，urdref为转子电压d轴分量参考值，urqref为转子电压q轴分量参考值，lr为转子漏感，ls为定子漏感，lm为励磁电感，ws为定子角频率，wr为转子角频率，s为拉氏算子，kp为电流内环pi控制器的比例系数，ki为电流内环pi控制器的积分系数，kp1为功率外环pi控制器的比例系数，ki1为功率外环pi控制器的积分系数，c为电容，ir为转子电流，ur为转子电压，r为电阻。

图3是本发明第一实施例中双馈风电机组次同步振荡抑制方法的流程图。如图3所示，双馈风电机组次同步振荡抑制方法包括：

s101：对当前时刻的转子电流分量进行高通滤波，得到当前时刻的转子电流交流分量。

其中，分量为d轴分量或q轴分量。

s102：根据当前时刻的转子电流交流分量的谐振频率对当前时刻的转子电流交流分量进行带通滤波，得到当前时刻的次同步频率分量。

s103：根据谐振频率对当前时刻的次同步频率分量依次进行相位补偿和比例放大，得到当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量。

s104：根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值。

s105：将当前时刻的转子电压分量的参考值输入双馈风电机组以抑制双馈风电机组次同步振荡。

图3所示的双馈风电机组次同步振荡抑制方法的执行主体可以为计算机。由图3所示的流程可知，本发明实施例的双馈风电机组次同步振荡抑制方法先对转子电流分量进行高通滤波，得到转子电流交流分量，再根据转子电流交流分量的谐振频率对转子电流交流分量依次进行带通滤波、相位补偿和比例放大，得到转子电压分量的附加阻尼分量，接着根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值，最后将转子电压分量的参考值输入双馈风电机组，可以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。

一实施例中，在执行s101之前，还包括：根据双馈风电机组的上一时刻的转子电压分量的参考值计算双馈风电机组的当前时刻的转子电流分量。

具体实施时，计算双馈风电机组的当前时刻的转子电流分量包括：

获取转子电阻、漏磁系数、转子漏感和拉普拉斯算子；

其中，获取漏磁系数包括：获取励磁电感和定子漏感；根据励磁电感、定子漏感和转子漏感计算漏磁系数。

例如，可以通过如下公式计算漏磁系数：

其中，σ为漏磁系数，lm为励磁电感，lr为转子漏感，ls为定子漏感。

根据上一时刻的转子电压分量的参考值、转子电阻、漏磁系数、转子漏感和拉普拉斯算子计算当前时刻的转子电流分量。

例如，可以通过如下公式计算当前时刻的转子电流分量：

其中，irdq为当前时刻的转子电流分量，u'rdqref为上一时刻的转子电压分量的参考值，rr为转子电阻，σ为漏磁系数，lr为转子漏感，s为拉普拉斯算子。

一实施例中，s104包括：

获取双馈风电机组的当前时刻的转子电流分量参考值和双馈风电机组的当前时刻的转子电压分量。

根据当前时刻的转子电流分量参考值和当前时刻的转子电流分量计算当前时刻的经过调节的转子电压分量。

根据当前时刻的转子电压分量、当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量和当前时刻的经过调节的转子电压分量，计算当前时刻的转子电压分量的参考值。

具体实施时，计算当前时刻的经过调节的转子电压分量包括：

获取电流内环比例系数、电流内环积分系数和拉普拉斯算子；

根据当前时刻的转子电流分量参考值、当前时刻的转子电流分量、电流内环比例系数、电流内环积分系数和拉普拉斯算子计算当前时刻的经过调节的转子电压分量。

例如，可以通过如下公式计算经过调节的转子电压分量：

其中，urdqb为当前时刻的经过调节的转子电压分量，irdqref为当前时刻的转子电流分量参考值，irdq为当前时刻的转子电流分量，kp为电流内环比例系数，ki为电流内环积分系数，s为拉普拉斯算子。

图4是本发明实施例的附加阻尼控制框图。图5是本发明实施例的附加阻尼控制传递函数示意图。如图4-图5所示，以d轴分量为例，本发明的具体实施例如下：

1、对转子电流d轴分量ird进行高通滤波，得到转子电流交流分量。

由于在同步旋转坐标系下，工频分量会转变为直流分量，因此需要通过高通滤波滤除转子电流直流分量，保证附加阻尼控制对工频传递函数没有影响，不影响机组的稳态性能。

2、通过频率检测得到转子电流交流分量的值，根据转子电流交流分量的谐振频率对转子电流分量进行带通滤波，得到次同步频率分量。其中，高通滤波器和带通滤波器等效于滤波器传递函数g(s)。

频率检测的过程为基于同步旋转坐标变换和快速傅里叶分析对已滤除直流分量的转子电流交流d轴分量进行频谱分析，接着再采用改进单谱线插入值技术提高次同步谐振频率的检测精度。

采用同步旋转坐标系的原因是：电流的振荡频率(4hz～12hz)较低，如果直接计算电流中的次同步谐振分量频率需要较长的时间窗，例如半个周波约为42ms～125ms。因此首先需要将电流转换到同步旋转坐标系下，计算得到电流交流d轴分量中的次同步频率分量为30hz～46hz，可以用较短的时窗求取次同步谐振分量频率。

3、根据谐振频率对次同步频率分量依次进行相位补偿和比例放大(放大kr倍)，得到转子电压分量的附加阻尼分量。

如图4所示，需要根据转子电流交流分量的谐振频率在线调整带通滤波器、相位补偿器和比例增益器的参数。

为了不影响双馈风电机组的动态响应特性，带通滤波器的带宽越窄越好；为降低相位补偿环节的设计难度，带通滤波器的中心频率与谐振频率的偏差越小越好。在准确获取谐振频率的基础上，通过查表法在线调整附加阻尼控制环节的参数，包括修改窄带滤波器参数、调整补偿相角和比例放大系数kr，使阻尼作用中心频率对准时变的次同步谐振频率，保证双馈风电机组的低电压穿越等性能不受影响。

4、根据转子电流d轴分量参考值irdref、转子电流d轴分量ird和计算经过调节的转子电压分量。

5、根据转子电压d轴分量urd、转子电压d轴分量的附加阻尼分量urda(图4中未示)和经过调节的转子电压d轴分量urdb(图4中未示)，计算转子电压d轴分量的参考值urdref。

如图4所示，可以看出图4的物理意义等效于在转子侧引入一个次同步频率的负电阻，计入转差特性后，定子侧的等效转子电阻呈正值，从而使系统等效负电阻减小，或者由负值变为正值。

6、将转子电压d轴分量的参考值输入双馈风电机组。

如图4所示，转子电流d轴分量ird是通过d轴分量的参考值urdref得到的，因此根据上一时刻的转子电压d轴分量的参考值和可以得到当前时刻的转子电流d轴分量。

如图5所示，图5可以用如下公式表达：

由此可见附加阻尼环节可以改变转子阻抗，附加阻尼环节的参数对负阻尼的大小有影响。

图6是应用本发明的抑制技术的前后对比示意图。如图6所示，横坐标为频率，单位为hz；图6的上图的纵坐标为幅值，单位为ω；图6的下图的纵坐标为相角，单位为°。在应用本发明的技术后，风电机组与电网的阻抗曲线交点处的相角裕度为由负变正(由-5.7°变为5.6°)，表明电网的谐振模式变成稳定的。

本发明易于工程实现，已应用于5个风电机组变流器制造厂商，第三方检测机构对升级后的变流器控制系统进行了全面的测试，测试结论为：在各种工况下风电机组次同步电流幅值均降低至5％以下；谐振抑制功能对并网电流thd影响小于1％；谐振抑制功能对风电机组低电压穿越能力无影响。

图7是抑制措施实施前后的并网电流频谱图。如图7所示，横坐标为频率f，单位为hz；纵坐标为电流i，单位为a。图7验证了本发明的抑制功能的有效性，在同一次谐振过程中，抑制功能投运后机组的次同步电流幅值降低了83％以上。

综上，本发明实施例的双馈风电机组次同步振荡抑制方法先对转子电流分量进行高通滤波，得到转子电流交流分量，再根据转子电流交流分量的谐振频率对转子电流交流分量依次进行带通滤波、相位补偿和比例放大，得到转子电压分量的附加阻尼分量，接着根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值，最后将转子电压分量的参考值输入双馈风电机组，可以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种双馈风电机组次同步振荡抑制系统，由于该系统解决问题的原理与双馈风电机组次同步振荡抑制方法相似，因此该系统的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图8是本发明实施例中双馈风电机组次同步振荡抑制系统的结构框图。如图8所示，双馈风电机组次同步振荡抑制系统包括：

高通滤波单元，用于对当前时刻的转子电流分量进行高通滤波，得到当前时刻的转子电流交流分量；

带通滤波单元，用于根据当前时刻的转子电流交流分量的谐振频率对当前时刻的转子电流交流分量进行带通滤波，得到当前时刻的次同步频率分量；

附加阻尼分量单元，用于根据谐振频率对当前时刻的次同步频率分量依次进行相位补偿和比例放大，得到当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量；

电压分量参考值单元，用于根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值；

输入单元，用于将当前时刻的转子电压分量的参考值输入双馈风电机组以抑制双馈风电机组次同步振荡。

在其中一种实施例中，还包括：

计算单元，用于根据双馈风电机组的上一时刻的转子电压分量的参考值计算双馈风电机组的当前时刻的转子电流分量。

在其中一种实施例中，电压分量参考值单元具体用于：

获取双馈风电机组的当前时刻的转子电流分量参考值和双馈风电机组的当前时刻的转子电压分量；

根据当前时刻的转子电流分量参考值和当前时刻的转子电流分量计算当前时刻的经过调节的转子电压分量；

根据当前时刻的转子电压分量、当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量和当前时刻的经过调节的转子电压分量，计算当前时刻的转子电压分量的参考值。

在其中一种实施例中，电压分量参考值单元具体用于：

获取电流内环比例系数、电流内环积分系数和拉普拉斯算子；

根据当前时刻的转子电流分量参考值、当前时刻的转子电流分量、电流内环比例系数、电流内环积分系数和拉普拉斯算子计算当前时刻的经过调节的转子电压分量。

在其中一种实施例中，电压分量参考值单元具体用于：

通过如下公式计算经过调节的转子电压分量：

其中，urdqb为当前时刻的经过调节的转子电压分量，irdqref为当前时刻的转子电流分量参考值，irdq为当前时刻的转子电流分量，kp为电流内环比例系数，ki为电流内环积分系数，s为拉普拉斯算子。

在其中一种实施例中，计算单元具体用于：

获取转子电阻、漏磁系数、转子漏感和拉普拉斯算子；

根据上一时刻的转子电压分量的参考值、转子电阻、漏磁系数、转子漏感和拉普拉斯算子计算当前时刻的转子电流分量。

在其中一种实施例中，计算单元具体用于：

通过如下公式计算当前时刻的转子电流分量：

其中，irdq为当前时刻的转子电流分量，u'rdqref为上一时刻的转子电压分量的参考值，rr为转子电阻，σ为漏磁系数，lr为转子漏感，s为拉普拉斯算子。

在其中一种实施例中，计算单元具体用于：

获取励磁电感和定子漏感；

根据励磁电感、定子漏感和转子漏感计算漏磁系数。

在其中一种实施例中，计算单元具体用于：

通过如下公式计算漏磁系数：

其中，σ为漏磁系数，lm为励磁电感，lr为转子漏感，ls为定子漏感。

综上，本发明实施例的双馈风电机组次同步振荡抑制系统先对转子电流分量进行高通滤波，得到转子电流交流分量，再根据转子电流交流分量的谐振频率对转子电流交流分量依次进行带通滤波、相位补偿和比例放大，得到转子电压分量的附加阻尼分量，接着根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值，最后将转子电压分量的参考值输入双馈风电机组，可以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时可以实现双馈风电机组次同步振荡抑制方法的全部或部分内容，例如，处理器执行计算机程序时可以实现如下内容：

对当前时刻的转子电流分量进行高通滤波，得到当前时刻的转子电流交流分量；

根据当前时刻的转子电流交流分量的谐振频率对当前时刻的转子电流交流分量进行带通滤波，得到当前时刻的次同步频率分量；

根据谐振频率对当前时刻的次同步频率分量依次进行相位补偿和比例放大，得到当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量；

根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值；

将当前时刻的转子电压分量的参考值输入双馈风电机组以抑制双馈风电机组次同步振荡。

综上，本发明实施例的计算机设备先对转子电流分量进行高通滤波，得到转子电流交流分量，再根据转子电流交流分量的谐振频率对转子电流交流分量依次进行带通滤波、相位补偿和比例放大，得到转子电压分量的附加阻尼分量，接着根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值，最后将转子电压分量的参考值输入双馈风电机组，可以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时可以实现双馈风电机组次同步振荡抑制方法的全部或部分内容，例如，处理器执行计算机程序时可以实现如下内容：

对当前时刻的转子电流分量进行高通滤波，得到当前时刻的转子电流交流分量；

根据当前时刻的转子电流交流分量的谐振频率对当前时刻的转子电流交流分量进行带通滤波，得到当前时刻的次同步频率分量；

根据谐振频率对当前时刻的次同步频率分量依次进行相位补偿和比例放大，得到当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量；

根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值；

将当前时刻的转子电压分量的参考值输入双馈风电机组以抑制双馈风电机组次同步振荡。

综上，本发明实施例的计算机可读存储介质先对转子电流分量进行高通滤波，得到转子电流交流分量，再根据转子电流交流分量的谐振频率对转子电流交流分量依次进行带通滤波、相位补偿和比例放大，得到转子电压分量的附加阻尼分量，接着根据当前时刻的转子电压分量的附加阻尼分量确定当前时刻的转子电压分量的参考值，最后将转子电压分量的参考值输入双馈风电机组，可以提高风电机组在谐振频率下的阻尼，抑制次同步振荡，实现了对时变谐振频率的宽频带的适应能力，降低了成本。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。