本發(fā)明屬于電氣自動化領(lǐng)域，具體涉及一種靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，電能已經(jīng)成為了人們生產(chǎn)和生活中必不可少的二次能源，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了無盡的便利。因此，保障電能的穩(wěn)定可靠供應(yīng)，就成為了電力系統(tǒng)最重要的任務(wù)之一。

2、風(fēng)力發(fā)電以其資源豐富、清潔環(huán)保、成本相對低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅猛，裝機(jī)容量持續(xù)增加。近年來，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)(doubly-fed?induction?generator，dfig)，作為變速恒頻型的異步發(fā)電機(jī)，以其并網(wǎng)操作簡單和具備無功補(bǔ)償?shù)奶匦?，已?jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，dfig并入配電網(wǎng)后，風(fēng)能資源的依賴性和不確定性，加之dfig本身的運(yùn)行特征，容易引發(fā)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓頻繁波動和閃變，從而對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不利影響。

3、為了最大限度使用風(fēng)電機(jī)組的有功傳輸能力和提高機(jī)組運(yùn)行性能，電力系統(tǒng)通常為其配備無功補(bǔ)償設(shè)備。靜止無功發(fā)生器(static?var?generator，svg)由于其輸出無功功率靈活可調(diào)、補(bǔ)償迅速、諧波特性優(yōu)越等特點(diǎn)，能夠很好地滿足風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定中的無功配置要求，而且有效改善電壓穩(wěn)定問題。因此，靜止無功發(fā)生器在風(fēng)電并網(wǎng)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

4、現(xiàn)有的svg控制策略中，同步坐標(biāo)系下的pi控制方法較為常見。但是，該類控制方案，其pi控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)固定，無法適應(yīng)電網(wǎng)條件或負(fù)載變動的動態(tài)特性，可能導(dǎo)致控制性能的下降；而且，現(xiàn)有方案的pi控制基于線性控制理論，在電網(wǎng)中存在的非線性特性也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與性能；最后，dfig的無功出力情況也是復(fù)雜多變的，現(xiàn)有的svg的控制方案并無法滿足與dfig的協(xié)同工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種可靠性高且精確性好的靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償方法。

2、本發(fā)明的目的之二在于提供一種實(shí)現(xiàn)所述靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償方法的系統(tǒng)。

3、本發(fā)明提供的這種靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償方法，包括如下步驟：

4、s1.獲取目標(biāo)電力系統(tǒng)、靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)信息；

5、s2.根據(jù)步驟s1獲取的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行目標(biāo)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)呐卸?，并進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)墓β史峙洌?/p>

6、s3.根據(jù)步驟s2的功率分配結(jié)果，優(yōu)先調(diào)動雙饋風(fēng)機(jī)，基于雙饋風(fēng)機(jī)定子測變流器控制與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的無功補(bǔ)償；

7、s4.根據(jù)步驟s2的功率分配結(jié)果，調(diào)用靜止無功發(fā)生器，基于模型參考自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償。

8、步驟s2所述的根據(jù)步驟s1獲取的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行目標(biāo)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)呐卸?，并進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)墓β史峙洌ㄈ缦虏襟E：

9、根據(jù)步驟s1獲取的數(shù)據(jù)信息，計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)的電壓偏差值，并根據(jù)電壓偏差值與電壓偏差死區(qū)的大小關(guān)系，判定是否啟動無功補(bǔ)償，并計(jì)算無功補(bǔ)償目標(biāo)值；

10、啟動無功補(bǔ)償后，優(yōu)先啟動雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償，并計(jì)算雙饋風(fēng)機(jī)的無功補(bǔ)償能力；

11、根據(jù)無功補(bǔ)償目標(biāo)值與雙饋風(fēng)機(jī)的無功補(bǔ)償能力的大小關(guān)系，進(jìn)行靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)之間的無功補(bǔ)償?shù)墓β史峙洹?/p>

12、所述的步驟s2，具體包括如下步驟：

13、設(shè)定電壓偏差死區(qū)；

14、檢測并網(wǎng)點(diǎn)電壓，并計(jì)算并網(wǎng)點(diǎn)電壓與參考電壓的偏差值；

15、對偏差值進(jìn)行判定：

16、若偏差值在設(shè)定的電壓偏差死區(qū)范圍內(nèi)，則不動作；

17、若偏差值超過設(shè)定的電壓偏差死區(qū)范圍，則啟動無功補(bǔ)償，并將偏差值作為無功補(bǔ)償目標(biāo)值qall；

18、優(yōu)先啟動雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償；

19、采用如下步驟計(jì)算得到雙饋風(fēng)機(jī)的無功補(bǔ)償能力：

20、雙饋風(fēng)機(jī)的總有功出力p表示為p＝ps+pc，ps為定子直接側(cè)的出力，pc為轉(zhuǎn)子并網(wǎng)側(cè)的出力；

21、由于雙饋風(fēng)機(jī)的雙側(cè)有功出力滿足pc＝-sps，s為雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，因此存在p＝(1-s)ps；

22、雙饋風(fēng)機(jī)的無功出力q為定子側(cè)無功出力qs和逆變器并網(wǎng)的轉(zhuǎn)子側(cè)無功出力qc的代數(shù)和，表示為q＝qs+qc；

23、根據(jù)功率平衡關(guān)系，雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)時滿足

24、

25、式中us為雙饋風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)點(diǎn)定子側(cè)的節(jié)點(diǎn)電壓；is為流過定子繞組的電流；

26、根據(jù)逆變器的自身特性，定子側(cè)的輸出電流滿足

27、

28、式中xs為定子等效漏抗；xm為勵磁電抗；irmax為逆變器并網(wǎng)時的最大電流限制值；

29、然后，得到定子側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)所能發(fā)出無功功率范圍為

30、

31、式中irmax為轉(zhuǎn)子側(cè)最大電流；sc為網(wǎng)側(cè)變流器的最大容量；

32、雙饋風(fēng)機(jī)在不同的運(yùn)行條件下，輸出功率參考值表示為

33、

34、式中pref為雙饋風(fēng)機(jī)的輸出功率參考值；kmax為最大功率追蹤系數(shù)；ω0為雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)入最大功率追蹤區(qū)的初始風(fēng)速；ωmin為雙饋風(fēng)機(jī)能夠維持正常運(yùn)行的最小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ωw為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ω1為雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定區(qū)的初始轉(zhuǎn)速；pmax為雙饋風(fēng)機(jī)能夠發(fā)出的最大有功功率；ωmax為雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)入恒功率區(qū)的初始轉(zhuǎn)速；

35、雙饋風(fēng)機(jī)的無功出力為最大容量qdfigm表示為

36、qdfigm＝qcmax+qsmax

37、式中qcmax為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功出力最大容量；qsmax為定子側(cè)的無功出力最大容量；

38、當(dāng)雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償時，優(yōu)先調(diào)用轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的無功容量qc；當(dāng)qc不滿足要求時，再調(diào)用定子側(cè)的無功容量qs；

39、當(dāng)無功補(bǔ)償目標(biāo)值qall小于或等于qdfigm時，由雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償，靜止無功發(fā)生器不動作；

40、當(dāng)無功補(bǔ)償目標(biāo)值qall大于qdfigm時，將除qdfigm外的剩余無功容量由靜止無功發(fā)生器承擔(dān)，表示為qsvg＝qall-qdfigm，qsvg為靜止無功發(fā)生器輸出的無功容量；

41、靜止無功發(fā)生器的額定容量qsvgn表示以為qsvgn＝usvg2/z，usvg為靜止無功發(fā)生器的并網(wǎng)點(diǎn)逆變器交流側(cè)線電壓，z為靜止無功發(fā)生器的交流側(cè)等效電抗值。

42、步驟s3所述的根據(jù)步驟s2的功率分配結(jié)果，優(yōu)先調(diào)動雙饋風(fēng)機(jī)，基于雙饋風(fēng)機(jī)定子側(cè)變流器控制與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的無功補(bǔ)償，包括如下步驟：

43、根據(jù)步驟s2的功率分配結(jié)果，優(yōu)先調(diào)動雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償；

44、雙饋風(fēng)機(jī)進(jìn)行無功補(bǔ)償時，根據(jù)dq坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)機(jī)的簡化電壓方程和簡化磁鏈方程，進(jìn)行雙饋風(fēng)機(jī)的定子側(cè)變流器控制；同時，根據(jù)雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與電網(wǎng)之間交換的有功功率與無功功率，采用矢量控制模式，進(jìn)行雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制；

45、最終，通過定子側(cè)變流器控制與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的無功補(bǔ)償。

46、所述的步驟s3，具體包括如下步驟：

47、定子側(cè)變流器控制：

48、忽略雙饋風(fēng)機(jī)的定子電阻壓降，得到dq坐標(biāo)系下雙饋風(fēng)機(jī)的簡化電壓方程為：

49、

50、式中usd為定子側(cè)變流器電壓在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸上的分量；ωs為定子轉(zhuǎn)速；ψsq為定子磁鏈q軸分量；us為定子電壓；usq為定子側(cè)變流器電壓在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q軸上的分量；ψsd為定子磁鏈d軸分量；urd為轉(zhuǎn)子電壓d軸分量；ψrd為轉(zhuǎn)子磁鏈d軸分量；s為拉普拉斯系數(shù)；ψrq轉(zhuǎn)子磁鏈q軸分量；rr為轉(zhuǎn)子電阻；ird為定子電流在d軸的分量；urq為轉(zhuǎn)子電壓q軸分量；irq為定子電流在q軸的分量；

51、簡化磁鏈方程表示為

52、

53、式中l(wèi)s為定子電感；isd為定子電流d軸分量；lm為定轉(zhuǎn)子互感；ird為轉(zhuǎn)子電流d軸分量；isq為定子電流q軸分量；irq為轉(zhuǎn)子電流q軸分量；lr為轉(zhuǎn)子電感；

54、最終得到雙饋風(fēng)機(jī)定子發(fā)出的有功功率ps與無功功率qs為

55、

56、定子側(cè)變流器控制時，調(diào)整轉(zhuǎn)子電流q軸分量irq，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的定子側(cè)無功出力qs的控制；

57、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制：

58、雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與電網(wǎng)之間交換的有功功率pc與無功功率qc表示為

59、

60、式中ucd為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電壓在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸上的分量；icd為轉(zhuǎn)子變流器電流在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下d軸上的分量；ucq為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電壓在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q軸上的分量；icq為轉(zhuǎn)子變流器電流在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下q軸上的分量；

61、采用矢量控制時，ucq＝0，從而得到

62、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制時，調(diào)整轉(zhuǎn)子變流器電流在q軸上的分量icq，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)無功出力qc的控制。

63、步驟s4所述的根據(jù)步驟s2的功率分配結(jié)果，調(diào)用靜止無功發(fā)生器，基于模型參考自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償，包括如下步驟：

64、簡化靜止無功發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，得到靜止無功發(fā)生器的狀態(tài)空間表達(dá)式；

65、設(shè)計(jì)參考模型，用于指定靜止無功發(fā)生器的期望響應(yīng)；

66、最后，設(shè)計(jì)靜止無功發(fā)生器的模型參考自適應(yīng)控制律，實(shí)現(xiàn)靜止無功發(fā)生器的控制；

67、最終，實(shí)現(xiàn)靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償。

68、所述的步驟s4，具體包括如下步驟：

69、簡化靜止無功發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，建立數(shù)學(xué)模型，并得到狀態(tài)空間表達(dá)式：

70、根據(jù)靜止無功發(fā)生器的主電路圖，得到靜止無功發(fā)生器的單相等效電路為：第一電壓源的正極通過串接的第一電阻、第一電感和連接第二電壓源的正極，第一電壓源的負(fù)極和第二電壓源的負(fù)極直接連接；其中，第一電壓源的電壓為靜止無功發(fā)生器電容側(cè)電壓uc，第二電壓源的電壓為電網(wǎng)側(cè)電壓uv，第一電阻的阻值為靜止無功發(fā)生器的線路電阻rv，第一電感的電感值為靜止無功發(fā)生器的電感l(wèi)v；

71、利用電路元件關(guān)系，推導(dǎo)得到靜止無功發(fā)生器單相等效電路動態(tài)微分方程為

72、

73、式中iv為第二電壓源輸出的電流值；c為電容值；

74、引入狀態(tài)變量，得到靜止無功發(fā)生器的狀態(tài)空間表達(dá)式為

75、

76、式中xp為系統(tǒng)狀態(tài)變量，且為系統(tǒng)狀態(tài)變量的時間導(dǎo)數(shù)，且ap為系統(tǒng)狀態(tài)矩陣，且bp為系統(tǒng)輸入矩陣，且up為系統(tǒng)輸入變量，且up＝[uv]；

77、設(shè)計(jì)參考模型：

78、采用如下算式作為參考模型的表達(dá)式：

79、

80、式中xm為參考模型的狀態(tài)變量；為參考模型狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)；am為參考模型的狀態(tài)矩陣；bm為參考模型的輸入矩陣；yr參考模型的輸入變量；

81、設(shè)計(jì)靜止無功發(fā)生器的模型參考自適應(yīng)控制律：

82、設(shè)計(jì)得到靜止無功發(fā)生器模型與參考模型的跟蹤誤差方程為

83、

84、式中e為跟蹤誤差；為跟蹤誤差的導(dǎo)數(shù)；f為設(shè)計(jì)的狀態(tài)反饋控制器矩陣；k為設(shè)定的前饋控制器矩陣；

85、利用李雅普諾夫穩(wěn)定性理論調(diào)整k和f的自適應(yīng)律，以達(dá)到收斂狀態(tài)e(t)為t時刻的跟蹤誤差；

86、設(shè)定f(e,t)＝f0和k(e,t)＝k0時，靜止無功發(fā)生器模型與參考模型完全匹配，k和f為與跟蹤誤差、時間有關(guān)的變量，可表示為：f(e,t)和k(e,t)；f0、k0為完全匹配時的平衡值；

87、要使得靜止無功發(fā)生器模型與參考模型完全匹配，則必須滿足

88、

89、從而得到跟蹤誤差方程表示為

90、

91、式中為狀態(tài)反饋控制矩陣誤差，且為前饋控制矩陣誤差，且

92、

93、構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)v為

94、

95、式中p為第一正定對稱矩陣；tr為矩陣的跡；pf、pk為對稱正定矩陣；

96、將李雅普諾夫函數(shù)v對t求導(dǎo)，得到

97、

98、式中am為穩(wěn)定矩陣，且滿足p為第一正定矩陣，q為第二正定矩陣，q＝qt＞0；

99、為了保證李雅普諾夫函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)為負(fù)定，令的算式中的后兩項(xiàng)為0，則到模型參考自適應(yīng)控制律為

100、

101、式中r1、r2為待確定的參數(shù)矩陣；

102、最終，采用模型參考自適應(yīng)控制律對靜止無功發(fā)生器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償。

103、本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)所述靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償方法的系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)獲取模塊、無功分配模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊和協(xié)同控制模塊；數(shù)據(jù)獲取模塊、無功分配模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊和協(xié)同控制模塊依次串聯(lián)；數(shù)據(jù)獲取模塊用于獲取目標(biāo)電力系統(tǒng)、靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息上傳無功分配模塊；無功分配模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行目標(biāo)電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)呐卸ǎ⑦M(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)墓β史峙?，并將?shù)據(jù)信息上傳風(fēng)機(jī)控制模塊；風(fēng)機(jī)控制模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)功率分配結(jié)果，優(yōu)先調(diào)動雙饋風(fēng)機(jī)，基于雙饋風(fēng)機(jī)定子測變流器控制與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)的無功補(bǔ)償，并將數(shù)據(jù)信息上傳協(xié)同控制模塊；協(xié)同控制模塊用于根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)功率分配結(jié)果，調(diào)用靜止無功發(fā)生器，基于模型參考自適應(yīng)控制，實(shí)現(xiàn)靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償。

104、本發(fā)明提供的這種靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償方法及系統(tǒng)，根據(jù)靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)的自身特性設(shè)定無功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)先方案，并根據(jù)定子測變流器控制與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制實(shí)現(xiàn)對雙饋風(fēng)機(jī)的控制，根據(jù)模型參考自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)對靜止無功發(fā)生器的控制，因此本發(fā)明不僅能夠?qū)崿F(xiàn)靜止無功發(fā)生器和雙饋風(fēng)機(jī)協(xié)同的無功補(bǔ)償，而且可靠性更高，精確性更好。