基于statcom的風(fēng)電場(chǎng)次同步與低頻振蕩抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)次同步與低頻振蕩抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自2010年中國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量達(dá)到4470萬(wàn)千瓦以來(lái)，我國(guó)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量一 直居世界首位。隨著我國(guó)對(duì)風(fēng)力發(fā)電的大力投入，風(fēng)力發(fā)電將在我國(guó)電力市場(chǎng)中占據(jù)更重 要的地位。
[0003] 由于風(fēng)能分布特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)一般離電力消費(fèi)地區(qū)較遠(yuǎn)，大規(guī)模風(fēng)電的遠(yuǎn)距離輸送 一直是一個(gè)急待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前在遠(yuǎn)距離大容量的輸電線路中，往往加入串聯(lián)補(bǔ)償 電容以提高系統(tǒng)的輸送能力。該方法取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，但是這種遠(yuǎn)距離、高串補(bǔ)度的 點(diǎn)對(duì)網(wǎng)輸電系統(tǒng)會(huì)引起次同步振蕩（Subsynchronous Oscillation, SS0)，導(dǎo)致機(jī)組損壞。 同時(shí)，風(fēng)電功率的隨機(jī)性及強(qiáng)波動(dòng)性給風(fēng)電廠帶來(lái)了較為嚴(yán)重的低頻振蕩（Low Frequency Os c i 11 at i on)問(wèn)題，亦會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)機(jī)組損壞。
[0004] 因此針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)特點(diǎn)，提出有效的振蕩抑制控制策略，對(duì)保證發(fā)電安全及發(fā)電質(zhì) 量有著重要意義。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于STATCOM的風(fēng) 電場(chǎng)次同步與低頻振蕩控制方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng) 次同步與低頻振蕩控制方法，包括以下步驟：
[0007] 1)在不投入STATCOM的情況下，通過(guò)Simulink仿真測(cè)量并計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的兩 個(gè)次同步振蕩頻率fSS(]JP f SSffi，以及低頻振蕩頻率4?;
[0008] 2)根據(jù)不同振蕩頻率設(shè)計(jì)次同步帶通濾波器FSS(]1、Fsst32和低頻帶通濾波器F
[0009] 3)將風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度增量分別通過(guò)次同步帶通濾波器 FSSm、FSS(]2和低頻帶通濾波器Fm3，獲得角速度增量的特定頻段分量Λ ωι、Λ ω#ΡΛ ω 3;使 用Prony方法對(duì)獲得的角速度特定頻段分量進(jìn)行分析，從而判斷是否有振蕩信號(hào)出現(xiàn)，以 及判斷振蕩的類別；
[0010] 4)根據(jù)風(fēng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整STATCOM控制策略：當(dāng)風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， STATCOM為基本無(wú)功控制模式；當(dāng)風(fēng)機(jī)處于振蕩狀態(tài)，即次同步振蕩模態(tài)SS01、次同步振蕩 模態(tài)SS02、低頻振蕩模態(tài)LFO時(shí)，通過(guò)計(jì)算式
I分別計(jì)算次同步振 蕩模態(tài)SS01、次同步振蕩模態(tài)SS02、低頻振蕩模態(tài)LFO的參考阻尼D( Λ Co1)、D( Λ ω2)和 D ( Λ ω 3)，其中i = 1，2, 3 ;采用切換控制方法，根據(jù)模態(tài)識(shí)別方法辨識(shí)振蕩模態(tài)，據(jù)振蕩模 態(tài)選擇對(duì)應(yīng)振蕩模態(tài)的參考阻尼，并通過(guò)限幅環(huán)節(jié)獲得參考阻尼作為STATCOM附加控制的 參考量；其中，K 1是控制增益，T w是濾波器時(shí)間常數(shù)，T u和T 12是相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)； ω i表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度；S表示復(fù)數(shù)；
[0011] 5) PffM調(diào)制單元輸出相應(yīng)的控制脈沖，控制STATC0M功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器的控制，使風(fēng)電場(chǎng)在不發(fā)生振蕩時(shí)采用無(wú)功控制方案，在發(fā)生振 蕩時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩的抑制控制。
[0012] 所述步驟2)中，對(duì)于次同步振蕩模態(tài)，以風(fēng)速10m/s時(shí)次同步振蕩頻率fsst^Pf SSQ2 的[90%，110% ]分別作為次同步帶通濾波器匕。1、匕。2的頻率，低頻帶通濾波器!^。的通 過(guò)頻率為[0.2, 3]Hz。
[0013] 所述步驟4)中，根據(jù)Prony模態(tài)識(shí)別方法辨識(shí)振蕩模態(tài)，據(jù)所述振蕩模態(tài)選擇對(duì) 應(yīng)振蕩模態(tài)的參考阻尼。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明能夠同時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的次同 步振蕩與低頻振蕩進(jìn)行抑制，降低了振蕩帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；不需要改變風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，通 過(guò)對(duì)STATCOM裝置控制策略的修改即可實(shí)現(xiàn)抑制風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組振蕩的目的；易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為為風(fēng)電場(chǎng)輸電并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為STATCOM控制系統(tǒng)示意圖；
[0017] 圖3為低頻振蕩與次同步振蕩抑制策略控制框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 以圖1為例的風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)，由風(fēng)電場(chǎng)等效模型i、升壓變壓器ii、輸電網(wǎng)絡(luò) iii、無(wú)窮大系統(tǒng)iv及控制系統(tǒng)V組成；其中，風(fēng)電場(chǎng)等效模型i包括多臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能捕捉 系統(tǒng)W、等效轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)TS、等效發(fā)電機(jī)IG、變壓器T1，等效轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)TS為兩質(zhì)量塊軸系傳 動(dòng)，等效發(fā)電機(jī)IG與變壓器Tl的阻抗分別為X'與X n;升壓變壓器ii阻抗為XT2;輸電網(wǎng) 絡(luò)iii線路電阻R、電感L的阻抗分別為XR、\，通過(guò)串聯(lián)電容C*對(duì)線路進(jìn)行補(bǔ)償，其阻抗為 Xc ;控制系統(tǒng)V包括振蕩識(shí)別模塊v-1、控制策略模塊v-2、STATCOM電路v-3。
[0019] 按照控制策略實(shí)施步驟設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)V結(jié)構(gòu)如圖2所示：
[0020] Step 1?對(duì)系統(tǒng)振蕩頻率進(jìn)行測(cè)量。首先切除控制系統(tǒng)V，對(duì)不含控制系統(tǒng)的風(fēng)力 發(fā)電機(jī)振蕩頻率進(jìn)行測(cè)量。例如串聯(lián)補(bǔ)償程度為65%，風(fēng)速在12m/s時(shí)，通過(guò)仿真計(jì)算獲得 發(fā)電機(jī)振蕩模態(tài)與頻率如表1所不：
[0021] 表 1
[0022]
[0023] 風(fēng)機(jī)發(fā)生頻率為33Hz、25Hz的次同步振蕩，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)出力在0% -15%時(shí)，還可 能發(fā)生頻率為〇. 2-3Hz的低頻振蕩。
[0024] Step 2.基于振蕩頻率測(cè)量結(jié)果，設(shè)計(jì)振蕩識(shí)別模塊v-1中各帶通濾波器頻率。
[0025] 對(duì)于次同步振蕩模態(tài)SS0USS02,以風(fēng)速10m/s時(shí)振蕩頻率的[90%，110% ]作為 帶通濾波器的頻率，計(jì)算獲得帶通濾波器&^通過(guò)頻率為[31. 5, 38. 5]Hz ;帶通濾波器Fssq2 通過(guò)頻率為[22. 5, 27. 5]Hz。
[0026] 低頻振蕩頻率由于和風(fēng)電場(chǎng)出力有關(guān)，設(shè)置帶通濾波器Fm3的通過(guò)頻率為 [0· 2, 3]Hz。
[0027] Step 3.本實(shí)施例中，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子角速度增量Λ ω作為振蕩檢 測(cè)參考信號(hào)。（亦可用其它采集信號(hào)作為檢測(cè)參考信號(hào)，例如風(fēng)機(jī)接入處總線電壓、頻率變 化等）。將角速度增量分別通過(guò)帶通濾波器F SS(]1、Fssi^P F SS(]1，將濾波后的特定頻段分量分 別經(jīng)由增益環(huán)節(jié)K1-K3，獲得角速度增量的特定頻段分量Λ ω1Ν Λ ?2和厶ω 3。輸入模態(tài)識(shí) 別環(huán)節(jié)，在模態(tài)識(shí)別環(huán)節(jié)中，使用Prony算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，分析出振蕩的類型，從而進(jìn) 行系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)判斷。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)有四種：
[0028] a.正常運(yùn)行；
[0029] b.發(fā)生頻率為35Hz左右的次同步振蕩（模態(tài)SS01);
[0030] c.發(fā)生頻率為25Hz左右的次同步振蕩（模態(tài)SS02);
[0031] d.發(fā)生頻率為0· 2~3Hz低頻振蕩（模態(tài)LF0)。
[0032] St印4.根據(jù)風(fēng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整STATC0M控制策略。STATC0M控制策略如圖 3所示；其中，v-2A為系統(tǒng)基本控制方法，v-2B為附加控制方法。
[0033] (1)風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)（運(yùn)行狀態(tài)a)時(shí)，STATC0M采用基本控制方法v-2A。 控制系統(tǒng)需要三個(gè)輸入信號(hào)，分別為交流系統(tǒng)總線電壓U 1, STATC0M輸出電流i。，鎖相環(huán)PLL 同步角度Θ。通過(guò)總線電壓U1、給定電壓參考值u"f，產(chǎn)生無(wú)功電流參考值iqraf;輸出電流 i。的經(jīng)計(jì)算獲得其無(wú)功分量i。q，并與所生成的無(wú)功電流參考值iq ^進(jìn)行比較，獲得的誤差 被用于控制產(chǎn)生相位移％:相位移供經(jīng)過(guò)與鎖相環(huán)同步角相疊加，產(chǎn)生STATC0M輸出電壓、 交流系統(tǒng)電壓之間所需相位移P '，經(jīng)SPffM調(diào)制，對(duì)STATC0M進(jìn)行控制。
[0034] (2)風(fēng)機(jī)處于振蕩狀態(tài)（運(yùn)行狀態(tài)b、c、d)時(shí)，STATC0M加入附加控制v-2B。對(duì)特 定頻段分量Λ ω#ΡΛ ω 3分別設(shè)計(jì)控制方式，針對(duì)三種振蕩模態(tài)分別設(shè)計(jì)控制器參 數(shù)，使其輸出附加控制的參考阻尼D(A Wl)、D(A ω2)和D(A ω3)。據(jù)模態(tài)識(shí)別環(huán)節(jié)的 判斷結(jié)果，選擇三個(gè)控制方案中的一種，經(jīng)由限幅環(huán)節(jié)，提供STATC0M附加控制的參考阻尼 信號(hào)D(A ω)。通過(guò)附加的參考阻尼信號(hào)D(A ω)調(diào)整無(wú)功電流參考值iqraf。參考阻尼 信號(hào)D( Λ ω)的計(jì)算式為
，例如針對(duì)25Hz頻率的次同步振蕩， 可選取 Tw= 10, T H= 0· 005, T 12= 0· 01。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)次同步與低頻振蕩抑制方法，其特征在于，包括以下步 驟： 1) 在不投入STATCOM的情況下，通過(guò)Simulink仿真測(cè)量并計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)的兩個(gè)次 同步振蕩頻率fSS(]JPfSSffi，以及低頻振蕩頻率4?; 2) 根據(jù)不同振蕩頻率設(shè)計(jì)次同步帶通濾波器FSS(]1、FSS(]2和低頻帶通濾波器F 3) 將風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)量獲得的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度增量分別通過(guò)次同步帶通濾波 器和低頻帶通濾波器Flf。，獲得角速度增量的特定頻段分量Ac^、A?2和厶《 3; 通過(guò)Prony算法快速判斷是否有振蕩信號(hào)出現(xiàn)，以及判斷振蕩的類別； 4) 根據(jù)風(fēng)機(jī)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整STATCOM控制策略：當(dāng)風(fēng)機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， STATCOM為基本無(wú)功控制模式；當(dāng)風(fēng)機(jī)處于振蕩狀態(tài)，即次同步振蕩模態(tài)SS01、次同步振蕩 模態(tài)SS02、低頻振蕩模態(tài)LF0時(shí)，通過(guò)計(jì)算式分別計(jì)算次同步振 蕩模態(tài)SS01、次同步振蕩模態(tài)SS02、低頻振蕩模態(tài)LF0的參考阻尼D(A%)、D(A?2)和D(A?3)，其中i= 1，2, 3 ;采用切換控制方法，根據(jù)模態(tài)識(shí)別方法辨識(shí)振蕩模態(tài)，據(jù)振蕩模 態(tài)選擇對(duì)應(yīng)振蕩模態(tài)的參考阻尼，并通過(guò)限幅環(huán)節(jié)獲得參考阻尼作為STATCOM附加控制的 參考量；其中，I是控制增益，Tw是濾波器時(shí)間常數(shù)，T和T12是相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)； ?i表示風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度；S表示復(fù)數(shù)； 5. PWM調(diào)制單元輸出相應(yīng)的控制脈沖，控制STATCOM功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而實(shí) 現(xiàn)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)側(cè)換流器的控制，使風(fēng)電場(chǎng)在不發(fā)生振蕩時(shí)采用無(wú)功控制方案，在發(fā)生振蕩時(shí) 實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩的抑制控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)次同步與低頻振蕩控制方法，其特征 在于，所述步驟2)中，對(duì)于次同步振蕩模態(tài)，以風(fēng)速10m/s時(shí)次同步振蕩頻率fSS()dPf%。2的 [90%，110% ]分別作為次同步帶通濾波器FSS(]1、FSS(]2的頻率，低頻帶通濾波器Flf。的通過(guò) 頻率為[0.2, 3]Hz。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)次同步與低頻振蕩控制方法，其特征 在于，所述步驟4)中，根據(jù)Prony模態(tài)識(shí)別方法辨識(shí)振蕩模態(tài)，據(jù)所述振蕩模態(tài)選擇對(duì)應(yīng)振 蕩模態(tài)的參考阻尼。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于STATCOM的風(fēng)電場(chǎng)次同步與低頻振蕩抑制方法，設(shè)計(jì)帶通濾波器，將振蕩檢測(cè)的參考信號(hào)通過(guò)濾波器，獲得特定頻段的分量，之后采用Prony算法對(duì)振蕩模態(tài)進(jìn)行識(shí)別；針對(duì)不同振蕩模態(tài)分別設(shè)計(jì)STATCOM控制策略，通過(guò)模態(tài)辨識(shí)結(jié)果對(duì)控制策略進(jìn)行切換，使風(fēng)電場(chǎng)能夠在不發(fā)生振蕩時(shí)采用無(wú)功控制方案，在發(fā)生振蕩時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)振蕩的抑制控制。本發(fā)明不需要改變風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)STATCOM裝置控制策略的修改即可實(shí)現(xiàn)抑制風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組振蕩的目的。
【IPC分類】H02J3/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105098803
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510643814
【發(fā)明人】劉芳, 馬俊杰, 吳敏, 劉意, 李勇
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年10月8日