一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法
阅读说明：本技术 一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法 (Permanent magnet direct-drive wind turbine generator oscillation suppression method under weak grid ) 是由 白正宇 姜文 张瑞春 田旭 李震 于 2021-02-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法,在网侧变流器中加入下垂控制,建立系统阻抗模型,并以阻抗分析法抑制系统振荡；通过下垂控制方法改变系统阻抗模型,并快速获取该阻抗模型,通过此阻抗模型优化系统参数,从而有效抑制系统振荡。(The invention discloses a method for suppressing oscillation of a permanent magnet direct-drive wind turbine generator under a weak grid, wherein droop control is added into a grid-side converter, a system impedance model is established, and system oscillation is suppressed by an impedance analysis method; the system impedance model is changed through a droop control method, the impedance model is rapidly obtained, and system parameters are optimized through the impedance model, so that system oscillation is effectively restrained.)
技术领域
本发明属于并网系统分析与控制技术领域，具体涉及一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法。
背景技术
由于化石燃料在生产电能的过程中会产生大量的污染物，造成环境的二次污染问题，危害人们的健康，因此可再生能源发电对人类社会与环境的可持续发展至关重要。风力发电技术是较为成熟，且发展前景广阔的新能源发电技术之一，在全球范围内实现了大规模的开发应用。永磁直驱风机由于效率高、寿命长、体积小且维护成本低的特点得到了广泛的应用。可再生能源发电在电网中比重的增大改变了电力系统由同步机主导的特性，造成了诸多振荡问题。
永磁直驱发电机通过机侧变流器与网侧变流器并入电网，机侧变流器输出直流电压通常由于大电容的存在较为稳定，可视为直流电压源，因此网侧变流器的控制和分析非常重要。变流器控制方式有PQ控制，V/F控制和下垂控制。PQ控制需要实时采集大电网的电压和频率，与之保持同步，无法保持一个稳定的状态。V/F控制下输出的电压和频率恒定，但是并网运行容易出现电流过流等故障。相比于前者，下垂控制下输出的电压频率由自身的控制输出，并网时系统的输出也更加的稳定。并网逆变器下垂控制可以有效调节各分布式电源之间的功率平衡，进而提高系统稳定性。
在现阶段通过下垂控制直驱风机网侧变流器交流端口的方法，仍存在着不少的稳定性问题，因此在使用此电气控制结构时，进行振荡抑制是现在亟需解决的难题。阻抗分析法是近年来受到广泛关注的稳定性分析方法，它具有分析方便，运算结构简单的优点。因此建立下垂控制直驱风机侧变流器交流端口阻抗模型，对系统电气结构进行振荡抑制，是本发明希望解决的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法，在网侧变流器中加入下垂控制，建立系统阻抗模型，并以阻抗分析法抑制系统振荡。
一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法，包括以下步骤：
步骤0、在电压电流双闭环之前加入下垂控制模块，用于提供压电流双闭环的电压幅值和角速度，该下垂控制模块控制表达式为：
其中，P0、Q0分别为直驱系统额定有功功率和无功功率，Kp为有功下垂系数，Kq为无功下垂系数，V0为电网额定电压幅值，ω0为电网额定频率，Vref、ωref分别为电压电流双闭环的给定电压幅值和角速度；
步骤1、输入当前系统参数，包括以下电气参数：直流电压Vdc、滤波电感Lf、滤波电感电阻Rf、滤波电容Cf，弱电网阻抗Zg；控制参数：下垂系数Kp、Kq，电压环PI控制参数Kvp、Kvi，电流环PI控制参数Kip、Kii，电流环解耦系数Kd；稳态值参数：基频电压幅值V1，基频电流幅值I1和基频电压电流幅值相位差通过该三个参数获得并网电压和电流的具体表达形式：
其中，fp表示谐波频率；Vp和Ip分别代表PCC并网点的正序电压和电流；弱电网阻抗为:s＝j·2πf，f代表频率；SCR表示短路比，P表示电网并网点处有功功率，f1表示电网基频；
步骤2、计算永磁直驱风电机组变流器下垂控制阻抗模型，考虑机-网耦合效应，计算出统一等效序阻抗模型，具体为：
序阻抗模型为：
耦合阻抗模型为：
其中：
机-网耦合效应对序阻抗的影响等效为与正序阻抗并联的阻抗：
弱电网下考虑机-网耦合效应的等效序阻抗模型为：
步骤3、根据步骤2得到的等效序阻抗模型，得到系统Nyquist曲线，判定该系统Nyquist曲线是否稳定，如果不稳定，即系统振荡，调节控制参数Kp，Kq，则此时等效序阻抗模型得到调节，不断调节参数Kp，Kq，直到使系统Nyquist曲线稳定。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法，通过下垂控制方法改变系统阻抗模型，并快速获取该阻抗模型，通过此阻抗模型优化系统参数，从而有效抑制系统振荡。
附图说明
图1为本发明实施例弱电网下永磁直驱风电机组网侧变流器结构示意图；
图2为本发明实施例网侧变流器下垂控制结构示意图；
图3为本发明实施例网侧变流器双闭环结构示意图；
图4为本发明实施例弱电网下基于阻抗建模的永磁直驱风电机组振荡抑制装置结构示意图；
图5为本发明的一种基于阻抗建模的永磁直驱风电机组变流器控制参数优化振荡抑制方法流程图；
图6为本发明实施例永磁直驱风电机组网侧变流器输出阻抗与弱电网阻抗比Nyquist曲线图；
图7为本发明实施例永磁直驱风电机组并网实验结果图；
图8为本发明实施例控制参数优化后永磁直驱风电机组网侧变流器输出阻抗与弱电网阻抗比Nyquist曲线；
图9为本发明实施例控制参数优化后永磁直驱风电机组并网实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种弱电网下永磁直驱风电机组振荡抑制方法，该方法包括以下步骤：
步骤0、本发明在电压电流双闭环之前加入下垂控制模块，如图1和2所示，用于提供压电流双闭环的电压幅值和角速度，该下垂控制模块控制表达式为：
其中，P0、Q0分别为直驱系统额定有功功率和无功功率，Kp为有功下垂系数，Kq为无功下垂系数，V0为电网额定电压幅值，ω0为电网额定频率，Vref、ωref分别为电压电流双闭环的给定电压幅值和角速度。
图3为本发明一实施例网侧变流器双闭环结构示意图。其中电压调节器和电流调节器都是PI控制器。Hv(s)和Hi(s)分别为电压调节器及电流调节其的传递函数，表示如下：
其中，Kvp、Kvi分别为电压环比例系数和积分系数；Kip、Kii分别为电流环比例系数和积分系数，Kd为电流环解耦系数。
双闭环传递函数为：
其中，Vdc为网侧变流器直流端电压值，Id和Iq分别为PCC点三相电流在三相坐标系下的频域表示。
步骤1、输入当前系统参数，包括以下电气参数：直流电压Vdc、滤波电感Lf、滤波电感电阻Rf、滤波电容Cf，弱电网阻抗Zg；控制参数：下垂系数Kp、Kq，电压环PI控制参数Kvp、Kvi，电流环PI控制参数Kip、Kii，电流环解耦系数Kd；稳态值参数：基频电压幅值V1，基频电流幅值I1和基频电压电流幅值相位差通过该三个参数可以获得并网电压和电流的具体表达形式：
其中，fp表示谐波频率；Vp和Ip分别代表PCC并网点的正序电压和电流。
设置参数调节范围与参数步进值。弱电网阻抗Zg(s)通过短路比SCR计算出具体数值。其中，s＝j·2πf，f代表频率；SCR表示短路比(由电网给出)，P表示电网并网点处有功功率，f1表示电网基频；
步骤2、计算永磁直驱风电机组变流器下垂控制阻抗模型，考虑机-网耦合效应，计算出统一等效序阻抗模型，具体为：
序阻抗模型和耦合阻抗模型：
其中，Ip2表示负序电流，对应的频率是±(fp-2f1)；
机-网耦合效应对序阻抗的影响可以等效为与正序阻抗并联的阻抗如下所示：
弱电网下考虑机-网耦合效应的等效序阻抗模型为：
步骤3、根据步骤2得到的等效序阻抗模型，得到系统Nyquist曲线，判定该系统Nyquist曲线是否稳定，如果不稳定，即系统振荡，此时在下垂控制模块的参数范围内按照参数步进调节控制参数Kp，Kq，则此时等效序阻抗模型得到调节，不断调节参数，直到使系统Nyquist曲线判定稳定。
本发明提供了一种弱电网下基于阻抗建模的永磁直驱风电机组振荡抑制装置，如图4所示，该装置包括如下模块：
1)控制输入模块401，用于在控制芯片中写入永磁直驱风电机组网侧变流器下垂控制程序并运行。
2)参数获取模块402，用于获取永磁直驱风电机组网侧变流器参数，包括电气参数：直流电压Vdc、滤波电感Lf、滤波电感电阻Rf、滤波电容Cf，弱电网阻抗Zg；下垂控制器控制参数：下垂系数Kp、Kq；电压电流环控制参数：电压环PI控制参数Kvp、Kvi，电流环PI控制参数Kip、Kii，电流环解耦系数Kd；稳态值参数：基频电压幅值V1，基频电流幅值I1和基频电压电流幅值相位差
3)阻抗模型计算模块403。用于通过以上所获取的参数，计算系统序阻抗模型Zp(s)和耦合阻抗模型Zc(s)；进一步地，考虑弱电网下的机-网耦合效应，将此影响等效为序阻抗的并联阻抗形式，得到统一序阻抗等效模型Zpq(s)。
4)参数调节模块404。用于通过上述阻抗模型判别系统稳定性，若此时系统振荡，优化系统下垂控制器控制参数，调节系统变流器阻抗模型，使系统Nyquist曲线判定稳定。
图6为本发明一实施例永磁直驱风电机组网侧变流器输出阻抗与弱电网阻抗比Nyquist曲线图。红色虚线表示阻抗比Zg/Zpq，曲线将点(-1,0)包含在内，因此系统不稳定。
图7为本发明一实施例永磁直驱风电机组并网实验结果图，从图中我们可以看出，三相电压及电流波形发生了明显的振荡现象。
可见此时系统Nyquist判定不稳定，且系统运行后发生振荡。
图8为本发明一实施例控制参数优化后永磁直驱风电机组网侧变流器输出阻抗与弱电网阻抗比Nyquist曲线。绿色虚线表示阻抗比Zg/Zpq，曲线未包含点(-1,0)在内，因此系统稳定。
图9为本发明一例实施控制参数优化后永磁直驱风电机组并网实验结果图，从图中我们可以看出，三相电压及电流波形运行平稳，没有发生振荡现象。
可见控制参数优化后的系统Nyquist判定稳定，且系统稳定运行。
根据本发明实施例提出的弱电网下基于阻抗建模的永磁直驱风电机组振荡抑制装置，能够有效优化系统阻抗模型，抑制系统振荡，保证系统稳定运行。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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