[發明專利]網側次同步阻尼控制器全工況優化方法及裝置有效
| 申請號： | 201810031072.0 | 申請日： | 2018-01-12 |
| 公開（公告）號： | CN108134399B | 公開（公告）日： | 2020-10-13 |
| 發明（設計）人： | 謝小榮;張旭 | 申請（專利權）人： | 清華大學 |
| 主分類號： | H02J3/24 | 分類號： | H02J3/24 |
| 代理公司： | 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201 | 代理人： | 張潤 |
| 地址： | 10008*** | 國省代碼： | 北京;11 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關鍵詞： | 網側次 同步 阻尼 控制器 工況 優化 方法 裝置 | ||
1.一種網側次同步阻尼控制器全工況優化方法，其特征在于，包括以下步驟：
根據次同步阻尼計算器和次同步電流發生器獲取網側次同步阻尼控制器的受控電流源模型，其中，所述網側次同步阻尼控制器包括：次同步阻尼計算器和次同步電流發生器，次同步阻尼計算器包括：濾波器，用于從反饋信號中提取次同步頻率信號；電壓信號比例移相、電流信號比例移相、加法運算器，用于計算需要輸出的次同步電流；次同步電流發生器包括：變流器裝置控制器，用于根據次同步阻尼計算器生成的參考電流控制變流器裝置發出對應的電流；變流器裝置，用于發出需要的次同步電流；所述網側次同步阻尼控制器的受控電流源模型為：
iabc(s)＝HF(s)Hd(s)(Hci(s)iin(s)+Hcu(s)uin(s))，
其中，iabc(s)為實際輸出的電流，HF(s)為濾波器模型，Hd(s)為次同步電流發生器模型，Hci(s)為電流信號比例移相，Hcu(s)為電壓信號比例移相，iin為受控系統電流反饋信號；uin為受控系統電壓反饋信號；其中，
所述濾波器模型為任何實現帶通濾波、帶阻濾波、高通濾波或低通濾波功能的模擬式、數字式或其混合構成的濾波器，以從反饋信號中提取次同步分量，為HF(s)＝HP(s)HS(s)，包含帶通濾波器HP(s)和帶阻濾波器HS(s)；或者，其中，ωP是帶通濾波器中心頻率，ζP是帶通濾波器阻尼系數，ωS是帶阻濾波器中心頻率，ζS是帶阻濾波器阻尼系數，s＝jω表示復頻域；
所述電流信號比例移相用于實現對電流信號的放大和移相操作，為：Ki表示增益，Ti表示時間常數；
所述電壓信號比例移相用于實現對電壓信號的放大和移相操作，為：Ku表示增益，Tu表示時間常數；
所述次同步電流發生器模型表示由電力電子變流器實現的能產生次同步電流的裝備，其模型采用比例-滯后環節來描述，為：Kd表示輸出電流iabc相比于參考信號i*abc的幅值增益，Td表示輸出電流相比于參考信號的時間延遲；
根據風場和電網獲取受控系統的阻抗網絡模型，其中，受控系統包括風場和電網，其中，風場包括風機、變壓器、風電場內線路；電網包括串補線路、非串補線路、變壓器、受端系統；其中，
風機阻抗：ZWTG＝RWTG+jXWTG，風機阻抗模型包括：對于雙饋風機阻抗：
對于異步風機阻抗：ZWTG＝ZSEIG＝(rrs(s-jωr)-1+sLr)//(sLm)+Rs+sLs；對于永磁風機阻抗：ZWTG＝ZPMSG＝RPMSG+jXPMSG；
變壓器阻抗：ZT＝sLT+RT；
風場內線路阻抗和非串補線路阻抗：ZFL＝sLFL+RFL；
串補線路阻抗：ZCL＝sLCL+RCL+1/(sCCL)；
受端系統阻抗：ZSYS＝sLSYS+RSYS；
其中，RWTG：風機等效電阻；XWTG：風機等效電抗；LT：變壓器等效電感；RT：變壓器等效電阻；LT：變壓器等效電感；RT：變壓器等效電阻；LFL：非串補線路等效電感；RFL：非串補線路等效電阻；LCL：串補線路等效電感；RCL：串補線路等效電阻；CCL：串補線路的串補電容；LSYS：系統等效電感；RSYS：系統等效電阻；下標WTG、DFIG、PMSG、SEIG分別表示風機、雙饋風機、永磁風機、異步風機；Kp表示風機轉子控制環節比例常數；ωr表示風機轉子轉速；rr表示風機轉子電阻；Lr表示風機轉子電感；Lm表示風機勵磁電感；Rs表示風機定子電阻；Ls表示風機定子電感；RPMSG表示永磁風機等效電阻；XPMSG表示永磁風機等效電抗，在次同步頻率范圍可以表現為容性；
根據拓撲互聯起來，形成阻抗網絡模型，所述阻抗網絡模型為：
ZΣ＝Z風場+Z電網，
其中，Z風場為包括風機、變壓器、風場內線路和網側次同步阻尼控制的整體等效聚合阻抗模型，Z電網為包括串補線路、非串補線路、變壓器和受端系統的整體等效聚合阻抗模型；
通過所述受控電流源模型和所述阻抗網絡模型得到全工況綜合性能評價指標，具體地：風機數量變化范圍：nminWTG～nmaxWTG，根據風機數量變化范圍選擇NWTG種工況，其中：nminWTG表示風機數量最小值，nmaxWTG表示風機數量最大值；風速變化范圍：Wmin～Wmax，根據風速變化范圍選擇NW種工況，其中：Wmin表示風速最小值，Wmax表示風速最大值；串補度變化范圍：δmin～δmax，ω0表示工頻頻率，根據串補度變化范圍選擇Nδ種工況，其中：δmin表示串補度最小值；δmax表示串補度最大值；受端系統阻抗變化范圍：ZminSYS～ZmaxSYS；根據系統阻抗變化范圍選擇Nsys種工況，其中：表示ZminSYS表示受端系統阻抗最小值，ZmaxSYS表示受端系統阻抗最大值；選擇評價的工況總數：N＝NδNWTGNsysNW，ZΣ在次同步諧振頻率下的零點記為zSSR＝σ±jω，σ和ω分別表示實部和虛部，N種工況下的次同步諧振零點分別記為：zSSR1＝σ1±jω1，......，zSSRN＝σN±jωN；σ1，......σN對應的權重系數分別記為η1，η2，......ηN；所述全工況綜合性能評價指標為：f＝max{η1σ1,η2σ2,......ηNσN}，其中，σ表示實部，σ1、σ2......σN對應的權重系數分別記為η1、η2......ηN，以評價阻尼最差的工況，進而獲取所述網側次同步阻尼控制器的優化參數，以為優化網側次同步阻尼控制器的參數提供依據；以及
根據所述全工況綜合性能評價指標得到所述網側次同步阻尼控制器的全工況優化控制問題規范，以改善風電場次同步阻尼，并提高風電場的穩定性，具體地：控制器設計的目標是在風場全工況中最差的工況下能夠提供盡可能多的阻尼，同時考慮電流信號比例移相和電壓信號比例移相中增益和時間常數的約束條件，從而將所述全工況優化控制問題規范為約束優化問題，所述約束優化問題為：
min f＝max{η1σ1,η2σ2,......ηNσN}，
其中，Ki、Ku、Ti、Tu為控制系統的優化參數，Kupi、Kupu為Ki和Ku的上限值，Tup為Ti,Tu的上限值。
2.一種網側次同步阻尼控制器全工況優化裝置，其特征在于，包括：
第一獲取模塊，用于根據次同步阻尼計算器和次同步電流發生器獲取網側次同步阻尼控制器的受控電流源模型，其中，所述網側次同步阻尼控制器包括：次同步阻尼計算器和次同步電流發生器，次同步阻尼計算器包括：濾波器，用于從反饋信號中提取次同步頻率信號；電壓信號比例移相、電流信號比例移相、加法運算器，用于計算需要輸出的次同步電流；次同步電流發生器包括：變流器裝置控制器，用于根據次同步阻尼計算器生成的參考電流控制變流器裝置發出對應的電流；變流器裝置，用于發出需要的次同步電流，所述網側次同步阻尼控制器的受控電流源模型為：
iabc(s)＝HF(s)Hd(s)(Hci(s)iin(s)+Hcu(s)uin(s))，
其中，iabc(s)為實際輸出的電流，HF(s)為濾波器模型，Hd(s)為次同步電流發生器模型，Hci(s)為電流信號比例移相，Hcu(s)為電壓信號比例移相，iin為受控系統電流反饋信號，uin為受控系統電壓反饋信號；其中，
所述濾波器模型為任何實現帶通濾波、帶阻濾波、高通濾波或低通濾波功能的模擬式、數字式或其混合構成的濾波器，以從反饋信號中提取次同步分量，為HF(s)＝HP(s)HS(s)，包含帶通濾波器HP(s)和帶阻濾波器HS(s)；或者，其中，ωP是帶通濾波器中心頻率，ζP是帶通濾波器阻尼系數，ωS是帶阻濾波器中心頻率，ζS是帶阻濾波器阻尼系數，s＝jω表示復頻域；
所述電流信號比例移相用于實現對電流信號的放大和移相操作，為：Ki表示增益，Ti表示時間常數；
所述電壓信號比例移相用于實現對電壓信號的放大和移相操作，為：Ku表示增益，Tu表示時間常數；
所述次同步電流發生器模型表示由電力電子變流器實現的能產生次同步電流的裝備，其模型采用比例-滯后環節來描述，為：Kd表示輸出電流iabc相比于參考信號i*abc的幅值增益，Td表示輸出電流相比于參考信號的時間延遲；
第二獲取模塊，用于根據風場和電網獲取受控系統的阻抗網絡模型，其中，受控系統包括風場和電網，其中，風場包括風機、變壓器、風電場內線路；電網包括串補線路、非串補線路、變壓器、受端系統；其中，
風機阻抗：ZWTG＝RWTG+jXWTG，風機阻抗模型包括：對于雙饋風機阻抗：
對于異步風機阻抗：ZWTG＝ZSEIG＝(rrs(s-jωr)-1+sLr)//(sLm)+Rs+sLs；對于永磁風機阻抗：ZWTG＝ZPMSG＝RPMSG+jXPMSG；
變壓器阻抗：ZT＝sLT+RT；
風場內線路阻抗和非串補線路阻抗：ZFL＝sLFL+RFL；
串補線路阻抗：ZCL＝sLCL+RCL+1/(sCCL)；
受端系統阻抗：ZSYS＝sLSYS+RSYS；
其中，RWTG：風機等效電阻；XWTG：風機等效電抗；LT：變壓器等效電感；RT：變壓器等效電阻；LT：變壓器等效電感；RT：變壓器等效電阻；LFL：非串補線路等效電感；RFL：非串補線路等效電阻；LCL：串補線路等效電感；RCL：串補線路等效電阻；CCL：串補線路的串補電容；LSYS：系統等效電感；RSYS：系統等效電阻；下標WTG、DFIG、PMSG、SEIG分別表示風機、雙饋風機、永磁風機、異步風機；Kp表示風機轉子控制環節比例常數；ωr表示風機轉子轉速；rr表示風機轉子電阻；Lr表示風機轉子電感；Lm表示風機勵磁電感；Rs表示風機定子電阻；Ls表示風機定子電感；RPMSG表示永磁風機等效電阻；XPMSG表示永磁風機等效電抗，在次同步頻率范圍可以表現為容性；
根據拓撲互聯起來，形成阻抗網絡模型，所述阻抗網絡模型為：
ZΣ＝Z風場+Z電網，
其中，Z風場為包括風機、變壓器、風場內線路和網側次同步阻尼控制的整體等效聚合阻抗模型，Z電網為包括串補線路、非串補線路、變壓器和受端系統的整體等效聚合阻抗模型；
計算模塊，用于通過所述受控電流源模型和所述阻抗網絡模型得到全工況綜合性能評價指標，具體地：風機數量變化范圍：nminWTG～nmaxWTG，根據風機數量變化范圍選擇NWTG種工況，其中：nminWTG表示風機數量最小值，nmaxWTG表示風機數量最大值；風速變化范圍：Wmin～Wmax，根據風速變化范圍選擇NW種工況，其中：Wmin表示風速最小值，Wmax表示風速最大值；串補度變化范圍：δmin～δmax，ω0表示工頻頻率，根據串補度變化范圍選擇Nδ種工況，其中：δmin表示串補度最小值；δmax表示串補度最大值；受端系統阻抗變化范圍：ZminSYS～ZmaxSYS；根據系統阻抗變化范圍選擇Nsys種工況，其中：表示ZminSYS表示受端系統阻抗最小值，ZmaxSYS表示受端系統阻抗最大值；選擇評價的工況總數：N＝NδNWTGNsysNW，ZΣ在次同步諧振頻率下的零點記為zSSR＝σ±jω，σ和ω分別表示實部和虛部，N種工況下的次同步諧振零點分別記為：zSSR1＝σ1±jω1，......，zSSRN＝σN±jωN；σ1，......σN對應的權重系數分別記為η1，η2，......ηN；所述全工況綜合性能評價指標為：f＝max{η1σ1,η2σ2,......ηNσN}，其中，σ表示實部，σ1、σ2......σN對應的權重系數分別記為η1、η2......ηN，以評價阻尼最差的工況，進而獲取所述網側次同步阻尼控制器的優化參數，以為優化網側次同步阻尼控制器的參數提供依據；以及
處理模塊，用于根據所述全工況綜合性能評價指標得到所述網側次同步阻尼控制器的全工況優化控制問題規范，以改善風電場次同步阻尼，并提高風電場的穩定性，具體地：控制器設計的目標是在風場全工況中最差的工況下能夠提供盡可能多的阻尼，同時考慮電流信號比例移相和電壓信號比例移相中增益和時間常數的約束條件，從而將所述全工況優化控制問題規范為約束優化問題，所述約束優化問題為：
min f＝max{η1σ1,η2σ2,......ηNσN}，
其中，Ki、Ku、Ti、Tu為控制系統的優化參數，Kupi、Kupu為Ki和Ku的上限值，Tup為Ti,Tu的上限值。
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