CN114865655B

CN114865655B - 基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法与系统

Info

Publication number: CN114865655B
Application number: CN202210501113.4A
Authority: CN
Inventors: 刘俊峰; 吴敏海
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2022-05-10
Filing date: 2022-05-10
Publication date: 2024-11-29
Anticipated expiration: 2042-05-10
Also published as: CN114865655A

Abstract

本发明公开了一种基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法与系统，获取并网逆变器公共耦合点PCC的d轴分量v_d和q轴分量v_q；将公共耦合点电压的d轴分量v_d和q轴分量v_q作为并网逆变器锁相环的输入变量，区别于传统锁相环，其将锁相环的维度扩充至二维，能有效抑制频率耦合效应。同时，通过在锁相环q轴中进行实时的相位补偿，能够有效抑制因为电网电压波动和谐波分量的存在所导致的锁相环输出的相位与实际相位存在偏差的问题。进一步的提高了风电机组的稳定性。工程实现简单，同时无需增加额外成本，能广泛适用于风电变流器、光伏逆变器等并网逆变器规模接入电网需要与电网同步的场景。

Description

基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法与系统

技术领域

本发明涉及风力发电的技术领域，尤其是指一种基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法与系统。

背景技术

随着电力系统中高比例新能源设备、高比例电力电子设备的趋势以及可再生能源的需求越来越大，越来越多的基于双馈感应电机(Doubly-fed Induction Generator，DFIG)的风力发电接入到电网之中。但由于弱电网的交互，即使设计精良的DFIG风力发电系统在弱电网下也可能产生较大的谐振问题。如在中国北部的风电场中观测到的约6.8Hz，美国ERCOT报道的多起由双馈电机及其控制系统和串补电网交互所引起的次同步振荡现象。以及双馈电机与并联补偿电网、柔直电网交互所引起的高频振荡。一般将次同步振荡与高频振荡统称为宽频振荡。而次同步振荡中广泛存在频率耦合现象，影响风电机组并网逆变器的正常运行。现有技术中针对宽频振荡的抑制方法包括基于附加设备的振荡抑制技术、改进控制方法、基于附加阻尼控制器的振荡抑制技术三种方法。但是均存在抑制效果不佳、成本过高等问题，同时也忽略了频率耦合问题。

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法，区别于传统锁相环只能得到电网相位信息的d轴分量，对称锁相环能够同时得到电网相位信息的d轴分量和q轴分量，提高风电机组的稳定性和对称性。并针对电网电压存在扰动和谐波分量时导致的对称锁相环输出的相位与实际相位存在偏差相位Δθ，进行实时相位补偿，进一步提高风电机组的稳定性。

本发明的第二目的在于提供一种基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制系统。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法，包括以下步骤：

1)对风电机组并网逆变器公共耦合点三相电压进行采样，获取风电机组并网逆变器公共耦合点三相电压V_a、V_b、V_c，并输入到并网逆变器的控制器中；

2)将公共耦合点三相电压V_a、V_b、V_c作为并网逆变器对称锁相环的输入变量，进行αβ变换和dq变换，得到V_a、V_b、V_c的d轴分量v_d和q轴分量v_q；

3)将dq轴分量v_d、v_q通过PI环节和积分环节，分别得到电网的相位θ的d轴分量θ_d和q轴分量θ_q；

4)对对称锁相环的输出电压进行实时相位补偿，当电网电压存在扰动和谐波分量时，会导致对称锁相环输出的相位与实际相位存在偏差相位Δθ，从而需要进行实时相位补偿，最终通过对称锁相环所提供的精准相位信息实现风电机组振荡抑制。

进一步，在步骤1)中，通过电压传感器将公共耦合点的三相电压V_a、V_b、V_c输入到并网逆变器的控制器中。

进一步，在步骤2)中，将输入的三相电压V_a、V_b、V_c进行αβ变换和dq变换，分别得到V_a、V_b、V_c的α轴分量v_α、β轴分量v_β、d轴分量v_d和q轴分量v_q，计算公式如下：

式中，θ_d为电网的相位θ的d轴分量，θ_q为电网的相位θ的q轴分量，作为对称锁相环dq轴输出相位信息。

进一步，在步骤3)中，将dq轴分量v_d、v_q通过PI环节和积分环节，其中d轴的给定为电网电压定向下电网电压的d轴分量v_d＝311V，q轴的给定为电网电压定向下电网电压的q轴分量v_q＝0V，从而分别得到电网的相位θ的q轴分量θ_q和d轴分量θ_d，θ＝θ_d+jθ_q，虚数将v_d和v_q分别带入对称锁相环节进行处理，使传统的一维锁相环扩充至二维锁相环，其中d轴加入负反馈环节，让v_d跟随给定V₁，V₁＝|V_a+V_b+V_c|为三相电压V_a、V_b、V_c合成幅值，确保电网电压幅值的稳定，PI环节输出的值经过积分环节输出角度θ_q，θ_q反映了电网电压幅值的波动，稳态时θ_q＝0，q轴则与传统的锁相环结构相同，输出电压θ_d，反映了电网的实时相位信息；将对称锁相环输出相位信息进一步为三相电压V_a、V_b、V_c实现dq变换，使得并网逆变器输出与电网同步，从而提高风电机组的稳定性与对称性。

进一步，在步骤4)中，Δθ的计算过程如下：

式中，V₁＝|V_a+V_b+V_c|为三相电压V_a、V_b、V_c合成幅值，由于实时相位补偿环节的存在，弥补了因为电网电压的扰动及谐波分量所导致的锁相环锁相不精确的问题，最终通过对称锁相环所提供的精准相位信息实现风电机组振荡抑制。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制系统，包括：

电压采集与处理模块，使用电压传感器将风电机组并网逆变器公共耦合点的三相电压信息V_a、V_b、V_c输入到并网逆变器的控制器中，将公共耦合点三相电压V_a、V_b、V_c作为并网逆变器对称锁相环的输入变量，进行αβ变换和dq变换，得到V_a、V_b、V_c的d轴分量v_d和q轴分量v_q，作为对称锁相环的输入信息；

对称锁相环模块，将dq轴分量v_d、v_q通过PI环节和积分环节，分别得到电网的相位θ的d轴分量θ_d和q轴分量θ_q；

实时相位补偿模块，对对称锁相环的输出电压进行实时相位补偿，当电网电压存在扰动和谐波分量时，会导致对称锁相环输出的相位与实际相位存在偏差相位Δθ，从而需要进行实时相位补偿，最终通过对称锁相环所提供的精准的相位信息实现风电机组振荡抑制。

进一步，在电压采集与处理模块中，通过电压传感器将公共耦合点的三相电压V_a、V_b、V_c输入到并网逆变器的控制器中，将输入的三相电压V_a、V_b、V_c进行αβ变换和dq变换，分别得到V_a、V_b、V_c的α轴分量v_α、β轴分量v_β、d轴分量v_d和q轴分量v_q，计算公式如下

式中，θ_d为电网的相位θ的d轴分量，θ_q为电网的相位θ的q轴分量，为对称锁相环dq轴输出相位信息。

进一步，在对称锁相环模块中，将dq轴分量v_d、v_q通过PI环节和积分环节，其中d轴的给定为电网电压定向下电网电压的d轴分量v_d＝311V，q轴的给定为电网电压定向下电网电压的q轴分量v_q＝0V，从而分别得到电网的相位θ的q轴分量θ_q、d轴分量θ_d，θ＝θ_d+jθ_q，虚数对称锁相环输出的电网电压相位信息传递到电压采集与处理模块，为公共耦合点电压dq变换提供输入信息，通过闭环负反馈，实现并网逆变器输出与电网同步，从而提高风电机组的稳定性与对称性。

进一步，在实时相位补偿模块中，Δθ的计算过程如下：

式中，V₁＝|V_a+V_b+V_c|为三相电压V_a、V_b、V_c合成幅值。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明基于复相量理论，将电网电压通过dq变换所得到的v_d、v_q同时接入锁相环，即关注电网的相位，又关注电网电压幅值的变化，能够有效抑制频率耦合效应，提高风电机组的稳定性。

2、本发明通过在锁相环q轴中加入相位补偿环节，从而减弱了由于电网电压的扰动所导致的锁相环相位输出不准确的问题，进一步提高风电机组的稳定性。

3、对比基于附加设备的振荡抑制方式，本发明实现简单，同时无需增加额外成本，能广泛适用于风电变流器、光伏逆变器等并网逆变器规模接入电网的场景。

附图说明

图1是并网逆变器接入交流电网逻辑框图。

图2为传统的锁相环原理图。

图3为本发明所提出的对称实时相位补偿的锁相环原理图。

图4为本发明仿真波形图。

图5为本发明系统的架构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

风电机组接入交流电网的网侧变换器及其控制等值模型，如附图1所示，R_g、L_g分别为弱电网的电阻、电感，Vga、Vgb、Vgc分别为电网三相电源电压，R_f、L_f分别为并网逆变器的电阻、电感。风电机组与电网的公共耦合点PCC处电压为V_a、V_b、V_c，电流采样分别为三相线电流i_a、i_b、i_c。

传统的并网逆变器锁相环如附图2所示，传统的锁相环通过以锁相环输出角度θ对V_a、V_b、V_c进行αβ变换和dq变换，分别得到V_a、V_b、V_c的α轴分量v_α、β轴分量v_β、d轴分量v_d和q轴分量v_q，计算公式如下：

因为v_q＝0时，等效于公共耦合点电压V_a、V_b、V_c合成电压矢量与d轴重合。通过形成负反馈，不断修正θ，直至v_q＝0。最终稳定的θ即为合成电压矢量的真实相位值。

但是在电网电压存在波动以及弱电网的情况下，存在不同频率的扰动分量同时电网的阻抗会使得公共耦合点电压相位与电网电压相位存在偏移。电网电压幅值即Ud＝311V也会产生波动，此时会导致锁相环锁相存在偏差。由于锁相环的不对称结构，同时会导致频率耦合效应。为此需要对传统的锁相环结果进行改进。

如图3所示，本实施例提供了一种基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法，包括：

1)通过电压传感器将风电机组并网逆变器公共耦合点PCC处的三相电压V_a、V_b、V_c输入到控制器中。

2)控制器输入的三相电压V_a、V_b、V_c进行αβ变换和dq变换，分别得到V_a、V_b、V_c的α轴分量v_α、β轴分量v_β、d轴分量v_d和q轴分量v_q计算公式如下：

3)将dq轴分量v_d、v_q通过PI环节和积分环节，其中d轴的给定为电网电压定向下电网电压的d轴分量v_d＝311V，q轴的给定为电网电压定向下电网电压的q轴分量v_q＝0V。从而分别得到电网的相位θ的q轴分量θ_q和d轴分量θ_d，θ＝θ_d+jθ_q，虚数将v_d和v_q分别带入对称锁相环节进行处理，使传统的一维锁相环扩充至二维锁相环，其中d轴加入负反馈环节，让vd跟随给定V₁，V₁＝|V_a+V_b+V_c|为三相电压V_a、V_b、V_c合成幅值，确保电网电压幅值的稳定，PI环节输出的值经过积分环节输出角度θ_q，θ_q反映了电网电压幅值的波动，稳态时θ_q＝0。q轴则与传统的锁相环结构相同，输出电压θ_d，反映了电网的实时相位信息。将对称锁相环输出相位信息进一步为三相电压V_a、V_b、V_c实现dq变换，使得并网逆变器输出与电网同步，从而提高风电机组的稳定性与对称性。

4)对对称锁相环的输出电压进行实时相位补偿，当电网电压存在扰动和谐波分量时，会导致对称锁相环输出的相位与实际相位存在偏差相位Δθ，Δθ的计算过程如下：

由于实时相位补偿环节的存在，弥补了因为电网电压的扰动及谐波分量所导致的锁相环锁相不精确的问题，最终通过对称锁相环所提供的精准相位信息实现风电机组振荡抑制。

本实例基于复相量理论，将电网电压V_a、V_b、V_c通过dq变换所得到的V_d、V_q同时接入锁相环，即关注电网的相位，又关注电网电压幅值的变化，能够有效抑制频率耦合现象。通过在锁相环q轴中加入相位补偿环节，从而减弱了由于电网电压的扰动所导致的锁相环相位输出不准确的问题，方法实现简单，同时无需增加额外成本，能广泛适用于风电变流器、光伏逆变器等并网逆变器规模接入电网的场景和风电规模接入交流电网的应用场景，同时也适用于各种需要使用并网逆变器接入电网的应用场景，如光伏发电、轨道交通网侧逆变器等。

图4为本发明仿真波形图，仿真结果表明在电网电压幅值波动的情况下，V_d能够较好地保持稳定，锁相环提供的相位信息与实际相位信息相吻合，具有较好的稳定性。

以上附图中所示的功能块可以通过硬件、软件、固件或者它们的组合物理实现。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明则具体体现为是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

实施例2

本实施例提供了一种基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制系统，参见图5所示，该系统包含以下功能模块：

进一步，在电压采集与处理模块中，通过电压传感器将公共耦合点三相电压V_a、V_b、V_c输入到控制器中，将输入的三相电压V_a、V_b、V_c进行αβ变换和dq变换，分别得到V_a、V_b、V_c的α轴分量v_α、β轴分量v_β、d轴分量v_d和q轴分量v_q，计算公式如下

进一步，在对称锁相环模块中，将dq轴分量v_d、v_q通过PI环节和积分环节，其中d轴的给定为电网电压定向下电网电压的d轴分量v_d＝311V，q轴的给定为电网电压定向下电网电压的q轴分量v_q＝0V，从而分别得到电网的相位θ的q轴分量θ_q和d轴分量θ_d，θ＝θ_d+jθ_q，虚数对称锁相环输出的电网电压相位信息传递到电压采集与处理模块，为电网电压dq变换提供输入信息，通过闭环负反馈，实现并网逆变器输出与电网同步，从而提高风电机组的稳定性与对称性。

进一步，在实时相位补偿模块中，Δθ的计算过程如下：

式中，V₁＝|V_a+V_b+V_c|为三相电压V_a、V_b、V_c合成幅值。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）对风电机组并网逆变器公共耦合点三相电压进行采样，获取风电机组并网逆变器公共耦合点三相电压、、，并输入到并网逆变器的控制器中；

2）将公共耦合点三相电压、、作为并网逆变器对称锁相环的输入变量，进行变换和dq变换，得到、、的d轴分量和q轴分量；

将输入的三相电压、、进行变换和dq变换，分别得到、、的轴分量、轴分量、d轴分量和q轴分量，计算公式如下：

；

式中，为电网的相位的d轴分量，为电网的相位的q轴分量，作为对称锁相环dq轴输出相位信息；

3）将dq轴分量、通过PI环节和积分环节，分别得到电网的相位的d轴分量和q轴分量；

将dq轴分量、通过PI环节和积分环节，其中d轴的给定为电网电压定向下电网电压的d轴分量=311V，q轴的给定为电网电压定向下电网电压的q轴分量=0V，从而分别得到电网的相位的q轴分量和d轴分量，，虚数；将和分别带入对称锁相环节进行处理，使传统的一维锁相环扩充至二维锁相环，其中d轴加入负反馈环节，让跟随给定V₁，为三相电压、、合成幅值，确保电网电压幅值的稳定，PI环节输出的值经过积分环节输出角度，反映了电网电压幅值的波动，稳态时，q轴则与传统的锁相环结构相同，输出电压，反映了电网的实时相位信息；将对称锁相环输出相位信息进一步为三相电压、、实现dq变换，使得并网逆变器输出与电网同步，从而提高风电机组的稳定性与对称性；

4）对对称锁相环的输出电压进行实时相位补偿，当电网电压存在扰动和谐波分量时，会导致对称锁相环输出的相位与实际相位存在偏差相位，从而需要进行实时相位补偿，最终通过对称锁相环所提供的精准相位信息实现风电机组振荡抑制。

2.根据权利要求1所述的基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法，其特征在于，在步骤1）中，通过电压传感器将公共耦合点的三相电压、、输入到并网逆变器的控制器中。

3.根据权利要求1所述的基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制方法，其特征在于，在步骤4）中，的计算过程如下：

；

式中，为三相电压、、合成幅值，由于实时相位补偿环节的存在，弥补了因为电网电压的扰动及谐波分量所导致的锁相环锁相不精确的问题，最终通过对称锁相环所提供的精准相位信息实现风电机组振荡抑制。

4.基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制系统，其特征在于，包括：

电压采集与处理模块，使用电压传感器将风电机组并网逆变器公共耦合点的三相电压信息、、输入到并网逆变器的控制器中，将公共耦合点三相电压、、作为并网逆变器对称锁相环的输入变量，进行变换和dq变换，得到、、的d轴分量和q轴分量，作为对称锁相环的输入信息；

对称锁相环模块，将dq轴分量、通过PI环节和积分环节，分别得到电网的相位的d轴分量和q轴分量；

实时相位补偿模块，对对称锁相环的输出电压进行实时相位补偿，当电网电压存在扰动和谐波分量时，会导致对称锁相环输出的相位与实际相位存在偏差相位，从而需要进行实时相位补偿，最终通过对称锁相环所提供的精准的相位信息实现风电机组振荡抑制。

5.根据权利要求4所述的基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制系统，其特征在于，在电压采集与处理模块中，通过电压传感器将公共耦合点的三相电压、、输入到并网逆变器的控制器中，将输入的三相电压、、进行变换和dq变换，分别得到、、的轴分量、轴分量、d轴分量和 q轴分量，计算公式如下

；

式中，为电网的相位的d轴分量，为电网的相位的q轴分量，为对称锁相环dq轴输出相位信息。

6.根据权利要求4所述的基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制系统，其特征在于，在对称锁相环模块中，将dq轴分量、通过PI环节和积分环节，其中d轴的给定为电网电压定向下电网电压的d轴分量=311V，q轴的给定为电网电压定向下电网电压的q轴分量=0V，从而分别得到电网的相位的q轴分量、d轴分量，，虚数；对称锁相环输出的电网电压相位信息传递到电压采集与处理模块，为公共耦合点电压dq变换提供输入信息，通过闭环负反馈，实现并网逆变器输出与电网同步，从而提高风电机组的稳定性与对称性。

7.根据权利要求4所述的基于对称锁相环相位补偿的风电机组振荡抑制系统，其特征在于，在实时相位补偿模块中，的计算过程如下：

；

式中，为三相电压、、合成幅值。